（载运工具运用工程专业论文）电子海图数据库及其索引技术研究.pdf

上海海运学院硕 学位论文 摘要 随着计算机技术、图像处理技术和航海技术的发展，产生以数字形式表示的，描 写海洋地理信息和航海信息的电子海图系统。由于它们形象、直观、灵活，有着纸海 图无法比拟的诸多优点，引起航海领域和测绘领域的一场技术革命。世界各国对电子 海图及其应用系统都极为重视，开发出各种电子海图产品，在种类、功能及技术性能 方面都取得巨大进展。 电子海图数据库是电子海图应用系统的基础，它决定电子海图应用系统的功能和 性能。电子海图数据库中存储着大量海图数据，只有建立高效的索引机制，才能实现 对海图数据的快速检索。本文以s 一5 7 标准格式的海图数据为数据源，利用o r a c l e9 i 数据库管理系统，建立电子海图数据库，并借助r 树空间索引技术，实现电子海图数 据的快速检索。 、 本文第一章主要介绍电子海图相关领域技术发展现状，以及建立电子海图数据库 的背景。提出本文的研究内容、研究目标，以及研究的现实意义。 本文第二章的内容是建立电子海图数据库的基础。介绍电子海图技术的相关国际 标准。深入研究光栅海图和矢量海图的数据结构，选取符合s 一5 7 ( v 3 0 ) 格式的矢量 电子海图数据为电子海图数据库的数据源。重点研究s 一5 7 ( v 3 o ) 标准规定的电子海 图数据的理论数据模型、数据结构。 本文第三章内容通过对几种常用的空间索引技术( 如二叉树、b 树、四叉树、r 树) 的数据结构和算法进行比较研究，确定使用r 树建立电子海图数据库的索引。重 点研究r 树的数据结构以及查找、删除、增加、分裂等典型算法。 本文第四章是全文的核心部分。通过对现有数据库管理系统的研究比较，确定应 用o r a c l e9 i 数据库管理系统来构建电子海图数据库，详细阐述了电子海图数据库的 建立过程。首先，按照s 一5 7 标准的要求，设计数据库的表名和属性字段；然后，根 据实际航海的需要，设定数据的限制条件；再次，向数据库导入实际的海图数据，建 立r 树索引，创建系统电子海图数据库；最后，利用s q l 语句，实现对电子海图数据 库的管理。 ， 最后在结论部分总结性地论述了本次课题所研究的内容，并就未来的研究工作提 出进一步的设想和展望。 关键字：电子海图数据库，空间索引，r 树，检索技术 上海海运学院硕士学位论文 t h er e s e a r c h e so fe l e c t r o n i cc h a r td a t a b a s e a n di t si n d e x i n gt e c h o n o l y a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ee l e c t r o n i c c o m p u t e r , i m a g e - p r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dn a v i g a t i o nt e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i cc h a r ts y s t e mh a sb e e nb r o u g h t o u tt od e s c r i b et h eo c e a n g e o g r a p h i c c o n d i t i o na n dn a v i g a t i o ni n f o r m a t i o ni nd i g i t a l f o r m f o ri t sv i v i d n e s s d i r e c t n e s s f l e x i b i l i t ya n do t h e rm a t c h l e s sa d v a n t a g e si n c o m p a r i s o nw i t ht h ep a p e rc h a r t ，e n ch a sl e dt oap r o f o u n dt e c h n o l o g yr e v o l u t i o n i nt h ef i e l d so fn a v i g a t i o na n d p l o t t i n g m o s tc o u n t r i e so ft h ew o r l dh a v ep a i dh i g h l y a t t e n t i o nt oe l e c t r o n i cc h a r t sa n di t s a p p l i c a t i o ns y s t e m t h e yh a v ed e v e l o p e d v a r i o u sp r o d u c t sr e l a t e dt oe l e c t r o n i cn a v i g a t i o nc h a r ta n dm a d eab i gp r o g r e s si n t y p e ，f u n c t i o na n dt e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ec