CN102982494B - 一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法：设置电子航道图上水深点的基准面信息；根据沿江水位站发布的实测与预测水位信息，结合电子航道图的基准面信息对水深值进行动态修正，得到绝对水深值；根据绝对水深值，提取等深线；根据等深线的深度区间，计算指定深度的可航水深区域和动态中心线，并通过WebService发布所生成的水深信息。根据本发明技术方案，基于长江电子航道图系统中的公共服务平台、网络通讯环境和船用终端应用系统，可实现定时计算长江干线航道水深信息，并以数据服务的方式提供给船用终端应用系统使用。

Description

一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法

技术领域

本发明属于智能航运与船舶导航应用领域，尤其涉及一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，水运作为高效低碳的交通方式越来越受到国家的重视。作为长江航道的主管单位，长江航道局为提高长江干线水道的运输能力，提升自然水深资源的利用率，开展了长江电子航道图的生产与应用服务系统研发，制定了多个与之相关的标准规范，并向港航企业、社会大众以及涉航管理部门等，提供了丰富实用的导、助航功能和管理服务。长江电子航道图生产与应用服务系统包括电子航道图生产编辑子系统和电子航道图应用服务子系统。其中，电子航道图生产子系统解决了符合《长江电子航道图制作规范》（JT/T 765）的数据生产问题；电子航道图应用服务子系统则提供了基于SOA架构的电子航道图信息发布的公共服务平台，以及船用终端应用系统所需要的各类动态助航信息。该系统的研发与投入使用，有效地推动了电子航道图的生产和应用。

水深信息是最重要的航行参考数据。从电子航道图应用的角度，水深信息包括计算水深（是指基于长江沿线布设水位站提供的水位数据和图载水深数据，按照水位内差算法计算当前水深值）、可航水深（是指根据计算水深数据分析得到满足某吃水需求的深度区）、可航水深动态中心线（是指计算可航水深区域的宽度等分中心线）等。与海上相比较，长江作为一条受支流、天气、三峡水库库容调节、河床演变等多方面因素影响的内河航道，水深变化复杂。而电子航道图的制图更新频率又受制于外业数据采集、内业数据处理、数据检查等多种因素的影响，不能完全满足内河船舶航行对水深信息更新的需求。

要满足船舶航行过程中及时、准确获取各种水深信息的需求，还存在以下问题：

（1）水深信息的计算量庞大，船用终端应用系统的硬件配置无法满足长江干线航道统一计算的要求。如果不同的船用终端应用系统选择水深信息的计算区域（河道范围）不同，则会造成计算结果的不一致，将直接影响航行安全；

（2）电子航道图上水深点所采用的基准按航段进行划分，宜宾至涪陵采用航行基准面，涪陵至中水门采用吴淞高程，中水门至江阴采用航行基准面，江阴至浏河口采用理论最低潮面，需要解决将不同基准面的数据进行统一归算的问题；

（3）三峡大坝上游和下游存在极大落差，在进行可航水深区域的计算过程中，需要规避该落差对计算结果的影响；

（4）服务器的硬件资源是有限的，计算深度区间必须要约定在一个合理的范围内，深度间隔也需要根据船舶航行的实际需要进行规划；

（5）长江航道水下地形复杂，相应地，通过计算机程序计算的可航水深区域也相对复杂，而且存在众多分叉河道，动态中心线在计算过程中会出现分叉、相交的问题，需要考虑如何规避其对计算结果的影响；

（6）船舶在航行过程中对水深信息获取具有一定的实时性要求，根据需求，长江干线航道全部水深信息的计算需要在4小时内完成；

（7）算法还需要充分利用现有的信息化建设成果，尤其是电子航道图应用系统的成果，并且计算结果必需满足电子航道图公共服务平台WebService发布接口的数据要求。

通过统一计算长江干线航道水深信息，可提高长江航运船舶对自然水深资源的利用率，有利于提升长江“黄金水道”的通过能力。为此，长江航道局提出基于长江电子航道图系统的公共服务平台、网络通讯环境和船用终端应用系统，开展航道水深信息计算方法的研究。通过对沿江水位数据的定时采集，结合电子航道图中离散水深点位置及相对水深数据，构建一套水深信息的生成方法，实现定时计算长江干线航道水深信息，并以数据服务的方式提供给船用终端应用系统使用。

发明内容

本发明针对长江电子航道图的实际应用情况，提供基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法。

本发明的技术方案为一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法，包括以下步骤：

步骤1，设置电子航道图上水深点的基准面信息；

步骤2，根据沿江水位站发布的实测与预测水位信息，对步骤1所得已经具有基准面信息的水深点的水深值进行动态修正，得到绝对水深值；

步骤3，根据步骤2所得绝对水深值，提取等深线；

步骤4，利用步骤3所得等深线，并根据需要的深度区间，计算指定深度的可航水深区域和动态中心线，依据动态中心线及拐点计算可航宽度的垂线，并通过WebService发布所生成的水深信息。

