基于三维GIS的港口岸线管理系统设计与实现

王 晖，任文韬，赵星涛

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.北京远鹏网天信息技术有限公司，北京 100085)

0 引言

信息化水平是衡量一个地区现代化程度和经济成长能力的重要标志。空间信息作为信息化的重要组成部分，对国家和地区的发展具有举足轻重的作用[1]。城市空间信息化水平决定了国家和地区信息化的程度。对于广西北部湾经济区来说，不可再生的沿海岸线资源是广西北部湾经济区的核心竞争优势。为了科学、合理、高效地利用沿海岸线资源，将港口现状、规划等数据进行数字化、可视化管理，建设一套港口岸线数字化管理平台成为港口行政管理部门迫切的需求[2]。随着三维地理信息技术(GIS)、倾斜摄影和无人机技术的发展，使建立这套港口岸线管理系统成为可能。

1 建设目标

广西北部湾港GIS岸线管理系统是一个基于B/S架构的港口岸线管理平台，涉及港口资源管理、业务统计查询和岸线规划审批等功能，支持并发访问，实现了港口规划可视化、港口资源数字化、港口业务无纸化的“规划一张图”管理。具体来说，系统主要研究内容如下：

(1)基于服务的架构搭建

研究搭建基于服务的架构的方法。通过标准化网络服务和部分非标准化网络服务，为用户提供岸线规划数据服务、倾斜模型服务以及岸线审批服务等。

(2)实景三维展示

通过无人机获取现状港口的影像，利用倾斜摄影技术建立了北部湾港现状港口的实景三维模型，使用户能够通过浏览器查看到港口及周边建筑、码头等资源的分布情况，可实现快速定位和查询，同时匹配显示对应的港口属性数据，使港口各类资源的分布现状及周边情况在三维场景中直观可见，实现对港口资源的可视化管理。

(3)港口可视化规划

研究基于三维可视化场景，通过有机整合港口规划数据和港口现状数据等，通过矢量化的方式开发了港口资源管理、业务统计分析、岸线审批等功能，实现了港口岸线的数字化管理，从而提升港口业务管理水平。

2 系统架构

2.1 建设思路

图1 建设思路图

广西北部湾港GIS岸线管理系统建设思路如图1所示。系统以3S(GIS-地理信息系统、GPS-全球定位系统、RS-遥感)技术为基础，以国家空间基础设施为框架，集成沿海港口的现状资料(港口地形图和高分辨率卫星影像图)，以港口设施资源(建筑物、设备、构造物等实景三维模型)和规划数据(作业区规划、港区规划、用地规划等CAD和设计三维模型)为依托，充分融合岸线审批等业务流程，建立一个能快速提供真实准确的空间信息资源，并能进行综合分析和辅助设计等操作的产品，实现广西北部湾沿海地区海岸线资源和港口规划的数字化、可视化及动态显示，能够实现规划现状对比、港口资源查询、业务统计等功能。

2.2 总体架构

广西北部湾港GIS岸线管理系统整个应用体系由以下几层结构组成：

图2 系统架构图

(1)数据采集层

数据采集层主要是对港口相关的各类数据进行采集，包括三维实景数据采集、基础地理数据采集和相关业务数据采集等。

(2)数据存储层

通过数据采集层获取的各类数据在存储层根据类型进行分类存储：矢量数据和栅格数据通过空间数据引擎存入关系型数据库；三维实景数据通过SQLite数据库以文件方式进行存储；通过影像数据和地形数据构建的三维场景数据以文件方式进行存储；其他业务数据以关系型数据库方式进行存储。

在该层主要是对系统所需和所拥有的各类数据进行统一的存储和管理，通过建立不同层次的数据库系统，以应对不同层次的数据需求和系统需求。

(3)应用支撑层

应用支撑层主要包括三维GIS平台和应用中间件，为上层应用提供基础数据服务和功能服务。其中，基础数据服务中部分服务为OGC标准，部分为私有标准服务，但所有数据类型均可以OGC标准服务方式访问。应用支撑层是实现和丰富各类业务应用功能的基础，同时也是连接数据与上层业务应用功能之间的纽带。

(4)应用功能层

应用功能层通过数据服务和功能服务传递到各类用户，实现具体应用，包括岸线规划审批、港口模型浏览、港口附属设施信息查询等，为港岸线管理提供支撑。

2.3 数据架构

系统数据架构如图3所示，主要包括业务属性数据、三维模型数据以及GIS/CAD数据等。这些数据通过空间汇聚、格式转换、投影转换等步骤，完成数据治理，进入数据库，进行分类管理。所有数据均以统一空间基准为依据，以三维模型为载体，实现各种二、三维数据的“一张图管理”。

图3 系统数据架构图

(1)数据汇聚

汇聚港口全域时空大数据，包括基础时空数据、港口规划数据、岸线审批数据，构成各个港域的规划、现状融合一体的开放的全域时空大数据资源。

(2)统一时空基准

本系统时空信息数据采用以下基准：

平面基准：国家2000大地坐标系。

高程基准：1985国家高程基准。

时间基准：采用公历纪元，以北京时间为基准。

为了保障数据标准的一致性，根据建设单位提供的坐标转换参数、工具、资料和服务对本项目的时空数据进行坐标转换，并提供对数据的编辑与处理[3]。主要包括：支持坐标及投影变换、高程换算、数据裁切、数据格式转换以及影像数据的对比度、灰度(色彩)、饱和度一致性调整等；支持对二维矢量数据的图形编辑；支持对三维模型进行数据模型替换、模型空间位置修改、属性编辑、元数据编辑等。

