長江上游航道三維數(shù)字化管理研究

袁軼，宋秋林

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

1 引 言

長江經(jīng)濟帶作為中國新一輪改革開放轉(zhuǎn)型實施新區(qū)域開放開發(fā)戰(zhàn)略，是具有全球影響力的內(nèi)河經(jīng)濟帶。三峽工程實施以來，長江上游這一重要的航運資源作為長江經(jīng)濟帶的重要組成，日益突顯，但由于長江上游水域情況復(fù)雜，航道管理難度較大，“東方之星”郵輪沉沒事件、“10·28”萬州公交墜江事件等水上公共安全事件對航道管理提出了更高的要求。

面對習(xí)總書記對長江經(jīng)濟帶建設(shè)的重要指示精神，抓好長江上游航道數(shù)字化管理[1]，探索基于水上水下一體化、三維可視化的新管理手段，打造開放的三維航道空間信息服務(wù)平臺，為長江經(jīng)濟帶安全發(fā)展提供高精度空間位置服務(wù)，推進航道資源的深度融合應(yīng)用，將極大提升航道管理水平，提高宏觀決策、事件推演、應(yīng)急指揮等工作中的響應(yīng)能力[2]。

本文就探討以航道水上水下一體化管理建設(shè)為切入點，以長江上游航道為工作區(qū)，以三維地理空間大數(shù)據(jù)為支撐，構(gòu)建長江上游三維航道數(shù)字化管理體系，探討總體目標(biāo)、技術(shù)路線及主要工作內(nèi)容并給出實施建議。

2 研究目標(biāo)

本研究以三峽庫區(qū)長江航道段“黃金水道”作為研究區(qū)域，該航道安全、有序地道運行對推動長江經(jīng)濟帶建設(shè)具有重要意義，而精細(xì)化、三維化、空間化的三維航道信息系統(tǒng)建設(shè)將為航道管理、水上安全保障提供信息化支撐，其水上安全信息化建設(shè)具有非常明確且緊迫的需求[3]。

本研究目標(biāo)是將豐富、完整的時空大數(shù)據(jù)服務(wù)于航道三維信息管理，并通過水上水下空間數(shù)據(jù)采集與融合、信息系統(tǒng)研發(fā)，提升水上應(yīng)急管理在宏觀決策、事件推演、應(yīng)急指揮等工作中的響應(yīng)能力，更好支撐長江經(jīng)濟帶的發(fā)展建設(shè)。

3 研究路線

技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

(1)研究構(gòu)建長江上游航道三維航道圖

采集水上、水下高精度三維空間數(shù)據(jù)資源，開展水上、水下數(shù)據(jù)融合，同時整合岸邊、消落帶、礁石等航道資源，研究構(gòu)建長江經(jīng)濟帶長江上游航道的三維航道圖，形成支撐航道大數(shù)據(jù)整合與服務(wù)的基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)資源。

(2)探索航道專題三維數(shù)據(jù)資源整合

全面整合航道管理工作相關(guān)的港口、碼頭、客輪、躉船、橋梁、過江索道及電纜設(shè)施等多源水上信息資源，研究構(gòu)建水上資源空間大數(shù)據(jù)。

(3)研發(fā)長江航道三維空間信息服務(wù)平臺

以開放服務(wù)為目標(biāo)，提供三維空間數(shù)據(jù)資源服務(wù)、交換及融合能力，能夠支撐水上管理多源空間數(shù)據(jù)的接入和空間定位，與應(yīng)急管理信息深度融合，適應(yīng)指揮調(diào)度、船載平臺、移動指揮等多種應(yīng)用場景。

4 長江上游航道三維航道圖構(gòu)建研究

三維航道圖以三維地理空間信息為表達形式，全面突破了傳統(tǒng)航道圖的局限[4]。本研究通過獲取多源、高精度的三維航道數(shù)據(jù)，利用三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)[5]，構(gòu)建長江航道宜賓至重慶段三維虛擬地理環(huán)境，形成三維可視化、水上水下一體化的三維航道圖。主要研究內(nèi)容包括：