h a r t s a st h eb a s i co fe l e c t r o n i cc h a r ta p p l i c a t i o ns y s t e m , e c d bd e c i d e st h ef u n c t i o n a n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m o n l yt h r o u g hm a k i n gu s eo fh i g h l ye f f i c i e n ti n d e x t e c h n o l o g yc a nw e r e a l i z et h ea c c u r a t e l ya n dq u i c k l ys e a r c h i n gf o rt h es u i t e dc h a r t d a t ai nf a r g ea m o u n to fd a l a 1 - a k i n gt h ec h a r td a t ao ff o r m a ts 一5 7a st h es o u r c e d a t a ，i nt h i sp a p e rw eu t i l i z et h ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mo r a c l e9 it ob u i l d u pe l e c t r o n i cc h a r td a t a b a s e a n da l s oa c c o m p l i s hq u i c ks e a r c h i n gf o rt h es e n c d a t at h r o u g hr - t r e es p a t i a li n d e x t e c h n o l o g y i nl h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e r , j ti sm a i n l yt oi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g i e si nr e l e v a n tf i e l d st oe l e c t r o n i cc h a r ta n dt h eb a c k g r o u n do fb u i l d i n gu p t h ee l e c t r o n i cc h a r td a t a b a s e a n da l s ot h ec o n t e n t ，g o a ia n dr e a l i s t i cm e a n i n go f t h er e s e a r c ha r ep o i n t e do u ti nt h i sc h a p t e r t h ec o n t e n to fc h a p t e r2i st h ef o u n d a t i o no f b u i l d i n gu pe l e c t r o n i cc h a r t d a t a b a s e t h i s c h a p t e rf o c u s e s o nr e l e v a n tt h ed a t a s t r u c t u r eo fe l e c t r o n i c n a v i g a t i o nc h a r ta n dt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s i tg i v e sac o m p a r i s o nb e t w e e n r a s t e rc h a r ta n dv e c t o rc h a r t ，t h u ss e l e c t i n gt h ev e c t o rc h a r td a t aw h i c hm e e t st h e s t a n d a r di h os 一5 7 ( v 3 o ) t ob et h es o u r c eo fe c d b i nt h i s c h a p t e ri t i sa l s ot o m a k eaf u r t h e ri n t r o d u c t i o no nt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，d a t as t r u c t u r ea n dt h e p r o c e d u r eo fm a k i n ge n c i nc h a p t e r3 ，b ya n a l y z i n gt h ed a t as t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo fs e v e r a ls p a t i a l i n d e xt e c h n o l o g i e si nc o m m o nu s e ，l i