数字航道与航道数学模型的数据交换方法应用研究

张扬

摘 要：以长江下游黑沙洲水道为例，研究CAD航道图及S-57电子航道图的数据提取方法并完成与数学模型的数据交换，建立黑沙洲水道数字高程模型（DEM），并应用地理信息系统（GIS）的空间数据分析功能，提取浅滩演变的特征数据，为统计分析模型的建立提供技术手段。

关键词：数字航道；电子航道图；数字高程模型；数据提取；数据分析

引言

长江航道将于“十二五”期间全面建成数字航道，初步建成智能航道，基本实现长江航道现代化。数字航道在利用计算机网络、无线通讯、卫星定位、地理信息等技术手段，整合航道数据资源，实现航道通航运营、维护管理信息化、智能化等方面已取得了长足的进步。但是，在数字航道快速发展的过程中，传统航道图、清华山维测绘成果图、CAD格式航道图、S-57格式电子航道图等多种格式的航道数据资料并存，需要对多种格式的航道数据进行整合，进行数据交换，使数字航道中大量的数据更有效的用于航道演变预测，为航道管理部门提供航道维护辅助决策，从而进一步提高航道管理部门决策的科技水平，推进智能航道的发展。

文章选取长江下游的典型整治河段黑沙洲水道为研究对象，该水道上起板子矶（航道里程489km），下至高安圩（航道里程475km），水道首尾狭窄、中部展宽，属于鹅头型分汊水道。水道中部的黑沙洲与天然洲，将该河道分成中、北、南三个水道。其中黑沙洲南水道是长江下游重要浅险水道之一，也是“十二五”期建造的航道整治建筑物所在地，有非常重要的研究价值。

文章研究CAD航道图及电子航道图的数据提取方法，完成与数学模型的数据交换；通过提取的数据建立黑沙洲水道数字高程模型（DEM），并应用地理信息系统（GIS）的空间数据分析功能，提取浅滩演变的特征数据，为统计分析模型的建立提供技术手段。

1 数据提取与处理的技术路线

充足的河床地形数据是完成水道演变分析的基础，目前水下地形数据主要采用GPS导航配合数字测深仪的方法或多波束扫测进行采集。同时，水深数据被保存成多种的数据格式。文章收集的黑沙洲水道地形资料不仅有CAD格式航道图，还有S-57格式电子航道图，而CAD航道图又分为水深分离式标注和整体式标注的航道图，数据需要在统一的格式和平台下进行分析和处理。

数字高程模型（DEM）和地理信息系统（GIS）的运用满足了这一需要。数字高程模型不仅能直观的表达出地形的起伏，而且在GIS平台下，能够方便准确地提取各种空间数据参数，为河床演变分析及数理统计分析模型提供技术支持。

2 两种格式航道图的数据提取

2.1 CAD格式航道图的数据提取

航道测绘部门在2009年以前，对黑沙洲水道的航道图采用CAD格式保存，水深标注采用数字分离式的标注方法。每个测点的水深数据由两部分组成——整数和小数部分，其中并不用小数点分隔，两部分在CAD图上并无关联性。水深的实测位置在整数标注部分的中心。综上，读取这种CAD水深数据时，需首先确定相邻数据关联性。提取上述CAD格式航道图的XY坐标与水深数据，需要再次验证水深数据的整数、小数两部分是否提取完整。由于“-“号容易在提取中被忽略，还要再次审核数据的正负。否则，生成的数字高程模型将会出现奇点，影响下一步面积和体积等计算的准确性。黑沙洲水道2009年以后的CAD航道图，水深数据标准一般采用整体式标注法，已不存在上述问题。

2.2 电子航道图的数据提取

根据国际海道组织（IHO）的定义，电子海图显示与信息系统（ECDIS）是以数字形式储存的海图，能够与多种显示终端、传感器匹配使用，电子航道图是其本地化的一个分支，符合IHO的多项通用标准，能够在世界范围内标准化的显示和应用。目前IHO颁布的电子海图的标准主要有：S-52电子海图显示标准、S-57海道测量数据交换和传输标准、S-63电子海图数据加密标准、IMO ECDIS性能标准、IEC61174ECDIS操作和性能测试标准。通过学习S-57标准中所定义的要素和指标，了解其文件构成、模型搭建、数据结构、封装方法，就能从中提取出需要的坐标和水深数据。

S-57海图文件采用ISO8211的数据封装格式，对实际数据内容以及逻辑结构的描述的数据描述记录位于ISO8211的第一个逻辑记录中，之后的文件为数据记录，构成了该种数据格式的主体。S-57显示标准将通航所接触的多种物标分为特征物标和空间物标两种——特征物标主要包含了对真实物体的描述信息，主要分为四类（Class），分别是元物标（Meta）、制图物标（Cartographic）、地理物标（Geo）与集合物标（Col1ection）。；空间物标主要包含了航行区域的空间几何信息，主要分为三类（Class），光栅点物标（Raster）、矢量线物标（Vector）及矩阵面物标（Matrix）。空间记录与空间特征之间的用指针的办法链接。在上述S-57格式的电子航道图中，每一个空间上存在的物标对应文件中一条代码，多个空间上项目关联的物标对应一个代码集，所有的这些代码集汇总形成数据文件。S-57格式的电子航道图由数量不等的多个文件组成。

