夏启兵
(北海航海保障中心天津航测科技中心，天津300211)
1.引言
港口航道图测量工作量的计算是海事测绘行政主管部门的一项重要职责，也是测绘计划编排和任务管理的基础性工作。按照惯例，天津、上海、广东三个海事测绘中心每年年底根据辖区内港口航道图图幅测量周期安排和港航用户的实际需求情况，拟定本辖区港口航道图的下一年度测量任务计划，同时依据“港口航道图测量工作量核算规定”计算本单位的年度测量工作量，一并上报部局航测处审核。部局航测处组织技术人员，将上报结果进行统一审校，审查图幅测量计划编排合理性，根据情况对计划进行适当调整，同时逐一校核各单位上报的年度测量工作量，并以此为依据下达下一年度的测绘任务。
以往各测绘单位在工作量计算中，采用不同工具软件进行计算。其中，天津海事测绘中心采用自行研制的电子海图桌软件，上海海事测绘中心采用加拿大Caris 公司海道测量生产数据库(HPD) 系统，广州海事测绘中心采用加拿大Caris 地理信息系统。这些系统主要用于数据管理和海图制图，不具备工作量计算的功能，技术人员只能将其中的多边形录入和面积计算功能相结合，通过鼠标编辑多边形、手动计算和人工汇总。这样不仅造成工作量的计算耗时、耗力，而且精度受人工经验影响难以完全达到精度要求。因此，亟需研制一套依据“港口航道图测量工作量核算规定”的港口航道图测量工作量计算专用系统。
本文探讨基于GIS 技术的港口航道图测量工作量自动计算系统的主要研究内容，对相关关键技术问题进行深入分析。通过该系统的研制和应用，将改变现有工作量计算模式，统一测绘生产单位工作量计算手段，提高计算结果的科学性和有效性，减轻手工操作工作强度，改进测绘生产管理效率，节省大量人力、物力。
2.研究内容
2.研究内容
2.1 工作量计算公式
根据“港口航道图测量工作量核算规定”，图幅测量工作量包含两个部分，一是水深测量工作量，二是辅助测量工作量，其中辅助测量包括:踏勘、平面控制测量、水准联测、岸线地形修测、同步验潮、验流、底质取样、障碍物探测、助航标志测定等。
多波束检测折算面积= 多波束检测实测面积×多波束折算系数;
图幅测量工作量与测量方式、测量比例尺有关。如果测量方式为“基测”，则该图幅内的所有水域都需要进行测量;如果测量方式为“检测”，则只需要测量图幅内的港池、航道、锚地等特等水域。进行水深测量基本测量面积量取时，属于自然地形的区域量至岸线，有水工建筑物的区域量至水工建筑物。小比例尺图套用大比例尺图水深资料时，所套水深测量面积应在小比例尺图中核减。同时测量的相同或相近比例尺的图幅，拼接部分重叠测量面积不重复计算。
不同比例尺图设定一个比例尺折算系数，统一归算到1∶ 10 000 比例尺。即以1∶ 10 000 为基本比例尺，其折算系数为1，比例尺小于1∶ 10 000 时，按照“折算系数= 10 000 /比例尺分母”计算。单图幅测量工作量计算公式如下:
基测折算面积= (总实测面积－ 多波束实测面积) × 比例尺折算系数+ 多波束实测面积× 多波束折算系数;
非多波束检测折算面积= 检测实测面积× 比例尺折算系数;
辅助面积= 实测面积× 比例尺折算系数× 辅助工程折算系数;
合计面积= 折算面积+ 辅助面积。
2.7 任意多边形椭球面积计算
2.2 系统实现思路
在现有港口航道图工作量计算技术方法下，各生产单位虽然采用的软件不同，但主要计算模式大体相同。计算过程主要是:①合理编排辖区内的测量图幅，确定各个图幅采用的测量方式、测量比例尺;②通过软件打开电子海图作为背景，利用鼠标编辑功能在计算机屏幕上描绘制作图幅内港池、航道、锚地和普通水域等各类多边形;③根据核算规定的技术要求，对这些多边形范围进行外延拓展，例如，对于航道而言，宽度≤100m 时，扩宽1. 5 倍或至0m等深线;宽度＞ 100m 时，向外侧扩250m;④利用鼠标选中各类多边形进行面积计算，利用公式分别计算折算面积和辅助面积，考虑大小比例尺嵌套和图幅重叠因素后，汇总图幅实际测量工作量。
