GIS 技术在长江航道沉船扫测中的应用研究

曾 文 夏辉宇 周薛凯 游泽豪

(1.长江航道局应急救助处,湖北 武汉 430010;2.长江南京水上应急救助基地,江苏 南京 210037)

0 引言

长江航道是贯通我国东、中、西部三大经济区的黄金水道,是长江经济带综合立体交通的主骨架。 然而,由于各种原因,长江航道分布有众多沉船。 沉船不仅对船舶通航构成安全风险,其内部的燃油和潜在的危化品也存在泄漏风险,对长江生态环境和渔业资源造成严重威胁[1]。 因此,对长江航道历史沉船进行打捞,对于保护长江生态和保障航道安全畅通具有重要的现实意义[2]。

沉船扫测作为沉船打捞工作的重要环节,为潜水作业和打捞任务提供了全面可靠的信息支持和安全保证。 然而,长江航道的沉船扫测面临着一系列困难和挑战。 首先,水下沉物种类多样,可能影响扫测结果的解读精度。 其次,长江的水文条件复杂,特别是在能见度低的情况下,光学探测方法的效果较差。 最后,长江航道复杂的船舶交通不仅增加了作业的风险,而且船舶的频繁通行可能会干扰扫测的准确性[3]。 在这些情况下,传统的航道测绘手段的应用效果受限。

相较于传统测绘方法,GIS(Geographic Information System/Science)技术的主要优势体现在对多源空间数据的集成能力、强大的空间分析和可视化功能,以及其高度的灵活性和可扩展性。 当GIS 技术被应用于沉船扫测中,它不仅可以提升扫测作业的科学性和效率,而且可以从多个视角对扫测成果进行深入分析,从而增强目标识别的精度,深化对扫测成果的认识。

本文的创新点是提出一套基于GIS 技术的沉船信息数据整合、沉船扫测范围设计和沉船扫测成果分析方法,并结合长江航道沉船扫测实际案例论述了技术细节与实际应用效果。

1 相关技术概述

1.1 沉船扫测技术

沉船扫测是一种水下探测技术,主要用于发现和定位水底沉船或其他障碍物,以保障航道、港口、锚地等水域的通航安全。 在早期,沉船扫测主要采用接触式扫测,包括硬式扫床和软式扫床两种方法,然而这种方法存在较大的作业风险,成本高且准确率不高。 随着技术进步,非接触式扫测已经逐渐取代接触式扫测。 非接触式扫测是指利用磁学和声学技术仪器在不接触沉船条件下进行检测[4]。 海洋磁力仪是磁学探测的主要工具,它能测量地磁场的微弱变化,从而探测水底的磁性物质或结构。 由于沉船通常具有较强的磁性,海洋磁力仪常被用于探测被淤泥覆盖的船体[5-6]。声学探测是应用最为广泛的扫测技术,它通过发射和接收声波生成水底的二维或三维影像,从而实现沉船的检测[7]。 最常见的声学探测设备包括侧扫声呐、多波束测深系统、浅地层剖面仪等。近年来,三维侧扫声呐、多频三维合成孔径声呐等更为先进的技术和设备也开始被应用于沉船扫测[8-9]。

1.2 GIS 技术

GIS 是地理信息系统的简称,GIS 是设计用于支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和展示的系统,以解决复杂的规划和管理问题。随着GIS 领域的不断扩展和理论、技术的进步,GIS 已逐步发展为一个研究地理信息系统和地理信息技术基础原理及应用的科学,包括地理空间数据、信息、知识和技术的理论、概念、方法和技术。 本文所述的GIS 技术是指构建地理信息系统过程中涉及的一系列方法和工具,包括如下几类。

1)空间数据采集技术:包括利用全球导航卫星系统获取精确的地理位置,使用遥感手段采集地表信息,以及通过地理编码将非空间数据转换为空间数据。

2)空间数据管理技术:包括空间数据库管理系统和空间数据引擎,实现不同类型空间数据的统一存储、检索和管理。

3)空间数据处理技术:包括空间数据格式转换、坐标系统和投影转换等技术,以及执行各种地理处理任务如矢量化、栅格化、插值、平滑等。

4)空间数据分析技术:这是GIS 的核心技术,用于分析和理解地理空间中的模式和关系,包括空间查询、空间统计以及更复杂的空间模型。

5)空间数据可视化技术:GIS 技术能够将地理数据可视化,通常是以地图的形式,包括基本的地图制作以及更复杂的三维地图等。

6)空间数据服务技术:使用各种Web 技术发布和共享GIS 数据和服务。

2 GIS 技术在沉船扫测中的应用

2.1 沉船信息数据整合

在进行沉船扫测之前,首先需要通过多种方式收集与沉船相关的信息,为扫测提供详尽的基础。 这些信息通常包括航道基础地理信息、事发水域的地形地貌、水文气象以及船舶通航等数据。这些数据有些源自信息系统数据库,有些由海事机构提供,有些通过网络爬虫获得,因此,数据格式、坐标系统的使用等方面存在不一致性,数据质量也存在差异。 数据处理首先需要将CSV 格式的数据转换为GIS 能够读取和处理的GeoJSON或Shapefile 格式。 借助GIS 的坐标投影转换功能,将各类数据转换至统一的坐标系统,以确保数据的空间一致性。 将高程系统统一为1985 国家高程基准,在某些情况下,还需要将数据调整至统一的时间范围,例如,将船舶AIS 航迹数据和遥感影像数据融合到同一的时间序列中。

