内河航运GIS系统建设研究

甘雯雯

【摘 要】文章阐述了内河航运GIS系统的总体架构、设计过程中使用的关键技术及系统功能，介绍了内河航运GIS系统的设计和开发研究。通过采用GIS空间运算、离线GIS引擎技术、北斗卫星定位技术，进行了内河航运GIS系统的设计，完成了河道信息采集模块、港口码头信息模块、AIS接入与导航模块、可视化地理信息管理功能模块的开发，并借助该系统实现了对珠江—西江全流域航道的水运物流监控与信息共享。

【关键词】GIS；内河航运；管理系统

【中图分类号】U691 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）09-0028-04

0 引言

伴随着国民经济的快速发展，我国的交通运输业也得到了迅猛发展，这对内河航运也提出了新的要求。如何采用现代信息技术提高内河航运的效率，增强对航运行为的监控，提升航运安全性，发挥出内河航运的潜在优势，成为业内普遍关注的热点问题。与此同时，我国GIS（Geographic Information System，地理信息系统）技术、北斗卫星定位技术的日趋成熟，为在内河航运中实现智能航行服务提供了可能。本文阐述了内河航运GIS系统的设计和开发，并将其应用在珠江—西江流域中，实现对珠江—西江全流域航道的水运物流监控与信息共享。

1 系统框架设计

1.1 系统总体架构

系统在对内河运输船舶的业务流程和功能需求深入调研和分析的基础上，采用国内领先的“混合云”的“云端部署”模式，为航行的船舶提供智能航行服务，结合GIS空间运算、离线GIS引擎技术、北斗卫星定位技术实现电子地图显示、动态地图、船舶定位、船舶信息定位等功能，进行了内河航运GIS系统的总体架构。为了达到系统分工明确、结构清晰、易于维护和扩展性强的目的，系统总体架构采用多层体系结构，具体划分为四层结构，从高到低依次为表现层、业务逻辑层、数据访问层和数据库层。系统总体架构如图1所示。

表现层位于系统的最高层，是系统与用户交互的界面，主要实现信息的格式化输入输出功能。除了可以以文字形式输出信息外，还可以根据需要采用各种可视化技术进行信息的输出。此外，信息可以在各种设备上进行输入输出，系统提供Web模式，也提供移动设备查看模式。业务逻辑层依据业务流程、业务规则进行有关的系统设计，位于表现层和数据访问层之间，用来实现数据的承上启下。数据访问层主要用来实现与数据库的连接，进而实现对数据库的各种基本操作，如插入、删除、修改等操作。不同类型的数据库进行连接时，采用不同的引擎进行连接，例如本系统中的空间数据库采用Arcsed进行连接，关系数据库采用ODBC进行连接。数据库层是各种数据的集合，该系统的数据可以分为两大类，即空间数据和非空间数据。空间数据具有信息稳定、变化小等特点，如地图中的河流信息。这些信息可以存放在存储速度慢、成本低的空间数据中。而对于一些实时性要求高、变化频繁的信息，如船舶动态信息、进出港记录等，采用oracle、SQL Server等关系型数据库进行存储。不同类型数据进行分开存储，既可以提高系统效率，又可以降低系统成本。

1.2 GIS系统的功能服务流程图

GIS系统通过对内河航道的水运物流进行监控与信息共享，实现水运物流业务的高效和便捷运输。以下从系统服务实现的视角，给出了GIS系统的功能服务流程图（如图2所示）。

GIS系统读取配置的信息，在此基础上建立SDE连接并装载地理信息圖层，获取地理数据信息，如河道信息、港口信息、船舶信息。根据获取到的地理数据信息，GIS系统为用户提供全部范围地理信息的查询、自定义地理信息的范围、设置位置的中心点、输出地理信息的图片、查询信息等功能。

1.3 WebGIS体系结构图

内河航运GIS系统采用WebGIS的体系结构，其体系结构主要有两大特点。一是采用国内领先的“混合云”的“云端部署”模式，为航行的船舶提供智能航行服务。通过采用介于“私有云”和“公有云”之间的折中的“混合云”模式，既能够尽可能多地发挥云计算的规模经济效益，又能够较好地保证数据的安全性。二是针对GIS系统，在健壮的、可扩展的GIS系统之上搭建珠江—西江水运物流GIS应用系统，以插件模式开发，真正实现珠江—西江流域水运物流业务功能子模块的热拔插，通过整合VTS、CCTV、DGPS等专业应用系统采集的船舶、物流的动态信息，对珠江—西江流域的水运物流实行全面、实时、动态的监控，提供预警、应急指挥的计算机智能化支持。图3为WebGIS体系结构图。

从WebGIS体系机构图中可以看到，该体系实际上也是采用分层的理念，分为客户端层和服务层。客户端层采用基于Web的用户界面提供各种应用；服务层采用各种服务器实现各种服务的缓存和聚合，具体包括了Web服务器、应用服务器、空间服务器和数据服务器等。这种分层的理念同时也为系统采用云端部署提供了支持，具有较好的可扩展性，有利于采用插件模式开发，实现业务功能子模块的热拔插。

