遥感技术在内河航运中的应用与发展分析

王少渤，逯跃锋,2*，闻俏，徐长庆

（1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255000；2.中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101）

内河航运是指船舶在江河航线之间进行货物运输，属于水路运输业。内河航运运能较大，且投资少、能耗低、污染少、较稳定，适合运输没有时效性要求的大宗货物。截至2020年末，我国内河航道通航里程为12.77万km，等级航道为6.73万km，可通航50吨级船舶。通航里程长、航道级别高是我国发展内河航运的巨大优势。依靠得天独厚的地理优势，我国内河航运发展较好，且促进了水路运输和经济发展。然而，由于航运技术更新不及时以及相关部门管理标准不统一，水运行业发展也存在着一些问题。航运安全问题和污染问题制约着内河船舶运输的发展。

遥感技术飞速发展，通过多尺度多分辨率的遥感影像能得到详细的地物信息。船舶领域的导航发展显得相对迟缓，许多船舶依然采用传统内河航运技术，遥感技术的应用相对匮乏，这与船舶更新换代周期较长以及海上通信信号不良有关，但更多的是应用于海上导航系统开发的力度不够。鉴于此，通过调查分析我国内河航运发展现状，结合相关资料，本文分析了内河航运的难点以及遥感技术在内河航运中的应用，并对如何提高航运智能化、现代化以及绿色安全航运提出了建议。

1 内河航运发展现状

我国内河运输业发展较早，但战乱对内河运输造成了一定的破坏，新中国成立后，内河运输业迅速恢复发展。其主要表现在：①内河运输量不断增长；②经整治通航里程显著增加；③对老港口进行技术改造，建设新型机械化码头等；④运输船舶更新换代，逐渐大型化等。经过多年发展逐渐形成了以长江、珠江、京杭运河、黑龙江等水系为主体的内河航运体系，其中长江、珠江、京杭运河航运量占全国航运量的80%以上。

近年来，政府大力投资水路建设，发展内河航运，其中内河投资主要集中在航道建设等领域。自2016年开始，我国内河水运交通固定资产投资均在500亿元以上，2018年后均在600亿元以上，水运交通固定资产投资的逐年增长，说明我国对内河运输的重视和大力发展。2016—2020年我国内河水运交通固定资产投资额如图1所示。

图1 2016—2020年我国水运交通固定资产投资额

随着水运建设投资的增多，内河港口不断完善和发展，我国内河港口吞吐量也不断增加，水运行业蓬勃发展。在货物吞吐结构方面，内河港口吞吐增速较快，自2016年开始我国内河港口货物吞吐量均在47亿吨以上，2020年全国港口完成货物吞吐量145.50亿吨，比上年增长4.3%，其中内河港口完成50.70亿吨，增长6.4%。2016—2020年我国内河港口货物吞吐量如图2所示。

图2 2016—2020年我国内河港口货物吞吐量

当然，海上遥感技术也有新的发展，尤其是北斗卫星导航系统的建成。北斗系统逐渐应用于内河导航设施，提高了内河航运的安全性和精确性，提升了我国海上交通管理效率和运输安全水平。

2 内河航运技术难点

2.1 内河航道管理混乱

随着我国经济发展和运输需要，政府大力投资航道建设，内河航道等级有了很大提升，但相应的航道信息化、现代化建设严重不足。内河航道管理模式和水平落后，主要表现为：①有关部门对内河航道管理信息化建设不重视，资金投入少，同时缺乏技术支持，导致内河航道管理水平落后；②航道信息更新不及时，很多单位仍使用原始的纸质航道地图，没有最新的内河航道、岸线以及岸边标志物的信息和变化情况，开展工作时不仅浪费时间而且易引发不同航线之间的矛盾冲突，不利于航运工作的展开。

2.2 船舶定位困难

船舶定位是内河航运的基础之一，将直接影响航运安全。船舶定位的主要方法为：

1）基于SAR的船只目标检测方法。该方法主要是利用微波遥感获取的影像来检测船只，生成的影像空间分辨率高，能更好地分辨船只类型和位置，使用起来较灵活；但对天气条件较苛刻、续航时间较短、成本太高，不太适用于内河船只的检测[1]。

