内河电子航道图质量检查模型设计与应用

杨必成，韦洛毅，王山东，张陈意

(河海大学 地球科学与工程学院，南京 211100)

内河电子航道图是航运信息化建设的基础与关键[1-2]，故检查其成图的规范性尤为重要。近年来，《长江电子航道图制作规范》(JT/T765-2009)作为行业标准规范我国针对长江电子航道图的数据维护和管理，使其相关技术研究趋于成熟，例如武汉大学洛佳男等[3]对长江航道中新物标及属性进行研究与归纳，在S-58的基础上完善了长江航道图的检验规则；张国平等通过软件开发实现长江航道图数据流程化管理，提高航道图的生产效率；海军大连舰艇学院的陈志红等[4]通过程序实现对长江物标自动化检查。然而长江电子航道图数据传输标准(简称CJ-57)是依据长江特点所设计的，对国内内河要素描述的完整性及准确性尚有所欠缺。但最新颁布的《技术规范》[5]填补了内河电子航道图制作标准这一空白。依据《技术规范》，国内多名学者对内河电子航道图的拓展及应用进行研究。例如，杨保岑等[6]结合多种航标的优缺点，研究了内河航道助航信息可视化模型，使其适用于多种业务场景。苏北航务管理处陈宇[7]对电子航道图在航道运行状态监测及船舶助导等多方面的应用进行研究。本文从内河电子航道图质量检查方面出发，依据《技术规范》设计完善的质量检查规则库进而构建内河电子航道图质量检查系统，对成图的数据质量进行自动化检查。保障了内河电子航道图的精确性及可靠性，为其后续的应用研究奠定基础。

1 内河电子航道图质检特征

1.1 数据模型特征

在《技术规范》中，特征物标和空间物标是两种抽象模型，用来描述内河航道中的真实实体。实体的属性信息借助于特征物标模型进行描述，而实体的空间几何信息主要记录在空间物标之中[8]。特征物标借助于空间物标进行定位，而空间物标从特征物标获取属性信息(见图1)。

图1 内河电子航道图数据模型结构图Fig.1 IENC data model structure diagram

1.2 内河电子航道图质检与一般电子海图的区别

(1)内河电子航道图相对于一般电子海图其物标的分类更为细致，复杂。而为了适应不同的水道环境，保证航道要素描述的准确性。在内河电子航道图质检中需要设计更为详尽的质检规则，并提供拓展完善质检规则的接口。

(2)在质量检查过程中，内河电子航道图所涉及的图层数往往多于常规的电子海图，并且前者拓扑检查的内容存在涉及属性约束的可能，例如“检查水位效应(WATLEV)取值为[1(高潮部分淹没)、2(高出)或6(洪水泛滥淹没)]的系泊绞缆设施(MORFAC)是否被陆域(LNDARE)覆盖”，该检查项不仅涉及两个面物标的拓扑检查还与水位效应(WATLEV)的属性取值有关。

(3)由于普通电子海图的空间参考为WGS-84坐标系，与我国在推广使用2000国家大地坐标系前，习惯于使用北京-54或者西安-80坐标系，故在质量检查前需要进行空间参考的统一。

2 内河电子航道图质量检查模型设计

图2 质量检查数据库建立结构图Fig.2 Structure diagram of quality inspection database

内河电子航道图的质量检查模型分为两部分，分别是内河基础航道数据库以及质量检查规则库。内河基础航道数据库依据相关标准建立，用以存储预处理过后的源数据。而质量检查规则库是对存储于内河基础航道数据库中的源数据进行质量检查。

2.1 内河基础航道数据库建立

PostGIS空间数据库支持空间类型数据，能够利用空间函数、空间索引将空间信息和属性信息集成[9]，故本文以PostGIS数据库为基础，构建内河基础航道数据库。该数据库的设计模式采用纵向分层,横向分幅的方式。共设计了57个要素层，每个要素层都存放一类相同的物标。例如，可将全部属于河道水文设施的物标放于同一要素层，用一张表(图层表)保存并将该图层中所有物标的共同属性作为该图层的特有属性(特有属性可在《技术规范》中找到参考)。实体的空间信息以及属性信息都存储于同一张表中，使用“geometry”字段进行统一管理，并添加了“handle”句柄值字段作为错误项自动定位的依据。

图3 质量检查规则集结构图Fig.3 Structure diagram of quality inspection rules

对于完整的内河电子航道图，本文进行分幅处理。分幅信息中主要包括图幅编号、名称及边界等。分幅依据为保证岸线完整性的情况下，依据设施分布、覆盖范围进行均衡划分，使划分结果能够完整反应岸线实际情况。在数据库中可通过图幅索引表对具体分幅单元进行定位。

2.2 内河电子航道图质量检查规则库建立

内河电子航道图质量检查规则库主要分为以下五个数据集。分别是质量检查规则集、实例数据集、方法模板集、函数功能描述集、质量检查结果集。前两个数据集主要针对于检查项内容进行整理。之后两项数据集主要是存储相应质检方法的信息，最后将检查结果存储于质量检查结果集中(见图2)。

