海测论坛▏夏启兵等：国际“众包测深”发展研究

夏启兵等溪流之海洋人生 2023-05-07

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海运是国际物流中最主要的运输方式，目前中国国际贸易总运量2/3以上与进出口货运总量约90%都是利用海上运输完成的。航海图书资料是人类从事海洋相关活动，特别是海洋运输的必要前提和基础保障。海图资料尤其是水深数据资料的覆盖面、及时性、准确度直接关系到航海活动的安全。目前，经过各国海道测量机构的多年不懈努力，全球水深测绘取得了较大的进展，全球水深数据覆盖面不断扩大，水深更新及时性和精度不断提升。然而，由于海洋面积的广漠，以及海洋水深自然演变和人类活动对水深影响的加剧，现有海道测量生产模式已不能适应。

国际海道测量组织（IHO）标识

“众包”概念于2006年在美国被首次提及，随后得到响应和接纳，并发展出“众源”“自发”“自愿”等相似理念术语。随着互联网，尤其是移动互联技术的兴起与流行，“众包”时代已经到来。在陆地测绘领域，国内外涌现大量“众包”模式的成功应用案例，以百度、高德地图为代表的国内导航服务商也开始采用类似机制，实现地图要素及交通动态的快速采集。

在海上，由于网络条件、测量条件等多方面限制，导致“众包”测量发展较慢。但随着当前海上网络通信条件改善，特别是港口附近水域手机公网信号的覆盖，以及船载GPS和测深仪的逐渐普及，为海上以水深数据为对象的“众包测深”带来了机遇。国际海道测量组织（IHO）认为：水深不仅影响船舶导航和海洋商业开发，还影响海水输送热量、盐分、营养物和污染物流量，影响海底地震能量传播，影响海洋生物栖息地等，因此水深测量是研究地球系统相互作用和开展海洋活动的先决条件。

据IHO统计分析，目前全球仅有约15%的海底进行了制图。如果全球航海船舶“众包水深”测量参与率按照1%计算，再假定参与船舶每天1/2时间用于航行，据测算每天将采集50亿个水深点，这将是一项庞大的数据资源。正是鉴于“众包测深”的巨大潜力，IHO专门成立“众包测深”工作组（CSBWG）研究相关标准和技术问题，美国、法国等国也积极行动，开展相关研究和实验，研制相应的软硬件系统，推动国际“众包测深”发展。

一、美国相关研究

在美国，NOAA负责对包括五大湖地区在内的美国340万平方海里水域进行测绘，平均每年要对3000多平方海里水域实施测量，测量采集数据为NOAA 1000多幅海图编绘提供数据支持。然而，由于海道测量成本昂贵且耗时费力，因此大多数测量都安排在优先级最高的区域，从而使其他许多海岸区域数据更新拖延多年。

使用私人数据，对于NOAA海岸测绘部来说并非是一项全新的尝试。私人互动巡航指南和其他基于互联网的企业都设立了相关服务，允许航海者在航行过程中分享看到或遇到的危险信息。公益性教育组织“美国力拓”和美国海岸警卫队辅助联队，在过去的几十年间已经通过制图数据共享建立了相互合作的良好传统。但由于缺乏合适的软件和数据源整合，这种合作并没有完全挖掘出信息应用的潜能。

随着科技发展日新月异，当前几乎任何船主都可以在自己船艇上购置安装回声测深设备和GPS，从而在一个通用参考框架下进行自主空间观测并记录测深数据，这就为海道测量带来了改变的机会。NOAA国家环境信息中心（NCEI）、NOAA海岸测绘部与Rose Point公司进行技术合作，致力于通过国际合作努力推动众包型测深模式。2016年5月13日，Rose Point公司为其开发的“海岸浏览器”增加了一项新功能，允许用户选择向一个由NCEI负责运行管理的一个新国际数据库匿名发送GPS定位和测深数据。取得用户许可后，Rose Point软件系统将会生成涉及定位、深度和时间的数据日志文件，并自动传输至数据中心，以便海岸测绘部将这些数据与现有海图进行比较对照。海洋调查船Bay HydroⅡ安装了Rose Point软件系统，并测试检验该款软件的“众包测深”作业效率，在12天测试采集了约123 000个水深数据。通过聚集众包数据，可以看出海底实际深度与海图深度的变化趋势，通过Bay HydroⅡ采集数据可以帕塔克森特河入口的变浅趋势，而所罗门港水域显示出变深的趋势（如图1）。