k eb i n a r y - t r e e b - t r e e q u a d - t r e e ，r - t r e e ，i t c o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tr - t r e es h o u l db et h em o s ts u i t a b l es p a t i a li n d e x f o r s e t t i n gu pe c d b a n d t h e ni t g i v e sas p e c i f i ci n t r o d u c t i o no nt h ed a t as t r u c t u r ea n d b a s i ca l g o r i t h mo fr t r e e ，i n c l u d i n gs e a r c h i n g ，d e l e t i n g ，i n s e r t i n g ，s p l i t t i n g ，e t c 上海海运学院硕士学位论文 c h a p t e r 4i st h ec o r eo ft h i sp a p e ri nt h i sp a r t t h r o u g ht h es t u d yo fd a t a b a s e m a n a g e m e n t s k i l l st h a ta r ec u r r e n t l ya p p l i e d ，w ed e t e r m i n et ob u i l du pe c d bi n o r a c l e9 i ，a n dt h e nt h ew h o l ep r o c e s so fd a t a b a s eb u i l d i n gh a sb e e ne x p l a i n e d t h ef i r s ts t e p 。a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs 一5 7 ，i st od e s i g nt h et a b l en a m e a n d f i e l da t t r i b u t eo ft h ed a t a b a s e t h es e c o n ds t e p ，c o n s i d e r i n gt h en e e do fp r a c t i c a l n a v i g a t i o n i st os e tt h el i m o f d a t a t h et h i r ds t e pi st oi n p u tt h ea c t u a ld a t ai n t o t h ee c d b c r e a t er - t r e ei n d e xa n db u i l du pe c d bt h ei a s ts t e pi st oi m p l e m e n t t h em a n a g e m e n to fe c d b ，b y u s i n gs q ll a n g u a g e t h ec o n c l u s i o np a r to ft h i sp a p e rh a sc o n c l u d e dt h er e s e a r c ho fl h es u b j e c t a n dt h e np u tf o r w a r df ur t h e ri m a g i n a t i o na n de x p e c t a t i o no nt h ef u t u r e sr e s e a r c h w o r k x u t i e ( d e l i v e r ym e a n s u t i l i z a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y 已坌d i 垦，s b l 曼b 鱼q j i 坌d k e y _ w o r d se c d b ，s p a t i a li n d e x 。r - t r e e s e a r c h i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 论文独创性声明 本论文是我个人在导，i f 指导下进行的研衮工佑及取得的研究成果 台文 中除了特罩日加以掭注和致谢的地方外r 不包含其他 或其他机构色经发衷藏 撰写过的研费：成果其他同志列璋撇的启发和所馓的贡献均巳在论文中作 了明确的声明并嚷示了遵 意i ：名么：逸日期j2 翌丝么 乒 本人同意上掏藕随莹学院雨躲留、嵌渭鞘罐嫩的规定即i 学敬洧权 保留送好幻噜卿l 件允许磁炙i 琏阋和借髑糊以上网公输蚊的垒 铘或部分内容可以采用影印、缩印或者其它复铜手段第有论文保密的论 文住i 帑嗽守此规定 1 1 概述 第一章：绪论 随着电子计算机技术、图像处理技术和航海技术的发展，产生了以数字形式表示 的，描写海域地理信息和航海信息的电子海图以及各种电子海图应用系统，由于它们 形象、直观、灵活，有着纸海图无法比拟的诸多优点，因而被广泛地应用于航海和测 绘领域，引起了航海领域和测绘领域的一场技术革命，使海图的研究、生产和使用跨 入一个新的纪元，使航海自动化迈上一个新台阶。