而且，步骤2中，对某一水深点的水深值进行动态修正的实现方式如下，

步骤2.1，根据水深点的经纬度坐标计算水深点处的里程；

步骤2.2，通过上游水位站、下游水位站和水深点处的里程，结合上、下游水位站的水位值，按线性插值计算出水深点处的水位值，得到水深点处的水位插值；

步骤2.3，计算绝对水深，进行水深值修正；当水深点所属基准面为制图航行基准面或理论最低潮面时，绝对水深值为原图的水深值加上水位插值；当水深点基准面为吴淞高程基准面时，绝对水深值为原图的高程值减去水位插值。

而且，步骤3中，将长江分为上游和中下游两个计算区域提取等深线。

而且，步骤4中，发布的水深信息包括以下内容，

（1）水深信息中以开始计算的时间作为版本标识；

（2）按图幅及不同深度区切分好的可航水深区域；

（3）按图幅及不同深度区切分好的动态中心线。

本发明结合电子航道图和长江航道的特点，为港口与航运企业、社会大众及涉航管理部门及时提供最新的长江航道水深信息的服务与应用。

附图说明

图1是本发明实施例的数据处理、运算、发布及应用总体框架图。

图2是本发明实施例的设置电子航道图的图幅效果图。

图3是本发明实施例的0.1米间隔等深线提取流程图。

图4是本发明实施例的可航水深和动态中心线计算流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

实施例提供的一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法，具体实现基于长江电子航道图应用系统中的公共服务平台、网络通讯环境和船用终端应用系统进行设计，通过对沿线水位数据的定时采集，结合电子航道图中水深数据，构建一个生成水深信息的方法，实现定时计算长江干线航道水深信息，并以数据服务的方式提供给船用终端应用系统使用。具体实施时可采用计算机软件技术实现自动运行。应用于其他航道时可以参考实施例的技术方案实现。如图1所示，具体实施包括以下步骤：

为便于实施参考起见，提供实施例的详细实现说明如下：

步骤1，设置电子航道图水深点的基准面信息。从电子航道图的产品文件中获取每个图幅的基准面代码，结合每个图幅的经纬度范围，构造一个多边形的要素类，每个多边形表示一幅ENC（基本电子航道图）的坐标范围。如图2所示，长江电子航道图是采用矩形区域分幅的方式进行分割，确保河道的自然形态能够包含在矩形框中。每个矩形范围表示一个图幅，相邻图幅之间实现空间区域的无缝拼接，且无重叠。长江干线航道由349幅图构成，其中，李渡大桥采用两个基准面进行测量成图，其它每幅图均采用统一的基准面；因此，除李渡大桥外，其它每幅图中水深点的基准面与图幅基准面相同。

1.1.1水深点所属图幅基准面数据准备

实施例提取长江干线航道共349幅图的ENC数据，结合每个图幅的经纬度范围，构造一个多边形的要素类，每个多边形表示一幅ENC的坐标范围，其datum属性值表示ENC的基准面代码。

1.1.2读取每幅ENC图中元数据的基准面代码信息

检查ENC元数据是否包括基准面代码信息，如果不包括基准面代码信息，则必需补充该信息。基准面代码有三种值，分别是24（航行基准面），101（吴淞高程）和102（理论最低潮面）。除此之外的其他数值均无效，必需进行修改。

1.1.3为每幅图中的水深点赋基准面代码信息

依照步骤1中得到的图幅框范围筛选出图中所有的水深点，在提取水深点时需要排除水深值明显错误（长江电子航道图水深值是在负200到正200米之间）的水深点，提取出来的水深点约为95万个。由于目前的电子航道图中水深点与高程点都采用的是同一物标，所以还需要将不在河道面中的水深点剔除，然后对有效水深点的属性字段datum中写入基准面信息。

对于跨基准面的图幅，根据基准面的边界划分不同的区域，通过各区域与水深点的位置关系，分别将这些区域中的水深点赋相应的基准面信息。

步骤2，根据沿江水位站发布的实测与预测水位信息，对步骤1中已经具有基准面信息的水深点的水深值进行动态修正，得到其绝对水深值。具体实施时，这个步骤可通过自定义的Python脚本完成。

