S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖航海中的應(yīng)用課件

1、S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖及其在航海中的應(yīng)用 摘要：隨著電子海圖系統(tǒng)在船舶上的逐步普及，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注并加入到電子海圖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)的研究中來(lái)，文章從電子海圖數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信息顯示系統(tǒng)兩大方面對(duì)電子海圖進(jìn)行了介紹，分析了電子海圖的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，論證了電子海圖在保障船舶航行安全方面的重要作用。關(guān)鍵詞：電子海圖，S-57標(biāo)準(zhǔn)，信息，顯示系統(tǒng)，航海，應(yīng)用1 引言自從人類文明擁有了航海技術(shù)以來(lái)，由于在海上一望無(wú)際，分不清方位，航海家們非常關(guān)心的問(wèn)題是船舶在大海中的準(zhǔn)確位置。為了獲取船舶位置，航海家們不得不使用測(cè)定天體、觀測(cè)陸標(biāo)、接受無(wú)線電信號(hào)等手段獲取船的位置，然后把船位標(biāo)繪

2、在海圖上，進(jìn)而獲得直觀的船舶位置。駕駛員根據(jù)獲得的船位來(lái)判斷航行的安全性，判斷船舶是否在計(jì)劃航線上航行，因而海圖被稱為海上船舶駕駛員的眼睛。但在實(shí)際操作中，需要花費(fèi)大量的時(shí)間去觀測(cè)和標(biāo)繪，然后在此基礎(chǔ)上判斷船舶航行的安全性，但由于船是一直處于航行狀態(tài)，采用這種在海圖上標(biāo)繪進(jìn)而獲取船位的方式，駕駛?cè)藛T很難得到直觀的即時(shí)船位，駕駛員所標(biāo)繪出的船位是觀測(cè)那一瞬間的船位而非即時(shí)船位，造成了船位的獲取滯后現(xiàn)象，這樣對(duì)近岸航行船舶安全有很大的影響。電子海圖能夠解決在傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖上定位而產(chǎn)生的船位獲取滯后的現(xiàn)象，可以自動(dòng)地將即時(shí)船位即時(shí)的顯示在海圖上，讓駕駛?cè)藛T能夠根據(jù)顯示的即時(shí)船位連續(xù)性來(lái)判斷船舶航行的安

3、全性；對(duì)電子海圖的使用更為有益的是通過(guò)GPS/ODGPS所獲得的船.位是不間斷的，讓電子海圖的使用有了有力的技術(shù)保證。一個(gè)好的引水員或者團(tuán)隊(duì)最好可以做到每3min獲取一個(gè)船位，電子海圖系統(tǒng)可以做到每秒鐘獲取一個(gè)較為準(zhǔn)確和值得信賴的船位。電子海圖也可以整合處理別的一些助航信息，譬如船舶的航向/船速/測(cè)深儀和雷達(dá)的數(shù)據(jù)等，這些助航信息和即時(shí)船位一并顯示在儀器上；而且可以把所有的這些信息設(shè)定報(bào)警范圍，報(bào)警時(shí)可以預(yù)先提醒駕駛員潛在的航行危險(xiǎn)，進(jìn)而確保船舶航行的安全性?？偠灾陔娮雍D的幫助下，駕駛?cè)藛T對(duì)即時(shí)的船舶動(dòng)態(tài)和航區(qū)中存在任何危險(xiǎn)都會(huì)一目了然，同時(shí)在雷達(dá)觀測(cè)的幫助下對(duì)周圍船舶的動(dòng)態(tài)也做到心中

4、有數(shù)；“知彼知己，百戰(zhàn)不殆”，對(duì)自己和周圍的情況都做到了清楚了解，航行的安全性就有了有力的保障。2 電子海圖簡(jiǎn)單的說(shuō)電子海圖可分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是電子海圖數(shù)據(jù)（Electronic Navigation Chart，簡(jiǎn)稱ENC），另一部分是各種基于電子海圖數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)，其中最為主要的就是電子海圖顯示及信息系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information System，簡(jiǎn)稱ECDIS）。電子海圖和電子海圖顯示及信息系統(tǒng)一起為航海人員提供一個(gè)海圖信息平臺(tái)，使使用者能夠非常直觀、方便地了解到所處海域的狀況。同時(shí)在這個(gè)平臺(tái)上還集成有多種航海設(shè)備的信