2.2 沉船扫测范围设计

设计沉船扫测范围需要考虑多种影响因素,包括沉船位置、航道条件、水下地形、船舶通航以及气候条件等。 传统的扫测范围设计主要依赖于经验,往往无法实现对多源数据的综合分析。 GIS技术在沉船扫测范围设计阶段的应用包括如下三个方面。

2.2.1 确定沉船概位

从海事部门获取的沉船报告位置通常以与航道、航标的相对位置来描述,例如,位于某红浮连线外约XX 米。 在这种情况下,需要利用GIS 的测量和绘图工具,在电子航道图上标注其大致位置。 如果能够获取沉船的最后AIS 数据,应使用空间数据转换工具将AIS 轨迹点转换为轨迹线,并将其叠加在底图上。

2.2.2 绘制扫测区域

在GIS 中新建一个图层,并以沉船概位为中心创建一个缓冲区,以初步确定潜在的扫测区域。扫测区域的方向应与水流方向一致。 此外,可以利用空间分析工具研究水深、地形、流速、流向、风力和风向等因素,或者利用GIS 的流向分析功能预测沉船可能的漂移方向。 如果在扫测区域内没有发现沉船,可能需要对范围进行扩大,例如,沿着沉船AIS 航线的反向重新进行扫测。

2.2.3 设计扫测路径

在确定了扫测区域后,需要设计扫测路径,即测线。 可以利用GIS 工具叠加水下数字高程模型(DEM)进行分析,如果扫测区域的水深较大,测线可能需要更密集;如果水深较浅,测线可以相对稀疏。 还可以通过叠加沉船水域的船舶轨迹热力图,分析扫测工作可能对航行的影响以及扫测工作自身的安全性。

2.3 沉船扫测成果分析

GIS 技术在沉船扫测成果分析中的应用包括以下三个方面。

2.3.1 自动检测声呐图像中的沉船

GIS 中常用的遥感图像处理和目标提取算法可以被用于水下声呐图像中的沉船自动识别[10-11]。 尤其是近年来深度学习的发展进一步提高了目标识别的准确性。

2.3.2 结合多源数据确认扫测结果中的目标

长江航道水下沉船沉物种类众多,沉船在水下的形态特征也各异,有时仅凭扫测结果难以确定是否为沉船,或者无法判断是否为目标沉船。此时,有必要结合多源空间数据进行综合分析判断以进行目标确认。 例如,利用GIS 的空间分析功能,将扫测结果二维栅格图或三维点云图与该水域DEM 进行叠加和融合分析,有助于获取更全面的信息,更准确地确定目标属性。 此外,遥感影像中的同类船舶的尺寸和位置也可以助于判断沉船目标。

2.3.3 分析沉船扫测的三维结果的特征

利用GIS 的三维分析工具,如体积分析、表面分析等,来进一步分析沉船的三维特征。 这有助于从多个角度和尺度理解沉船的位置和形态,评估沉船的大小形状以及其与水底的关系等。

3 案例分析讨论

3.1 科学规划,提升扫测效率

长江航道沉船扫测主要使用多波束测深系统和侧扫声呐开展。 面对长江航道的高船舶密度以及复杂的水下地形等挑战,进行扫测任务前的准备工作尤为重要。 需要收集各类地理信息数据,然后在此基础上进行扫测范围和测线的合理规划,这将有效提升扫测效率。 表1 所示为实际工作中收集的多源数据类型。

表1 长江航道沉船扫测准备阶段采集数据类型

在完成数据采集后,我们使用ArcGIS 工具进行空间数据的整合。 这个过程主要包括以下几个步骤。

1)异常处理:对数据中的异常值进行处理是必要的,尤其是在AIS 轨迹点数据中异常值最为常见。 我们采用了文献[12]中的预处理流程,该流程包括轨迹数据组织、删除错误记录以及删除异常位置三个步骤。

2)数据转换:从DWG 和EDB 格式的航道测图中提取有用的水深点信息,并将其统一转换为CGCS2000 格式,进而构建出一个水下数字高程模型[13]。 此外,我们还将包含最新航标位置的CSV 文件转换为Shapefile 格式。

3)数据整合:通过ArcGIS 的地图服务功能,我们调取了电子航道图和遥感影像地图作为航道基础信息地图,并将多源数据叠加到底图上。 如 图1 所示的是多源空间数据叠加的效果图。

