李明轩，郝江凌，肖列

（1.湖南省水上交通安全指挥监控中心，湖南 长沙 410000；2.大连海事大学，辽宁 大连 116000；3.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

2019年5月，由交通运输部等七部门联合发布的《智能航运发展指导意见》提出，我国到2025 年要突破一批制约智能航运发展的关键技术，构建以高度自动化和部分智能化为特征的航运新业态，成为全球智能航运发展创新中心。2021 年《“十四五”综合交通运输发展规划》指出，将先进的信息技术与交通运输有机融合，全方位赋能交通发展，推动发展智慧航道、智能航运等技术发展与试点应用。

当前，我国内河“数字航道”多以电子江图为展现形式。电子江图来源于电子海图，以平面图形为基础，根据IHO S-52 标准，采用二维符号构建海图表示库和进行显示。虽然传统的二维电子海图应用非常广泛，但有其固有的局限性。二维电子海图以平面图形为基础，采用点、线、面几何图形和二维符号进行显示，所以它本质上是对航行地理环境的一种抽象符号表示，不能直观反映自然场景的真实面貌。这种表达方式容易形成多义性，给用户辨识符号意义、理解航行信息造成一定的困难。

不同于单纯的二维、三维电子航道图，多维电子航道图利用二维电子航道图的矢量数据来弥补三维场景水面信息的不足，即将二维电子海图中的水上信息（水深、等深线、等深区、航道、潮流等）与三维的岸线、地形、临水建筑物、港航设施等数据进行融合绘制，在三维空间组织框架下实现海量、多源、多类型的数据融合。

数字航道、电子航道图的发展趋势是多维化，亦即集成电子航道图、三维模型、海底地形、遥感影像、水面纹理等多种数据，结合空间投影变换，在统一的框架内显示和应用，具备更强的直观性、真实性和可视化效果。

1 系统架构及技术路线

Cesium 是当前应用比较广泛的三维Web GIS 框架之一，它是由AGI 组织于2011 年开发的一款支持Web GL 的三维图形渲染Java Script 开源库。它拥有强大的地图展示功能，支持多种不同方式的投影变换地图，并能实现多种在线地图的快速切换，同时支持调用OGC空间数据服务规范下的WMS、WMTS、TMS、Arc GIS等多种地图服务图层。能够在三维虚拟地球上进行实体的创建、模型的加载、CZML 文件加载以及众多空间分析功能等。自从它制定并公布3D Tiles（3D 瓦片）格式规范后，能够支持的数据种类也随之增多，包括倾斜摄影模型、点云、地形影像等。为了实现在线请求服务端三维瓦片数据的功能，对XMLHttp Request 功能进行了二次封装，通过发送请求的方式加载服务器端的三维地理空间数据，进而在浏览器中对数据进行可视化表达。

多维航道的数据组成特点是多源异构和海量数据。数据类型有影像数据（卫星影像及地图）、地形数据、倾斜摄影模型、白模、（航道要素）人工模型、电子江图（航道图）、矢量数据等，类型非常丰富。其中，倾斜摄影测量生产的OSGB（Open Scene Graph Binary）数据格式，需要对其进行格式转换，转化为3D Tiles（瓦片）数据。便于支持海量倾斜实景模型数据在浏览器端快速渲染和流畅加载，本系统采用了LOD 分层次细节实现的3D Tiles、glTF 数据格式的显示。

系统支持引用在线影像地图服务。地形服务发布方式为根据DEM 高程TIFF 文件，生成Cesium 可用的一套Terrain 地形。将Terrain 文件直接放到与Cesium同端口的Tomcat 下，实现地形服务发布。Cesium 支持加载GeoJSON、矢量切片、KML、CZML、WKT 文件加载，还支持OGC 标准服务，包括ArcGIS 动态底图服务、WFS 服务、GeoSever 的WFS 服务等，这几种数据统一归类为矢量数据。上述数据在Cesium 架构体系下构成“多维航道展示系统”的多源数据库。

经过数据的采集和转化，选取合格的数据进行预处理，构成包含上述数据的多源航道数据库。技术路线确定为“3D Tiles+Cesium 架构”和“GeoServer+OpenLayers模式”下搭建多维航道展示系统，“3D Tiles+Cesium架构”用于显示三维航道大场景数据，“GeoServer+OpenLayers模式”用于显示电子航道图数据，最终实现港航设施、助航/碍航物、水下地形等航道要素的显示功能。系统技术路线如图1 所示。

