内河航道助航信息可视化模型及其构建方法

杨保岑，徐 硕，周冠男，徐 乐，吕 霖，杨燕华

(1.长江航道测量中心，武汉 430010；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

助航信息对于保障航行安全至关重要。通过助航信息，船舶可以提前规划路线，避开障碍物。当前助航信息主要来源于参考图集、法律法规和其他参考资料，包括航行规则、锚地、横驶区等航道内特殊区域、位置标注、航道通告信息、重点区域及航道辅助信息等，通常都是以非结构化的普通文本信息构成，缺乏地理位置信息，且阅读起来不够直观。通过电子航道图可视化手段，将助航信息进行地理表达，使其简洁明了地展示给用户，对于保障航道安全畅通具有重要作用。在电子航道图显示与应用的研究中，目前已有基于S-57国际标准的空间数据组织及内河S-57与S-52标准应用等关键技术问题的探讨[1]，内河航道制图与电子航道图一体化生产流程的设计，制定了空间数据生产规范[2-4]，形成了一套完整的服务体系。但目前的研究大多针对常规的航道空间要素，对于文本描述型助航信息可视化研究相对较少，尚未形成通用的数据模型及构建方法。

针对上述问题，本文以长江航道为研究对象，分析当前主流的各类航道要素可视化方法，对内河助航信息数据可视化模型及其构建方法展开研究，结合基于空间位置提供航道信息服务的电子航道图，运用GIS和信息化等相关技术手段实现助航信息的应用展示。

1 国内外研究现状

国际上已有电子海图符号表示库，是由国际海道测量组织(IHO)在编制国际电子海图内容和显示规范(S-52)时创建的[3-4]。目前对于内河电子航道图的表示比较成熟的是莱茵河符号表示库，它以 S-52符号表示库为基础，结合自身特性扩充了特有的符号[5]。

我国《长江电子航道图制作规范》(JT/T 765.3-2016)参照S-52规范，结合物标及属性，以及长江现行各类制图规范，规定了长江电子航道图的显示准则，包括长江电子航道图的显示内容、显示模式、符号及航道图改正等方面应遵循的规定[6]。《水运工程测量规范》(JTS 131-2012)中也制定了一套完整的符号体系，主要用于水运工程测量有关图籍成果的图示表达[7]，在我国水运行业应用广泛。《中国海图图式》(GB 12319-1998)规定了海图符号的规格和海图各要素在图上的表示方法，该标准主要用于海图制作中的图示符号[8]。2019年8月15日，《内河电子航道图技术规范》(JTS 195-3-2019)施行，该规范中规定了内河电子航道图的显示应通过图形视觉语言完整、准确地表达，并在附录D中给出了对应的显示规定、颜色标记与配色方案[9]。

2 可视化模型

2.1 标准符号库

标准符号库可视化模型通过参考技术规范及标准，在电子航道图中用标准符号准确表示对应的助航信息，模型的构建关键在于找到各类助航信息与符号表示库的对应关系，按标准符号样式进行图形渲染，模型处理流程如图1所示。

图1 标准符号库可视化模型处理流程Fig.1 Visual model processing flow of standard symbol library

研究根据《内河电子航道图技术规范》(JTS 195-3-2019)，制订了电子航道图中助航信息对应的符号名称、含义、样式等映射关系，如表1所示。

表1 长江电子航道图助航信息可视化显示方案Tab.1 Visual display scheme of navigation supporting information of the Yangtze River electronic waterway map

研究基于上述可视化方案，利用ArcGIS进行符号配置及服务发布，将部分区域展示在长江电子航道图，可视化效果如表2所示，表中可以清楚看到“锚泊区”、“受限区”等要素的符号化结果。

表2 基于电子航道图符号库的可视化效果图Tab.2 Visualization effect based on symbol library of electronic waterway map

2.2 地理围栏

地理围栏可视化模型以人机交互的方式来实现助航信息的可视化，通过在电子航道图的指定位置创建地理围栏并输入必要的描述信息，以电子航道图相关技术规范为参考，根据不同的标注类型进行图形渲染，模型处理流程如图2所示。

图2 地理围栏可视化模型处理流程Fig.2 Visualization model processing flow of geographical fence

研究对于航道通告、尺度等文字类信息，通过自然语言处理技术提取文字信息中的地理位置、范围、关键内容、起止时间等信息，并将其中的地理位置和范围等空间信息与电子航道图上水道、里程等要素进行匹配，以“坐标点+缓冲区”或多边形来构建地理围栏，在其之上展示航道通告、尺度中对应的关键内容，并用起止时间来控制信息的显示与取消。

对于航道重点区域及航行辅助提醒信息，基于长江电子航道图交互式地理围栏创建页面，以锚地、警告区、通航限制区等区域范围构建地理围栏并填入标题、有效期、名称、提示内容、监控距离及其他描述等必要信息，并发布为地理围栏服务来实现航线、障碍物、沉船、不良流态区、施工区、限制区、雾区及航标异常信息的可视化。

