S-57標準電子海圖航海中的應(yīng)用課件

1、S-57標準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，越來越多的人開始關(guān)注并加入到電子海圖相關(guān)標準及系統(tǒng)的研究中來，文章從電子海圖數(shù)據(jù)采用標準、數(shù)據(jù)信息顯示系統(tǒng)兩大方面對電子海圖進行了介紹，分析了電子海圖的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，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標準，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，由于在海上一望無際，分不清方位，航海家們非常關(guān)心的問題是船舶在大海中的準確位置。為了獲取船舶位置，航海家們不得不使用測定天體、觀測陸標、接受無線電信號等手段獲取船的位置，然后把船位標繪

2、在海圖上，進而獲得直觀的船舶位置。駕駛員根據(jù)獲得的船位來判斷航行的安全性，判斷船舶是否在計劃航線上航行，因而海圖被稱為海上船舶駕駛員的眼睛。但在實際操作中，需要花費大量的時間去觀測和標繪，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繪進而獲取船位的方式，駕駛?cè)藛T很難得到直觀的即時船位，駕駛員所標繪出的船位是觀測那一瞬間的船位而非即時船位，造成了船位的獲取滯后現(xiàn)象，這樣對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，可以自動地將即時船位即時的顯示在海圖上，讓駕駛?cè)藛T能夠根據(jù)顯示的即時船位連續(xù)性來判斷船舶航行的安

3、全性；對電子海圖的使用更為有益的是通過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。一個好的引水員或者團隊最好可以做到每3min獲取一個船位，電子海圖系統(tǒng)可以做到每秒鐘獲取一個較為準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/測深儀和雷達的數(shù)據(jù)等，這些助航信息和即時船位一并顯示在儀器上；而且可以把所有的這些信息設(shè)定報警范圍，報警時可以預(yù)先提醒駕駛員潛在的航行危險，進而確保船舶航行的安全性?？偠灾?，在電子海圖的幫助下，駕駛?cè)藛T對即時的船舶動態(tài)和航區(qū)中存在任何危險都會一目了然，同時在雷達觀測的幫助下對周圍船舶的動態(tài)也做到心中

4、有數(shù)；“知彼知己，百戰(zhàn)不殆”，對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 電子海圖簡單的說電子海圖可分為兩個部分，一個部分是電子海圖數(shù)據(jù)（Electronic Navigation Chart，簡稱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海圖信息平臺，使使用者能夠非常直觀、方便地了解到所處海域的狀況。同時在這個平臺上還集成有多種航海設(shè)備的信

5、息（如GPS、雷達等），最終為船舶的航行安全帶來更好的保障。2.1 電子航海圖及相關(guān)標準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)的水道測量部門測量繪制的海圖，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準和數(shù)據(jù)的準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標準生產(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)。基礎(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。無論是基

6、礎(chǔ)數(shù)據(jù)還是更新數(shù)據(jù)，均以標準的格式進行數(shù)據(jù)的組織和封裝，從而達到不同國家的海道測量機構(gòu)制作的電子海圖可以在不同的ECDIS上準確地使用。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海圖信息平臺，使使用者能夠非常直觀、方便地了解到所處海域的狀況。同時在這個平臺上還集成有多種航海設(shè)備的信息（如GPS、雷達等），最終為船舶的航行安全帶來更好的保障。2.1.2 ENC數(shù)據(jù)采用標準ENC是由國家授權(quán)的水道測量部門發(fā)行的并且符合S-57標準的電子海圖，S-57全稱為國際海道測量組織（IHO）第57號特殊出版物數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標準，該標準被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)定為用于國際間數(shù)字海圖交換的官方海圖數(shù)據(jù)標準。從嚴格意義上講，它僅是一個數(shù)據(jù)傳輸標準，它所規(guī)定的數(shù)據(jù)格式是一個順序讀取的文件格式，不可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索，因此任何一個生產(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標準的關(guān)鍵點可以歸納為以下兒條，是設(shè)計系統(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)把實體描述完整，定義清楚。面向海圖的物標分類，幾乎逐個對圖式中的符號用物標來定義，而S-57則僅用181個物標（地理物標1