5、息（如GPS、雷達(dá)等），最終為船舶的航行安全帶來(lái)更好的保障。2.1 電子航海圖及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2.1.1 電子航海圖的概念電子航海圖分為官方海圖和非官方海圖，官方海圖指的是由政府授權(quán)的水道測(cè)量部門測(cè)量繪制的海圖，而非官方海圖是指由一些民間組織繪制的海圖，非官方海圖在繪制標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上與官方海圖有一定的差異。我們目前生產(chǎn)的電子海圖是按照S-57標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的電子航海圖（ENC），具有兩種形式，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)一起為電子海圖顯示及信息系統(tǒng)所接收，以形成反映海域內(nèi)最新信息的系統(tǒng)電子海圖(SENC)，供電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS顯示和作相應(yīng)的處理。無(wú)論是基

6、礎(chǔ)數(shù)據(jù)還是更新數(shù)據(jù)，均以標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織和封裝，從而達(dá)到不同國(guó)家的海道測(cè)量機(jī)構(gòu)制作的電子海圖可以在不同的ECDIS上準(zhǔn)確地使用。電子海圖和電子海圖顯示及信息系統(tǒng)一起為航海人員提供一個(gè)海圖信息平臺(tái)，使使用者能夠非常直觀、方便地了解到所處海域的狀況。同時(shí)在這個(gè)平臺(tái)上還集成有多種航海設(shè)備的信息（如GPS、雷達(dá)等），最終為船舶的航行安全帶來(lái)更好的保障。2.1.2 ENC數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)ENC是由國(guó)家授權(quán)的水道測(cè)量部門發(fā)行的并且符合S-57標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖，S-57全稱為國(guó)際海道測(cè)量組織（IHO）第57號(hào)特殊出版物數(shù)字海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)被IHO在S-52電子海圖顯示與信息系統(tǒng)海圖內(nèi)

7、容與顯示規(guī)范中規(guī)定為用于國(guó)際間數(shù)字海圖交換的官方海圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。從嚴(yán)格意義上講，它僅是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式是一個(gè)順序讀取的文件格式，不可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索，因此任何一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)是不可能用它作為系統(tǒng)內(nèi)部快速操縱數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式。但S-57所規(guī)定的數(shù)據(jù)模型和編碼方式卻是各種應(yīng)用電子海圖的系統(tǒng)所必須遵守的。S-57標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)可以歸納為以下兒條，是設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部格式的依據(jù)。（1）S-57是面向海洋地理空間實(shí)體定義的，它不關(guān)心數(shù)據(jù)如何顯示，只關(guān)心如何用編碼數(shù)據(jù)把實(shí)體描述完整，定義清楚。面向海圖的物標(biāo)分類，幾乎逐個(gè)對(duì)圖式中的符號(hào)用物標(biāo)來(lái)定義，而S-57則僅用181個(gè)物標(biāo)（地理物標(biāo)1

8、60個(gè)、元物標(biāo)13個(gè)、組合物標(biāo)3個(gè)、制圖物標(biāo)5個(gè)）和195個(gè)屬性就把圖式中近千種符號(hào)所代表的地理實(shí)體定義清楚，通過(guò)一個(gè)物標(biāo)類組合不同的屬性項(xiàng)/屬性值代表圖式中的一個(gè)符號(hào)或圖中的一個(gè)物標(biāo)。（2）S-57對(duì)物標(biāo)屬性的處理采取變長(zhǎng)數(shù)據(jù)，即每個(gè)物標(biāo)的屬性個(gè)數(shù)可以不同，屬性分為A、B、C三級(jí)，關(guān)系航海安全的強(qiáng)制屬性必須賦值，其他屬性可有可無(wú)，用戶也可添加。（3）S-57的一個(gè)物標(biāo)類可以對(duì)應(yīng)不同的幾何圖元，點(diǎn)、線、面，或是非幾何圖元。可以根據(jù)物標(biāo)的性質(zhì)界定該物標(biāo)允許使用的幾何圖元。（4）S-57主要為生產(chǎn)ENC制定，但不是唯一為ENC服務(wù)的，而是涵蓋整個(gè)海洋地理空間信息領(lǐng)域，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)制圖、數(shù)據(jù)生產(chǎn)

