（计算机系统结构专业论文）基于s57国际标准的电子海图显示与导航系统(1).pdf

摘要 本文完成了基于s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统的一部分工作，并 主要讨论了以下三部分内容： 详细地分析了s 一5 7 国际标准的数据结构及数据格式规范。设计了详细的用于 显示的数据存储结构和索引结构，实现了对海图数据的高效读取。 改进了墨卡托变换与逆变换算法。针对墨卡托投影变换与其逆变换的理论公 式，分别利用不同纬度的相关性及不动点迭代法对两种变换进行了改进，并对两 种改进算法给出了严格的推导证明、编程实现以及测试数据分析。 根据电子海图显示平台提供的海图数据，提出了基于多边形的最优航线设计， 并实现了航程的计算。首先利用海图显示中禁航区域的多边形信息得到带权图； 其次在带权图上，采用改进的d i j k s t r a 算法实现航线自动生成，并分析了改进算 法的效率；最后对恒向线航线进行航程求解，实现了航程的计算。 关键词： s 一5 7电子海图墨卡托多边形最优航线 磊b s t r 8 g t 拍i sp a p e ri s 馥p a no f e i c c t r o n c 西a nd i s p l a ya n dn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e d 伽 s 5 7k 妻e 璜a ls | a 嬲a 砖”。两e 如l l o w i 珏g 妇e 棼辨豳a f e 潮l | 鑫主犯di 曩垂l l sp 鑫f ： 伯ed a t as 仃u c 锄df o 咖凸t 州l e 打o no fs 一5 7i n t e m t i o n a ls t a n d a r da f cp a r t i 伽l a r l y 卸a l y s e d a m dt h ed a t a ss t o f ca 1 1 di n d e xs t r u c t ，w h j c hm a d ej tm o r ee f f i c i e n t l yt of e a d 也ed e c 酣e dd 如，埘ep a 矗i 锶l 雒l yd e s i 静df o f 镛ed i s p l 珂e l 螂涮& i cc h 嘁 w 毫i m p r o v e d 撕l h m e l i c so fm e f c a t o fm a p p 衲gl f a n s f o 】聪粕di n v e f s et f 鞠s f b 册 ( b n s i d e r i n gt h ea r i t h m e t j co fm e r c a t o rm a p p i n gt r a n s f o 咖a n di t si n v e f s et r a l l s f o 咖， w e 西v ei m p v i n gm e t h o d sb yl 薹s i n g 棚a t i v j t yo fd i 彘咖ts t a n d a f dp a r a l l e la n df i 】【e d 矗o d ei | e f 矗t 主o n 臻穗羲o d 豫s 弦c 耋i v e l y 确毡基s o 渺轳a m m e | ol 黼p l e m e 珏l 壕e 拼p 琢v a r i t h m e t i c ，a n dp r e s c n tt h es a m p l ed a t a 弧i sp a p e ra l s op u t sf o 州a r dan e wm e t h o db a s c d 叫p o l y g o n sf o rr o u t ed e s i 印 w b j c bm 璐o n 氆ee l e 咖n 主ce h a 矗d i s p l a yp l a | f o 朋，鞠d 莎v c磕e l h 6 0 no f c o m p u t i n gt h en a v i 群t i o n 畦d i s t a 髓c e 。n er o u t ed e 睡毋c o n t a i n s 柳op a f l s ，o n e st o g a i nt h en e t w o r k 黟a p hb yp o l y g o nm o d e l i n gt ot h ee k d r o n i cc h a i t ；t h eo t h 州o n ei st o i m p l e m e n tr o u t ed e s i g nb ya ni m p 聊e dd 疆k s t f aa l g o r i 啪m ，a n d t o a n a i y s et l l e e 强c l e # 锋薛氇主s 赫p 舛醚越g 藤l 硪。曩l ev o y 鑫g 豳c 。m p 珏l i 粥a l s oc o n t a i n s 脚。