图1 Bay HydroⅡ海上测试数据效果图

在此基础上，NOAA发起了一个“众包测深”国际合作项目，在国家环境中心（NECI）的紧密协调之下，研究工作组开发出了一个能够接收自愿性“众包测深”的数据库，该数据库可以接收来自全球范围内的所有志愿者提供的测深数据，并可对所有的人开放。除了向社会公众开发数据，NOAA海岸测绘部还将使用“众包测深”模式来评估海图精度。众包型报告在关注海上航行问题区域中发挥着重要的作用，帮助制图师们判断是否有必要对某个海图区域重测，或者是否可以根据所掌握的数据对海图进行修改。

二、国际海道测量组织相关工作

当前，全球海道测量机构都在重新思考众包型测深模式。2014年10月，NOAA带领美国代表团参加第5届IHO特别大会，会上美国与法国共同倡议海道测量业界正式认可众包型测深模式作为海图数据源，该倡议的结果之一就是IHO专门改组下设工作组，成立IHO众包测深工作组（CSBWG）。

2015年11月7日，众包测深工作组（CSBWG）第1次工作组会议在马来西亚吉隆坡召开，会议审议了工作组职责和目标，确定为：开发能够促进众包水深数据采集和使用的原则和指南。会议分析了一些现有国际“众源”项目的相关情况，讨论了数据采集模型、数据不确定性、采集硬件和数据格式四个主要技术问题。成立了不确定性研究通信工作组（UCG）、数据格式和元数据通信工作组（DFMCG）、系统和硬件通信工作组（SHCG），采用信函通信联络的方式加快推动相关研究工作。

2016年2月10至11日，CSBWG第2次工作组会议在美国科罗拉多召开，研究了众包水深指南文件（CSBGD）起草进展，讨论了指南总体框架结构、开发路线图和重要阶段等问题。会议还介绍了免费开放海图OpenSeaMap的相关情况，OpenSeaMap是一个全球性开源软件项目创建的免费海图，也是全球最大的众源地理数据库。该项目是开放街图OpenStreetMap的一部分，用户可以根据开放数据库协议使用这些数据，免费地将数据整合到印刷材料、网站和应用程序中。

2016年11月7至8日，CSBWG第3次工作组会议在德国瓦尔内明德召开，会议重点研究了众包水深指南文件（CSBGD）草案编制进展，研讨了指南引言、系统和传感器综述、元数据、数据采集、不确定性含义和来源与后果、数据提供、IHO数字水深数据中心（DCDB）、法律问题、结论等章节内容。

2017年2月13至14日，CSBWG第4次工作组会议在美国达勒姆召开，会议讨论了草案3.5版本的意见征集情况、指南结构优化，以及关于数据提供、数据字段、数据采集、责任等部分草案内容的优化调整，明确了指南开发的重要时间节点。

图2 数据采集示意图

2017年12月5至6日，CSBWG第5次工作组会议在摩纳哥召开，会议重点审查了《众包水深指南文件》（B-12），讨论如何对指南进行定稿，以及下一步需要开展的工作。B-12目前包含引言、数据提供、数据采集、数据与元数据、不确定性、法律问题等章节和缩略语、术语、GeoJSON数据格式等3个附件。建立于1988年的IHO数字水深数据中心（DCDB）将用于管理采集自全球的开放众包水深数据，DCDB所有数据均可通过在线交互的Web地图服务进行访问。目前，DCDB通过“可信节点”（Trusted Nodes）网采集数据。“可信节点”即在DCDB和航海者之间建立联系的机构或个人，负责向航海者提供数据记录装置、提供技术支持、从船载数据装置下载数据并向DCDB提供（见图2）。

“可信节点”可选择FTP、HTTP等标准网络协议进行数据传输，DCDB对数据传输频次和大小不作要求，但需要遵循指南规定的数据格式和元数据标准。现阶段鼓励个人加入“可信节点”来提供数据，未来DCDB计划拓展到直接支持个人提供数据的模式。指南规定，众包水深数据必要的数据字段包括：经度值、纬度值、深度值、日期和时间戳、对地航向，必要的元数据包括：船舶类型（渔船、调查船等）、船名、船长、标识类型（MMSI或IMO呼号）、标识号、测深仪类型、测深模型、测深仪换能器、测深仪吃水、测深仪不确定度（以米为单位精度值）、深度参考点、GNSS类型、GNSS制造商、GNSS型号、GNSS与测深仪偏移量等。