9、直到數(shù)據(jù)應(yīng)用。（5）S-57是一個(gè)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)按ISO/IEC8211進(jìn)行封裝，8211提供了獨(dú)立于機(jī)器構(gòu)造的從一個(gè)計(jì)算機(jī)體系向另一種計(jì)算機(jī)體系傳遞數(shù)據(jù)的文件機(jī)制。一個(gè)數(shù)據(jù)交換文件由一個(gè)或多個(gè)邏輯記錄組成，每個(gè)邏輯記錄由頭標(biāo)區(qū)、目次區(qū)、字段區(qū)構(gòu)成。首記錄為數(shù)據(jù)描述記錄（DDR），其后的各個(gè)記錄為數(shù)據(jù)記錄（DR）。這種交換文件便于數(shù)據(jù)規(guī)范化傳輸，但不便于實(shí)時(shí)操縱。因此任何數(shù)據(jù)生產(chǎn)或應(yīng)用系統(tǒng)都不能用它當(dāng)作系統(tǒng)操縱的內(nèi)碼，必須自行設(shè)計(jì)適合需要的文件結(jié)構(gòu)。（6）S-57的子集ENC包括兩部分，新版電子航海圖數(shù)據(jù)EN和海圖改正數(shù)據(jù)ER，后綴000表示新版，其他數(shù)字表示通告改正次數(shù)。二者的結(jié)構(gòu)相同。

10、（7）同比例尺的各個(gè)ENC相互之間在地域上可以重疊，但重疊區(qū)的內(nèi)容只能在一個(gè)數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)。（8）ENC不是紙海圖的“數(shù)據(jù)影像”，制作ENC單靠紙海圖是不夠的，必須補(bǔ)充其他資料，如航標(biāo)表、港口指南、航路指南等，否則有些強(qiáng)制屬性無(wú)法充填。電子航海圖（ENC）屬于電子海圖數(shù)據(jù)庫(kù)，是由各國(guó)官方的海道測(cè)量局（HO）制作的（也有一些國(guó)家由某公司制作，由HO認(rèn)定）符合IHOS57標(biāo)準(zhǔn)的矢量電子海圖。ECDIS的應(yīng)用，離不開(kāi)全球范圍的數(shù)千幅ENC的支持。所以，IHO正在努力敦促世界各海洋國(guó)家制作自己海域的ENC，并成立了一些區(qū)域性的ENC中心，通過(guò)國(guó)際合作共同完成全球ENC數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，并逐步建立全球的ER發(fā)

11、行體系。由于各國(guó)的技術(shù)水平相差較大，全球ENC數(shù)據(jù)庫(kù)的建立進(jìn)展緩慢，相反，一些大公司卻利用技術(shù)和資金的優(yōu)勢(shì)，制作了符合S-57要求的全球ENC數(shù)據(jù)庫(kù)，目前覆蓋范圍最大的是挪威C-MAP公司的C93格式電子海圖。這些EIYC補(bǔ)充了官方ENC數(shù)量的不足。但是，也存在著缺乏法律保障、改正不及時(shí)等問(wèn)題。我們現(xiàn)在正在生產(chǎn)的S-57數(shù)字海圖就是ENC，但由于我們還處于起步階段，對(duì)發(fā)布的ENC數(shù)據(jù)，我們還沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)保護(hù)措施。ENC必須根據(jù)規(guī)范定義的規(guī)則進(jìn)行生產(chǎn)制作，并且必須按S-57附錄B“ENC物標(biāo)類目的使用”中所述規(guī)則進(jìn)行編碼。并按照S-58電子航海圖有效性檢核推薦案對(duì)ENC數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，以保證數(shù)據(jù)

12、結(jié)構(gòu)的正確性及要素編碼的合理性。2.1.3 S-57標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展及現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多國(guó)家早在二十年前就開(kāi)始研究海圖數(shù)字化技術(shù)，尤其在近十年計(jì)算機(jī)小型化，特別是在微機(jī)的高運(yùn)算速度和大容量存儲(chǔ)技術(shù)迅猛發(fā)展的情形下，各類非標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖按使用需要出現(xiàn)在各單位的工作系統(tǒng)內(nèi)。國(guó)際海道測(cè)量組織（IHO）為使這項(xiàng)技術(shù)更加國(guó)際化，十多年來(lái)一直致力于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。1992年，第十四次海道測(cè)量大會(huì)通過(guò)了新的數(shù)字化海道測(cè)量數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)由理論模型、物標(biāo)目錄和交換格式組成。通過(guò)四年試用，在吸收了計(jì)算機(jī)對(duì)圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理最新成果的基礎(chǔ)上，對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面的修改、補(bǔ)充后，1996年第十