2.4 关键技术

2.4.1 港口实景还原技术

倾斜航空摄影技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术，其颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、前方、后方、左侧、右侧五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界[4]。该技术具有建模速度快、模型表达真实(尤其是侧面纹理和镂空纹理)、建模效率高、全要素表达地物等优点。本系统通过使用无人机搭载总像素达一亿的五镜头倾斜相机作为倾斜摄影的解决方案，对北部湾港的港口范围进行空中航拍，获取高分辨率、多视角航空影像。外业航拍获取到多角度、高分辨率影像之后，采用实景三维建模软件，进行实景三维建模，实现对港区构筑物、植被等进行全要素、真实、准确还原。所建模型具有真实纹理并能够全要素真实反映建筑物、道路、植被等地物要素的精细结构和空间布局。与仿真三维模型不同，实景三维建模所制作的场景能完全弥补前者的不足，能真实、完整、准确地把港口的原貌原样呈现出来，实景真三维数据能够以极高的效率还原港口地理风貌和当前的生产建设情况。

2.4.2 多源数据融合及网络发布共享技术

系统中包含海量多源、多尺度空间数据，主要类型有倾斜摄影数据、卫星影像数据、DEM数字高程数据、CAD数据等。如何将这些类型复杂，数据量大的空间信息进行融合并在网络中传输到用户端是一个非常重要且必须解决的问题。

本系统通过空间治理，统一空间基准，整合空间地理数据和港口的规划、业务数据，实现空间地理信息和业务数据的融合、查询，展现互联互通，形成港岸线管理“一张图”。结合港口社会经济属性，形成涵盖二维、三维一体化的全息、高清、高精的港口数字空间，从较为单一的GIS数据升级为融合多源、异构、多时态空间数据，以满足应用和分析的需求，实现多源异构数据无缝融合、时空数据库建立和空间数据快速更新。

由于一般的三维地形数据和模型数据非常庞大，国内很多系统都没有解决地形网络发布的问题，导致系统无法实现网络共享。本系统基于B/S架构，可以实时地以流模式(Streaming)的形式发布三维地形模型数据。在客户端发送请求后，服务器端可以根据请求坐标范围向客户端以流模式发送三维数据，而用户能够通过可变带宽来无缝接入三维数据。只要最初的三维数据以低分辨率的形式被接收到，用户就不必等待全部三维数据加载完成即可以接入系统，且不会受到网络连接的反应时间或中断的影响。这项技术能够以一种更平滑和令用户更满意的方式来无缝显示三维数字化的场景。同时，服务器可以将三维数据发布为OGC标准服务，供其他系统和用户无缝调用。

3 系统功能

广西北部湾港GIS岸线管理系统功能共分为四个模块，分别是三维浏览、港口资源、业务查询统计、岸线审批等。

3.1 总体展示

用户登录系统后，等待系统加载地图数据，当数据全部加载完成后即可看到如图4所示的三维地图界面。三维浏览功能包括放大、缩小、旋转、测量等三维平台基础功能。

图4 三维浏览界面示例图

3.2 港口资源

港口资源模块可以展示各个港口作业区的资源情况，包括现状展示、规划展示和对比展示。首先要选择查看其资源的港区或者作业区，可以查看港区或者作业区的现状情况或者规划情况，也可进行现状情况和规划情况的同屏对比，更加直观地了解该港区或者作业区的资源情况。

3.3 业务查询统计

业务查询包括岸线查询、港区查询、作业区查询、锚地查询、泊位查询、航道查询、辅助区查询和高级查询等。根据用户输入的信息(岸线信息、泊位信息、作业区信息、辅助区、锚地、航道等)，在系统中会弹出关于所查询内容相关的一系列信息，用户选择好自己要查询的信息后，点击此信息，三维场景会自动跳转到该查询对象上，实现定位查询。

其中，吞吐量统计功能可将历年的港口资源数据进行统计，并生成饼状图进行展示，统计结果可以采用Excel等格式输入，并支持将结果导出，方便保存和打印。

3.4 岸线审批

岸线审批功能将传统的线下岸线审批流程进行三维可视化管理，新申请的港口建设项目首先要通过系统进行岸线坐标检测，当用户输入岸线坐标信息后，系统可以自动跳转到对应的地理位置，并判断是否符合港口规划以及是否被占用。如岸线检测通过，即可匹配到相应的规划泊位。匹配以后，就可以按照岸线审批流程进行初次上报。此模块包含了四个功能：申请检测、新建审批、流程管理、数据维护。

4 结语

本系统基于三维GIS和倾斜摄影等技术，对港口现状和规划场景进行了真实的高精度还原，并集成了港口管理的现状数据、规划数据和岸线审批数据，同时可根据不同的条件进行查询、统计和展示，实现了港口规划可视化、港口资源数字化、港口业务无纸化的“规划一张图”管理，为港口行政管理部门提供决策依据，也为建设智慧北部湾港奠定了坚实的数据基础。