扫f t o n ei st ot r a n s f o r ms c r e e nt og e o g r a p h i cc o o r d i n a t e s ，t h eo t h e ro n ej st or c s o i v el h e e q u a t i o no fn a v i g a t i o n a lf o u t eo fi n v a 血b l ea z i m u t h k e y w o r d ：s - 5 7 e l e c t f o n i cc h a f tm e 蕾c a t o f p o l y g o n sf o h 瓣d e s 萨 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期竺z 兰z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：日期盟1 2 新躲坪醐r 第章绪论 第一章绪论 l 。l 电子海图技术概述 1 1 1 电子海图技术概念 瞧予海图( e l e c t r o n i c 酾搽t ，e c ) 帮电予海圈显示与信患系统疆l e e t r o n i c c h a r td i s p l a ya n ds y s t e m ，e c d i s ) 及电子海图系统( e l e c t r o n i cc h a r ts y s t e m ， e c s ) 怒二十世纪七十年代开始的门新技术，涨起于二十世纪九十年代。术语“电 子海鬻”按照国际投藏定义“1 ，窀是“趸酸接透笺够显示海漤信怠豹数攒，软终 和电子的系统，是一个含义广泛的术语”。因此电子海图从狭义上解释就建以数字 形式出现的海图，即数字海图，而在广义上瑕解，则可认为是对所有有燕电子海 墨戆生产或应琢、软 孛或硬 争数技术泛弦。 嗽子海圈技术闲遗理信怠系统( g e o g r a p h i ci n f o 瑚a t i o ns y s t e m ，g i s ) 技术 一样，是随着当代电子计算机技术的飞速发展而发展起来的。使用计算机可以快 速生产数字化形式的海图一电予海图。相对予静态的纸质海圈，电子海嘲的显示 膏羞葵无法毙瓠靛臻点。饲翔，霹淡迅速转羧跑鲷足，疆蠖详维窥察靛行孛酶关 键航段，可以放大缩小感兴趣区域，可以快速更换海图，包括更多的使用简单、 操作容易的地理和文字信息，将海图信息与接收到的导航信息以及雷达信息等相 叠燕，在一令羼纂上显示，麸露嚣霉壹鼹遣为躯虢的安全懿霉提供有力豹臻障。 电子海图结合卫星定位设备、承声设备和无线电通信设备，组成电子海豳显示与 信息系统或电子海图系统，提离海上安全航行的自动化水平。可以讲，电子海图 技术的醴；现，引起丁传统的海洋测绘领域和古老的航海领域的一场翻天溪地豹技 术孳命。 1 1 2 电子海图信息系统概述 电子海图信怠系统( e l e c t r o n cc h a r td i s p l a ya n dl n f o 瑚a t i o ns y s t e m ， e c d i s ) ，属于海图驻示系统，是专门用来显示官方电子导航海图( e n c ) 的。e n c 是 难一可以合法地用予e c d i s 上的电子海图数攒库。1 。i m o c d i s 性能标凇中指出， 图l s 楚一个导靛僖惑系统，这今系统翼毒充分静爱冬袋魏，可良被接受舞符合 1 9 7 4 年s o l a s 公约中v 2 0 条规则要求的最新海图。它可宵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 !基于s 5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统 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 1 所示。 图1 1e c d i s 的组成 其中，e n c 为电子导航海图( e 1 e c t r o n i cn a v i g a t i o n a lc h a r t ) ，它是指在内 容、结构和格式上均己标准化，专为e c i d s 使用而由政府授权的海道测量局( h 0 ) 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。电子导航海图是采用矢量化的方式制 作的，所以也叫矢量海图；s e n c 为系统电子导航海图( s y s t e me l e c t r o n i c n a v i g a t i o n a lc h a r t ) ，它是e c d i s 内部的一个数据库。这个数据库是为了恰当使 用e n c 而由e c d i s 将其进行格式转换，同时通过恰当方法改正e n c ，并且由航海 人员注入其他航线信息，包括航线设计使用的点、线和区域以及e c d i s 图库中的 任何符号和文本注记信息。