2）无线电波导航。该方法是通过航道沿线架设的基站发出电波，船舶上安装的电台和定向天线接收电波，船舶会对准电波传输的方向，这样根据天线的方向航行，船舶就能到达目的地。该方法的局限性非常大，因为实际航行中，一旦超出无线电波范围，定位精度将变得非常低，且有许多地方难以架设基站。该方法受天气影响较大，在恶劣天气下，无线电受到电磁干扰难以准确接收。

3）离线电子海图和纸质海图。许多船只不具备水上定位导航系统，只依靠经验和纸质地图进行航行，盲目性较大，无法应对航道变化。当船只出现故障或突发应急情况时，无法准确定位船只位置，给救援带来很大的困难。

4）卫星定位导航。卫星定位导航技术应用于航海导航可追溯到20世纪60年代，早期的卫星定位时间较长，精度也较低，只能用于二维导航；后期采用美国的GPS系统进行定位导航，但GPS系统受美国限制，在安全性和稳定性上有很大隐患，且GPS系统定位精度不足。我国内河航运部分航道狭窄，多经过山区等复杂地形，依靠GPS系统难以保证船舶航行的安全。随着我国北斗卫星导航系统的逐渐发射组网，民用行业开始采用北斗系统进行导航，但由于其发展和组网完成时间较晚，用户数量还不是很多，目前大多数安装卫星定位导航的船只仍使用GPS系统。

2.3 航路航标标准不明确

内河航标主要用于江、河等水域，承担指示航道、航线、障碍物、深度、架空、水下管线、预报风情、指挥狭窄航道交通等重要作用，完善的航标系统能增加内河运输的安全性[2]。内河航标问题主要包括施工标准不统一和航标维护管理不到位等。

1）由于内河航标的标准不统一、航标分布不合理以及施工标准和时间不同，导致各航道航标的大小规格和材质各不相同，因此船舶航行时需根据经验辨认不同航标，盲目性较大。同时，由于材质规格等不同，给后期维护也带来了很大困难。

2）航标的维护管理模式落后，工作落实不到位。目前很多相关航道单位对航标维护不够重视，没有配备合理的人员进行航标维护。维护管理模式落后，航标数字化严重不足，没有专门航标系统对航标数量和状态进行统计查询。另外，航标维护人员不仅承担着维护航标的责任，还要检查航道变化、航道水深等，这些工作在相关部门并没有得到重视。

3 遥感技术在内河航运中的应用

3.1 遥感技术在内河航道方面的应用

目前，人工测量仍是许多内河航道信息获得的主要方式，但该方式不仅费时费力，而且效率不高、实时性差。宋玉梅[3]通过对遥感图像进行处理，提出了一种提取遥感影像覆盖区域内河航道信息的方法。刘涛[4]基于数字地球基础网格模型构建了一种融合遥感影像数据、电子航道图数据、三维模型数据、地形数据等空间数据的多维航道模型；并基于该模型构建了多维航道基础平台，为用户提供多维可视、信息多元化的航道空间数据系统。

本文针对内河航道管理混乱的问题，提出了3条建议：

1）相关部门应出资建设内河航道管理系统，进行内河航道的GIS数字化建设，建立内河航道数字中心；构建地理数据库和动态Web系统，将电子航道图录入地理数据库供船舶导航使用。

2）内河水域相关部门应定期采集、整理相应航道水域的通行状况、船舶流量、水上事故等。例如，在航道沿岸、桥梁（碍航物）上架设摄像头、雷达以及激光传感器，同时在水中架设水质传感器等，实时获取航道的船流量、水流速度等信息，再通过Web系统实时分析处理，动态展现出来。

3）建立合理的管理模式，对航道管理相关部门的队伍进行专业化培训。招聘高素质人才和专业技术人员，推进内河航道管理现代化。

交通运输部在2019年6月24日发布了《内河电子航道图技术规范》。该规范从数据源、物标与编码、数据结构与文件、显示、检验、数据保护等多方面统一了内河电子航道图的技术标准，同时规范了内河电子航道图的制作、更新维护等，为我国内河航运标准规范带来很大帮助。