13、五次國(guó)際海道測(cè)量大會(huì)通過(guò)了更為詳細(xì)、完善的數(shù)字海圖交換標(biāo)準(zhǔn)，并以IHO特別出版物S-57（第三版）的形式正式發(fā)布。在制定數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)S-57的同時(shí)，IHO還制定了ECDIS海圖內(nèi)容與顯示規(guī)范，這就是所說(shuō)的S-520此外，國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）等多個(gè)國(guó)際組織也為ECDIS制定了一系列相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。主要包括：（1）IHO S-52電子海圖顯示與信息系統(tǒng)海圖內(nèi)容與顯示規(guī)范（SPECIFICATIONS FOR CHART CONTENT AND DISPLAY ASPECTS OF ECDIS）；（2）S-58電子航海圖有效性檢核推薦案（Recommended ENC Val

14、idation Checks, RNC）。目前為2003年10月發(fā)布的第2版；（3）s-61光柵航海圖產(chǎn)品規(guī)范（Product Specifications for Raster Navigational Charts，RNC）。目前為1999年1月發(fā)布的第1版；（4）S-63 IHO數(shù)據(jù)防護(hù)模式（IHO Data Protection Scheme），目前為2003年10月發(fā)布的第1版；（5）S-65電子航海圖生產(chǎn)指南（Electronic Navigation Charts（ENCS）“Production Guidance”），目前為2005年第1版。由于按照S-57標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)全球范圍的海

15、圖，會(huì)遇到各種各樣與該標(biāo)準(zhǔn)不相適應(yīng)的情況，因此就需要不斷的對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充修改甚至改版。國(guó)際海道測(cè)量局2000年第52號(hào)通函發(fā)布施行了3.1版本S-570該函同時(shí)解釋，由于3.1和3.0版本的差別僅體現(xiàn)在相對(duì)不太重要的附加屬性方面，而且考慮到如果使用3.1版本，需要修改生產(chǎn)軟件，一些國(guó)家的海道測(cè)量部門需要在一定的時(shí)期內(nèi)繼續(xù)使用3.0版本生產(chǎn)數(shù)宇航海圖，因此，同意3.0和3.1兩個(gè)版本同時(shí)有效，直到做出新的規(guī)定。國(guó)際海道測(cè)量局2002年第60號(hào)通函宣布：3.1版本S-57（包括3.0版本）一定時(shí)期內(nèi)不再修改；3.0版本S-57至2004年12月停止使用。為了使S-57能夠支持各種測(cè)量數(shù)據(jù)格式，已

16、經(jīng)開(kāi)始編寫(xiě)4.0版本S-57，改版后，該標(biāo)準(zhǔn)將改為S-100，其中ENC生產(chǎn)規(guī)范也將以單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)從S-57標(biāo)準(zhǔn)中分離出來(lái)，稱為S-101，計(jì)劃2004年完成，后改為2006年完成，到目前為止還沒(méi)有確切消息說(shuō)明4.0版什么時(shí)候能夠完成。即使4.0版本S-57發(fā)布實(shí)施，為方便成員國(guó)繼續(xù)生產(chǎn)和使用符合3.1版本S-57的數(shù)字航海圖，3.1版本S-57在需要的時(shí)期內(nèi)仍為有效。國(guó)際海道測(cè)量局2003年6月20日向各成員國(guó)發(fā)出通函，要求各成員國(guó)于2003年9月30日前復(fù)函確認(rèn)，符合3.0版本S-57的電子航海圖和通告改正數(shù)據(jù)到2004年12月可以被廢止。2.2 電子海圖顯示及信息系統(tǒng)2.2.1電

17、子海圖信息顯示系統(tǒng)的概念ECDIS（電子海圖信息顯示系統(tǒng)）是指符合有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的船用電子海圖系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)為核心連接定位、測(cè)深、雷達(dá)、AIS等設(shè)備，以電子海圖為基礎(chǔ)，綜合反映船舶行駛狀態(tài)。為船舶駕駛?cè)藛T提供各種信息查詢、量算和航海記錄專門工具，是一種專題地理信息系統(tǒng)（GIS）。ECDIS可以與船舶自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)駕駛。海上航行的需要決定了海圖的特性，決定了海圖是一個(gè)國(guó)際化的圖種。實(shí)現(xiàn)電子海圖國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的必要條件就是數(shù)據(jù)按S-57標(biāo)準(zhǔn)制作、顯示按S-52標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行（S-52標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于電子海圖制作與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，特別是對(duì)電子海圖顯示與信息系統(tǒng)在海圖顯示方面做了很詳細(xì)的規(guī)定）。ECDI