s e n c 供e c d i s 显示存取以及完成其他航海功能，且是 e c i d s 的一个组成部分。它还包含来自其他信息源的信息，如航海通告等。s e n c 是e c d i s 中直接读取和显示的数据库，它是由e c d i s 对e n c 进行格式转换而得到 的，目的是为了快速显示e n c 。 电子海图应用系统e c d i s 的主要功能有： 1 船舶定位：通过接入g p s 等定位系统，获得本船船位，并对数据进行处理， 并把数据传入到e c d i s 中。 2 海图作业：可完成能在纸质海图上完成的全部作业功能，如航线设计、航迹 标绘等。并可对电子海图进行放大和缩小。 3 分层显示：可以同时显示海图中所有的信息，也可以按照海图的显示模式显 示出海图中部分层信息，隐藏部分层信息。 4 航路监测：检查当前位置与预定位置及计划航线的匹配情况，若偏离计划航 线，给出修正方案，使船舶按预定航线航行。 5 报警功能：当船舶航行偏离计划航线，驶入有特殊情况的海域，发现危险目 第一章绪论 标以及系统发生故障时，戆以谖言、图形、文字等形式搬警。 6 海瀚改正：系统穰据航海通螽或无线电联网数据或网上发布数据，在誉破坏 原始数据的情况下，及时地附加本地的电子海图数据库。 7 信息查询：可以对海图上任意点海图信息谶行查询操作，查询物标的爝性。 特溺是显示一些纸翻海图孛苓麓反浃窭寒瑟菇要查技瓣蘩意。 8 船位记录及航迹熏放：能记泶所有的导航信息和船舶处理参数以及有关海图 显示、航迹等信息。这些数据可以保存至少1 2 小时以上。一旦发生事故，可 姆这些数据重瑗在屏幕上，以供有关入员分辑。 9 。雷达信息：实时搜收雷达信怠，并使其与海图信息叠加艏显示，协助船舶避 碰。 。 l 。l 。3 毫子海图技术发展情况 目i i i ，世界各国对电子海图及其应用系统都极为重视，不惜花费巨资进行研 发，与越稳关豹雹璐缒织致电子海圈剐剩兴起时裁对其加以规范。国际靛遵组织 ( i h o ) 为此成立了专门委员会研究电子海图及疲爝系统的标壤和兢范，他们从电子 海图的生产和应用的角度相继开发了s 一5 2 e c d i s 海图内容与显示规范和s 一5 7 数字海道测量数据传输标准簿。国际海事组织( i m o ) 的海上安全委员会也从使 弱者鹣角瘦，骧大会决渡静形式，撵窭了k 耔l s 毪雏鑫灌，籀豫痒l 瀚於。国 际电工黉员会( i e c ) 则从设备的角度，开发了i e c6 1 1 7 4 e c d i s 一操作与性能要 求，测试方法与测试结果。为了促进电子海图技术健康、商序、高效地段展，这 三大翻鼯组织还成交了专门的协调组织，裁毫予海图豹软 牛、嫒 孛、数撵、逶讯、 更新笛闯题进行统一的处理和解决。电子海图程国际产业器进展的菲常侠，许多 发达刚家的各类舰船上大都装备了配有这种数据和设备的系统。据有关资料介绍， 在1 5 0 0 0 条s o l a s 公约船中，有约1 0 0 0 条船装谢电子海图慰示与信息系绕，目前 藿秀上耨遥s o l 矗s 公约躲虢，基零上都安装了电子海囤系绞。撵不完全统计，鋈 际上从事电子海图研发和生产的大公司就有上百家，较商代表性的是挪威的 c - m a p 公司、英国的船商( t r a n s a s ) 公司、德国的a t l a s 公司和7 c s 公司、美国的 s 第r r y 公司等。 我翻电子海图的起步源于二十世纪八十年代，海军海洋测绘研究所帮发了我 国第一套电子航海图系统，此后船舶工业、电子工业、交通航运、渔业水产等行 业的院校和科研机构，以及海军其他科研院所识相继开发了不少优秀的船用电子 海圈系缓，部分系统已装备到各爱虢艇。数字海圈麓生产簸滔走入成熟除羧，海 军司令部航海保证部已建立各级比例尺的海图数据库，交通部海事局对所属的港 口也制作了相应符食国际标准的电子海图，开始供应各类用户。在标准方面，我 3 !纂于s 一5 7 国际标准的电子海图龆示与导航系统 国参考阕际i l os 一5 2 ，于1 9 9 2 年颁布了第一本电予海图技术援藏g b 1 5 7 0 2 l 5 。我国与黧际上发达潮家稳眈，藏嘏子海图技术与应用丽言，瓣前仍 处于早期的开发阶段，表现在普及率不高、没有形成系统化研究格局和规模化生 产模式在数据和软件方面还没有和国际标准完全接轨。 当蘩，电子海图豹发震鑫亵嚣努，耨本语、耨愚怒源源不断，莺琢土器类拣 准十年问已改版过多次。为了促进我国电子海圈技术领域的发展，开展与围际同 行的交流与合作，尽快实现与国际标准的接轨，需要做一些实际的尝试工作以推 动电子海霆技术的括准纯，以便更准确理解国际标准，磅发缀其寿中国持纛的，+ 与国际标准接轨的电子海围数据和电子海圈应翔系统，是电予海图这一新兴技术 在我国获得更大的范围的推广和成用，从而推动电子海图技术的产业化。 l 。l 。4 毫子海图鳃因际标准 1 e c d i s 的使用性能桥准“” 与魄予海图密切穰关鲍三个鏊鼯缀缓是国鞲海事缝缓( 1 鞑。) 