基于三维GIS的数字航道建设研究初探
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【摘 要】目的：分析3DGIS在数字航道建设中的可行性和重大意义。方法：文献综述。结果：通过初步研究认为基于3DGIS的数字航道建设在技术和理论上是可行的，对此研究意义重大。结论：研究表明，基于3DGIS的数字航道建设研究是未来此方面研究的热点趋势，我们要加深和拓宽相关方面研究。
1 研究背景和意义
1998年1月，美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念。从此，数字地球的概念迅速传遍全球。为了提高我国内河航道管理的效能，使之更好地服务于内河航运经济发展，我国内河航道的建设者和管理者提出了“数字航道”的概念[1]。“数字航道”是基于网络环境的、以数字信息为核心的航道信息体系[2]。就是通航水道电子航道图及航运相关信息的数字化，通过先进的网络技术、遥感遥测技术、地理信息系统、通讯、计算机模拟等多种技术对航道业务流程、各类航道信息变化进行实时动态监控管理。
随着交通部、航道局等部门对“数字航道”的日益重视[3]，对虚拟航道、三维航道的要求也愈渐迫切。同时在实际航道应用中，对三维环境中的应用和要求也较为迫切。虽然对3S技术在航道领域的研究和应用并不鲜见[4-7]，但在数字航道研究方面国内外仍处于起步发展阶段[8]，特别是对三维GIS下的数字航道研究。因此，本文围绕三维数字航道，从GIS角度进行了初步探索。
2 国内外的研究现状
2.1 基于3S技术的数字永定河
适普公司承担的“数字永定河”项目为水利工程设计与管理、监督应用提供了先进的3S技术和全面的解决方案。其主要功能如下：①水利工程建筑物的管理。水利工程建筑物的管理是二维、三维GIS集成技术应用的一个重要方面，它能充分展现二维GIS的数据管理能力和三维可视化GIS在三维水工建模方面的能力。②地下水利工程可视化与水利工程细节的可视化。对地下水利工程建筑物（如泄洪洞）进行可视化和管理，在此基础上，可以进行剖面分析，实时生成水利工程的断面图，进而可以查看水利工程的内部构造信息。
2.2 基于ENC水深数据生成三维地形的系统
Fugawi Marine ENCTM是美国Fugawi公司开发的，用在个人电脑上供航海人员使用的软件。该软件拥有常用的航海功能，如航线设计，GPS接收，RADAR作业，海图作业等[9]。它可以支持多种格式的海图：C-MAP，S-57ENC甚至是普通的地图相片也支持。它能够在效果很好的三维环境下查看海图或地图。从三维环境中可以看清楚水深点，等深线，岸线等海图上的信息。另外利用鼠标、键盘或者游戏杆控制可以进行三维漫游，也可以在三维海图上进行GPS定位。
3 GIS在数字航道领域的作用
3.1 数字航道对GIS系统的要求
（1）海量数据一体化管理。数字航道与空间位置信息是密切相关的，其航道综合数据库除了包括河床地形基本数据、水文资料数据、助航标志数据、跨河建筑物与过江管线数据、航道维护计划数据、基本建设工程数据、整治建筑物基本数据、工程船舶基本数据等多类型的数据。以外，海量的空间数据和三维影像数据也是数字航道综合数据库的重要组成部分。
（2）支持网络化的分布式计算与集成。航道部门由于职能的不同分布于流域中的不同位置上，它们利用网络互联技术相互实现资源共享，这就要求GIS系统能够支持B/S、C/S模式的多层分布式计算，支持Internet/Intranet等国际标准。
（3）二维GIS、三维GIS、webGIS与航道模型的无缝集成。作为二维GIS、WebGIS在航海领域的特殊应用，电子航道图系统要能够利用先进的计算机网络技术、数据通信技术和地理信息处理技术，实现水道测量管理、电子航道图生成、全过程的自动化、一体化和网络化。为通航船舶、各航运相关部门和企事业单位及时提供最新的电子航道图服务。
3.2 三维GIS的主要功能
三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外，还具有如下独有的功能：
（1）包容一、二维对象。三维GIS不仅要表达三维对象，而且还要研究一、二维对象在三维空间中的表达。三维空间中的一、二维对象与传统GIS二维空间中的一、二维对象在表达上是不一样的。传统的二维GIS是将一、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维Gls是将一、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。
（2）可视化2.5维、三维对象。三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及到三维对象，就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。