18、S的顯示模式是適應(yīng)真實(shí)世界的動(dòng)態(tài)顯示模式，不但可以按默認(rèn)的色彩和符號(hào)顯示海圖，還可以按顧客要求和航行的狀態(tài)，通過(guò)指令動(dòng)態(tài)改變顯示效果，以適應(yīng)航海需要。2.2.2 ECDIS具備的功能（1）海圖顯示包括：在給定的投影方式下合成和顯示海圖（在使用墨卡托投影方式時(shí)，可以適當(dāng)選取海圖的基準(zhǔn)緯度，以減小投影變形）；可以選擇運(yùn)動(dòng)方式和朝向，以“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”或“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”方式顯示海圖；自動(dòng)選擇同一范圍內(nèi)的大比例尺海圖數(shù)據(jù)；可縮放顯示及漫游；分層顯示海圖信息。（2）使用刺激性強(qiáng)的顏色、高亮度閃爍等手段強(qiáng)調(diào)危險(xiǎn)物的存在。（3）海圖作業(yè)，在電子海圖上進(jìn)行計(jì)劃航線設(shè)計(jì)（依照推薦航線進(jìn)行手工設(shè)計(jì)或進(jìn)行大圓航線

19、計(jì)算）；以靈活的方式計(jì)算任意兩點(diǎn)間的距離和方位；標(biāo)繪船位、航跡和時(shí)間標(biāo)示。（4）海圖改正，能夠接收由官方ENC制作部門提供的正式改正數(shù)據(jù)以及由航海人員從紙質(zhì)航海通告或無(wú)線電航行警告中提取的改正數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)ENC的自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)改正。（5）定位及導(dǎo)航，能夠同記程儀、電羅經(jīng)、GPS、Loran-C、測(cè)深儀和氣象儀等設(shè)備連接，接收來(lái)自這些傳感器的信息，并進(jìn)行綜合處理，求得最佳船位；能夠進(jìn)行各種陸標(biāo)定位計(jì)算。（6）航海信息咨詢，獲取電子海圖上物標(biāo)的詳細(xì)描述信息以及整個(gè)航線上的航行條件信息，如潮沙、海流和氣象等。（7）雷達(dá)信息處理，ECDIS可將雷達(dá)圖像或ARPA信息疊加顯示在電子海圖上，提供本船、本

20、船周圍的靜態(tài)目標(biāo)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)三者之間的位置關(guān)系。航海人員可以據(jù)此判斷避碰態(tài)勢(shì)，做出避碰決策。同時(shí)，還能在電子海圖上檢測(cè)該避碰決策是否可行。（8）航路監(jiān)視，在船舶航行過(guò)程中，ECDIS能自動(dòng)計(jì)算船舶偏離計(jì)劃航線的距離，必要時(shí)給出指示和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)航跡保持。ECDIS還可以自動(dòng)檢測(cè)航行前方的暗礁、禁航區(qū)和淺灘等，實(shí)現(xiàn)避礁、防淺。（9）航行記錄，ECDIS能自動(dòng)紀(jì)錄前12h內(nèi)所使用過(guò)的ENC單元及其來(lái)源、版本、日期和改正歷史，以及每隔一分鐘的船位、航速和航向等。一旦船舶發(fā)生事故，這些信息足以再現(xiàn)當(dāng)時(shí)的航行情況。記錄的信息不允許被操縱和更改。有了這些功能，航海人員在航行過(guò)程中的定位和設(shè)計(jì)計(jì)劃航線等工作將更方便快捷，對(duì)船舶航行安全更有保障。2.2.3 電子海圖及信息顯示系統(tǒng)的現(xiàn)狀及法律地位據(jù)信，所有在售電子海圖與信息顯示系統(tǒng)（ECDIS）都能讀取使用3.1版本的數(shù)字海圖。但已在使用的ECDIS如果沒(méi)有進(jìn)行必要升級(jí)可能會(huì)有問(wèn)題。因此國(guó)際海道測(cè)量局要求各成員國(guó)詢問(wèn)有業(yè)務(wù)合作的ECDIS生產(chǎn)商，停止使用