对于即时航道信息，通过长江航道图APP向使用者提供的“用户上报”功能，在电子航道图上点击获取该位置的地理坐标，并以此创建地理围栏，生成上报信息。用户可对该上报信息附以文字描述或现场照片，将航行现场情况信息上报至相关管理部门，有利于现场的第一时间确认以及信息的迅速更新发布。

基于上述方案，本研究在长江电子航道图发布地理围栏19条，图3为其中的禁航施工区域可视化效果。

图3 基于地理围栏的横驶区可视化Fig.3 Visualization of crossing area based on geographical fence

此外，对于《长江电子航道图制作规范》显示准则中未明确规定的如航道尺度等助航信息，为了不造成对用户理解的误导，可配置透明样式的地理围栏并结合语音播报和信息推送机制，达到相关信息的可视化助航效果。

2.3 虚拟航标

虚拟航标是综合应用计算机技术、卫星导航定位技术、电子海图及AIS等高新技术的新兴航标应用[10-13]。相比于实体航标，虚拟航标的优势主要体现在，能够标示更丰富的航道尺度信息，如“深水推荐航道”信息等。在发生沉船事故或航道尺度突变等特殊情况下，航道管理部门无法第一时间通过调整实体航标位置，虚拟航标能够及时标识危险地点，对航道进行警示[14-15]。当前虚拟航标发布方式主要有如下两种。

(1)AIS 虚拟航标。AIS 虚拟航标是指通过岸基台站或航标 AIS 站播发信息， AIS 信息显示屏上产生的一个物理上并不存在的航标。

(2)电子航道图虚拟航标。电子航道图虚拟航标是指在电子航道图中用规定符号标示的、通过电子航道图数据更新向特定用户发布的物理上不存在的航标。该虚拟航标以电子航道图为基础，相比 AIS虚拟航标设置更简单。

AIS 虚拟航标和电子航道图虚拟航标特性对比如表3所示。

表3 虚拟航标发布方式特性对比Tab.3 Characteristics of virtual aids to navigation

虚拟航标可视化模型将助航信息作为虚拟航标，通过AIS基站以航标报告电文(21报文)格式经VHF链路广播发送或者电子航道图数据更新发布，终端设备在捕获到该信息后进行相关处理解析，以电子航道图相关技术规范为参考，将没有实物的航标以助航标志形式渲染输出，模型处理流程如图4所示。

图4 虚拟航标可视化模型处理流程Fig.4 Visualization model processing flow of virtual aids to navigation

研究在对比两种虚拟航标服务方式特性之后，选择更为便捷的电子航道图虚拟航标进行可视化实验。实验在焦山水道、簰洲水道弯曲河段、武汉长江大桥桥段及太阳溪水道分别设置6个虚拟航标，部分虚拟航标信息如表4所示。

表4 焦山水道虚拟航标可视化信息Tab.4 Visualization information of virtual aids to navigation in Jiaoshan waterway

将整理好的虚拟航标信息以Web服务的形式进行发布，通过电子航道图请求数据，再对请求到的虚拟航标信息进行解析，获取其中的空间位置信息及描述信息，并在电子航道图对应位置进行图形渲染。实验结果如图5-a～5-d所示。结合长江航道图APP兴趣点查看功能，实现助航信息的查看。

5-a 焦山水道5-b 簰洲水道5-c 武汉长江大桥桥段5-d 太阳溪水道图5 虚拟航标可视化模型实验结果Fig.5 Experimental results of visual model of virtual aids to navigation

3 结论和建议

开放共享是地理信息应用的重要研究方向 ，它通过提供多种解决方案使得我们可以灵活应对多样的业务需求。本研究结合长江电子航道图，对比了基于标准符号库的可视化、基于地理围栏的可视化和基于虚拟航标的可视化方法的技术特点和实施效果。三种可视化模型相比较，基于标准符号库的可视化方法权威性较高，但可视化的内容需符合电子航道图相关技术规范，信息发布和更新需要依托电子航道图的数据生产制作，技术流程和时间周期相对较长，更新速度慢，适用于具有权威性且轻易不发生变化的助航信息；基于地理围栏的可视化方法时效性最高，应用方式最为灵活，可视化显示和配色方案在参考电子航道图相关技术规范的前提下，可实现多种助航信息的有效表达；基于虚拟航标的可视化方法需要依托相关标准规范，其命名规则、显示符号及所标识的助航信息仍待进一步研究明确，实际应用过程中需配合地理围栏共同使用。

研究根据不同模型的特性，结合实际业务需求及场景，选择合适的模型及其组合来进行可视化，从而构建一种全开放式的内河航道助航信息可视化模式。