世界各国对电子海图及其应用系统 都极为重视，不惜花巨资进行研究开发，相继取得令人瞩目的成就。但电子海图技术 高速发展的同时也出现一些问题，由于各国航道测量组织采用的海图数据规范不一 致，造成各国南4 造的电子海图数据无法共享，限制了电子海图的应用范围。为了使这 新颖的、极具实用价值的电子海图及其应用系统能走上国际统一的轨道，国际海道测 量组织( i h o ) 一直在努力做这方面的工作，成立了电子海图显示与信息系统( e c d i $ ) 工作委员会，就电子海图及其应用系统所涉及的各个方面开展标准化和规范化的研 究。到目前为止，关于e c d i s 的国际标准主要有：i h o 、s 一5 2 电子海图显示与信息 系统的海图内容和显示方法规范，i h o s - 5 7 数字海道测量数据传输标准。这些国 际标准的制定，为电子海图系统的规范化发展提供了标准保障。目前在世界上已经有 符合国际标准的电子海图产品问世，英国船商公司( t r a n s a s ) 、德国a t l a s 公司等已 经研制出符合s 一5 7 标准的电子海图产品，并在全球范围内得到一定的推广。我国从 8 0 年代起开始电子海图的研究，许多单位研制的电子海图，都采用自己特有的数据 结构，自成体系，其产品在国内市场中已大量使用。在国际标准电子海图方面，海事 局系统内部在进行有关技术问题的研究。上海海事局已完成国际标准电子海图制作软 件的设计：天津海事局应用加拿大的软件h o m 已具备了批量生产$ 5 7 标准e n c 和e r ( 电子海图改正) 的能力，并且与原武汉测绘科技大学( 现为武汉大学) 联合研制 $ 5 7 标准电子海图质量控制软件。从这样的国内外形势来看，我们学校大力研究和开 发符合国际标准s 5 7 格式的电子海图有很重要的现实意义。 现在主要使用的是以图幅为单位存储的矢量电子海图，它可以提供给使用者准确 的海图信息，便于航海人员进行海图的各种操作和航海资料查询。存在的最大问题是 海图数据管理分散，没有形成统一的管理机制，数据冗余严重。鉴于此，我们提出“全 球电子海图一张化”概念，建立电子海图数据库，统一管理和维护海图数据。相近比 例尺间的海图往往存在这样的情况，即它们所覆盖的沿海陆地范围基本一致，但所覆 上海海运学院硕士学位论文 盖的海域不一样。针对这种情况，我们认为在一定条件下，可以用较小比例尺海图的 信息来填补未被较大比例尺海图覆盖的海域信息，结果电子海图的信息密度由近海至 远海逐渐变得稀疏，从而在满足航海要求的前提下减少存储信息量，提高显示速度。 对同一比例尺下的海图形成没有分幅概念的一张整体海图，不同比例尺的海图形成自 动切换。 从航海的领域角度来讲，海图一张化是电子海图发展的一个必然趋势。把所有矢 量化的数据和信息放在统一的电子海图数据库中，便于将来集中统一的数据管理和更 新，其主要构想是建立全球电子海图数据库，通过区域选取和电子海图的不同用途， 完成电子海图数据的快速检索。由于全球电子海图的数据量非常巨大，针对电子海图 特有的空间数据结构，采用何种检索方式来完成快速和准确的检索显得非常重要。这 也是本文中解决的主要问题。 r 1 1 1 2 数字地球的概念和提出的背景“。 数字地球一词近来风靡地球。从哲学上说，数字地球是对真实地球及其相关现象 统一性地数字化重现与认识。从技术上说，是一个在全球范围内建立的一个以空间位 置为主线，将信息组织起来的复杂系统，也就是全球范围内的以地球位置及其相互关 系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称。作为新 的凝聚全人类梦想的目标，数字地球提供了一种前所未有的认识地球的方式，它将对 人类与自然的协调和平衡带来不可估量的推进作用。 数字地球是在一定经济基础和技术基础的特定时代的产物，1 9 9 2 年，美国副总 统戈尔首先在濒i 临失衡的地球一书中从全球生态环境和气候变化的角度提出了这 个概念，但是当时并没有得到强烈的响应。六年以后，他在加利福尼亚科学中心做了 题为“数字地球认识2 1 世纪我们这个星球( t h ed i g i t a le a r t h ：u n d e r s t a n d i n g o u rp l a n e ti nt h e2 1 t hc e n t u r y ) ”的报告，第一次比较系统阐述了数字地球的概 念：“我相信我们需要一个数字地球，即一种可以嵌入海量地理数据、多分辨率和 三维的地球表示。”这时的地球信息基础设施建设已经取得了重大进展，对地观测技 术和计算机技术( 尤其是计算机网络技术) 有了巨大发展，科技的进步为数字地球的 研究和实现提供了坚实的基础，越来越多的科研机构和学者把目光投向了这一领域。 数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是 用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源。