港口地理信息系统中的全景三维与动态演示

朱全和 姚晓伟

港口是地理要素分布异常复杂的空间区域，不仅包括市政基础设施，也包括航道、港池、泊位、港口机械、物流堆场等港口特有设施。建立港口地理信息系统是实现“数字港口”最为关键的一项内容。

1 概述

港口是具有水陆联运设备和条件，供船舶安全进出和停泊的运输枢纽。我国港口城市包括三部分:沿海港口城市，以上海、广州、海口和大连、天津为中心，连接营口、锦州、秦皇岛、青岛、连云港、宁波、温州、福建、厦门、汕头、湛江、北海、钦州、防城和三亚等中等城市，以及安东、黄骅、龙口、威海卫、日照、象山、三都澳、湄州湾等中小城市。中国港口建设重点围绕煤炭、集装箱、铁矿石、滚装、原油等货物的运输，集中精力建设了大连、天津、青岛、上海、宁波、厦门和深圳等一批重要港口。

2 港口地理要素组成

港口通常由水域和陆域两部分组成:

1)水域主要包括航道、港池、泊位、锚地等水上区域范围，一般有航标、灯塔、航道边界等要素;2)陆域主要包括供货物装卸、堆存、转运和旅客集散之用的陆地面积，一般分布着复杂的铁路、道路、管道等市政基础设施，还会布置装卸机械、物流堆场、仓库、停车场、变电站等特殊设施。总体而言，港口是一个地理要素种类繁杂、形式多样的水陆复合区域。

3 港口GIS现状与问题

3． 1 建设现状

港口管理部门重硬件资源建设、轻软件信息建设。计算机、网络、通讯设施等与发达国家的差距不大但缺少软件的支持，尤其是自主开发的适合本港、本地区、本国的航运调度、物流管理的各层次的软件，以信息技术为主导的电子物流调度机制相当薄弱。由于各港口社会经济发展和环境条件不一，港口GIS建设起始时间、系统规划和主导管理部门以及系统开发模式、系统开发和应用水平都有较大差异。GIS在国土、城市、减灾、物流、海洋、电力、农林、公共管理、环保等行业得到充分应用和发展的时候，在交通行业(GIS在公路、航空上应用较多)尤其是港口的应用还很不成熟和完善。

3． 2 存在问题

近几年，全国各大港口都在规划和建设自己的地理信息系统，但是在GIS建设中还存在一些问题，主要表现在:

因为没有建立专门的协调机构，协调系统上下位关系以及横向并列关系，导致数据建设与应用建设脱节或完全不加区分，数据共享机制缺乏技术保障，人力资源建设不足，投资和管理机制不健全，系统应用建设环节薄弱等一系列问题。

3． 3 管理体制

目前，大部分港口都是由各港口规划部门组织港口GIS具体的需求分析、项目指南发布和招投标管理、项目管理和进度监督等。这种以规划管理部门为发起和主导单位的系统建设模式，已在我国大部分港口GIS建设中得到广泛应用，并且优势明显。像上海港、天津港和宁波港GIS系统在规划部门牵头下，组成包括使用单位、信息管理部门以及相关开发商和数据商的开发团队，并对系统进行开发建设和运行管理，取得了成功，是目前值得借鉴的一种项目组织和开发管理方式。

3． 4 港口GIS建设启示

1)统一规划管理是港口GIS建设的保障;2)制定标准规范是港口GIS建设的基础;3)采用先进成熟的技术是港口GIS建设的手段;4)全面推广系统应用和提升使用水平是港口GIS建设的根本;5)健全系统维护和运行机制是港口GIS建设的关键;6)后续深度开发和逐步形成港口信息化产业链是港口GIS建设的延伸。

4 港口GIS需求和关键技术

4． 1 港口信息化需求

4．1．1 港口最基本信息化需求

1)门户网站;2)企业办公自动化;3)招商引资地理信息系统;4)港口基础数据地理信息系统;5)港口总体规划地理信息系统。

4．1．2 港口规划建设中需求

1)港口规划演示地理信息系统;2)港口工程建设地理信息系统;3)港口地质勘察信息管理系统;4)港口海域使用管理信息系统;5)港口地下管线地理信息系统;6)港区地籍管理信息系统;7)港口航标灯塔管理系统。