传统手工计算方法主要缺点包括:①利用鼠标描绘普通水域、港池、航道和锚地四类要素多边形时，精度差且工作量大;②利用鼠标对特等水域范围线进行外扩时，仅能评经验进行估计，精度较低;③进行比例尺嵌套和覆叠区域重叠扣除时，由于涉及多边形的裁切、归并，手工操作复杂容易出错;④进行最终工作量汇总时，由于涉及比例尺折算系数、多波束折算系数、多波束辅助系数、单波束辅助折算系数等众多参数，计算过程复杂极易算错。
通过对人工计算方法的研究，不难发现:其操作虽然复杂，但其处理的地理要素只有一类，即各类多边形区域。引入GIS 技术，通过软件模拟人工操作过程，完全可以实现工作量的自动计算。因此，港口航道图测量工作量计算系统设计的核心思路是:通过电子海图应用技术平台实现全海区电子海图数据的无缝调度，为各个计算模块提供强大的空间基础数据支撑;采用GIS 技术中的成熟空间操作算法，实现图幅各类多边形的全自动提取、自动裁剪、自动拼接、自动扩展，最终实现工作量的自动计算，取代繁琐的人工操作，最大限度实现工作量计算的自动化。
2.3 海区级电子海图显示与调度
系统以中国海事局对外正式发布的ENC 数据为基础数据，提供中国沿海全海区海图的无缝拼接显示和比例尺平滑过渡。采用自行研制的电子海图显示与应用平台“e 海图”作为基础平台，利用微软VS2010 C#. Net 进行二次开发。“e 海图”集成了国际标准S －57 海图显示与应用功能，完整支持IHO S － 57数据交换标准。还提供S － 57 格式ENC 数据的批量读取功能，可以同时打开上千幅ENC 数据叠加显示。
在C#程序中将ENC 数据按照比例尺进行分类，系统初始化时打开全部海图，首先查找“海图数据”目录下的所有子目录名，将比例尺由大到小进行排序。依次打开这些比例尺的全部图幅。由于显示海图的顺序是按照打开的先后顺序显示的，即最先打开的海图最先显示，从而实现了把最概略的图显示在最底层，越详细的图显示在越上层。由于全部海图比例尺跨度较大，从1∶ 230 万～ 1∶ 4 000 不等，因此为了实现比例尺的平滑过渡，合理设置每幅图的最大、最小显示比例，实现海图显示的平滑过渡。
2.4 海图多边形要素抽取
系统要实现工作量计算的自动化，就必然涉及电子海图要素的自动抽取操作。“e 海图”海图平台以控件为根，提供多种OLE 自动化对象，使二次开发应用程序所能操作的粒度直达海图中单个海图物标，这是其他许多同类系统不具备的。
海图平台通过电子海图图层集合对象可以获取海图管理的自动化对象，用于管理所有S － 57 海图的打开、关闭、图层顺序调整、图层显示控制等操作。通过海图图层集合对象的Item 方法可以获取任意S － 57海图图层的自动化对象，实现单幅S － 57 海图相关的所有操作，通过相应的属性和方法可以获取海图的文件名、比例尺等。通过海图图层自动化对象的MoveToFirstObject 和MoveToNextObject 函数定位要读取的海图要素，通过GetCurrentS57Object 函数获取当前海图要素的自动化对象，实现对单个要素的所有操作，通过它可以获取要素的要素类别码、属性以及空间地理坐标。组合这些对象的综合应用，可以实现对指定海图指定类别多边形要素的存取访问，实现各类水域的自动抽取。
2.5 港口航道图目录数据库管理
传统港口航道图目录一般以纸质或Word 文档形式提供，它不易被程序自动读取和识别，因此本系统建立了港口航道图目录Access 数据库。
数据库库表包含以下字段:序号、海区、图号、图名、比例尺、东经、西经、南纬、北纬、比例尺折算系数、多波束折算系数、多波束辅助系数、单波束辅助折算系数、港池航道面积、锚地面积、总水域面积、合计面积等。
根据海图目录表格文件，编写专门的C#程序用于从该Word 文档中自动读取表格数据，经过解析后提取出图幅4 个经纬度字段。依据核算规定，根据图幅比例尺自动判断该图幅的比例尺折算系数等设置参数，并将图幅相关参数填写到该数据库表中，完成港口航道图目录图幅数据的初始准备工作。
