基于北斗网格码的航道要素编码初探

吴丙贵

本文简要阐述了基于北斗网格的航道要素编码由来及必要性，在系统分析和现场调研的基础上综述了我国航道要素总体情况，提出了航道要素数字编码的基本原则和框架结构，初步给出了编码方法及组织形式，为编制航道要素数字编码规范提供了依据。

一、前言

航道是水上运输的通道，是综合交通工程最重要的组成部分。以互联网为代表的全球新一轮科技革命正在深刻改变着世界经济发展和人们的生产生活，为全球航道数字化发展带来了全新变革。随着大数据技术的日益成熟，航道数字化，智能化已经成为一种必然发展趋势，航道大数据涉及地理信息系统、遥感技术、网络、通讯、仿真等多种学科，业务系统多，综合管理难度大，但若能利用空间编码技术建立统一基于空间位置的数据编码规范，通过统一规范组织数据，则能为航道管理提供强有力基础保障。

二、航道大数据研究现状与需求

1.航道大数据研究现状

随着数字航道建设在广度和深度上的不断推进，从整体目标来看，航道现代化建设应满足航道成网、四通八达，全面规划、统一标准，统筹安排、综合应用，更新设施、科学管理四方面要求。从航道建设实际情况看来，绝大部分的航道监控、运营服务和信息采集业务运行过程中会收集到系统内外的海量数据，形成航道大数据。航道大数据除具有数据类型繁多、数据变化速度快、数据量巨大、价值密度低这些大数据的基本“4V”特征外，还具有位置、时间、航道设备属性、尺度、多源异构、多维等时空特征。这些时空特征来源于多个方面。在治理需求方面，一年四季、一周之内、一天内不同时间段对航道的治理需求都不相同，表现出航道数据的时间属性要求；在航道区域划分方面，不同地区的地理环境、经济发展程度等条件不尽相同，也会造成航道区域特征的明显差异，表现出航道数据的空间属性要求；在航道管理方面，助航设施、航道船舶、设备环境状态、运行状态等也具有明显的时空特征；同时，不同的业务数据对时间的精准度要求也不同。这些航道时空特征具体体现在以下几方面：

（1）位置：航道设施沿航道分布广、位置信息分散，点、线、面、体的三维位置、拓扑方向、度量复杂；

（2）时间：航道设备异动频繁、监测点多，位置、航道属性、内容等随时间变化而变化；

（3）航道设备属性：航道设备的所属航线、运行状态等信息具有独特的属性，每个位置点、线、面、体上都有不同的航道设备的数量、质量特征和说明信息；

（4）尺度：分级航道管理方式决定不同管理主体关注的航道空间尺度不一样，呈现出不同比例尺下的应用需求；

（5）多源异构：空间基准、时间、尺度、语义等不一致；

（6）多维：航道大数据与空间数据集成构成空间数据立方体，多种维度展现出“全景全息可视化”。

航道大数据所具有的时空属性决定了其是一种典型的时空大数据，具有空间性、时间性、多维性、海量性、复杂性等特点，因此现有标准在描述航道要素信息资源的获取途径、分类体系和编码等方面显得不足，而且不能很好地描述航道要素唯一性。另外，我国内河特别是长江，涉及的航道要素众多且复杂，不能直接利用欧洲内河相关的数据标准规范。

2.航道大数据应用新要求

日趋庞大的数据量和复杂的应用需求导致传统算法性能陷入瓶颈，难以满足用户对响应的实时性要求。航道大数据作为一种典型的时空数据也面临同样的问题，为构建一体化航道大数据中心提出新要求：

（1）标准化：需要全网统一的数据表达标准表达各类航道资源相关数据；

（2）可计算：时空信息获取与高效计算，通过航道数字化的天然时空属性高效挖掘数据价值；

（3）可表达：时空信息的多维度表达，将航道大数据的多维特征以简便高效可视化的方式快速表达出来。

三、北斗网格位置码在航道大数据表达中的优势

北斗网格编码体系是由北京大学程承旗教授团队发展的一套具有自主产权的地球空间剖分组织理论体系，在此理论的指导下构建了基于北斗的全球位置网格编码，已被采纳为我国军标和多个行业标准。北斗网格码在表达航道时空数据和航道大数据组织与管理方面都具有独特的优势：