3.2 遥感技术在船舶定位方面的应用

航运安全一直是内河航运中最重要的问题，而航运安全中最重要的是船舶的定位导航，是对船舶位置的及时监控。随着遥感技术的发展，其越来越多地被应用于船舶定位中

3.2.1 遥感影像识别在内河船舶定位中的作用

现阶段许多学者对从卫星遥感影像中提取目标船只进行了研究，如尚敏[5]通过研究卫星遥感影像中船舶的目标特征算法和特征参数，提出了一种从卫星遥感影像中快速有效提取船舶目标物的算法；邓剑勋[6]通过融合影像多尺度分割和目标提取技术，针对遥感影像进行了分析，实现了对遥感影像船舶目标识别。目前基于遥感影像的船舶目标识别技术发展较快，未来有望广泛地应用于船舶的影像识别中。

3.2.2 北斗卫星导航系统在船舶定位导航中的应用

1）导航授时、地基增强和精密单点定位均对船舶航行具有重要作用。北斗卫星的精准授时功能，为同步时间网、提高航运网络通信质量提供了可能。航运干线的北斗卫星高精度定位主要依托差分北斗，以提高北斗定位精度。联合使用地基增强和精密单点定位功能，有助于提高船舶定位精度[7]。

2）短报文通信功能是北斗系统区别于其他导航系统的优势功能。该功能多用于应急通信，北斗短报文功能不受通信距离和条件限制，能及时接收遇险信息；且短报文具有回执功能，双向通信对于险情的处理具有巨大帮助。自2012年开始，北斗系统已正式开始对外提供区域服务，北斗短报文通信功能已开始在水上应急管理中投入使用。

3.2.3 船舶智能化与自动化航行技术

随着人工智能技术的日益成熟，越来越多的交通设施运用了人工智能技术，如无人机、自动驾驶汽车等。近年来，交通运输部发布了《智能船舶发展行动计划（2019—2021年）》《智能航运发展指导意见》等文件，标志着我国对发展智能船舶、智能航运做出了重要的战略选择。2017年12月上海成功研制了全球第一艘智能船舶“大智号”，这也是全球第一艘通过船级社认证的智能船舶。我国智能船舶建造技术已位于世界前列。

目前造船技术还有待发展，船舶智能化有待完善，但已有了很好的开始。智能船舶需搭配相应的智能设施，如智能自动化港口、自动化航运服务、先进的监管服务等。只有大力发展配套设施、共同发展，才能使我国的智能化船舶技术发展得越来越好。

3.3 遥感技术在内河航标方面的应用

内河航标管理主要包括两个方面：①结合遥感影像和WebGIS系统实现对航标的实时监控，可更加及时、全面、高效地进行航标的管理与维护，大幅减少维护成本，缩短故障响应时间，为航路安全提供保障；②采用辅助手段（如视频监控等）对航标进行监控，直接从外观上观察航标是否故障，该方式在恶劣天气下或GIS系统出现故障时，能及时应对。

另外，交通运输部在2020年5月20日发布了《内河航标技术规范》，从多个方面统一了内河航标技术内容，为以后航标的制作和管理提供了统一的标准，方便航标的现代化数字化信息化管理。该规范的提出，将大量减少因航标规格不同而带来的航运安全问题，并减轻维护困难，是内河航标管理技术进步的重大举措。

4 结语

内河航运是我国的支柱产业之一，在经济发展中占有重要地位。通过研究内河航运面临的技术难点以及遥感技术在内河航运方面的应用，结合我国目前内河航运的发展现状，本文对内河航运的未来提出了以下展望：

1）航运能力将大幅增加。随着国家对内河航运行业的逐渐重视，全国各地许多航道同步进行航道拓宽复航工程，建设码头等配套设施，大量政策资金倾斜。未来随着航道的加宽增多，许多大吨量级的船舶可正常通行，将大幅提高内河航运量。

2）航运安全性将显著提高。随着内河航道的信息化管理、内河航标的规范以及各种定位技术的实现，将大量避免航运过程中事故，显著提高航运的安全性。

3）航运现代化。随着人工智能的发展以及无人船等技术的研究，未来智能船舶、智能航行、智慧航道、智慧码头等现代化信息化智能化的高新技术将取代复杂繁琐低效且安全风险较高的人工工作。现代智能化航运将是未来发展的一大趋势，带领航运事业走向辉煌。