江海联运电子航道图构建技术研究

解 静，房新玉，柯 敏，常 江，梁书秀，孙昭晨

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456；3.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，大连116024）

勘察设计及工程咨询

江海联运电子航道图构建技术研究

解 静1，2，房新玉1，2，柯 敏1，2，常 江1，2，梁书秀3，孙昭晨3

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456；3.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，大连116024）

区别于内河电子航道图，江海联运电子航道图凭借与电子海图统一的标准与表达和更丰富的数据内容，为江海联运船舶航行安全和效率提供了保障。文章系统阐述了江海联运电子航道图构建技术。从数据收集入手，先后探讨了数据预处理、数据加工与质量控制等关键技术及生产流程，最终输出符合行业标准的电子航道图。并以我国北方某内河为例，展示了江海联运电子航道图生成技术的具体应用成果。实践表明，文章所提出的电子航道图构建技术具有广泛的适用性，可以应用于我国任意内河的电子航道图生产。

电子航道图；江海联运；EPS；ArcGIS；数据加工

江海联运是由同一艘船完成内河和海上运输的连续运输方式。这种运输方式不仅具有周期短、环节少、成本低、货损率小等优点，更加促进了内河航运事业和腹地经济的发展，具有广泛的社会经济效益。早在1968年，往返于英国和丹麦港口的登格尔特号在英国诞生，拉开了江海联运的序幕。接下来的三四十年里，江海联运在前苏联、欧洲、美国、日本等沿海国家和地区得到了快速发展。我国江海联运起步相对较晚；同时受船舶建造水平落后、航道通过能力不足、港口功能不完善等多种因素制约，初期发展相对缓慢［1］。随着科学技术的进步和全球经济一体化进程，我国江海联运迅速发展起来，形成了以长江、珠江、黑龙江三大水系为代表的江海联运体系。往来船舶的激增，沿江、跨江建筑物的大量修建，使我国内河航运面临着前所未有的机遇与挑战。

得益于“数字海洋”相关技术的发展，“数字航道”已经成为我国内河航运管理的新方式，并向着科学化、智能化的方向发展。长江航道测量中心在“数字航道”和“智慧航道”建设方面做出了很多有益的尝试，率先建立并发布了长江电子航道图。长江电子航道图不仅实现了航道信息数字化［2-4］，弥补了传统纸质航道图的不足；更在长期实践中，不断完善，结合相关助航应用需求，实现了航行预警、水位预报和船舶智能指挥等功能［5-7］，特别是在东方之星沉船搜救中发挥了重要的作用。随后，赣江数字航道地理信息系统［8］、苏南运河数字航道应用系统［9］、龙潭库区中通道水运智能交通管理平台［10］等“数字航道”应用系统相继问世，有效地提升了内河航运管理能力。电子航道图作为“数字航道”建设的核心内容，有效保证了“数字航道”应用系统多种功能的实现。

在我国，内河电子航道图与电子海图遵循标准和数据表达方式不一致，不仅使内河电子航道图无法与电子海图衔接，同时船用电子海图系统（ECDIS）也不能正确加载和显示内河信息。这些都给江海联运船舶在我国内河行驶的通畅性和安全性带来了很大阻碍。江海联运电子航道图作为电子航道图在江海联运中的具体应用，不仅应具备普通电子航道图的基本内容，实现内河航道信息数字化；在数据内容上，覆盖河口及其附近海域，保证电子航道图与电子海图的无缝连接；在数据组织和显示上还应与电子海图遵循统一标准，被ECDIS支持，为江海联运的船舶提供一致的航道信息。另外，江海联运电子航道图凭借其直观、流畅、准确等特点，为江海联运船舶安全提供了保障。为了提供长期有效的服务，电子航道图的维护与更新就变得尤为重要。传统航道图普遍以纸质形式留存。随着计算机制图技术的发展，形成了多种格式的航道信息化成果，如DWG文件航道图、SHP文件航道图和ER文件航道图。其中，DWG文件航道图仍然是最常用的航道数据生产和存储方式。但是，它对要素的空间信息和属性信息的管理和表现能力不足，无法满足数字航道建设需求。随着地理信息系统和网络技术的发展，ArcGIS、EPS2008、Sevencs、CARIS等商业软件的问世促进了电子航道图生产和“数字航道”建设。如何合理利用成熟的商业软件，增强航道信息等相关数据的可维护性，降低电子航道图的制作周期和生产成本，保证电子航道图的质量，已经成为电子航道图生产者和使用者最关心的问题。虽然李邵喜［2］、刘小燕［11］、徐硕［12］、程新平［13］等先后探讨了电子航道图不同生产环节的处理方法，但是关于电子航道图生成技术的系统报道不多见。本文重点关注江海联运电子航道图的生成技术，着重阐述电子航道图生成过程和方法。由于遵循标准的不同和表达内容的丰富，江海联运电子航道图将更加注重数据收集和数据加工处理。最后，以我国某内河为例，展示航道信息数字化成果，试图为江海联运电子航道图生产、数字航道建设，以及信息与服务的共享提供有益参考。

