GIS 技術在長江航道沉船掃測中的應用研究

曾 文 夏輝宇 周薛凱 游澤豪

(1.長江航道局應急救助處,湖北 武漢 430010;2.長江南京水上應急救助基地,江蘇 南京 210037)

0 引言

長江航道是貫通我國東、中、西部三大經濟區的黃金水道,是長江經濟帶綜合立體交通的主骨架。 然而,由于各種原因,長江航道分布有眾多沉船。 沉船不僅對船舶通航構成安全風險,其內部的燃油和潛在的?；芬泊嬖谛孤╋L險,對長江生態環境和漁業資源造成嚴重威脅[1]。 因此,對長江航道歷史沉船進行打撈,對于保護長江生態和保障航道安全暢通具有重要的現實意義[2]。

沉船掃測作為沉船打撈工作的重要環節,為潛水作業和打撈任務提供了全面可靠的信息支持和安全保證。 然而,長江航道的沉船掃測面臨著一系列困難和挑戰。 首先,水下沉物種類多樣,可能影響掃測結果的解讀精度。 其次,長江的水文條件復雜,特別是在能見度低的情況下,光學探測方法的效果較差。 最后,長江航道復雜的船舶交通不僅增加了作業的風險,而且船舶的頻繁通行可能會干擾掃測的準確性[3]。 在這些情況下,傳統的航道測繪手段的應用效果受限。

相較于傳統測繪方法,GIS(Geographic Information System/Science)技術的主要優勢體現在對多源空間數據的集成能力、強大的空間分析和可視化功能,以及其高度的靈活性和可擴展性。 當GIS 技術被應用于沉船掃測中,它不僅可以提升掃測作業的科學性和效率,而且可以從多個視角對掃測成果進行深入分析,從而增強目標識別的精度,深化對掃測成果的認識。

本文的創新點是提出一套基于GIS 技術的沉船信息數據整合、沉船掃測范圍設計和沉船掃測成果分析方法,并結合長江航道沉船掃測實際案例論述了技術細節與實際應用效果。

1 相關技術概述

1.1 沉船掃測技術

沉船掃測是一種水下探測技術,主要用于發現和定位水底沉船或其他障礙物,以保障航道、港口、錨地等水域的通航安全。 在早期,沉船掃測主要采用接觸式掃測,包括硬式掃床和軟式掃床兩種方法,然而這種方法存在較大的作業風險,成本高且準確率不高。 隨著技術進步,非接觸式掃測已經逐漸取代接觸式掃測。 非接觸式掃測是指利用磁學和聲學技術儀器在不接觸沉船條件下進行檢測[4]。 海洋磁力儀是磁學探測的主要工具,它能測量地磁場的微弱變化,從而探測水底的磁性物質或結構。 由于沉船通常具有較強的磁性,海洋磁力儀常被用于探測被淤泥覆蓋的船體[5-6]。聲學探測是應用最為廣泛的掃測技術,它通過發射和接收聲波生成水底的二維或三維影像,從而實現沉船的檢測[7]。 最常見的聲學探測設備包括側掃聲吶、多波束測深系統、淺地層剖面儀等。近年來,三維側掃聲吶、多頻三維合成孔徑聲吶等更為先進的技術和設備也開始被應用于沉船掃測[8-9]。

1.2 GIS 技術

GIS 是地理信息系統的簡稱,GIS 是設計用于支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和展示的系統,以解決復雜的規劃和管理問題。隨著GIS 領域的不斷擴展和理論、技術的進步,GIS 已逐步發展為一個研究地理信息系統和地理信息技術基礎原理及應用的科學,包括地理空間數據、信息、知識和技術的理論、概念、方法和技術。 本文所述的GIS 技術是指構建地理信息系統過程中涉及的一系列方法和工具,包括如下幾類。

1)空間數據采集技術:包括利用全球導航衛星系統獲取精確的地理位置,使用遙感手段采集地表信息,以及通過地理編碼將非空間數據轉換為空間數據。

2)空間數據管理技術:包括空間數據庫管理系統和空間數據引擎,實現不同類型空間數據的統一存儲、檢索和管理。

3)空間數據處理技術:包括空間數據格式轉換、坐標系統和投影轉換等技術,以及執行各種地理處理任務如矢量化、柵格化、插值、平滑等。

4)空間數據分析技術:這是GIS 的核心技術,用于分析和理解地理空間中的模式和關系,包括空間查詢、空間統計以及更復雜的空間模型。

5)空間數據可視化技術:GIS 技術能夠將地理數據可視化,通常是以地圖的形式,包括基本的地圖制作以及更復雜的三維地圖等。

6)空間數據服務技術:使用各種Web 技術發布和共享GIS 數據和服務。

2 GIS 技術在沉船掃測中的應用

2.1 沉船信息數據整合

在進行沉船掃測之前,首先需要通過多種方式收集與沉船相關的信息,為掃測提供詳盡的基礎。 這些信息通常包括航道基礎地理信息、事發水域的地形地貌、水文氣象以及船舶通航等數據。這些數據有些源自信息系統數據庫,有些由海事機構提供,有些通過網絡爬蟲獲得,因此,數據格式、坐標系統的使用等方面存在不一致性,數據質量也存在差異。 數據處理首先需要將CSV 格式的數據轉換為GIS 能夠讀取和處理的GeoJSON或Shapefile 格式。 借助GIS 的坐標投影轉換功能,將各類數據轉換至統一的坐標系統,以確保數據的空間一致性。 將高程系統統一為1985 國家高程基準,在某些情況下,還需要將數據調整至統一的時間范圍,例如,將船舶AIS 航跡數據和遙感影像數據融合到同一的時間序列中。