4．1．3 港口运营管理中需求

1)港口规划土地管理系统;2)港口电力系统管理平台;3)港口公安地理信息系统;4)港口航道水深信息管理系统;5)港口船舶调度引航信息系统;6)港口集装箱自动报单系统;7)港口物流仓储管理信息系统;8)港口环境保护地理信息系统;9)港口危险源识别信息系统;10)港务市政基础设施管理系统;11)港口潮汐海浪预报系统;12)港口海事应急指挥支持系统。

4． 2 港口 GIS关键技术［1］

1)多源海量数据处理集成技术;2)元数据库建设和元数据发布;3)空间基础数据平台可视化应用技术;4)数据网络发布访问与安全共享技术;5)GPS导航定位与GIS综合应用;6)三维虚拟仿真建模;7)港口专家知识辅助决策系统;8)水下地形自动建模技术。

5 数字港口数字水运

数字港口是继“数字地球”“数字城市”等概念提出以后，港航管理部门在信息化时代的大背景下提出的一个新概念。天津港信息中心马平文主任曾指出:数字港口包括港口基础设施管理数字化、港口运营管理数字化、港口生产作业数字化、港口服务管理数字化等内容。相应于数字港口，数字水运是指运用现代软硬件设备和计算机数字化技术，对内河航道、海运航道以及航道沿线港口、枢纽等要素进行全面的多源数据采集与集成，构建共享数据库和图形显示、仿真模拟、管理应用系统，用以指导航道建设、航运管理、科学研究、辅助决策等［2］。

6 全景三维与动态演示

6． 1 港口全景三维

港口全景三维信息系统在原有传统城市三维的基础上，加入港口航道、港池、泊位等水域的水下三维地形模型，形成港区陆上、水下立体场景，并辅以8维度灵活操控和港口航道特殊分析功能，成为港口地理信息的一大特色。

港口全景三维可以展示港区陆上地理要素和港口水下地形全景景观，为港区陆上规划管理、建设成就展示，水下航道施工管理、船舶通航保证、水下地形演变等提供信息化管理工具和科学研究参考、辅助决策支持。

全景三维关键技术包括:大场景三维建模技术，多源海量数据集成与管理技术，水下三维地形快速建模技术，陆上水下三维空间全景合成与驱动技术。

6． 2 港区规划动态演示

港区规划的动态演示是在三维地理信息系统中增加了时间维度，构成了时空GIS。时空GIS是一种采集、存储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息(或时空信息)的计算机系统(简称TGIS)［3］。跟踪和分析空间信息随时间的变化，应该是GIS的一个合理目标，这就区别于静态GIS，这种GIS被称为时态GIS或TGIS［4］。港区规划动态演示不仅是指在三维场景中动态浏览，更是指在港口三维规划演示系统中加入时间维度，把港口各个时间的建设状态建模后与特定时间进行关联，然后让系统沿时间轴顺次演绎港口建设，直至达到规划目标的整个过程。港区规划动态演示关键技术包括:加入时间维的数据库设计，时间轴的引入及与数据的关联，建筑模型自动建模技术，精细模型与自动建模模型的替换等。

7 结语

GIS在港口行业的应用还很不成熟，相比GIS在其他行业领域的逐渐饱和，GIS在港口还有很大发展空间。随着国家对海洋和航运事业发展的支持和关注，港口GIS建设正迎来最好的发展时机。港口有其独有特征，港口GIS发展应基于这些特点开发出适应港口需求的功能。

［1］ 黄鑫乐．数字港口基础平台建设初探［J］．港口科技，2006(9):69-73．

［2］ 倪 超．数字化港口建设［J］．水运管理，2007(4):125-126．

［3］ 王家耀，魏海平，成 毅，等．时空GIS的研究与进展［J］．海洋测绘，2004(5):85-87．

［4］ 张祖勋，黄明智．时态GIS数据结构的研讨［J］．测绘通报，1996(1):8．