1 电子航道图生成技术

电子航道图的生产过程可以归纳为数据收集、数据预处理、数据加工和质量控制4个环节。

1.1 数据收集

收集的数据主要包括水域信息数据和陆域信息数据两大类。水域信息数据是电子航道图的数据核心，它对于保障内河通航和航行安全具有重要的意义。这类数据主要包括航道基础地理信息（如航道、航道中心线）、航标信息、沿江/跨江建筑物及构筑物信息（如桥梁、堤）、碍航物信息（如沉船、暗礁）、水深数据、分道通航制信息（如通航分割线、分道通航制分道），以及相关的海事航行规则等。这部分数据应覆盖内河、河口及其附近海域。陆域信息数据主要用于提供地理参考，同时辅助水域地理信息数据，丰富电子航道图的显示。陆域数据主要包括基础陆域信息（如行政区划）、江上服务设施（如引航站、救助站、港航管理机构）、主要交通信息、水系信息、植被信息、高程点等。

1.2 数据预处理

由于数据来源不同，收集的数据往往存在存储方式不同、数据异构、空间参考异质等特点。这些都给航道数据的组织和电子航道图的生成加大了难度。因此，在制作电子航道图之前首先需要进行数据预处理。

原始测量数据是电子航道图最根本的数据来源。这些数据通常以散点的形式存在。内业人员根据现场测量草图利用AutoCAD完成对数据整理、地物绘制，以及图面整饰。经质检，输出DWG格式的成果图，也就是通常意义下的DWG文件航道图。

航标是内河航道中最常见一类地物，它对于航行安全起着重要的作用。除基本空间信息外，航标还具有丰富的属性信息，如航标类型、光色、材质、性质等。由于DWG文件无法有效地组织这些信息，因此这类地物通常以文本形式存储。

1.3 数据加工与质量控制

（1）基于EPS的数据编辑与文件格式转换。

数据加工的第一步是将DWG格式文件转换为ArcGIS支持的SHP格式文件。北京清华山维公司推出的EPS地理信息工作站就很好的融合了CAD技术和GIS技术。由于大部分的数据编辑工作，例如岸线、构筑物、水深点以及等深线的生成与绘制，已经在数据预处理中完成；因此在EPS中将重点实现DWG格式数据到SHP格式数据的转换。

图1显示了基于EPS平台的DWG数据加工流程。从图中可以看出，整个作业流程包括作业准备、编辑处理和成果输出3个部分。

作业准备包括工作台面定制和工作环境设置两个步骤。工作台面的定制也就是建立EPS作业模板。在这个过程中，完成了包括数据分类代码、属性数据结构、坐标系统等一系列数据标准的定义，并存储在模板文件（*.MDT）中。在此工作台面上加工得到的数据都将符合既定的数据标准。工作台面一旦定制，在开始新作业时只需要加载已建立的模板文件即可。导入数据前，还需设置当前工作环境，包括系统环境、图幅信息、输出参数等。至此，完成了全部作业准备，进入数据导入与编辑处理阶段。

EPS将自动按照导入的DWG数据的层次关系进行对象组织。调用EPS过滤器批量选择对象，按照数据分类代码修改选中对象的特征编码并添加必要属性。当对所有对象完成初步编辑处理后，应用EPS数据合法性检查工具，重点对对象的空间逻辑、规范编码和扩展属性三部分内容进行检查。根据返回的检查结果，对错误的或不合理的要素属性进行修改，直至满足全部检查项要求。EPS数据合法性检查工具中提供了较多的检查项。实际工作中，并不是所有的检查项都是必须的或合理的。因此，可以采用定制检查方案的方法，根据数据特点和检查目的优化检查项，提高检查效率。经数据检查得到了满足合法性要求的数据，完成了数据编辑处理工作，保存并输出SHP格式数据成果。

EPS利用数据分类代码，建立EPS数据与SHP格式数据之间一一对应的映射关系，输出的SHP文件为以物标六位码命名。由于数据量大，在数据编辑处理过程中，不可避免地存在特征编码选择不当，造成数据没有正确分类；而这类问题在EPS质检中并未得到有效检验。在这种情况下，将输出以物标中文名命名的SHP文件。此时，应返回工作台面进行必要的修改，直至输出正确的成果文件。