(1)岸上地形數(shù)據(jù)庫

基于多源、多種比例尺的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、正射影像圖數(shù)據(jù)經(jīng)過疊加后形成的具有真實地表紋理的數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫。

(2)航道水下地形數(shù)據(jù)庫

通過水上無人測量船、GNSS、多波束掃測聲吶等技術(shù)裝備，采集長江航道的水下地形資源，覆蓋長江上游航道重慶段約 384 km水域，如圖2所示。

圖2 水下地形數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫集成流程

基于航道多波束掃測成果，形成航道水下地形DEM，結(jié)合水下調(diào)查資料水下河床性質(zhì)(卵石、河沙、河泥、河灘、消落帶)進行建模，疊加礁石模型，形成高精度航道水下地形數(shù)據(jù)庫[6]，如圖3所示。

圖3 水下地形三維模型效果

(3)城市三維實景模型數(shù)據(jù)庫

城市三維實景模型具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、周期短、效果真實直觀等方面優(yōu)勢，能夠精準(zhǔn)還原地形地貌、地表建構(gòu)筑物、城市環(huán)境，應(yīng)用于自然資源調(diào)查、監(jiān)測、確權(quán)登記與開發(fā)利用管理，城市違法建筑巡查與管理，以及國土空間規(guī)劃論證、國土空間生態(tài)修復(fù)、鄉(xiāng)村振興等領(lǐng)域。本研究采集了長江上游航道重慶段約 384 km水域沿線 5 cm～8 cm的傾斜攝影數(shù)據(jù)并構(gòu)建了三維實景模型數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

圖4 航道三維實景模型

(4)城市三維仿真模型數(shù)據(jù)庫

基于基礎(chǔ)測繪成果和真實照片進行三維建模的成果，包括建筑、道路、地面、植物、小品、其他等圖層，城市三維模型是按照實際位置、尺寸、式樣、紋理等，為每一個獨立實體模型構(gòu)建的精確三維模型，編輯和粘貼紋理，確定其準(zhǔn)確的空間位置。具有高精度、細(xì)節(jié)豐富直觀的特點。本研究采集了長江上游航道重慶段約 384 km水域沿線城市建成區(qū)三維仿真模型數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 航道三維仿真模型

5 航道專題三維數(shù)據(jù)資源整合研究

(1)水上設(shè)施數(shù)據(jù)采集

全面采集航道上港口、碼頭、客輪、躉船、橋梁、過江索道及電纜設(shè)施等，形成空中、地面、水面及水下全方位的數(shù)據(jù)資源[7]。

(2)構(gòu)建航道設(shè)施三維數(shù)據(jù)庫

在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，利用三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開展水上設(shè)施三維模型建設(shè)，建設(shè)航道資源信息數(shù)據(jù)庫，如圖6、圖7所示。

圖6 航道設(shè)施三維仿真模型

圖7 客輪、躉船三維仿真模型

(3)其他行業(yè)資源匯聚整合

全面整合航道傳播信息、水文信息、氣象信息、安全監(jiān)測信息和其他經(jīng)濟人文信息，匯聚整合航道設(shè)施傳感設(shè)備數(shù)據(jù)、跨河橋梁等重要建構(gòu)筑物實時動態(tài)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成航道綜合信息大數(shù)據(jù)[8]，如圖8所示。

圖8 水位數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測模擬

6 航道三維空間信息服務(wù)平臺建設(shè)研究

按照研究總體思路，長江航道三維空間信息服務(wù)平臺將充分運用三維航道圖、航道專題三維數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，利用地理信息系統(tǒng)、三維可視化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，構(gòu)建航道三維空間信息服務(wù)平臺[9，10]，建立服務(wù)重慶市長江航道管理及相關(guān)單位的綜合管理服務(wù)平臺。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖9所示：