1.继承更全面：完全继承航道传统数据管理模式，不推倒不重来，继承能力更全面；继承性数据增量较小，效率更高。

2.组织更简单：航道空间信息自动转化为剖分编码，依托剖分索引大表，实现跨库跨网的多源异构数据统一组织。

3.共享更直接：打破部门数据共享壁垒，提供多粒度多尺度共享模式，直接通过数据模型编码实现数据共享。

4.检索更快捷：依托剖分编码技术进行降维处理，实现多维变一维检索方式；搜得更全更快，编码搜索效率比Oracle Spatial提升3倍以上。

5.计算更高效：航道编码全部为整型编码，计算比经纬度的浮点数效率更高，编码代数运算效率浮点数提升1个数量级。

6.表达更丰富：支持航道空、天、地、地下、水下多维一体表达，用立体网格真三维表达空间对象，深层表现空间体内部信息。

四、航道要素空间网格编码方法

1.航道大数据编码内容的界定与编码结构设计

明确航道大数据编码涉及的航道要素种类、所在空间属性及空间位置，形成科学合理的航道要素标识内容界定；航道大数据的编码结构，其应包括：数据的精准空间位置信息、数据类别信息、属性信息、时间信息等，目标使得每一个航道要素，都能够赋予唯一编码，可用于数据溯源和定位服务。

图1 航道大数据编码结构图

（1）空间位置码用于确认航道要素唯一位置，由要素所在经纬度按北斗网格位置编码中三维空间编码转换而成；

（2）时间标识码：用于记录要素编码时间属性；

（3）类型代码参考《内河通航标准》（GB 50139-2004）、《航标术语》（GB/T17765-1999）、《航道工程设计规范》（JTS 181-2016）等相关方面已明确的规范保持一定相关性，在代码划分为11大类，每大类细分为四级，每一级划分更精细；

图2 类型划分示意

（4）校验码：用于校验编码正确性。

2.航道大数据编码方法

图3 编码示意图

示例：某航道设施形心的经纬度为X=116.306452778，y=39.991911，高3米，属于内河导助航设施大类-＞航行标志-＞过河标-＞左岸标志，编码时间为2010年5月12日14时3分6秒，该标志空间位置编码为N0312GEH2411322523621273644186000070101 01001。

3.航道大数据的编码组织方式

（1）基于现有体系的数据关联方法

由于现有编码体系均无法涵盖所有部门、单位，所以要想实现不同数据库中相应数据的整合与共享，仅能事先建立各编码体系之间的映射关系表，通过映射表完成跨库查询。

图4 以映射表实现的航道数据跨库查询原理图

基于北斗网格码的航道大数据编码为全球各层级基于位置的经纬度数据提供了统一的编码方案，各编码体系中的位置单元均可在航道大数据编码中找到映射值，因此，不同编码体系下数据的整合利用，可省略两两建立映射表的中间环节，直接以标识编码关联即可。

（2）采用全新体系的数据关联方法

航道大数据对象表用于航道数据基本信息管理，实际应用中可按数据层级或父子关系分别建立多张表格。空间数据网格索引表以航道数据标识编码的空间码为主键，同时记录航道数据单元的空间信息与属性信息。

图5 基于航道大数据编码的航道大数据表

五、结语

结合发展“智慧航道”国家发展战略，为满足建设“数字航道”新发展需求，将航道要素的三维空间信息、属性信息、时间信息归于一码，打造真正客观表达的航道数据的全球“一个码”，并在此基础上实现“一码”“一图”“一网”智慧航道治理体系，建立基于“数字航道”的一张图，航道全景一张网，从而增强航道治理工作，提高航道智能化治理水平。