另外，如果收集到的是原始测量数据，那么可以选用EPS直接进行数据编辑和处理，具体过程详见文献［14］。

（2）基于Charting的数据编辑。

将SHP格式文件编辑加工成符合行业标准的数据产品是数据加工的第二步。电子航道图作为电子海图的一个分支，其制作多遵循由国际海道测量组织颁布的《数字式海道测量数据交换与传输标准》（IHO S-57）。ESRI公司推出的ArcGIS for MariTime:Charting（以下简称Charting）基于S-57标准，集成中心数据库（Nautical Information System，简称NIS库）和产品数据库（Product Libarary，简称PL库），成为电子海图/航道图数据编辑与产品生产的有效工具。NIS库是Charting的核心部分，存储了用于航道图生产的全部数据。PL库主要用于组织航道图生产，存储了一系列关于产品元数据、标准化业务规划、操作等信息的数据表。

图2显示了基于Charting的电子航道图数据加工与产品生产的基本流程。从图中可以看出，整个过程分为基于PL库的产品管理、基于NIS库的数据管理，以及本地数据编辑。

Charting为PL库和NIS库提供了标准化模板，简化并规范了PL库和NIS库的建库过程。因此，首次应用Charting制作电子航道图时，首先建立PL库和NIS库，分别加载相应的模板文件。此时，已经建立了一个包含标准产品库表的PL库和一个包含符合S-57标准海图数据集及要素类的NIS库，其中的数据表和要素类均为空。通过PL库属性配置将PL库和NIS库关联起来，并进行必要的属性设置。在PL库中完成图幅AOI和电子海图ENC的创建工作。AOI是一个人为设定的矩形区域，通常依据航道划分情况进行绘制；同时S-57要求生成ER文件时，每幅图的大小不宜超过5 M，因此，AOI还要依据区域地形进一步裁切。每一个AOI对应一个ENC，一个ENC对应生成一个ER文件。lyr是一个自定义的、用于数据签出的面要素。它通常根据AOI绘制，可以覆盖一个或几个AOI。将lyr作为过滤要素，把NIS库中的数据签出到本地，同时系统自动创建一个与之对应的编辑版本。

本地数据编辑是数据加工与质量控制的重点，主要涉及要素导入与创建、要素属性编辑、数据质量检验，以及数据签入等。需要导入和创建的要素主要包括经EPS处理的SHP数据、水深点要素、深度区要素、陆地面要素和航标要素。

图1 EPS平台数据编辑处理流程Fig.1 Flowchart of EPS⁃based data processing

①导入SHP数据。

导入经EPS处理的SHP数据相对简单。选择与NIS库要素类相对应的SHP文件，系统自动根据字段名称和字段类型将记录加载到本地NIS库要素类中，完成数据导入，手动添加必要属性。

②生成水深点要素。

水深点数据通常以xyz文件存储。因此，在NIS库中加载水深点，首先要将xyz文件制作成SHP格式文件，然后将SHP文件加载到NIS库中SoundingP要素类上。

③创建深度区和陆地面要素。

深度区和陆地面的生成主要借助Charting提供的Generate Depth Areas和Generated Land Areas工具。按照工具要求选择并设置相关参数，完成深度区和陆地面的生成工作。

④创建航标要素。

由于每个航标要素都是由基座、灯标和顶标3个要素组成，因此航标要素的创建相对复杂。首先分别创建具有相同空间位置的3个要素；然后通过建立主从关系将这3个相互独立的要素联系起来，形成一个航标要素；最后进行要素检验，保证航标要素的准确性和完整性。另外，航标种类丰富，因此在属性设置时，必须对照S-57标准准确填写航标编码及其他必要属性。

当对所有签出数据完成导入、创建、属性编辑等一系列的工作后，应用Charting提供的Data Reviewer工具检查数据质量。如果检查通过，就可以进行数据签入操作；否则，需要根据检查记录，返回错误数据，对数据进行再编辑，直至满足全部检查项要求。

将在本地编辑处理好的数据签入到NIS库对应编辑版本里。经版本协调，将编辑版本中的添加/修改的数据更新到Default版本中。在版本协调的过程中，还要对添加/修改的数据进行二次数据校验。通过选择冲突解决方式，保证数据向着有益的方向更新。最后，在PL库中找到要输出的ENC并输出为ER文件。

至此，基于Charting平台的数据加工与质量控制工作就完成了。版本化管理贯穿整个数据加工与质量控制过程，它不仅保证了数据的准确性和完整性，同时为多用户对NIS库中同一数据的编辑提供了保障。对于同一电子航道图，PL库和NIS库通常只需要创建一次，之后通过更新NIS库中的数据对电子航道图进行维护。因此，本地数据编辑也是电子航道图生产与后期维护中最常规的工作内容。