（3）三维空间DBMS管理。三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统，也可能由面向对象的空间数据库系统存储、管理三维空间对象。
（4）三维空间分析。在二维GIS中，空间分析是GIS区别于CAD与科学计算可视化的特有功能，在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同对空间对象进行三维表达与管理，使得三维GIS明显不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。
4 基于三维GIS的数字航道建设
基于三维GIS的三维数字航道，其特点就是它能在计算机中再现真实的、虚拟的三维世界，在这种三维世界中，不仅要求能够真实再现内河航道的三维景观，同时要能对各种类型的数据进行有效的管理和开发，对数据进行多种分析和应用以提供决策支持。另外，对航道模型进行监管及科学的模拟计算，并将监管及计算结果实时、友好的表现和模拟出来，能根据与模拟结果匹配的监控、导航等调度预案，提供直观的三维可视化指挥调度，为决策者提供了更加直观、综合的辅助决策信息。
4.1 技术框架
基于三维GIS的“数字航道”的整体框架划分为4个层次：①航道数据采集和处理层次，主要是对各种原始资料和数据进行处理以形成合乎规范要求的航道地形数据、航道影像数据、航道三维模型数据和专题数据等；②航道数据库管理层次，即对各种航道数据进行有机组织与分布式管理，以高效获得满足需求的信息；③航道三维可视化、查询与分析层次，主要是提供服务于航道应用的各种开发平台和工具；④航道应用层次，此层次在第3个层次与航道专业应用模型的基础上，可构建多种多样的航道应用模型。
4.2 功能结构
三维GIS应用系统通过更新摄像机位置和视角来实现场景漫游的功能，与数据库交互实现航道信息查询、航道地形分析、航标数据更新、船舶数据更新等功能。主要提供了服务于航道应用的平台和工具。三维GIS应用系统的功能结构由三维空间数据处理子系统、三维可视化地理信息子系统、三维动态数据处理子系统三个子系统构成。
（1）三维空间数据处理子系统。三维空间数据处理子系统负责三维Gls综合应用系统中的基础数据（DEM、DOM、DLG、DRG和纹理等）的处理和集成，包括基础文件格式的支持和格式转换等，最后将生成的符合测绘和应用标准的三维空间数据输出给三维可视化地理信息子系统。
（2）三维可视化地理信息子系统。三维可视化地理信息子系统主要用于三维空间数据的预处理，利用三维空间数据创建三维基础场景，在三维基础场景中进行模型的编辑和地理信息的显示、查询、统计、分析等功能，最后将基于三维场景进行空间信息更新。
（3）三维动态数据处理子系统。三维动态数据处理是将三维场景中的动态数据进行更新，以便在使用过程中，新的数据来临时，不需要重新进行三维场景的构件，系统自动连接动态数据源，更新场景中的数据。
4.3 三维场景的应用模式
（1）三维场景的Gls查询与漫游。GIS查询与漫游分为两种应用模式，即单机应用模式和基于WEB多终端的分布式应用模式，以实现航道水面以上场景和水面以下地貌的多种形式浏览，包括飞行、漫游等。同时查询航道中航标及岸上重要建筑物的属性，可根据实际情况采用两种模式结合的混合模式。
（2）三维场景的GIS分析。数据分析是GIS的根本。系统所涉及到的业务分析属于GIS范畴，如流量计算、断面计算、流量分析等。
（3）基于三维场景的特定对象的监控。三维航道的一种应用模式是基于三维场景的特定对象的监控。在三维航道中动态显示航道船舶、航标的实时位置状态，并能根据航标属性的变化实时更新航标显示，如三维船舶动态监控、三维航标动态监控。
5 结束语
本文对基于三维GIS的数字航道建设进行了初步探索，这将对目前正快速发展的数字航道起到积极的推动作用，设计的系统的技术框架和功能结构可为内河的通航安全管理、航道维护管理、海难搜救、旅游开发等提供良好的技术平台。对于三维航道还需要作深入研究。
【参考文献】
[1]胡宁，刘杨. 数字航道技术在内河航道管理中的应用[J].水运工程，2007，10：52-54.
[2]宁晓东.长江全力打造数字航道[N] .长江航运报，2004（1）.
[3]吕建军，王玲. 基于MAPGIS平台的航道信息管理系统的设计与实现[J].武汉理工大学学报信息与管理工程版，2004，26（5）：1-4.
[4]陈一梅.利用卫星遥感分析闽江口深水航道演变[J].水运工程，2003（7）：30-33.
[5]李矩海，等.CWA2000水道演变分析系统的设计与实现[J].海洋测绘，2002，22（4）：30-33.
[6]万大斌，李国祥，等.建设长江“数字航道”的构想[J].水运工程，2004（11）：22-25.