8、60個、元物標13個、組合物標3個、制圖物標5個）和195個屬性就把圖式中近千種符號所代表的地理實體定義清楚，通過一個物標類組合不同的屬性項/屬性值代表圖式中的一個符號或圖中的一個物標。（2）S-57對物標屬性的處理采取變長數(shù)據(jù)，即每個物標的屬性個數(shù)可以不同，屬性分為A、B、C三級，關(guān)系航海安全的強制屬性必須賦值，其他屬性可有可無，用戶也可添加。（3）S-57的一個物標類可以對應(yīng)不同的幾何圖元，點、線、面，或是非幾何圖元。可以根據(jù)物標的性質(zhì)界定該物標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是一個數(shù)據(jù)交換標準，數(shù)據(jù)按ISO/IEC8211進行封裝，8211提供了獨立于機器構(gòu)造的從一個計算機體系向另一種計算機體系傳遞數(shù)據(jù)的文件機制。一個數(shù)據(jù)交換文件由一個或多個邏輯記錄組成，每個邏輯記錄由頭標區(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，但不便于實時操縱。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，必須補充其他資料，如航標表、港口指南、航路指南等，否則有些強制屬性無法充填。電子航海圖（ENC）屬于電子海圖數(shù)據(jù)庫，是由各國官方的海道測量局（HO）制作的（也有一些國家由某公司制作，由HO認定）符合IHOS57標準的矢量電子海圖。ECDIS的應(yīng)用，離不開全球范圍的數(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，通過國際合作共同完成全球ENC數(shù)據(jù)庫的建立，并逐步建立全球的ER發(fā)

11、行體系。由于各國的技術(shù)水平相差較大，全球ENC數(shù)據(jù)庫的建立進展緩慢，相反，一些大公司卻利用技術(shù)和資金的優(yōu)勢，制作了符合S-57要求的全球ENC數(shù)據(jù)庫，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、改正不及時等問題。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，對發(fā)布的ENC數(shù)據(jù)，我們還沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)保護措施。ENC必須根據(jù)規(guī)范定義的規(guī)則進行生產(chǎn)制作，并且必須按S-57附錄B“ENC物標類目的使用”中所述規(guī)則進行編碼。并按照S-58電子航海圖有效性檢核推薦案對ENC數(shù)據(jù)進行檢查，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標準發(fā)展及現(xiàn)狀隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，許多國家早在二十年前就開始研究海圖數(shù)字化技術(shù)，尤其在近十年計算機小型化，特別是在微機的高運算速度和大容量存儲技術(shù)迅猛發(fā)展的情形下，各類非標準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)。國際海道測量組織（IHO）為使這項技術(shù)更加國際化，十多年來一直致力于國際標準的制定工作。1992年，第十四次海道測量大會通過了新的數(shù)字化海道測量數(shù)據(jù)交換標準，這一標準由理論模型、物標目錄和交換格式組成。通過四年試用，在吸收了計算機對圖形數(shù)據(jù)存儲處理最新成果的基礎(chǔ)上，對這一標準進行了全面的修改、補充后，1996年第十

13、五次國際海道測量大會通過了更為詳細、完善的數(shù)字海圖交換標準，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)傳輸標準S-57的同時，IHO還制定了ECDIS海圖內(nèi)容與顯示規(guī)范，這就是所說的S-520此外，國際海事組織（IMO）、國際電工委員會（IEC）等多個國際組織也為ECDIS制定了一系列相應(yīng)的標準。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標準生產(chǎn)全球范圍的海