图1 多源空间数据叠加效果图

基于数据整合结果,我们参照2.2 节所述的方法,在GIS 中新建一个图层以绘制扫测范围。 如图2 所示,黑框区域即我们规划的扫测范围。 通过将该区域的AIS 轨迹热力图叠加在上面,我们发现在扫测区域内存在渡轮轨迹。 因此,在进行扫测作业时,应对此区域进行加强监测,以避免可能发生的船舶碰撞。 这种结合GIS 技术和实际状况的方法,能够在扫测过程中为我们提供更多的信息,从而提高我们的工作效率并减少潜在的风险。

图2 扫测范围设计示意图

在完成扫测范围的绘制后,我们利用GeoServer 将该图层发布为Web 服务。 这样,扫测工作船可以在现场实时调用和查看,从而及时掌握扫测范围和测线的更新情况。

与传统的航道扫测方式相比,结合GIS 的扫测工作模式综合考虑了多种因素,包括航道条件、最新的航标配布以及水下地形的变化,从而能够得到更准确的扫测范围。 同时,通过利用GIS 服务的发布功能,船端能够在第一时间获取扫测区域和测线的更新情况,这不仅提高了扫测效率,也降低了现场工作的工作量。

3.2 多源融合,提升识别精度

多波束扫测的结果主要包括二维栅格图、三维点云图和水深点文件。 二维栅格图为每个格网(grid)赋予高程信息,这可以直观地展示沉船水域的地形地貌。 三维点云图则能从多个视角显示扫测结果的细节,允许对成果进行深入地观察和分析。

为实现多源数据的融合分析,需要为二维栅格图赋予坐标系统信息,这可以在多波束软件中将成果导出为GeoTIFF 格式实现。 在ArcGIS中,我们可以将栅格图叠加到电子航道图或遥感底图上,进行多源数据的综合分析和解读。如图3 所示,左图通过与电子航道图的融合,可以辅助我们分析沉船的碍航情况;右图则通过与高分辨率遥感影像的融合,使我们能够将扫测结果与周边船舶进行尺寸对比,从而匹配沉船目标的类型。

图3 沉船扫测成果与多源数据融合分析效果图

与传统的单一来源的结果分析方式相比,基于GIS 的多源数据分析模式有助于我们获取更全面的信息。 这不仅大大提高了我们识别沉船目标的准确率,也为后续的潜水探测、沉船打捞和航道维护提供了更多的信息支持。

3.3 分析特征,发现变化规律

利用GIS 可视化技术,我们对沉船水域的三维特征进行了深入分析。 如图4 所示,在长江下游的沙质河床上,我们在多处沉船扫测结果中发现,沉船附近均存在明显的冲刷坑,而且这些冲刷坑的走向与水流方向一致。

图4 沉船附近冲刷坑示意图

冲刷坑的形成是一个复杂的流体动力学过程,与河床地质、水流速度和方向、沉船的大小和形状等因素有关。 在图中四处沉船所在的河床主要受径流影响,沉船对水流产生阻挡,导致沉船上游的水流速度减慢,沉积物沉积。 而在沉船下游,水流重新加速并汇聚,形成一个高速的涡流区,即涡流。 这个涡流持续侵蚀沉船下游的河床部分,形成深坑。 大型沉船可能会引导更大的水流绕过,形成更强烈的涡流,从而更易于侵蚀河床,形成深坑。 相反,小型的沉船可能产生的涡流较弱,其侵蚀力也相对较小[14-15]。

在过去,由于缺乏GIS 技术的支持,技术人员对沉船扫测结果的分析并不充分。 通过引入GIS技术,我们能够对比分析不同类型沉船的扫测结果,从而发现规律,加深对沉船水域河床变化的理解。 这使得我们今后的扫测搜寻模式从“以船找坑”转变为“以坑寻船”。 在未来的研究中,我们将深入探析基于多波束图像的沙质河床沉船冲淤特征,通过数值模型和物理模型等方法来揭示沉船冲刷坑的形成机理,为未来的沉船扫测搜寻提供理论支持。

4 结论

本研究从空间数据整合、扫测范围设计、扫测成果分析以及扫测成果可视化等方面,深入探讨了GIS 在沉船扫测中的应用方法。 结合长江航道沉船扫测的实际案例,对GIS 技术在沉船扫测工作中的实际效果进行了分析和讨论。 与传统扫测工作相比,基于GIS 的扫测模式能够有效地整合和分析多源空间数据,这不仅提高了扫测的效率,也提升了目标识别的精确度。 通过利用GIS 的空间分析功能,我们发现了沉船水域冲刷坑形成的规律,并从机理角度进行了初步的解释。 未来研究将更深入地探讨GIS+BIM 技术在沉船扫测建模中的应用。 此外,对长江航道空间数据库中的沉船扫测成果数据进行有效地组织和管理,也是今后重要的研究方向。