图1 系统技术路线图

2 倾斜摄影数据处理

2.1 倾斜摄影数据采集与建模

航道场景数据获取采用无人机倾斜摄影测量。影像数据的后续处理利用Smart3D Capture、Agisoft Photoscan等相关软件，无须人工干预，在有无控制点的情况下都可以实现多视角、多视图的三维重建，还原最真实的三维场景。

倾斜摄影数据处理的主要流程如图2 所示：

图2 倾斜摄影数据处理流程图

对于生成的OSGB 格式模型数据，还需要采用特定软件对原始倾斜摄影三维模型进行置平、三维场景编辑（补空洞、挖空、悬空物裁切、场景裁切等）、三维场景绝对定向、绝对定向精度检测、三维场景拼接裁切等处理，最后才能得到具有准确空间位置和量测精度的倾斜摄影三维模型（如图3 所示）。

图3 处理后的三维模型图

2.2 倾斜摄影数据显示

倾斜摄影测量生产的数据格式目前较多采用OSGB，这种数据格式不宜在系统中直接打开，需要对其进行格式转换，转化为3D Tiles（瓦片）数据。

3D Tiles 数据集包含两个部分：瓦片集数据和瓦片数据。瓦片集数据是一个 JSON 文件，相当于瓦片数据的元数据（头文件），是对瓦片数据的说明；瓦片数据是存储纹理、几何体等信息的数据文件。

将OSGB 转化为3D Tiles 进行组织管理的优点为：

（1）便于发布标准的三维模型数据服务。可将倾斜模型、手工模型、BIM 模型在内的多源模型数据转换为三维模型服务，通过数据服务的方式，将海量实景三维模型快速、便捷地发布到不同地域、不同部门、不同设备的客户端。

（2）便于数据库化管理。3D 瓦片可使用Cesium Lab 进行数据处理，采用Oracle、Postgre SQL、SQL 等实现数据库化管理。

（3）数据安全。直接采用原始数据OSGB 文件管理方式，存在数据安全问题，易被修改、删除、破坏和非法拷贝。

3 电子航道图数据融合技术

对于遥感影像数据的处理“OpenLayers +GeoServer”模式。将最新的卫星遥感数据在GeoServer服务器端通过切片插件和GeoWebCache 工具完成切片工作，形成影像切片数据库并发布WMS（Web Map Service）网络地图服务。WEB 端（浏览器端）采用HTTP 向服务器（Apache Tomcat Web Server）发送请求获得影像数据，显示在WEB 页面的地图容器里。用户可以通过叠加航道要素与卫星遥感影像进行对照和审核。WEB 端以OpenLayers 技术为核心构建，对航道图数据、矢量数据、卫星影像实现多比例尺下的无缝拼接，为多维航道显示提供可视化界面。二维电子航道图叠加显示效果如图4 所示。

图4 二维电子航道图叠加显示效果图

4 系统Web 发布及展示

借鉴Virtual Globe 技术架构和J2EE 架构模型设计系统架构及SOA(面向服务的架构)，利用JWS 技术、Servlet 技术、JNLP 协议实现系统Web 部署模式及系统Http 访问机制，采用J2EE 体系结构实现系统安全体系。最终实现应用数据Web 发布、数据异步线程下载、基于Web 方式应用程序部署和基于Http 协议访问功能。

用户连接到Internet 网，在浏览器地址栏输入平台Web 发布的网址，就可以登陆页面。以湘江长沙枢纽下游端为起点向上游湘江大桥的航段选取10 公里左右河段为实施水域，搭建多维数字航道示范段展示平台，图5 是部分系统界面图。

图5 系统界面图

5 总结与展望

本文通过研究整合无人机倾斜摄影、电子航道图数据等多源数据，解决了多源数据的处理和融合展示等关键技术问题，实现了多维数字航道综合展示系统，为船舶通航、航道维护、水上应急救援等提供直观可视的多维航道数据。后续须进一步整合航道多维空间数据，将卫星影像、天地图、通航要素三维模型等数据加入进来，并在此基础上完善数据分析功能，以满足航道维护、通航安全等需求。