2 系统实现的关键技术——离线GIS引擎技术

内河航运GIS系统需要为用户提供离线电子地图的显示及电子地图的动态移动、放大和缩小操作等功能，这就涉及离线GIS引擎技术的应用和实现。离线GIS 引擎技术在内河航运中的应用通俗来讲就是要在离线环境下的GIS系统中使用地图。要解决的关键问题主要有2个方面：一是地图显示方案的选择；二是地图的选择。

2.1 地图显示方案的选择

对于地图的显示，常用的方案是调用地图API进行开发。通常，各个地图开发商都提供了自己的API供大家调用，以方便进行二次开发，如Google、百度、高德等，这些API往往比较完善和成熟，可以满足通常的业务功能需要。但是，该方案也存在一些问题，一是无法支持离线使用，很多API通过http请求去各个地图开发商服务器获取数据，离线情况下有很多功能限制，其中最主要的GPS定位纠偏API就必须联网；二是不易支持多个GIS引擎，如果调用API进行开发，则肯定不兼容其他厂商GIS的API，如果通过设计上在每个API上封装一层，则工作量太大。因此，该方案对于离线GIS而言行不通。通过对各种技术的比较分析，最终选择采用第三方库openlayers显示地图。OpenLayers是一个专为Web GIS客户端开发提供的JavaScript类库包，用于实现标准格式发布的地图数据访问。使用OpenLayer进行网页上地图的显示和操作控制，而不去调用各个厂商的API，通过工具获取Google的离线地图瓦片数据，存在自己的服务器上，并可进行离线的开发和使用。这样理论上只要更换后台服务器上的图片数据，做一些必要的配置，而不用改前台网页显示地图的代码，就可以支持不同厂商的地图展示。

2.2 地图的选择

在进行地图的选择上，主要解决的是GPS纠偏的问题。当船载设备进行GPS信息实时推送时，如果直接将位置坐标输入地图中显示，则会有偏移，这样肯定无法满足要求，因此纠偏一直是开发离线GIS应用的难点。由于有些地图有自己的偏移加密，这也对地图的选择有了限制。在对几种常用地图的比较和分析后，选择采用Google的离线地图。Google由于离线开发者多，纠偏算法也比较成熟，对于纠偏问题的解决方法也较多，因此可以有效地降低开发风险。

3 系统实现

3.1 河道信息采集模块

河道信息采集主要运用传感器和遥感技术对珠江—西江的各个河道进行水位、水流量、环境、气候等信息的采集，通过无线通信技术将采集的信息回传至系统中。运用可视化技术原理、GIS等技术，在电子地图上显示各河道的信息，为航行的船舶提供明确的信息数据。运用采集的河道信息，建立优化数据模型，为水运物流运输提供最优化航行方案，节省成本开支。

3.2 港口码头信息模块

航运GIS系统为用户提供珠江—西江流域各个港口码头的详细信息。通过港口码头模块，用户可以了解详细的港口码头信息，方便车、船主确定货物交接的具体位置。货主根据港口码头的信息和运输成本的费用，选择运用船舶运输的地段。

3.3 AIS接入与导航模块

AIS系统配合全球定位系统（GPS）将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近河面所有船舶的动静态资讯，船舶获得信息后，得以立刻互相通话协调，采取必要的避让行动，对船舶安全有很大帮助。系统运用AIS接入技术实现AIS的接入，为航行中的船舶提供避免碰壁的措施，增强水运物流船舶交通的管理、船舶的报告等功能，提高船舶的识别精度和信息量。AIS的接入，可以自动帮助货主自动跟踪目标，并将信息反馈给货主。

系统运用北斗定位技术、GIS技术、AIS技术和元网络序列空间数据索引算法等方法，在电子海图上可视化显示珠江—西江流域所有货运的船舶的航向、航线、航名等信息，为航行中的船舶提供明确的航行方向，同时也可以使货主实时了解货物的航行动向。通过导航系统，为用户提供详细的航行方向。

3.4 可视化地理信息管理模块

可视化地理信息管理采用矢量数据和栅格数据混合管理的数据结构实现大量的、多种多样的、数据类型丰富的数据管理。可视化地理信息主要有三维可视化地理信息和二维可视化地理信息，使用过程中，用户可以方便地在平面编辑系统和三维系统之间进行切换。二维图形在平面编辑系统中经过编辑整形后，即可转换到三维系统中进行三维实体的重建和管理、属性定义、可视化操作、查询分析、图形输出等。

通过可视化技术、非规模型栅格方法和地理数据可逆空间矢量算法等，对珠江—西江流域的地理信息进行管理，增强水运物流的智能化管理效率。①位置信息管理：通過地图对车、船、货物的位置信息进行管理。②种类分布位置进行管理：通过地图对不同货物、船舶分布的位置信息进行管理。③历史位置管理：对船舶的历史位置、航行轨迹、货物的历史位置信息进行管理。

4 结语

内河航运GIS系统主要使用Visual Studio开发环境、GIS谷歌地图等工具，运用地理信息技术、GIS空间运算、GIS离线引擎等技术实现系统的开发，实现珠江—西江流域所有运输货物船舶具体位置信息的显示、水位信息显示，以及对船舶当前信息及历史轨迹回放等功能，在内河航运中引入了智能航行服务，有效地提高了内河航运的效率和安全性。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]