2.2 沉船掃測范圍設計

設計沉船掃測范圍需要考慮多種影響因素,包括沉船位置、航道條件、水下地形、船舶通航以及氣候條件等。 傳統的掃測范圍設計主要依賴于經驗,往往無法實現對多源數據的綜合分析。 GIS技術在沉船掃測范圍設計階段的應用包括如下三個方面。

2.2.1 確定沉船概位

從海事部門獲取的沉船報告位置通常以與航道、航標的相對位置來描述,例如,位于某紅浮連線外約XX 米。 在這種情況下,需要利用GIS 的測量和繪圖工具,在電子航道圖上標注其大致位置。 如果能夠獲取沉船的最后AIS 數據,應使用空間數據轉換工具將AIS 軌跡點轉換為軌跡線,并將其疊加在底圖上。

2.2.2 繪制掃測區域

在GIS 中新建一個圖層,并以沉船概位為中心創建一個緩沖區,以初步確定潛在的掃測區域。掃測區域的方向應與水流方向一致。 此外,可以利用空間分析工具研究水深、地形、流速、流向、風力和風向等因素,或者利用GIS 的流向分析功能預測沉船可能的漂移方向。 如果在掃測區域內沒有發現沉船,可能需要對范圍進行擴大,例如,沿著沉船AIS 航線的反向重新進行掃測。

2.2.3 設計掃測路徑

在確定了掃測區域后,需要設計掃測路徑,即測線。 可以利用GIS 工具疊加水下數字高程模型(DEM)進行分析,如果掃測區域的水深較大,測線可能需要更密集;如果水深較淺,測線可以相對稀疏。 還可以通過疊加沉船水域的船舶軌跡熱力圖,分析掃測工作可能對航行的影響以及掃測工作自身的安全性。

2.3 沉船掃測成果分析

GIS 技術在沉船掃測成果分析中的應用包括以下三個方面。

2.3.1 自動檢測聲吶圖像中的沉船

GIS 中常用的遙感圖像處理和目標提取算法可以被用于水下聲吶圖像中的沉船自動識別[10-11]。 尤其是近年來深度學習的發展進一步提高了目標識別的準確性。

2.3.2 結合多源數據確認掃測結果中的目標

長江航道水下沉船沉物種類眾多,沉船在水下的形態特征也各異,有時僅憑掃測結果難以確定是否為沉船,或者無法判斷是否為目標沉船。此時,有必要結合多源空間數據進行綜合分析判斷以進行目標確認。 例如,利用GIS 的空間分析功能,將掃測結果二維柵格圖或三維點云圖與該水域DEM 進行疊加和融合分析,有助于獲取更全面的信息,更準確地確定目標屬性。 此外,遙感影像中的同類船舶的尺寸和位置也可以助于判斷沉船目標。

2.3.3 分析沉船掃測的三維結果的特征

利用GIS 的三維分析工具,如體積分析、表面分析等,來進一步分析沉船的三維特征。 這有助于從多個角度和尺度理解沉船的位置和形態,評估沉船的大小形狀以及其與水底的關系等。

3 案例分析討論

3.1 科學規劃,提升掃測效率

長江航道沉船掃測主要使用多波束測深系統和側掃聲吶開展。 面對長江航道的高船舶密度以及復雜的水下地形等挑戰,進行掃測任務前的準備工作尤為重要。 需要收集各類地理信息數據,然后在此基礎上進行掃測范圍和測線的合理規劃,這將有效提升掃測效率。 表1 所示為實際工作中收集的多源數據類型。

表1 長江航道沉船掃測準備階段采集數據類型

在完成數據采集后,我們使用ArcGIS 工具進行空間數據的整合。 這個過程主要包括以下幾個步驟。

1)異常處理:對數據中的異常值進行處理是必要的,尤其是在AIS 軌跡點數據中異常值最為常見。 我們采用了文獻[12]中的預處理流程,該流程包括軌跡數據組織、刪除錯誤記錄以及刪除異常位置三個步驟。

2)數據轉換:從DWG 和EDB 格式的航道測圖中提取有用的水深點信息,并將其統一轉換為CGCS2000 格式,進而構建出一個水下數字高程模型[13]。 此外,我們還將包含最新航標位置的CSV 文件轉換為Shapefile 格式。

3)數據整合:通過ArcGIS 的地圖服務功能,我們調取了電子航道圖和遙感影像地圖作為航道基礎信息地圖,并將多源數據疊加到底圖上。 如 圖1 所示的是多源空間數據疊加的效果圖。