圖9 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)基底層

數(shù)據(jù)基底層主要包括航道三維空間信息服務(wù)平臺運行所需的支撐數(shù)據(jù)，包括，三維航道地圖是指為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)空間展示的數(shù)據(jù)；航道專題三維數(shù)據(jù)是支撐航道業(yè)務(wù)管理的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)配置、個性化界面配置以及用戶權(quán)限等的基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)。

(2)核心平臺層

根據(jù)平臺的運行要求技術(shù)選型，采用ArcGIS空間服務(wù)平臺作為系統(tǒng)地理信息服務(wù)平臺，數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫，三維引擎采用自主研發(fā)的“集景三維數(shù)字城市平高臺”，并在.net開發(fā)框架下上完成航道三維空間信息服務(wù)平臺的整體開發(fā)。

(3)應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)是在航道三維空間信息服務(wù)平臺，為航道管理局提供應(yīng)用服務(wù)。

①高精度三維虛擬航道可視化

通過三維航道地圖和航道專題三維數(shù)據(jù)的集成，構(gòu)建了高精度的三維虛擬航道環(huán)境(圖10)，實現(xiàn)了水上與水下一體化展示效果。

圖10 三維虛擬航道可視化模擬

②綜合信息查詢

面向管理用戶和終端提供全面的信息集成服務(wù)，在三維場景中實時調(diào)取航標(biāo)信息、地名、水位(水深)信息、航行里程等，同時將航線進行動態(tài)標(biāo)識，實現(xiàn)航行模擬等，如圖11所示。

圖11 航道航界信息查詢

③安全預(yù)警分析

基于三維航道地圖，能快速識別影響航行安全的相關(guān)因素，如水下礁石、建構(gòu)筑物、沉船等，水上的橋梁、架空線纜等設(shè)施，能自動根據(jù)當(dāng)前實時水位分析航行的安全凈空距離，并提供航線調(diào)整方案，如圖12所示。

圖12 凈空預(yù)警

④輔助決策

航道維護是管理部門的重要職能，信息平臺實現(xiàn)對水下地形的分析，對重要航段水下疏浚的清淤方量能動態(tài)計算[11]，模擬疏浚后對航道的影響評價，并給予工程量預(yù)算參考。在新建港口、碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施時，通過平臺功能提供選址分析、新航線設(shè)計等。

⑤應(yīng)急管理

集成常用航道事件應(yīng)急管理流程，實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案可視化調(diào)度，可實現(xiàn)應(yīng)急狀態(tài)下資源調(diào)度、事件分析、預(yù)案執(zhí)行等功能，如圖13所示。

圖13 應(yīng)急預(yù)案可視化

7 展 望

通過長江上游航道三維數(shù)字化管理研究，本文不僅梳理了服務(wù)三維航道圖建設(shè)的海量、多源空間數(shù)據(jù)資源體系，切實構(gòu)建了長江上游航道三維底圖；而且通過研發(fā)長江航道三維空間信息服務(wù)平臺，整合了服務(wù)航道管理的專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，更為航道信息融合服務(wù)、應(yīng)急管理、指揮調(diào)度等業(yè)務(wù)服務(wù)應(yīng)用提供了技術(shù)方案和示范案例，能夠進一步提升長江航道規(guī)劃、建設(shè)、管理的能力。

在本文研究基礎(chǔ)上，長江上游航道三維數(shù)字化管理還可進行更加深入的研究拓展，能夠探索如何進一步完善長江全航段及主要支流水上水下三維一體化服務(wù)體系，形成整合長江航道及周邊支流通航數(shù)據(jù)資源池，全方位覆蓋其管理的空間數(shù)據(jù)資源；探索構(gòu)建更加開放的空間資源服務(wù)平臺，進一步實現(xiàn)基于三維服務(wù)的信息發(fā)布、共享、交互與集成應(yīng)用，滿足長江經(jīng)濟帶各管理部門的空間數(shù)據(jù)資源服務(wù)需求；探索航道空間信息服務(wù)軍民融合發(fā)展，進一步提升三維空間信息在平戰(zhàn)結(jié)合、搶險救災(zāi)等應(yīng)急響應(yīng)的服務(wù)能力。