2.2.1 质量检查规则集

表1 质量检查规则集(部分)Tab.1 Quality inspection rule set (part)

依据《技术规范》对质量检查项内容进行总结，并将其分为属性检查，拓扑检查和数据组织结构检查，其中属性检查又分为特征物标的属性检查和特殊地物的属性检查；拓扑规则检查有带有属性约束的图形拓扑规则检查和图形拓扑规则检查两种，其中图形拓扑规则检查包括层内拓扑规则检查(在同一几何类型图层内对所有的物标空间关系进行检查)和层间拓扑检查(在不同几何类型的图层中对点、线、面六种组合关系进行拓扑检查)，如图3，而带有属性约束的图形拓扑规则检查以物标属性取得某一特殊值为前提，对物标之间是特定的拓扑关系进行检查；单元数据集的组成顺序、指针字段、记录字段等是数据组织结构检查的主要内容，本文将这些质量检查规则项将其分为三个层级并依据这三个层级设计了五位数的分类编码(即为表中的分类编码字段)，第一位是最高层级为大类的分类编码，每个大类再细分为二级规则检查项，对应着分类编码中的第二位和第三位。而三级的细类检查规则通过唯一的编码与实例检查项中的内容形成一对多的关系，对应着分类编码的最后两位，表1为部分质量检查规则集的部分内容。

2.2.2 实例数据集

实例数据集是对《技术规范》中的质检项经过分析整理后得到的数据集，这个数据集与规则库相对应，通过质量检查项的分类编码(SortCode)与上文的规则集建立多对一的对应关系[10]。例如，表2为部分实例数据集。

表2 实例数据集(部分)Tab.2 Instance dataset (part)

表3 方法模板集结构表Tab.3 Structure table of method template set

2.2.3 方法模板集

方法模板集以严格复杂的质检逻辑为依据进行构建。方法模板集中包括检查函数名称，检查项编码，约束属性字段等。表3为方法模板集的结构表。

2.2.4 函数功能描述集

函数功能描述集主要是用于质检函数的管理和更新(包括函数名称，ID功能字段等)，本文共设计了60种质检函数，其功能满足《技术规范》中的全部质检需求。表4为部分函数功能描述集。

2.2.5 质量检查结果集

将质检的结果进行存储，具体包含了物标编码，错误项信息描述，错误项图层信息等，方便对错误项结果进行统计分析，生成质检报告。提高制图人员的生产效率。表5为质量检查结果集的结构表。

表4 函数功能描述集Tab.4 Function description set

表5 质量检查结果集结构Tab.5 Structure of quality inspection result set

3 内河电子航道图质量检查模型应用实例

在实际的内河电子航道图质量检查系统开发过程中，上述的质量检查模型被作为质检平台业务逻辑层的核心构件应用于其中，如图4所示是质量检查平台的架构图。用户可通过人工交互界面选择内河电子航道图质检内容项，依据函数功能描述集中的信息调用方法模板集中的质检函数，检查内河电子航道图是否符合制图规范。最终将质检结果中的错误信息存储于质量检查结果集中，并将结果以及响应效果反馈于用户。经过实际测试，其检查结果的精度，满足实际生产的需求，且由于平台构建的理论依据为最新颁布的《技术规范》，对于国内的内河流域具有广泛的适用性。目前整个平台已被应用京杭运河苏北段内河电子航道图的实际生产项目中，并取得良好反馈。

图5为整个质检平台功能模块的展示，用户对内河电子航道图中物标的空间拓扑以及属性质量均能进行系统性的检查，并将检查的结果进行统计分析，方便制图人员总结制图过程中的不足之处，提高生产效率。检查结果中具体的错误项将被高亮显示，用户不仅可以通过物标的句柄定位错误项的具体位置，还能查看错误项的具体内容。最后将本次检查结果中错误类型的数量、分布、频率以文件的形式输出，作为内河电子航道图在发布前质量评定的重要依据。

图4 总体架构图 图5 平台功能模块结构图

为了直观评估检查模型在实际质量检查系统中的应用情况，本文利用京杭运河苏北段的部分电子航道图数据进行实验验证。验证方法为：对正确的电子航道图数据进行人为修改，将其改为错误的信息(错误内容依据具体的规则检查项而定)，实验所设计的错误项涵盖80%的质检项目。实验结果为所有错误项均被检测出，证明该系统具有十分优秀的质检能力。图6为经引流预处理后的标准航道制图数据，图7为系统对检测出的错误项进行统计的结果。

图6 航道制图数据(预处理后的标准航道数据) 图7 误项结果统计(总体)

4 总结

本文主要参考了《技术规范》与其他相关标准[11-13]，分析了内河电子航道图质量检查的特点，提出了有关质量检查模型设计的新思路，构造了质量检查规则集、实例数据集、方法模板集等五个数据集，有效优化的质量检查项、质检函数及两者对应关系的呈现方式，提高了数据集的管理效率。最终将以这五个数据集为核心的质量检查规则库与内河基础航道数据库相结合构成完整的质量检查模型，内嵌于质量检查系统中。通过测试，该系统可以实际应用于生产。