圖1 多源空間數據疊加效果圖

基于數據整合結果,我們參照2.2 節所述的方法,在GIS 中新建一個圖層以繪制掃測范圍。 如圖2 所示,黑框區域即我們規劃的掃測范圍。 通過將該區域的AIS 軌跡熱力圖疊加在上面,我們發現在掃測區域內存在渡輪軌跡。 因此,在進行掃測作業時,應對此區域進行加強監測,以避免可能發生的船舶碰撞。 這種結合GIS 技術和實際狀況的方法,能夠在掃測過程中為我們提供更多的信息,從而提高我們的工作效率并減少潛在的風險。

圖2 掃測范圍設計示意圖

在完成掃測范圍的繪制后,我們利用GeoServer 將該圖層發布為Web 服務。 這樣,掃測工作船可以在現場實時調用和查看,從而及時掌握掃測范圍和測線的更新情況。

與傳統的航道掃測方式相比,結合GIS 的掃測工作模式綜合考慮了多種因素,包括航道條件、最新的航標配布以及水下地形的變化,從而能夠得到更準確的掃測范圍。 同時,通過利用GIS 服務的發布功能,船端能夠在第一時間獲取掃測區域和測線的更新情況,這不僅提高了掃測效率,也降低了現場工作的工作量。

3.2 多源融合,提升識別精度

多波束掃測的結果主要包括二維柵格圖、三維點云圖和水深點文件。 二維柵格圖為每個格網(grid)賦予高程信息,這可以直觀地展示沉船水域的地形地貌。 三維點云圖則能從多個視角顯示掃測結果的細節,允許對成果進行深入地觀察和分析。

為實現多源數據的融合分析,需要為二維柵格圖賦予坐標系統信息,這可以在多波束軟件中將成果導出為GeoTIFF 格式實現。 在ArcGIS中,我們可以將柵格圖疊加到電子航道圖或遙感底圖上,進行多源數據的綜合分析和解讀。如圖3 所示,左圖通過與電子航道圖的融合,可以輔助我們分析沉船的礙航情況;右圖則通過與高分辨率遙感影像的融合,使我們能夠將掃測結果與周邊船舶進行尺寸對比,從而匹配沉船目標的類型。

圖3 沉船掃測成果與多源數據融合分析效果圖

與傳統的單一來源的結果分析方式相比,基于GIS 的多源數據分析模式有助于我們獲取更全面的信息。 這不僅大大提高了我們識別沉船目標的準確率,也為后續的潛水探測、沉船打撈和航道維護提供了更多的信息支持。

3.3 分析特征,發現變化規律

利用GIS 可視化技術,我們對沉船水域的三維特征進行了深入分析。 如圖4 所示,在長江下游的沙質河床上,我們在多處沉船掃測結果中發現,沉船附近均存在明顯的沖刷坑,而且這些沖刷坑的走向與水流方向一致。

圖4 沉船附近沖刷坑示意圖

沖刷坑的形成是一個復雜的流體動力學過程,與河床地質、水流速度和方向、沉船的大小和形狀等因素有關。 在圖中四處沉船所在的河床主要受徑流影響,沉船對水流產生阻擋,導致沉船上游的水流速度減慢,沉積物沉積。 而在沉船下游,水流重新加速并匯聚,形成一個高速的渦流區,即渦流。 這個渦流持續侵蝕沉船下游的河床部分,形成深坑。 大型沉船可能會引導更大的水流繞過,形成更強烈的渦流,從而更易于侵蝕河床,形成深坑。 相反,小型的沉船可能產生的渦流較弱,其侵蝕力也相對較小[14-15]。

在過去,由于缺乏GIS 技術的支持,技術人員對沉船掃測結果的分析并不充分。 通過引入GIS技術,我們能夠對比分析不同類型沉船的掃測結果,從而發現規律,加深對沉船水域河床變化的理解。 這使得我們今后的掃測搜尋模式從“以船找坑”轉變為“以坑尋船”。 在未來的研究中,我們將深入探析基于多波束圖像的沙質河床沉船沖淤特征,通過數值模型和物理模型等方法來揭示沉船沖刷坑的形成機理,為未來的沉船掃測搜尋提供理論支持。

4 結論

本研究從空間數據整合、掃測范圍設計、掃測成果分析以及掃測成果可視化等方面,深入探討了GIS 在沉船掃測中的應用方法。 結合長江航道沉船掃測的實際案例,對GIS 技術在沉船掃測工作中的實際效果進行了分析和討論。 與傳統掃測工作相比,基于GIS 的掃測模式能夠有效地整合和分析多源空間數據,這不僅提高了掃測的效率,也提升了目標識別的精確度。 通過利用GIS 的空間分析功能,我們發現了沉船水域沖刷坑形成的規律,并從機理角度進行了初步的解釋。 未來研究將更深入地探討GIS+BIM 技術在沉船掃測建模中的應用。 此外,對長江航道空間數據庫中的沉船掃測成果數據進行有效地組織和管理,也是今后重要的研究方向。