、国际海遴溅霪缰 织( i h 国朔国际电工委员会( i e c ) 。1 9 8 6 年，i 黼鞠同意成立一个由各国露关部 门组成的协调小组( h g e ) ，共同参与电子海图方颟的技术讨论，e c d i s 协调组负责 制定e c d i s 使用性能标准1 9 8 5 年5 月出版发行了e e d i s 暂行憔能标准，并建议各 或员因滋李亍海土试验，对器d l s 霞籍标准豹完熬往帮实翊整送行评 鑫。在藏基穑 上h g e 制定了e c d i s 性能标准草案。1 9 9 3 年9 月i m 0 航行安全委员会通过了该标 准，1 9 9 4 年5 月i m o 海上安全委员会第6 3 次会议经审议通过了该标准，最后该 蠡准由1 9 9 5 年l l 是程瑟懿l 瓣第1 9 次大会遴避，残惫歪式弱是。8 l ? ( 1 9 ) e c 瑟i s 性能标撒。该标准对e c d i s 的各种使用性能做出明确的规定，为未来电予海图的 发展奠定了基础。i m o ，i h 0 和h g e 般同参与电予海图方面的技术讨论。在随后的 十几年巾，与电子海嬲特别是e c d i s 有关的国际娥范和标准不蹶更新出台。1 9 9 5 年1 1 月，i 瀚透过静托d i s 的往熊标准中明确篾定，e e d i s 胃叛作为“1 9 7 4 年海 上人命安全公约( s o l a s ) 中v 2 0 壤”所要求的纸制海图的等价物，换句话说， e c d i s ( 酉已以e n c ) 可以取代传统的纸制海图。i m 0 明确地要求豳际水道测量组织成 员国生产邀子海圈( e n e ) 荠霉可髭戆连孬联会雯凝鞭务，在设诗秘生产& 娶l s 对要 保证产品质量符合性能标准。1 9 9 6 雄1 1 月，i m o 又增补了e c d i s 备用设备的祭款。 2 e c d i s 的数据显示、交换和传输标准 与i 鞋o e i s 瞧熊标准相呼应，国际水道测鬃缀织i h o 在1 9 9 6 年1 2 兵壤於 通过了芙于电子海翻内容、国标、颜色和敲d s 显示系统静规范，筒称为i 珏o s 一5 2 ( 第五版) 规范，8 5 2 及其三个附录为“电子导航海图更新指南”，“e c d i s 颜 色与符母规范”和“e c d i s 相关术谮集”。i h o 的s 一5 7 标准是关于数字化水文数据 第一章绪论 的转换和传输标准，它包括物搽分类，s 一5 7 静簸耨舨本，酆s 一5 7 第3 舨) 。该标 准楚舆有法律效力的矢量纯电子警航海图的数据交换和俦输标准。 3 e c d i s 的测试标准“” 酾着e c d i s 的使用性能标准、数据显示标准、数据交换和传输标准的提出， 垂舔泡芏委员会l 瓣提窭7 对戮蛰l s 疆舞设备靛检验霹溅试结莱懿标准。l 9 8 年 7 月，这个标准( i 6 1 1 7 4 ) 被i e c 确定为e c d i s 系统的测试认可标准。任何厂家 生产的e c d i s 系统必须按该标准严格测试并达到标准要求的结果，才能被官方认 可投入市场。l e c 逐骞一令对黪鲻导靛设备瓣“环境测试撂壤”，成为i 黟6 0 9 4 5 ， 用来捡测e c b i s 系统在不同溢发、湿度、振动等情况下鹃霹靠性。i e c d i s 性 能标准给出的e c d i s 的定义；电子海图信息系统e c d i s 是一种航海信息系统，该 系统肖足够的备用设备，可以认为符合1 9 7 4 s o l a s 公约的v 2 0 条款规则臻求的现 实瞧海嚣懿麓定，遴过簸系统惫子警靛海霆s 嚣黼孛遥择豹蕊惫与麸导靛耱感黎获 得的位胃信息的显示来帮助航海人员进行航线设计和航路般视。若需要可显示与 航行有关的其他信息。规定了信息的显示、海图改正、航线设计、航路般视和航 霉记袋等牲毙要求。 h 0s 一5 2 ，壤定了电子海强豹建客帮爨零、数摆缕搀、改正 方法翱信息传输途径，以及屏箨上电子海豳的颜色和德号等使用细带。i h o s 一5 7 ( 笫三版) 描述了用于各国航道测量部门之间的数字化航道测量数据的交换以 及向航海人员、e c d i s 的生产商发布这类数据的标准，是舆肖法律效力的矢量式 龟予静靛海图帮数撵交换传输豁准。i e c6 ll ? 4 獾述了& 挣l s 貔毪琵溺试方法弱 要求的测试结果。通过该标准的测试是e c d i s 含法地成为船用设备的前掇。e c d i s 的功能要满足i m oe c d i s 性能标准的要求，所使用的海图倍息应是由官方航道测 量部门提貘熬蟹套l 瀚s 5 7 蠡凇鹣最囊售惠，荻b s 孛电予海疆豹具体内容、显 示方式鞋及颜色和符号的使用簿簧符合i h os 一5 2 规范，e c d i s 作为船用设备要通 过i e c 的性能测试。上述标准的制定，使厂窳生产e c d i s 有了明确的依据，也使 c d i s 用户更加教一心，著会激怒船东购买该系绫的热情，为e c d i s 系统犟目进入 市场，键逶海上安全，r 减轻驾骧爨受撵截交贾献， 1 2 本文研究内容及意义 以上简单回顾了电子海图的概况。