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数字航道与航道数学模型的数据交换方法应用研究 　　摘 要：以长江下游黑沙洲水道为例，研究CAD航道图及S-57电子航道图的数据提取方法并完成与数学模型的数据交换，建立黑沙洲水道数字高程模型（DEM），并应用地理信息系统（GIS）的空间数据分析功能，提取浅滩演变的特征数据，为统计分析模型的建立提供技术手段。 　　关键词：数字航道；电子航道图；数字高程模型；数据提取；数据分析 　　引言 　　长江航道将于“十二五”期间全面建成数字航道，初步建成智能航道，基本实现长江航道现代化。数字航道在利用计算机网络、无线通讯、卫星定位、地理信息等技术手段，整合航道数据资源，实现航道通航运营、维护管理信息化、智能化等方面已取得了长足的进步。但是，在数字航道快速发展的过程中，传统航道图、清华山维测绘成果图、CAD格式航道图、S-57格式电子航道图等多种格式的航道数据资料并存，需要对多种格式的航道数据进行整合，进行数据交换，使数字航道中大量的数据更有效的用于航道演变预测，为航道管理部门提供航道维护辅助决策，从而进一步提高航道管理部门决策的科技水平，推进智能航道的发展。 　　文章选取长江下游的典型整治河段黑沙洲水道为研究对象，该水道上起板子矶（航道里程489km），下至高安圩（航道里程475km），水道首尾狭窄、中部展宽，属于鹅头型分汊水道。水道中部的黑沙洲与天然洲，将该河道分成中、北、南三个水道。其中黑沙洲南水道是长江下游重要浅险水道之一，也是“十二五”期建造的航道整治建筑物所在地，有非常重要的研究价值。 　　文章研究CAD航道图及电子航道图的数据提取方法，完成与数学模型的数据交换；通过提取的数据建立黑沙洲水道数字高程模型（DEM），并应用地理信息系统（GIS）的空间数据分析功能，提取浅滩演变的特征数据，为统计分析模型的建立提供技术手段。 　　1 数据提取与处理的技术路线 　　充足的河床地形数据是完成水道演变分析的基础，目前水下地形数据主要采用GPS导航配合数字测深仪的方法或多波束扫测进行采集。同时，水深数据被保存成多种的数据格式。文章收集的黑沙洲水道地形资料不仅有CAD格式航道图，还有S-57格式电子航道图，而CAD航道图又分为水深分离式标注和整体式标注的航道图，数据需要在统一的格式和平台下进行分析和处理。 　　数字高程模型（DEM）和地理信息系统（GIS）的运用满足了这一需要。数字高程模型不仅能直观的表达出地形的起伏，而且在GIS平台下，能够方便准确地提取各种空间数据参数，为河床演变分析及数理统计分析模型提供技术支持。 　　2 两种格式航道图的数据提取 　　2.1 CAD格式航道图的数据提取 　　航道测绘部门在2009年以前，对黑沙洲水道的航道图采用CAD格式保存，水深标注采用数字分离式的标注方法。每个测点的水深数据由两部分组成――整数和小数部分，其中并不用小数点分隔，两部分在CAD图上并无关联性。水深的实测位置在整数标注部分的中心。综上，读取这种CAD水深数据时，需首先确定相邻数据关联性。提取上述CAD格式航道图的XY坐标与水深数据，需要再次验证水深数据的整数、小数两部分是否提取完整。由于“-“号容易在提取中被忽略，还要再次审核数据的正负。否则，生成的数字高程模型将会出现奇点，影响下一步面积和体积等计算的准确性。黑沙洲水道2009年以后的CAD航道图，水深数据标准一般采用整体式标注法，已不存在上述问题。 　　2.2 电子航道图的数据提取 　　根据国际海道组织（IHO）的定义，电子海图显示与信息系统（ECDIS）是以数字形式储存的海图，能够与多种显示终端、传感器匹配使用，电子航道图是其本地化的一个分支，符合IHO的多项通用标准，能够在世界范围内标准化的显示和应用。目前IHO颁布的电子海图的标准主要有：S-52电子海图显示标准、S-57海道测量数据交换和传输标准、S-63电子海图数据加密标准、IMO ECDIS性能标准、IEC61174ECDIS操作和性能测试标准。通过学习S-57标准中所定义的要素和指标，了解其文件构成、模型搭建、数据结构、封装方法，就能从中提取出需要的坐标和水深数据。 　　S-57海图文件采用ISO8211的数据封装格式，对实际数据内容以及逻辑结构的描述的数据描述记录位于ISO8211的第一个逻辑记录中，之后的文件为数据记录，构成了该种数据格式的主体。S-57显示标准将通航所接触的多种物标分为特征物标和空间物标两种――特征物标主要包含了对真实物体的描述信息，主要分为四类（Class），分别是元物标（Meta）、制图物标（Cartographic）、地理物标（Geo）与集合物标（Col1ection）。；空间物标主要包含了航行区域的空间几何信息，主要分为三类（Class），光栅点物标（Raste