1.2.1数据准备

需要准备的数据是长江里程点位置信息和水位数据。长江里程点位置信息是一个csv格式的文件，描述的是每个里程点的位置坐标（经纬度）和里程值；具体数据格式如下：

FID,FTYPE,FLONGITUDE,FLATITUDE,FMILEAGEV,FVERSION

以上符号分别表示识别号，类型码，经度，纬度，里程值，版本

例如：

2807,1,105.5735,28.9616,889,1

2808,1,105.5831,28.9609,888,1

水位数据，可从电子航道图公共服务平台服务接口中直接获取最新的实测水位数据和未来7天的预测水位数据，用于水位内插计算。

1.2.2获取基准里程点信息

读取里程点数据，组织成自定义的python数组格式，并且定义根据经纬度查询最近的里程点的方法。具体算法逻辑流程如下：

（1）从csv文件中读取每一行数据，并构造里程点对象，包含type(类型码)，lon(经度)，lat(纬度)，milage(里程值)四个字段；

（2）分别统计上、中、下游的里程点数量；

（3）构造里程点数组，并将所有里程点添加到该数组；

（4）对里程点数组进行排序，使里程点按照从下游向上游的顺序排列。

1.2.3为水深点赋里程信息

遍历长江电子航道图所有的水深点，查找距每个水深点最近的里程点，根据水深点的坐标及相邻里程点的信息，通过内插法得到每个水深点的里程信息，并进行赋值。

具体实施时，对任一个水深点查找最近的里程点，可采用算法逻辑结构如下：

（1）根据水深点的经纬度参数，获取与该点最近的里程点；

（2）二分查询整个里程点数组，找到与指定坐标最接近的里程点。

1.2.4为水深点赋基准面信息

遍历长江电子航道图中所有的水深点，获取其所在图幅的基准面信息，并将该基准面信息赋于水深点的一个字段。

具体实施时，对于跨基准面的图幅（即李渡大桥），根据基准面的边界划分不同的区域，通过区域与水深点的位置关系，分别将各区域中的水深点赋相应的基准面信息。

1.2.5获取某点上、下游最近水位站的水位数据

从电子航道图公共服务平台WebService提供的水位数据接口中，一次性获取沿江所有水位站发布的水位信息。并以数组的形式存储到内存中，具体算法流程如下：

（1）从WebService获取水位站的列表信息以及水位站最新发布的水位信息。用到两个船用终端应用系统服务（ShipClientService）接口：分别是GetWaterlevelStationCatalog（获取水位站列表）和GetWaterlevelInfo3（获取水位信息）；

（2）根据水深点所在里程位置（P）查找距离其最近的一个上游水位站（假定为A）和一个下游水位站（假定为B）的当前最新实测或预测水位。

1.2.6计算绝对水深值

通过两个水位站里程之间的差值，内插得到P（所属图幅测量时间和最新时间）的水位插值，将该水位插值叠加到P位置的水深值上，从而获得该水深点的绝对水深值。具体实施时，可采用的流程如下：

（1）根据水深点的经纬度坐标计算该水深点处的里程；

（2）获取上游水位站和下游的水位站的里程；

（3）通过上下游水位站和水深点处的里程，结合上、下游水位站的水位值，按现有的线性插值技术，得到水深点处的水位插值；

（4）当水深点所属基准面为制图航行基准面（基准面编码为24）或理论最低潮面（基准面编码为102）时，计算水深值为原图水深加上水位插值。当水深点基准面为吴淞高程基准面（基准面编码为101）时，计算水深值为原图高程值减去水位插值。采用最新的实测水位值以及未来7天的预测水位值分别计算，既可得到相应修正后的值。

步骤3，根据步骤2中所得绝对水深值，提取等深线。在计算过程中，将长江分为上游和中下游两个区域提取等深线。上游提取等深线的深度区间为2.5-6.5米，下游提取等深线的深度区间为3-13米，均以0.1米为间隔进行计算。

1.3.1创建不规则三角网(TIN)

根据需要，利用绝对水深，以河道区域为边界构建三角网。以Delaunay三角形作为构建三角网的基础形状。

1.3.2将三角网转换为栅格格网

将生成的不规则三角网转换成栅格格网，得到栅格文件。具体实施时可根据具体情况设定栅格单元格大小，实施例所选择的栅格单元格大小为“0.0002815625600001”，单位为度。

1.3.3计算等深线并输出

在栅格格网中计算等深线，计算等深线的深度区间，上游为2.5-6.5米，中下游为3-13米，以0.1米为间隔。具体计算可采用现有技术，计算完成后，将等深线以shp文件的格式输出。此实施例提取了2~13米的等深线，如图3所示，