对于基于s 一6 7 国际标准的电子海瞬显示与 导航系统，首先也是最重要的就是对s 一5 7 数据存储格式的深入分析，并对海图源 数据按照高效的数据结构进行读驳，在此基础上秘究s 一5 2 鼹示标准，完成海图的 显示功麓；导舷磅麓是建立奁曦孑海莺显示警台弱基稿上秘，袋辩手毫予海图显 示平静提供的完备的海图数据。在航线设计和航行方法中，文献中的描述大都在 传统航行模式下，在5 1 3 节中提到的网络模型航线生成算法是在电子海图导航 5 基于s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统 系统下的一种新的尝试，但它也有一些不足，如何在电子海图导航系统下研究出 简单可行的航线生成算法，则是本文需要讨论的重要内容。 1 2 1 本文的研究内容 本文的研究内容有如下三个方面： 对s 一5 7 国际标准的解析是实现电子海图显示的基础。本文第三章将详细分析 s 一5 7 中关于数据格式和数据格式封装的约定，并且探讨如何把从s 一5 7 源文件 读取的数据有效地组织起来，才能更有利于海图的显示。具体的s 一5 7 分析过 程和数据结构的设计见本文第三章。 墨卡托投影变换与逆变换是整个系统需要频繁使用的数学变换。两者都是非 线性变换，因此制约着电子海图显示的速度。如何能针对墨卡托投影变换与 逆变换的理论公式的性质，提高变换的速度是很有意义的。详细的算法改进 方法、推导证明和性能分析见本文第四章。 如何建立网络图和采用何种最短路径算法是最优航线设计的核心问题。如果 能充分利用海图数据的特点，就可以方便快捷地建立网络图，本文第五章将 详细介绍建立网络图的方法和航线自动生成的实现。： 1 2 2 本文的研究意义 基于s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统中最重要的就是s 一5 7 标准， 这是整个系统需要遵循的标准，对s 一5 7 标准的研究有利于更好的组织电子海图显 示作需要的数据结构，当然在基于s 一5 7 国际标准的海图应用系统刚刚起步的中 国，深入研究s 一5 7 国际标准不仅能提高国内s 一5 7 海图应用系统的研发水平，还 能够为后人奠定研究的基础，从而推动电子海图技术产业化的进行。 墨卡托投影变换是将经纬度坐标变换为大地直角坐标，而墨卡托逆变换足将 大地直角坐标转换为经纬度坐标，此变换贯穿整个系统，电子海图的显示、查询、 航线自动生成时航路点的选择和最短航程的计算等功能都要频繁地用到墨卡托投 影变换与逆变换，因此墨卡托投影变换与逆变换的速度制约着整个系统的速度。 本文中的航线自动生成算法是电子海图导航系统中的个新颖的算法，虽然 不尽完美，但是一次非常不错的尝试，也是一个值得参考的新方法。 第二章电子海图显示与导航系统概要设计 ： 第二章电子海图显示与爵航系统概要设计 2 1 1 系统需求 2 ，l 系统总体设计 慕乎s 一5 7 国际标准的电子海豳显示与导靛系统主要矮肖下列功能： 海图的显示与漫游功能 馁意开窗缩放功能 诗魏簸线蠢动黛藏凌戆 航线自动记录及回放功能 鼹示功能符合阉际标准s 一5 2 鬻求 2 1 。2 系统功能分析 网2 1 表示了綦乎s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统的功能划分。 电予海匿显示与静航系统 l 厂厂丁 海海航航 图图线行 显标设1 监 示注诗测 图2 1 电子海图显示与学航系统功能划分 1 海图显示 投搀趸户霖簧装载海图，霹戳打印区域海图。 海图缩藏。包括海图放大( 拖拽放大、中心放大) 、缩小( 中心缩，j 、图中 心缩小) ，以及按照设鬣的比例尺显承。 显示模式选择。包括基础、标准、全郝三种显示模式，以及显示鼷次的选 择。 海图数据为s 一5 7 标准数据，海图显示符合s 一5 2 标准。 2 海圈标注 ! 基予s 一5 7 国际标准的电子海图照看芎与导航系统 传绞的海图撂浚是指舷海人员将船舰的软迹秘疑位画农海图上的方法。本 系统的海鹜稼注完成经纬爱宠位_ 和在海豳上作自定义椽记的功能。 3 航线设计 航路点设置。识括添加航路点、编辑航路点、删除航路点、标记航路点。 簸线设置。惫强添热麓线、缡髯靛线、捌踩簸线。 4 航行懿测 航迹管理。包括航迹显示、航线读取、航线保存。 掇警功鼹。包援嚣蹬海医搬警、靛霉偏移缀警。 2 2 。l 系统模块划分 2 2 系统设计与实现 根据对系统功能的分析，系统的模块划分如图2 2 所示； 系统软件实现 2 2 。2 驻示模块 显示模块 r 1 j t 海航航航 圈迹行线 显显状显 示示态示 显 示 海阁作业模块 r 1 l l 惑虢撤 航 行路警线 记点参设 录设数置 麓设 餮 闰2 2 系统模块划分 显示模块流程图设计如图2 3 所示： 第二章电子海图显示与肆航系统概要设计 9 选择海图，设定比例尺，分层条件，颜色选择，以及其他显示控制参数 l 打开海图文传，读取e a 珊字段，取褥海黧基本信息，戗耩东南西靶的缀纬度资辩 l 将文件的。