系统主控模块通过数据库存取操作，将整个目录叠加显示到电子海图背景上，见图1。
2.6 基于地理空间运算的海图要素自动提取
要自动进行测量工作量的计算，海图多边形要素的地理空间运算操作就必不可少，特别是多边形的裁剪和合并算法。系统采用曼彻斯特大学阿兰·莫塔编制的“多边形集合运算软件包”( generalpolygon clipping library，GPC)进行空间运算。
然而，由于海图地理数据千差万别，地理形态复杂度远高于陆地地理要素，在实际使用过程中GPC运算库对某些特殊情况的处理仍然不尽合理。为此，本系统根据海图多边形的实际特点，对GPC 算法进行了适应性修正，例如对水域嵌套多个岛屿的情况进行了完善，优化了算法运算速度。经修正的GPC 运算库中多边形可以为凸多边形或凹多边形，可以包含孔洞或自相交，还允许多边形包含多个不相连的区域。经过改进后，地理运算从适应性、稳定性、速度等各方面得到改善，能够满足实际需要。系统支持的4 种多边形运算见图2。
为了方便调用，本系统在GPC 软件包的基础上通过C#语言对之进行封装，实现了GPC 库的C#包装类(GpcWrapper)。图3 是使用GpcWrapper 自动裁剪出的大鹿岛至海洋红渔港图幅的水域多边形。
由于电子海图制作是按照航海用途的分类进行的，包含概览、总图、沿海、近岸、港区、码头泊位等6类航海用途。不同航海用途的精度不同，同一航海用途的ENC 数据不允许重叠。因此，水域多边形只能从一个航海用途中提取，并尽可能采用大比例尺海图数据。在系统中申明6 个多边形对象，分别对应6 个航海用途。遍历所有图幅的全部海图要素，找出与计算范围相交的深度范围多边形要素( 物标类别码为42)。使用GpcWrapper 将该多边形与待计算图框多边形进行裁减运算，将得到的结果使用GpcWrapper 合并到该幅电子海图所属航海用途对应的多边形对象中。全部操作完成后，每个航海用途落在计算图框内的水域就被提取和裁剪出来。然后，需要根据水域是否填满整个图框，自动判断采用哪个航海用途提取出的数据。将该多边形自动输出并保存到一个专门的标绘图层，供其他计算模块使用。
任意封闭多边形总是可以分割成有限个任意小的梯形块，因此任意封闭多边形的面积
，式中，Si为分割的任意小的梯形块面积(i = 1，2，…n)。椭球面上任意梯形面积计算公式如下:
，式中，Si为分割的任意小的梯形块面积(i = 1，2，…n)。椭球面上任意梯形面积计算公式如下:
式中，a 为椭球长半轴;b 为椭球短半轴;ΔL 为图块经差;(B2 － B1)为图块纬差;Bm = (B1 + B2) /2。A、B、C、D、E 为常数，按下式计算:
为了验证算法的准确性，计算了天津港主航道2 号港池多边形的球面面积，并与HPD 系统中计算的球面面积进行比较。多边形的坐标点依次是:(117. 750 426 3，38. 985 609 0 )、( 117. 754 655 3，38. 984 262 7 )、( 117. 754 154 5，38. 979 355 0 )、(117. 748 923 9，38. 981 222 6)。在HPD 中计算的球面面积为:226 908km2，使用本方法计算的球面面积为:226 917km2，两者相差仅为:0. 003 75%，能够达到精度要求。
3.结论和展望
目前，系统已经实现了全国范围的电子海图无缝拼接调度、平滑过渡显示和比例尺无极缩放，基于Access 实现了港口航道图目录的数据库管理和叠加显示，使用改进的GPC 运算库实现了多边形要素自动裁剪、合并、提取和扩展。在此基础上，还实现了对各类多边形椭球面积和图幅合计面积的自动计算，以及年度任务自动统计和计算结果Excel 报表输出等功能。系统已经在海事测绘工作量的核算中得到应用，极大提高了测绘计划管理的效率和精准度。下一步，系统将结合实际应用进行修改完善，形成更加标准化的操作方法和工作流程。
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