15、圖，會遇到各種各樣與該標準不相適應(yīng)的情況，因此就需要不斷的對該標準進行補充修改甚至改版。國際海道測量局2000年第52號通函發(fā)布施行了3.1版本S-570該函同時解釋，由于3.1和3.0版本的差別僅體現(xiàn)在相對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，一些國家的海道測量部門需要在一定的時期內(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3.1兩個版本同時有效，直到做出新的規(guī)定。國際海道測量局2002年第60號通函宣布：3.1版本S-57（包括3.0版本）一定時期內(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能夠支持各種測量數(shù)據(jù)格式，已

16、經(jīng)開始編寫4.0版本S-57，改版后，該標準將改為S-100，其中ENC生產(chǎn)規(guī)范也將以單獨的標準從S-57標準中分離出來，稱為S-101，計劃2004年完成，后改為2006年完成，到目前為止還沒有確切消息說明4.0版什么時候能夠完成。即使4.0版本S-57發(fā)布實施，為方便成員國繼續(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在需要的時期內(nèi)仍為有效。國際海道測量局2003年6月20日向各成員國發(fā)出通函，要求各成員國于2003年9月30日前復(fù)函確認，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)國際標準的船用電子海圖系統(tǒng)。它以計算機為核心連接定位、測深、雷達、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可以與船舶自動控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)船舶的自動駕駛。海上航行的需要決定了海圖的特性，決定了海圖是一個國際化的圖種。實現(xiàn)電子海圖國際標準化的必要條件就是數(shù)據(jù)按S-57標準制作、顯示按S-52標準執(zhí)行（S-52標準是關(guān)于電子海圖制作與應(yīng)用的標準，特別是對電子海圖顯示與信息系統(tǒng)在海圖顯示方面做了很詳細的規(guī)定）。ECDI

18、S的顯示模式是適應(yīng)真實世界的動態(tài)顯示模式，不但可以按默認的色彩和符號顯示海圖，還可以按顧客要求和航行的狀態(tài)，通過指令動態(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，可以適當(dāng)選取海圖的基準緯度，以減小投影變形）；可以選擇運動方式和朝向，以“相對運動”或“絕對運動”方式顯示海圖；自動選擇同一范圍內(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）使用刺激性強的顏色、高亮度閃爍等手段強調(diào)危險物的存在。（3）海圖作業(yè)，在電子海圖上進行計劃航線設(shè)計（依照推薦航線進行手工設(shè)計或進行大圓航線

19、計算）；以靈活的方式計算任意兩點間的距離和方位；標繪船位、航跡和時間標示。（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)航海通告或無線電航行警告中提取的改正數(shù)據(jù)，實現(xiàn)ENC的自動、半自動和手動改正。（5）定位及導(dǎo)航，能夠同記程儀、電羅經(jīng)、GPS、Loran-C、測深儀和氣象儀等設(shè)備連接，接收來自這些傳感器的信息，并進行綜合處理，求得最佳船位；能夠進行各種陸標定位計算。（6）航海信息咨詢，獲取電子海圖上物標的詳細描述信息以及整個航線上的航行條件信息，如潮沙、海流和氣象等。（7）雷達信息處理，ECDIS可將雷達圖像或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)目標與動態(tài)目標三者之間的位置關(guān)系。航海人員可以據(jù)此判斷避碰態(tài)勢，做出避碰決策。同時，還能在電子海圖上檢測該避碰決策是否可行。（8）航路監(jiān)視，在船舶航行過程中，ECDIS能自動計算船舶偏離計劃航線的距離，必要時給出指示和報警，實現(xiàn)航跡保持。ECDIS還可以自動檢測航行前方的暗礁、禁航區(qū)和淺灘等，實現(xiàn)避礁、防淺。（9）航行記錄，ECDIS能自動紀錄前12h內(nèi)所使用過的ENC單元及其來源、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，航海人員在航行過程中的定位和設(shè)計計劃航線等工作將更方便快捷，對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如果沒有進行必要升級可能會有問題。因此國際海道測量局要求各成員國詢問有業(yè)務(wù)合作的ECDIS生產(chǎn)商，停止使用