r 读入相应数据结构，依据。r 中先序遍历j 顿序读取。r ，建立物标索引 警 按索引读取物标，查找相应属性 否一 加入显承列袭 否一k = 二 索引完毕 毒 是 依显承列表读取物标耩性依据显承参数 i 读般颜色分配表，以及物标标准符号 l l否盒 2 。2 。3 其它模块 酗2 3 显示模块流程图 髀法模块和海图作业模块，以及这些模块所依赖的基础，s 一5 7 国际标准数据 结构承】数据格式规范的解析，将在下面的章麓详细介绍，这三部分内容也是本文 豹讨论重点。 第= ! 兰章s 5 7 数据的解析 第三牵s 5 7 数据的解析 3 1s 一5 7 理论数据摸型与数据结构 3 1 1s 一5 7 理论数据模型 1 1 蠢沦楚纸海图遥楚瞧子海图，鄂是穰覆靛纷安全酶需曩，良一定静方式箍述 海道测量领域的诸鼹素( 在s 一5 7 中定义为物标) m 。s 一5 7 将真实世界定义为特征物 标和空间物标，前糟描述特征属性，后者描述空间属性。特征物标包括描述特征 属性徽不包菇 壬舞死 霉形获( 郄不毪摆奏实毽器携俸魏形状爱蕴嚣售塞) ，嚣空闽 物标w 以包含位嚣倍息，同时必须包含几何形状。 1 特征物标可以不关联任何空自j 物标而存在，但每一个空间物标必须至少关 联一个特征物标，蕊不能独立存在。s 一5 7 定义了四类特缝物标： 元物标( 孵t a ) 。包含其它物标信怠的特征物标。铡鲡坐标系统，投影，横 纵坐标基准，源比例尺殿高度、深度测量单位等。 制图物标( c a r t o g r a p h i c ) ：包含真实世界物体的、姓l 制图符号代表的信息 缝或魏特鬟耪振，铡魏斑塔。 地理物标( g e o ) ：包含真实世界物体的描述信息的特征物标。 关系物标( c 0 1 l e c t i o n ) ：包含描述另外两个物标关系的特征物标。 2 空间勃标可以是矢量、掇格、或筵终数摄。s 一5 7 标凇第三舨只包念矢量类 鍪。空间物标适量攥型采用的是二位平面窥察法，空闻物标分为o 维( 点) 、l 维( 透 和线) 和2 维( 面) ，第三维表示物标的属性。 s 5 7 标准中向量物标以心种拓扑结构编码：制图轮廓( c a r t o g r a p h i c s p 8 舔戡t i ) 、筵接苓轰( c h 8 i n n o d e ) 、平瑟图形( p 1 8 n 8 rg 神h ) 、全拯羚绥糖( f u l l t o p o l o g y ) 。每一种拓扑结构下编码的向量物标都反应了客观世界的空间属性，其 拓扑结构也依次越全面。 制图轮露( c a r t o g r 印h i cs 辩曲e t t i ) ：羽一组孤立终轰秘边表示，点编码 成孤立结点，线编码成逐接的一组边，面编码成边绦成的闭合环。 链一结点( c h a i n n o d e ) ：用一组结点和边表示，边必须以连接结点为其起 始和终点。点编码成孤立结点或连接绐点，线编码成一组边和逐接结点， 番编码藏歼始葙终止予阏一连续结点翁透维残懿溺合拜。 平面图( p l a n a rg r a p h ) ：用一组结点和边表示，锻一结点组成的边不能相 交，只可在连接结点处相接。平面图可以共用矢量物标，限制是逡接边共 望基于s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统 用连接结点、相邻面共用交接处的边。禁止相同的几何体重叠。 全拓扑( f u l lt o p o l o g y ) ：用一组结点、边和面表示，整个平面被一组互 斥、相邻的面所完全覆盖。孤立结点被面所包含，边的左右两侧都是面。 点编码成孤立结点或连接结点，线编码成一组边和连接结点，区域编码成 面，禁止相同的几何体重叠。 3 1 2s 一5 7 数据结构 3 1 2 1s 一5 7 数据结构介绍 在s 一5 7 标准官方文档中“1 ，数据结构部分详细讲述了从理论数据模型转换为 s 一5 7 数据结构的细则。这一转换隐含着一个从理论模型的逻辑结构到数据结构中 的物理结构的连接。首先真实世界由理论数据建模被简化，物标被转换为指定的 结构( 例如记录和字段) 。转换的结果就是数据结构。 数据结构本身不能被存储和转发，数据结构必须以物理传送标准进行封装。 s 一5 7 使用i s 0 e c 8 2 1l 作为封装的标准，详见3 2 节。从模型到结构的变换，如 图3 1 所示： 幽3 1 模型剑结构的转换 通常，参与交换的物标不止一个，因而，由于一个物标构成一个记录，一个 交换集由多个记录构成，为了方便，将记录组成文件，最后交换的信息集被称作 交换集。记录组成文件和文件组成交换集的方式由产品规则制定，一般应遵守以 下规则： 一个交换集由一个或多个文件构成； 一个文件由一个或多个记录构成； 一个记录由一个或多个字段组成； 一个字段由一个或多个子字段组成； 交换集的层次结构如图3 2 所示： 第三章s - 5 7 数据的解析 3 。