从内容上说，数字地 球是在全球范围内建立一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，按地理 坐标整理构建一个全球的信息模型，描述地球上每一点的全球信息，并提供有效、方 上海海运学院硕士学位论文 便和直观的检索手段和显示手段，使每个人都可以快速、准确、完整地了解和利用地 球上各方面的信息。从这个意义上讲，数字地球就是一个以全球范围内地理位置及其 关系为基础组成的信息框架，在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称。 图1 一l 数字地球的组成 数字地球由四部分组成，分别为基础科学( 认识科学、地球科学、信息科学) 、 关键技术( 1 m 分辨率的卫星遥感技术、海量数据的快速存储与处理技术，高速网络 技术，w e bg i s 与o p e ng i s 的互操作技术、多分辨率、多维数据的融合与表达技术， 仿真与虚拟技术，元数据技术) 、实现层( 区域层，国家层，地区层，全球层) 以及 应用层( 专业生产应用，城市与区域，科研与教育，政治与外交，安全与国防等) 。 数字海洋作为数字地球的重要组成部分，有着非常重要的研究价值和应用意义， 船舶安全航行、海洋资源开发、海洋环境监护等领域都需要准确和全面的海洋信息， 这也推动了数字海洋的研究和发展。 1 3 电子海图系统基本概念2 1 l 海海运学院硕士学位论文 e c d i s 是指符合有关国际标准的船用电子海图系统。它以计算机为核心，连接定 位，测深、雷达等设备，以e n c 为基础，综合反映船舶行驶状态，为船舶驾驶人员提 供各种信息查询、量算和航海记录专门工具，是一种专题地理信息系统。电子海图作 为g i s 系统的一个重要组成部分应该大力发展，尤其是电子海图标准化的问题应尽 快完成，早日实现统一的数字海洋。现在就介绍一下电子海图的一些基本概念。 ( 1 ) 光栅海图：它以纸质海图为背景，通过对纸海图的一次性扫描，形成单一的数 字信息文件。利用具有图像预处理及自动识别系统的软件，将位图矢量化，生成海图 矢量文件。这种方法是以光栅方式输入的，图形数据以点阵形式存贮，需占用大量的 存贮空问，图形拼接的工作量和难度都很大，且不适合图形的管理操作和绘图输出。 光栅海图可以看作是纸海图的复制品，包括的信息( 如岸线、水深等) 于纸海图一一 对应。可定期改正，可与定位传感器( 如g p s ) 接口，但使用者不能对光栅海图进行 查询式操作( 如查询某一海图要素特征，或隐去某类海图要素等) 。因此有人称光栅 海图为“非智能化电子海图”。 ( 2 ) 矢量海图：是电子海图数据库的标准存储形式，数字化的海图信息分类存储， 因此可查询任意图标的细节( 如灯标位置、颜色、周期等) ，海图要素分层显示，使 用者可根据需要选择不同层次的信息量( 如只显示小于l o m 的水深) ，并能设置警戒 区、危险区的自动报警，还可以查询其他航海信息( 如港口、潮汐、海流) ，因此矢 量海图称为“智能化电子海图。”数据以空间数据库的形式来组织和管理，但也是以 图幅形式存取，并且生产量较小。 ( 3 ) e n c ( e l e c t r o n i cn a v i g a t i o nc h a r t ) ：译称电子导航海图。它是指在内容、结 构和格式上均己标准化，专为e c d i s 使用而由政府授权的海道测量局( h o ) 发行的数 据库。e n c 包括安全航行需要的全部海图信息，也可以包含纸海图上没有的而对安全 航行认为是需要的补充信息( 如航路指南) 。电子导航图( e n c ) 是采用矢量化的方式 带4 作的，是矢量海图。将海图上的等高线、岸线、水深点、灯标、障碍物、分道通航 区等海图信息进行矢量化即得到它们的经纬度，并与它们的属性分门别类地存储在计 算机数据中，整个世界地海区信息不重叠。在需要显示某一海区时，只要给出海区的 经纬度范围，计算机就会从该数据库中提取相应信息“创建出”一张海图。 。， ( 4 ) s e n c ( s y s t e me l e c t r o n i cn a v i g a t i o nc h a r t ) 译称系统电子海图，指通过适 当使用e c d i s 系统从e n c 转换、经航海人员以适当方法予以改正并加上其它资料而得 到的数据库。e c d i s 实际使用的是s e n c 数据库，它是最新海图的等效物。s e n c 中每 一级比例尺的海图都有一个目录文件，其文件记录插述了这一级中的每个e n c 单元的 名称、原始比例尺、深度基准面、高程基准面、所覆盖的地理区域等信息。每个e n c 单元的数据都要单独存储，而且有唯一的单元名( 文件名) 。s e n c 的目录组织用于电 上海海运学院硕士学位论文 子海图显示时查找覆盖显示区域的e n c 单元。 ( 5 ) e c d i s ( e l e c t r o n i cc h a r td i s p l a ya n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) 译称电子海图 显示与信息系统，它是一种配置齐全、完全按照i f l o 性能标准制作的电子海图应用系 统，是一种电子海图综合航行信息系统，该系统符合1 9 7 4 年s o l a s 第v 2 0 条款要求 的最新海图的规定。e n c 是唯一可以合法地用于e c d i s 上的电子海图数据库。