“可信节点”向IHO DCDB提交数据后，系统自动对数据来源合法性、文件类型等进行检查确认，之后数据文件将记录到DCDB跟踪系统。脚本文件根据需要进行必要的格式转换，采用GeoJSON格式进行文件存储，并向空间数据库进行汇聚。通过网址https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/csb/index.html提供基于空间数据库的在线式海图浏览，用户可以查看、检索和获取其他用户提交的水深数据，如图3所示（其中红色为单波速测深数据，绿色为多波速测深数据）。

图3 美国沿海“众包测深”数据情况图

三、欧洲相关研究

欧洲海洋观测数据网（EMODnet）高分辨率海底制图项目的目标是为分散在欧洲各政府部门和研究机构之间的测深产品、数字地形模型（DTM）和测量数据提供一个单一的访问接入点。EMODnet项目目前包含160个海洋数据机构，通过质量控制、标准化和协调化向用户提供可互操作、无限使用的海洋数据，2020年将实现对所有欧洲海盆全覆盖。

EMODnet项目数据基础设施建设历经3个阶段，第一阶段2009年至2013年，第二阶段2013年至2017年，第三阶段2017年至2020年。其中，第一阶段和第二阶段完成水深门户网站建设，第三阶段将进一步升级完善EMODnet数字地面模型（DTM），提供更高的精度，容纳更多的测量数据，将DTM覆盖范围扩展到包括欧洲沿海地区、欧洲北极地区和巴伦支海的区域。此外，还将包含卫星反演水深测量数据，从而填补目前的测量空白区。

目前，水深门户网站提供测量数据集查询和访问服务、DTM组合数据产品检索和访问服务、数字水深显示和下载服务。

四、启示和建议

一是，当前国家正在推行“互联网+”建设，基于众包模式的测绘地理信息采集应用方式，与“互联网+”概念不谋而合。将众包模式与移动互联结合，应用于海洋空间要素的获取和更新领域，将非传统“众包数据源”纳入海道测量数据源，有助于集约社会资源、扩展海道测绘覆盖范围，有助于海道测绘数据更新，加快构建全域化海道测绘生产体系，更好地服务于水上交通和海洋经济建设。

二是，加强对“众包测深”数据的采集、使用、发布政策法规的研究，出台相关激励、约束性政策，规范“众包测深”准入和运行，为“众包测深”的发展奠定法规基础，营造良好的行业环境。结合现有海道测绘管理和生产体系，开展众包测深整体技术体系、国家数据中心架构、船载众包采集设备、数据质量控制等技术研究，为我国众包测深提供技术保障。

三是，分步骤稳妥推进“众包测深”数据采集利用。第一阶段，采集到的“众包测深”数据仅用于安全影响不高的辅助领域，例如：用于比对现有海图现实性，以便于海道测量管理部门能够对数据进行综合分析，判别出哪些区域水深变化较大，从而科学合理的安排海区年度测量任务。第二阶段，随着技术发展和质量控制手段提升，众包水深数据质量达到航海要求，适时将众包水深纳入海图制图的数据源范畴。

【作者简介】文/夏启兵王玉林曹雪晖刘佳，均来自北海航海保障中心天津航测科技中心。第一作者夏启兵，男，1977年6月出生，北海航海保障中心天津航测科技中心通信技术室主任，主要从事航海保障国际履约、电子海图应用、e航海等方面的研究；获得首届天津市青年创新创效十佳明星、天津市五一劳动奖章、交通运输青年科技英才、首届航海学会青年科技奖等奖励或荣誉称号，1次被评为直属海事系统先进个人，3次被评为直属海事系统优秀青年；获得省部级科技奖励4项，取得计算机软件著作权8项，实用新型专利4项，发表各类学术文章三十余篇，编著出版专著7件，获得全国性学术优秀论文奖7次；本文编发取得了作者授权。本文来自《中国海事》（2018年5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。