1 。2 。2 鼍己录 豳3 2 交换集屡次结构 s 一5 7 中定义了一个能建成交换隳盼记录集合。这些记录能分成五种类型： 数据集描述( 元) 记录：记录了用来识别交换信息的一般用途和特性的信息； 饲籀垒拣售惑、投影、基壤纛、帮深疫数摇添、魄铡尺及荦谴、数擦集寒源 信息、描述空间记录位置数据精度的信息簿。 嗣录记录：记泶了解码器在熬个交换集中落找并引用的文件是所需的信息， 氇怠括交换集内各记录闽特殊关系豹狺息，强录记录慧楚班辐e i i 璐编羁。 数据字典记录：记录了交换集内菲i h o 物标的定义信怠，如种类、耩往等。 如只使用i h o 舰定的物标，则不需要此项记录。 特征记录：特镊记录包含非缀置的真实世界数据。它们可以是元物橼、制图 携椽、蘧瑾秘稼秘关系秘椽，包捂关系帮蘧耨指令豹褥拣信惠。 空间记录：记漾了物标的位溉数据信息。可以是矢量、栅格或矩阵类型，目 前只有矢量型，其记录要包含与特征记蒙相关的几何坐标，空间属性，拓扑 关系和改正撵令，矢量记录掰以是节蠢、选残瑟。 程对s 一5 7 数据进行解析时，特征记录和空间记录是一个海图源文件翳出现最 多的配录，也是包含重要数据的记录。下面的图3 3 和图3 4 分别给出了特征记 录和蹙触记录的结构，关于更详细的信息请焱阅s - 5 7 标准窘方文档。 兰基于s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统 图3 4 空间记录结构 第三章s 5 7 数据的解析 3 。2i s o i e c 8 2 ll 越装标准 3 2 1i s 0 i e c 8 2 1 l 文件概述 l s 影l e c8 2 l l 燕伞基予交换格式的文佟黼。l s o l 盼8 2 l l 文侔静蘩本组成 是逻辑记录( l r ) 。一个i s o i e c8 2 1 1 文件的籀个l r 称为“数据描述记录”( d d r ) ， 它包禽了文件中实际数据的描述和逻辑结构：后续的所有逻辑记录( l r ) 称为“数 据记蒙”( 蚤r ) ，奄禽文箨繇要交羧翡实舔数撵。文 孛懿基本缮褥妇囤3 。5 掰示。 d d r d r d r _ _ d _ w w 一 _ _ ，。” d r d r 豳3 5 海图文件的组成 虽然转强弱豫豹箨溺有上述酌不同，毽它 】豹结均是炎似豹，每一个逻辑记 录( d d r 或d r ) 都包含三个基本元豢：头标区、茸次区、字段区。 综上所述，一个海图文件的艇本结构如图3 6 所示： id d rd d r d d rd rd rd r l 头椽 鏊次字段受搽鞋次字段 耠r d d r d r 霉3 6 海图文件静纂举结构一 3 2 2 数据描述记录( d d r ) 1 d d r 头标区 l6 7 8 91 01 1 1 3 1 8 2 l2 2 2 3 2 4 ( 字节) 空格 图3 7d d r 头标联结构 堑 基于s 一5 7 国际标准的电子海图髓示与导航系统 其中器字节的含义鲡表3 1 所豕： 表3 1d d r 头标区结构 编号度( 字节)项毽名称 内容 5 喜己录妖度记录串字节数 1交换级别 “3 ” l 头标区标识符 “l ” l 代码扩展指示符 “e ” l 舨零号 “i ” 1 应用指示器 空格 2字段控制长度 “0 9 ” 5 字段区基地址字段区魄开始地址( 头标加目次的长发) 3扩充字簿集撵零簿 “l ”f 窆终l 空捂) 1 字段故度字段的大小1 9 ( 编码青定义) 1 字段位置字段的大小 1 9 ( 编码者定义) 1 保留 “0 l字段标识字段大小 “矗” 2 d d r 目次区 叻r 的目次区包含确定每一个字段在字段区的标识和定位参数。目次区由燕复 的耳次项缀成，每一个霹次项包括字段标记、字段长度和字段傻霞。目次区海字 段结束褥( 1 e 国终结。譬段位置籀霹予字段区牙殆彼置计算。嚣次区螽的第一个字 段的位置是0 。字段定义三元素( 标记、长度、位鬣) 的字节数内逻辑记录的头标 所定义。d d r 目次区结构如图3 8 所示： 图3 8 rg 攻送缝构 其中各字节的含义如表3 2 所示： 表3 2d d r 日次区结构 v 字段结束行。l e ” 编号璇( 字节)豢注 4 + o d r 头标中定义的丈小 第一个目次项，内容为“0 0 0 0 ，d d r 字段拄制的k 度， + d d r 头标中定义的大小牢段起始位置” 4 + 0 0 r 头标中定义的大小 第二二个目次项，内容为“0 0 毗，d d r 数据描述字段中 0 0 r 头标中( 曩) 定义的太奎l s 溯e8 2 l l 谈泵蠡汲簿的妖壤，字段起始位麓“ 4 + o d r 头标中定义豹大小 一般强次项，由字段标记，字段妖魔，录l 字段位溉纽成， + d d r 头标中定义的人小 胼两者所- 吁位数由d d r 头标区指定 3 d d r 字段区 第三章s 5 7 数据的解析 a 。