第一步，可通过一个自定义的脚本执行绝对水深的计算，绝对水深是根据水深点信息结合每个水深点上下游的水位站数据进行计算的，流程可设计为逐个遍历水深点进行计算；

第二步，生成Delaunay三角网；

第三步，把三角网转成栅格数据；

第四步，根据栅格数据提取0.1米间隔的等深线；

第五步，从第四步生成的等深线中选出2.5米至13米的部分。

步骤4，根据等深线的深度区间，计算指定深度的可航水深区域和动态中心线。

1.4.1选择指定深度的等深线

从提取好的等深线中选择指定深度的等深线，可利用ArcGIS工具箱中的Get Count工具计算选中的等深线数量，只有当等深线数量大于0时，才继续执行。

1.4.2等深线转换成可航水深区域

用等深线以及河道区域构造可航水深面，由于该构造过程生成的面没有深度信息，所以后续的几个步骤从栅格文件中提取可航水深面的深度值。可利用ArcGIS工具箱中Feature To Point工具抽取多边形的质心，并且选择“InSide”参数，确保点是在多边形内部。利用Extract Values to Points工具从栅格文件中获取点所处位置的值，这样，点就有一个RASTERVALU属性，该属性用于保存这个点所处位置的深度值。可利用ArcGIS工具箱中Joint Field工具对点和多边形的属性进行合并，合并以后多边形就有一个用于保存多边形的深度值的RASTERVALU属性。

可利用ArcGIS工具箱中的Select工具从生成的多边形中选择深度值大于指定深度的多边形，这就是该深度下的可航水深面状区域。为了便于船用终端应用系统获取可航水深的数据，利用ArcGIS工具箱中Intersect工具对可航水深按图幅范围进行切割，并以图幅为单位发布数据。

1.4.2计算动态中心线

可利用ArcGIS工具箱中的Calculate Field工具对RASTERVALU字段重新进行赋值，使其等于指定的深度值。利用ArcGIS工具箱中的Polygon to Centerline工具计算多边形的中心线。这是一个子模块：先将多边形转成栅格，然后通过栅格的Thin工具细化成1个单元格宽度，最后通过Raster to Polyline的工具转成中心线。

如图4所示，实施例采用如下流程：

第一步，从图3模型生成的等深线中选出给定深度的等深线；

第二步，计算第一步中得到的记录总数，只有总数大于0时才继续下面的步骤，否则结束；

第三步，把第二步得到的等深线转换成多边形，这个步骤需要用到河道面的边界作为空间关系比对的基础对象；

第四步，对第三步中得到的多边形赋值，使每个多边形都有一个深度字段，代表该多边形表示的水深范围。其中包括提取多边形的中心点、从栅格数据中提取每个中心点的水深值、把中心点的水深值添加到多边形要素上；

第五步，选出水深值大于等于第一步中指定的深度的多边形；

第六步，一方面，用图幅框对第六步生成的多边形进行切割，得到可航水深的多边形；另一方面，可利用该深度的多边形生成可航水深动态中心线，并用图幅框切割动态中心线，得到最终的动态中心线；

第七步，重新计算可航水深多边形的水深值，使其等于第一步中的指定深度；

第八步，根据第六步中得到的多边形生成动态中心线。

最终计算出来的水深信息通过电子航道图公共服务平台的WebService接口（网络服务接口）对外发布，需要满足长江电子航道图公共服务平台的WebService发布要求；发布内容主要包括：

（1）水深信息的版本标识，取值为开始计算的时间；

（2）按图幅及不同深度区切分好的可航水深区域；

（3）按图幅及不同深度区切分好的动态中心线。

采用本发明技术方案，可以满足水深信息时效性的要求，单次计算所有水深信息的整体耗时控制在4小时内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设置电子航道图上水深点的基准面信息；

步骤2，根据沿江水位站发布的实测与预测水位信息，对步骤1所得已经具有基准面信息的水深点的水深值进行动态修正，得到绝对水深值；

所述对水深点的水深值进行动态修正的实现方式如下，

步骤2.1，根据水深点的经纬度坐标计算水深点处的里程；

步骤2.2，通过上游水位站、下游水位站和水深点处的里程，结合上、下游水位站的水位值，按线性插值计算出水深点处的水位值，得到水深点处的水位插值；

步骤2.3，计算绝对水深，进行水深值修正；当水深点所属基面为制图航行基准面或理论最低潮面时，绝对水深值为原图的水深值加上水位插值；当水深点基面为吴淞高程基准面时，绝对水深值为原图的高程减去水位插值；

步骤3，根据步骤2所得绝对水深值，提取等深线；

步骤4，利用步骤3所得等深线，并根据需要的深度区间，计算指定深度的可航水深区域和动态中心线，依据动态中心线及拐点计算可航宽度的垂线，并通过WebService发布所生成的水深信息。

2.根据权利要求1所述基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法，其特征在于：步骤3中，将长江分为上游和中下游两个计算区域提取等深线。

3.根据权利要求1所述基于电子航道图及水位数据的航道水深信息生成方法，其特征在于：步骤4中，发布的水深信息包括以下内容，

(1)水深信息中以开始计算的时间作为版本标识；

(2)按图幅及不同深度区切分好的可航水深区域；

(3)按图幅及不同深度区切分好的动态中心线。