i m o e c d i s 性能标准中指出，e c d i s 是一个导航信息系统，这个系统具有充足的后备措麓， 可以接受为符合1 9 7 4 年s o l a s 第v 2 0 条款要求的最新海图。它可有选择地显示系统 电子导航海图( s e n c ) 中的信息以及从导航传感器获得的位置信息以帮助航海人员进 行航线设计和航路监视，并且能够按要求显示其他与航海相关的补充信息，其基本组 成部分如图1 2 所示： 图1 2e c d i s 的组成 ( 6 ) e n c 、s e n c 、e c d i s 的内在联系 e n c 、s e n c 、e c d i s 三者的关系在图卜3 中指出，s e n c 中只包括经常使用航线上 的e n c ，s e n c 是e c d i s 从e n c 中选取、转换成本身的格式而产生，与e n c 有不同的数 据组织格式。从数据处理来看，s e n c 比e n c 更精确和更符合实时性。s e n c 包括不属 于e n c 中选取的信息，如开发人员添加的数据域、航海人员的改正信息和其他信息。 e c d i s 从s e n c 选取信息产生和显示导航功能，e c d i s 实际使用的是s e n c 。 上海海运学院硕士学位论文 e c d i s i十 i。ls e n c 系统电子海 i 7 f 图 l 图卜3e n c 、s e n c 、e c d i s 关系示意图 1 4e n c 和e c d i s 的发展现状以及发展趋势1 5 1 e n c 和e c d i s 从7 0 年代初的开始起步研究到现在的迅速发展，有其历史背景， 这于计算机技术的发展、航海技术的发展、供求关系的转变有着重要的关系： ( 1 ) e n c 和e c d i s 是现代科技的结晶。7 0 年代后，由于电脑科技的进步、高清晰 度彩色显示器的出现和数据库管理系统发展才有g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 之萌芽，电子海图的概念才由此产生，近二十多年来，计算机 内存容量的增大、运行速度的加快、操作系统软件突飞猛进的发展及计算机软硬件价 格的大幅度下调给e n c 和e c d i s 的发展带来契机。 ( 2 ) e n c 和e c d i s 相关技术的促进。最近一、二十年，对电子海图发展产生重大 影响的是g p s ，g p s 能够连续提供全球性高精度船位，对于船舶安全航行产生积极的 影响，但是只有把g p s 测得的高精度船位实时地转移到海图上去，才能发挥g p s 的长 处，目前的纸海图不能与g p s 相适应，必须发展电子海图。 ( 3 ) e n c 和e c d i s 是船舶导航系统重要组成部分，与其综合发展趋势相吻合。随 着科学技术的进步，近代船舶向高度自动化和大型化方向发展，e n c 和e c d i s 的发展 正同这一趋势相适应，7 0 年代后，各航运大国都在积极研制集导航一避碰一控制一 通信于一体的综合航行系统，e c d i s 能在其中起着数据综合处理器的作用。 ( 4 ) e n c 和e c d i s 的合法化。1 9 9 5 年1 1 月，在i m o 第1 9 届大会上，e c d i s 的执 行标准被正式批准采用，记载与i m oa 8 1 7 ( 1 9 ) 号决议中。根据这个标准，各国海 上安全机构可以把e c d i s 作为合法的，与1 9 7 4 年s o l a s 公约v 2 0 条款要求的纸海图 有同等效力，这就为电子海图在船舶航行中推广应用提供了法律依据。 ( 5 ) 与航运市场发展需求相一致。e n c 和e c d i s 能有效改善航行和提高船舶营运 效益，提高船东的竞争力。对e n c 和e c d i s 制造部门或公司来说，虽然现在的市场增 长缓慢，但是它存在着巨大的潜力市场，尤其是面对日益增长的船舶吨位，一旦i m o 强制远洋船舶装备e n c 和e c d i s ，情况将大为改观，这一天也必将到来。 1 4 1 e n c 发展现状 6 上海海运学院硕士学位论文 电子海图数据开发目前沿着二个方向发展： ( 1 ) 一些国家的有关组织和公司致力于开发具体的数字海图。因为i h os 一5 7 ( 第 三版) 于1 9 9 6 年1 0 月才发行。目前还没有覆盖全球的标准电子海图。尽管在今天有 很多关于电子海图产品的广告宣传仍在继续混淆航海人员对电子海图的概念，并给人 以误导。就其产品的功能、海图信息及航行信息显示方式和界面、硬件设备的技术参 数方面虽然能够满足相关国际标准的要求，但就其处理的海图信息来源看，却很少有 满足i m oe c d i s 的性能要求，因为目前还根本没有合法的覆盖全球的e n c 可用。据估 计，合法用于e c d i s 的覆盖全球的e n c 要到2 0 1 0 年才能建成。 ( 2 ) 地区性数字数据海图的发展。海洋运输是全球的，海图也是全球的，取得电 子海图最有效的方法是从一个或几个开发中心获取，由此，i h o 成立了一个专门委员 会研究世界范围电子海图数据( w e n d ) 的管理以及相关法律。