另外，在现场测量中多采用投影坐标系，而电子海图中普遍采用WGS-84坐标系。因此，数据加工过程中通常需要进行坐标转换。事实上，EPS和Charting都提供了坐标转换的工具，只要正确设置转换参数，就可以准确、快速地完成从投影坐标到大地坐标的转换。有些情况下，水深数据的高程基准也是需要进行转换的。

图2 Charting平台数据加工过程Fig.2 Data processing based on ArcGIS for MariTime:Charting

图3 图幅划分与图幅命名Fig.3 Distribution and naming of AOIs

2 案例分析

以我国北方某内河下游为例，应用本文介绍的电子航道图生成技术，建立该河段电子航道图。

2.1 内河概况及图幅划分

该内河干流全长859 km，其中740 km可供船舶航行。其下游近80 km流域，地势平坦，水面宽0.5～2 km，航行条件较好。受沿江地区铁路、公路建设影响，该内河水运一度衰落。近年来，随着江海联运的发展，该内河特别是该内河下游的水运逐渐繁忙起来，千吨级货轮可乘潮通航，通往我国沿海各个港口。

该内河下游分为5段航道。根据图幅划分原则，对每一航段进一步细分，最终形成了19个图幅（图3）。采用线编码方式，根据图幅的空间地理位置对图幅数据编码，形成8位图幅代码，形如CN6 LNHD1。其中，编码前两位CN为标识码，代表中国海上安全监督局；第三位表示电子航道图单元覆盖范围［15］的比例尺级，6代表港泊图单元；第四和第五位为内河所在行政区划的首字母；第六和第七位为航道名称；第八位为该航道分幅序号。这8位图幅代码既是图幅名称，也是最终生成ER文件的名称。

2.2 电子航道图的生成与应用

目前取得的该河段水域信息数据，如水深、碍航物、过河建筑物等均由现场测量得到，航标信息由当地航道管理处提供。根据上文阐述的电子航道图生成技术，经数据预处理、基于EPS和Charting平台的数据加工与质量控制，最终形成了19幅电子航道图，分别输出为ER文件。图4显示了经地图整饰后CN6LNC14电子航道图的显示效果。航道图缩放到一定显示比例时，还将显示水深分布等信息。这些效果图将被输出并发布成地图服务，通过嵌入基于Web GIS的电子航道图及其类似的应用系统，为航道管理、船舶通航等提供在线的数据支持和信息服务。

图4 CN6LNC14电子航道图效果图Fig.4 Display of ENC named CN6LNC14

3 结论

本文详细介绍了江海联运电子航道图生成技术和生产过程。在数据收集的基础上，应用AutoCAD对原始测量数据进行预处理，借助EPS和ArcGIS for MariTime:Charting进行数据加工与质量控制，最终生成符合S-57标准的江海联运电子航道图，输出为ER文件。最后，以我国北方某内河下游为例，应用上述方法建立江海联运电子航道图并展示了该河段电子航道图成果。实践证明，本文阐述的江海联运电子航道图生成技术具有广泛的适用性，也可以用于任意内河航道数字化工作。

在以后的工作中，我们将进一步着眼于电子航道图生成自动化技术。例如，在Charting数据加工过程中，通过嵌入小程序块实现要素必要属性自动填充，提高数据加工效率等。同时，基于江海联运电子航道图的信息化平台建设也将成为我们下一阶段的主要工作，它对于航道信息管理、保障通航安全与效率具有非常重要的现实意义。

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Study on ENC construction technology based on river⁃sea combined transportation

XIE Jing1,2,FANG Xin⁃yu1,2,KE Min1,2,CHANG Jiang1,2,LIANG Shu⁃xiu3,SUN Zhao⁃chen3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China；2.Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin 300456,China;3.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

The navigational safety and efficiency of river⁃sea combined transport are well supported by Elec⁃tronic Navigational Chart(ENC).In contrast with inland ENC,ENC for river⁃sea combined transport meets the same standard and representation to electronic chart.Meanwhile,it has richer data content.In this paper,an ENC con⁃struction technology was presented.After data collecting,the key technologies and production processes of data pre⁃processing,processing,and validation were demonstrated.Finally,an ENC up to profession standard outputted.The technology was used for a river in North China,and the application results were demonstrated.Results indicate that this ENC development technology has a wide applicability and it can be applied to the ENC construction of any riv⁃er.

ENC;river⁃sea combined transportation;EPS;ArcGIS;data processing

U 675.81

A

1005-8443（2017）02-0206-06

2016-08-24；

2017-02-15

交通运输部天津水运工程科学研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费（TKS150219）

解静（1983-），女，黑龙江省哈尔滨市人，助理研究员，博士，主要从事海洋信息数字化及海洋动力与环境研究。

Biography：XIE Jing（1983-），female，assistant professor.