通过分析S-57电子航道图的数据结构和传输标准，可编制批处理程序将大量的S-57格式电子航道图文件转换为地理信息系统软件（以ArcGIS为例）可读取编辑入库的Shp格式文件。

运行ArcGIS软件，导入之前转换生成的Shp文件，如图1所示，点选属性列表中后可以显示其表示水深数据的字段，进一步在列表中添加X、Y字段的数据值，通过软件包含的计算几何功能即可得到每一个抽取水深点的经纬度坐标值。

同时需注意的是，根据IHO颁布的相关规定，所有电子海图/电子航道图的坐标体系采用的是WGS-84空间大地坐标系，与我国工程测量所采用的Beijing-1954投影坐标系不一致，需进行坐标转换才能实际应用。ArcGIS软件中已内置此功能，首先进行预处理，创建本次黑沙洲水道的地理坐标转换工程，使用精度较高七参数转换方法，通过投影功能实现84坐标向54坐标的转换。转换后的水深测点X、Y坐标经检验误差能控制在10m以内，能够满足数字高程模型建模和冲淤变化演变分析的需求。

3 数字高程模型（DEM）

3.1 基于不规则三角网的地形建模

数字高程模型（DEM）是数字地形模型（DTM）的一个分支，是用有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。其表示形式有规则格网模型、等高线模型、数学曲面模型、离散点数字高程模型和不规则三角网模型。其中，比较通用的有规则格网模型和不规则三角网模型。当采样点分布较为散乱密度不均时，采用不规则三角网模型（TIN）对地形进行描述，三角形大小由选取区域内数据采样的密集度所决定，可满足更高的精度要求。本次两种不同格式的航道图中提取的水深数据分布散乱，根据上述分析，采用不规则三角网（TIN）建模的方法对DEM进行描述更能提高模型精度。

DEM表面建模广泛采用Delaunay三角网（D-TIN）模式，其具有良好的性能和便捷的易用性，是通用地形分析的有力工具。D-TIN自诞生至今的几十年发展以来，涌现出大量的算法，已逐渐趋于成熟稳定。根据构建三角网的不同步骤可以分为三角网生长算法、逐点插入法、分治算法等。文章采用实现较为便利、占用系统资源较小的逐点插入法对提取的水深点进行地形三角网的构建。该法通过先构建水深点集的外接多边形确定总体范围，进一步在内部剖分成多个三角形，形成原始D-TIN，然后将未处理的点分别插入已存在的三角网中，并用局部优化过程对三角网进行优化处理直到所有的点都插入完毕，最后删除外接多边形，完成数字高程模型（DEM）的构建，如图2所示。

3.2 黑沙洲水道DEM的建立

根据现阶段收集得到的黑沙洲水道2004年2月21日至2013年1月18日的31个测次的航道图，首先从CAD航道图及电子航道图中提取XY、水深之离散点数据，输入GIS系统。

采用Delaunay三角网（D-TIN）模式，应用上述逐点内插法，处理提取出的数据。完成D-TIN生成后，对其进行数据的填充即，就能最终生成数字高程模型（DEM）。文章通过上述方法生成了的黑沙洲水道2004年2月21日至2013年1月18日的31个测次的数字高程模型，供进一步处理应用。

5 黑沙洲水道空间数据处理

使用地理信息系统（以ArcGIS为例），能够对数字高程模型（DEM）进行分析与处理。其中一维分析包括河段的纵剖面分析和横断面分析，河段浅滩的轴线长度和方向分析；二维分析包括浅滩、深槽、碍航物的面积计算、周长计算和形状分析等；三维分析包括水道三维建模和空间查询定位，和在三维模型中的挖方量计算、物标体积计算、区域面积计算等。文章所要提取和处理的特征数据是浅滩的面积、体积以及形心位置。

5.1 面积计算

进行面积、体积和形心等数据计算的基础是黑沙洲水道DEM的等值线的创建。可以选用ArcGIS软件等值线分析功能，以起始等值线设为0m线，间距为5m，生成表面等值线。

等值线是一维要素，尚不可直接进行面积和形心计算，需在数据管理工具中，将生成的等值线转换为二维要素面。在矢量模型里，面物标是用短轮廓边界所构成的多边形表示的。有N个顶点简单多边形，其面积计算公式为：

在面物标的属性表中添加字段“面积”，通过上述计算即可得到面积值。

5.2 体积计算

体积是指表面与制定高度的平面（参考平面）之间的空间大小，按照表面与参考平面的位置关系分为参考平面之上、下两种。文章以浅滩-5m平面之上不规则三角网的体积为例计算。

应用面体积分析功能，能够自动计算并将计算值添加到面的属性表中。

参考文献

[1]纪宏宇，黄忠刚，陈高兴，等.利用ARC/lNFO建立S-57数据模型的研究[J].海洋测绘，2002，22（1）.

[2]董秀强，张旭臣，魏庆杰，等.基于GIS的等值线分析系统[J].河北水利，2008，6.