1 9 9 4 年该专门委员会 提出了考察报告，建议要有一个内部互相联络的区域性数字数据海图协调中心的网 络，各个水道测量组织开发制作它所管辖区域的数字海图并通过这一网络送至该区域 的区域性数字数据海图协调中心( r e c c ) ，r e c c 再把所收到的数据综合成一地区性的 r e c c ，日本已经同意建立东亚r e c c ，而挪威、日本、法国、美国和加拿大将开发出 一些重要区域或国家的电子海图数据库。地区性数字数据海图的发展为有效建立全球 海域e n c 提供了基础。 1 4 2e n o 发展趋势 ( 1 ) 、随着一系列国际标准的出台及未来i m o 的可能强制执行，数字海图必然走向分 化，小部分数字海图将会继续在游艇、小型船舶上使用或其它用途，另一部分将被换 成e n c ，供各种船舶使用。 ( 2 ) 、目前尚有大量光栅电子海图在使用中，但矢量海图取代光栅型电子海图是必然 的，也是国际标准的要求。 ( 3 ) 、越来越多的r e c c 建立，结合成熟的卫星通信技术，有朝一日全球e n c 有望得 以建立。 ( 4 ) 、建立全自动改正机制势在必行。 1 4 3e g d i s 的发展现状 随着i m o 性能标准的制订及e c d i s 关键技术研究所取得的重大进展，现在的工作 重点从实验研究发展到产品开发上来。其中包括主要以下几家国际著名的e c d i s 的生 产厂家及主要产品： 7 上海海运学院碗士学位论文 ( 1 ) t r a n s a sm a r i n e 英国船商公司 生产符合i h os 一5 7 ( 第3 版) 格式的矢量电子海图数据库( 已完成近8 ，0 0 0 幅海图，且每年递增6 0 0 幅新图) ，生产e c s e c d i s 显示界面，也生产e c s e c d i s 硬 件设备。船商公司的n s2 4 0 0e c d i s 系统在1 9 9 9 年1 0 月通过德国航海及航道署( b s h ) 的认证，成为世界上第一个符合i m o 标准和i e c 规范的e c d i s 。目前世界上使用船商 e c d i s 的用户达5 ，0 0 0 个。 ( 2 ) k e l v i nh u g h e s ( 英国凯文一休斯公司) 英国k h 公司是生产a r p a 雷达、电子海图、黑匣子、单人驾驶系统的著名公司。 在其n u c l e u s 系列的i b s 系统中包括一个n u c l e u s 系列e c d i s 系统，它支持显示英版 a r c s 光栅海图，i h os 一5 7 矢量海图及c m a p 公司的矢量海图。 ( 3 ) 挪威c m a p 公司 c m a p 公司是世界上最大的商业海图数据库提供商，并能够提供实时的海图改 正服务，生产c m - - 9 3 格式矢量电子海图，其中o c e a nv i e w 软件已应用于伦敦i m o 的日常操作中，目前其数据库含有不同级别的海图约1 8 ，0 0 0 幅。c m a p 公司本身 不生产海图显示系统和硬件设备。 ( 4 ) s p e r r ym a r l t i m e ( 美国斯伯利公司) 生产e c s e c d i s 硬件设备以及e c d i s 显示界面( sv tn a v - - e c d i s ) 。目前v m s v tn a v - - e c d i s 系统尚无矢量海图数据库，暂时使用的海图数据库是英国航道测量局 ( u kh o ) 的a r c s 光栅海图和美国国家海洋和大气管理局( n o m ) 的光栅海图。 ( 5 ) u kh o ( 英国航道测量局) 作为一个国家勘探部门，英国航道测量局是世界上最早将其海图数据库资源制作 成数据库光盘( a r c s ) 对外出售的官方机构。它不生产电子海图显示界面和硬件设备， 只制作数据库，其海图数据库属于光栅式，每星期改正一次海图数据。u kh 0 也正在 生产矢量电子海图，但是将英版海图数字化后转换为矢量形式比光栅式所用时间多 1 0 倍，矢量海图的价格十分昂贵。 1 4 4e o d i s 的发展趋势 目前e c d i s 的性能标准、海图显示规范、数据标准和设备测试标准均已经建立， 这为其合法化铺平了道路。今后要解决的关键问题是：要尽快建立覆盖全球的合法的 e n c 以及健全的海图改正服务网络：对已有e c s 的软件进行改进，使其完全符合e c d i s 各项标准的要求；扩充e c d i s 的标准功能，使其具备智能化的特点；同高精度定位系 统、雷达避碰系统、船舶通信系统、车舵控制系统等进行集成，实现信息的综合处理 与显示，辅助制定操船决策，更大程度地保证船舶航行安全。e c d i s 的广泛应用主要 上海海运学院硕士学位论文 体现在以下几个方面： ( 1 ) e c d i s 用于冰区航行，将冰区信息数字化，通过以存在的通讯网络，可在装有e c d i s 的船舶上显示。 ( 2 ) 实时信息显示于e c d i s 上。将数字化的水位和海浪信息等实时地提供绘e c d i s 加 以显示，保证航行安全和提高效益。 ( 3 ) 用于v t s 。以e c d i s 作为v t s 的核心界面，运用雷达信号自动识别技术，将v t s 管辖区域的船舶的位置、运动状态及特征显示在e c d i s 上，并使用一种标准格式或协 议，将它们显示在v t s 管辖区域内每艘船舶的e c d i s 上。 ( 4 ) 用于综合导航系统i n s ( i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m ) 、综合船桥系统i b s ( i n t e g r a t e db r i d g es y s t e m ) ，单人驾驶台( o n em a nb r i d g e ) 和航行管理系统v m s ( v o y a g em a n a g e m e n ts y s t e m ) 等。如i b s 主要含e c d i s 、导航信息和数字自动舵， 集电子海图、导航、避碰、控制、监视和通信功能于一体并有机组合。目前，r a c a i 。 一d a c c a 、s p e r r y 、a t l a s 和n o r c o n t r o l 等世界著名航海仪器厂家先后推出了各自代 表性的产品，但还要力求使电子海图系统符合i m o 性能标准。 ( 5 ) e c d i s 本身技术还将进一步发展，如更好的入机界面、更有效率的数据处理、更 多应用日渐成熟的多媒体技术以及更加实时地与其他航海系统有机结合将是e c d s 的发展方向。一一 ( 6 ) e c d i s 可望成为未来全自动航行船舶的一个核心界面载体。基于电子海图全自动 航行系统可能包括以下几个子系统： 1 ) 雷达导航子系统。工作于二个不同的、间隔很大的频率、如x 和s 波段，能自 动跟踪所有海上目标。 2 ) 定位子系统。从若干导航传感器获得位置信息并经综合处理得到最佳船位应有 优于5 米的精度。 3 ) 一项强制安装的、全球实旌的船舶识别系统，能发射给其它船舶本船的位置、 速度、首向、方位及标识船舶名称和类型的识别码。 4 ) e c d i s 系统随着远程通信技术的发展，诸如数值天气预报、海浪预报、海图改 正、航行指导、军事政治背景、货运等依赖岸上基础提供的信息，可以通过国 际互联网、g i m s s 或其他专门途径注入e c d i s 系统，使e c d i s 具有日益完善的 实时信息自动获取、基础信息自动更新能力。 5 ) 避碰专家系统。以e c d i s 为平台的船舶安全航行智能决策系统的建立，该系统 能够根据本船导航设备数据、a r p a 目标船数据、电子海图信息、气象数据， 以船舶安全驾驶专家知识库为基础，采用职业自然语言进行人一机会话，制定 安全的、最佳的操船方案。系统在电子海图上解决船舶避碰问题，把避碰、避 9 l 海海运学院硕十学位论文 礁、防搁浅一体化，作为相互关联的问题统一考虑和处理，在制定避碰决策时 使用s e n c 去检测避碰方案的可行性，判断本船的运动轨迹是否在可航水域中 制定的避碰决策可通过接口传给自动舵和主机，以实现自动避碰。 1 5 课题的提出、研究目标和内容以及意义 我们现在使用的电子海图大多是是通过对纸海图矢量化后得到的，纸海图是按地 理位置分幅管理，这样造成电子海图数据也是分幅存储，导致在建立电子海图数据库 时沿用数据分幅存放的思想，其管理模式见图卜4 。现在比较流行的电子海图数据库 的管理技术是空间区域索引和底层数据库文件分开管理，每个地理区域对应个数据 文件。通过对地理区域建立空间索引，通过文件指针可以找到地理区域所对应的数据 库文件。在这种情况下，每张电子海图的数据是单独存放，s e n c 数据库不能统一管 理，这样就造成数据库中数据冗余严重，对数据的维护比较繁琐，增加了技术人员的 工作量。由于数据是分幅存储的，在不同电子海图切换时，是否达到无缝拼接，保证 定位的准确性和连续性，都是值得商榷的地方。 由于文件管理系统有如下几个缺陷是难以克服： 审文件系统的数据冗余度大。 夺数据完整性和正确性难以检验。 夺数据库中数据的增加、删除、修改、查询等操作难以进行。 因此，造成文件系统中数据与程序之间缺乏独立性。 图1 4 电子海图数据库分幅管理模式 i o 上海海运学院硕士学位论文 基于e n c 和e c d i s 的成熟技术以及广阔的发展前景，本课题提出基于标准电子海 图数据，建立电子海图数据库，实现全球电子海图一张化。全球电子海图一张化，是 指把所有矢量化的电子海图数据和信息放在特定的数据库中，利用先进的空间索引技 术，统一的完成数据管理和更新、消除数据冗余、实现在海图在同一比例尺下的自动 漫游和在不同比例尺下的无缝拼接。 建立全球电子海图数据库，通过区域选取和电子海图的不同用途，运用高效的索 日l 技术，快速完成电子海图数据的检索。全球电子海图数据库它的信息应是多源数据 的融合，信息源可以是图形、图像、文本、声音等形式，以满足海上航运的需求。例 如，通常在大洋中航行，仅用矢量数据以图形方式显示地理环境即可满足航行需要， 而在沿海、狭水道及港口时，则需要矢量一栅格的一体化显示，甚至包括d e m 模型等 其他数据形式，以二维图形或三维虚拟现实的方式表达真实世界。但不管采用何种数 据形式，电子海图数据库都应以海上交通的需求作为基本信息。以现有的国际标准为 依据，既满足i h os 一5 2 电子海图显示最基本数据要求，且不违背i h os 一5 7 对海 道测量的物标分类，同时结合电子海图系统中e c d b 的设计原则对海图信息分类八 随着卫星导航系统和卫星通信系统的飞速发展，“一张化”的电子海图将在海上 船舶安全航行、优化航线设计、海上救助、海上交通