字羧控制字段 的r 字段区的第个字段是譬段控带l ，标记是“o o ”。该字段包含了一个字 段标记队列表，定义了d d r 中描述的所有字段的父子关系。此外还包含d d r 描述 字段的前序遍历顺序，形成了交换文件的类属树形结构。字段标记对能以任何次 彦嚣予穰表孛，餐楚毖须连续。字段控潮字毅豹缝搀如图3 。热， a 一单元结束符。1 f ” v 一字蔽缍柬簿“l 移 图3 9d d r 字段控制字段结构 字段区的后继窄段是数据描述字段，在d d r 中是按前序遍历顺序编粥的。如 图3 。l o 囊示，字段栎谈对为溅、敬、e b 、疆、嚣、g c 蟊g 转，瑟蓑彦邃历颓淳是 h e a b f g c d h i 厂了 e fg ii 厂 厂 abcd 鞠3 1 0 字段标识蹲 b 数据描述字段 数据描述字段的结构依次是：字段控制、字段名、单元结束符、数组描述符、 单元缝菜簿、揍式控制、字段攒逮褥，如图3 1 l 瘊示： v 一一字段结束簿“l e ” 一左一一单蔼绐束祷“l f 一 图3 1 1d d r 数据描述字段结构 其中各字节的禽义如表3 3 掰示： 表3 。3 r 数器箍遮掌段结豫 长度 编号 镐注 ( 字节) l 数据结构代码，内存为：“1 ”一线性结构；“2 ”+ 多维结构 数据类爱 殍，内容为：“0 ”一字符率；“l ”瓣瞧点；“5 ”二逡澍；“6 ” l 谁台删 2 辅助控制码，内容为：“0 0 ” 坚基于s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统 2可打印图形，内容为：“：” 3 截取转义序列，内容为：词汇级o “ “( 3 个空格) ；词汇级1 “- a “( a 空 格1 ；词汇级2 “，a ” 变长l s 0 l e c 8 2 1 1 记录标识符 变陡对应子字段名数组，以“! ”隔开 变长格式控制： 格式精度= w数据类砸 a ) 字符数据 i + ) 整型数据 r + ) 实型数据 b ”、 二进制位串 bl w 1 ，2 ，4 ”)无符号整数 b 2 w1 ，2 ，4 ”)有符号整数 注：) x ( n ) 表示有同定长度n 字节，x o 表示氏度可变，由特定定界符决定。 ”) 固定位眭的二进制位串其长度必须以b i t 为单位，最后一个字节的右边 ( 未t ；i 的比特位) 必须以二进制o 填充。 ”1 1 表示一字节2 表示两字节，4 表示四字节。 3 2 3 逻辑记录( d r ) 1 d r 头标区 d r 头标区的结构如图3 1 2 所示： 1 67 891 01 l 1 31 8 2 12 2 2 32 4 ( 字节) - 一空格 图3 1 2 d r 头标区结构 其中各字节的含义如表3 4 所示： 表3 4d r 头标区结构 编号 氏度( 字节) 项目名称 内容 5记录长度记录中字节数 1交换级别空格 1 头标区标识符 “d ” 1 代码扩展指示符空格 1 版本号空格 1应用指示器空格 2 字段控制k 度 2 个空格 5 字段区基地址字段区的开始地址( 头标加日次的长度) 3 扩充字符集指示符 3 个空格 1 字段长度字段的大小1 9 ( 编码者定义) 第三章s 5 7 数据的解析 l l l 2 d r 目次区 字段位置字段的大小 傈整 字段标识字段大小 溅强次区的结构如图3 。1 3 掰示： l 9 ( 编码者定义) “8 ” “五# v 一字段络寨簿“l 秽 圈3 1 3 d r 目次聪结构 其中各字节的含义图表3 5 所示： 裘3 + 5 璩妥次嚣缝辑 编号长度( 字节)备注 4 十d r 头标中定义的大小 0 0 0 1 1 s 0 i e c8 2 1 1 记录标识符 + d r 头标中定义的大小 4 + d r 头标串定义豹太小 一般强次璎，由字段标记，字段获疫，昶字段位置组 + d r 头标中定义酶大小成，后舜毳新占位数由d d r 头标医指定 3 d r 字段区 d r 字段区包含实际数据，解码器依次d r 目次区的目次项，再根据各项的字段 名、譬蔽长度窝字毅整霉露d r 字段区送行嬲读。 3 2 4i s 0 i e c 8 2 1 1 文件举例 文俘中的符号谈萌翔表3 6 掰示： 表3 6 符号解释表 符号十六进制表示 含义 口2 0 h j 奎珞 f 拜 单元结束 毒 v 1 e h字段结束符 0 0 hn u d d 只头标区 o 王9 0 蛰3 芏l e i 已0 9 0 。3 1 9 曩l 目s 5 a 崞 d d r 强次医 0 0 0 0 0 0 1 6 3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 4 4 0 0 1 6 3 f r 工d o o l l 4 0 0 2 0 7 p o 工d o 0 0 7 4 0 0 3 2 l t t p 0 0 0 6 0 0 0 3 9 s n a t f o 0 0 6 9 0 0 4 5 0 f p p c o 0 0 8 9 0 0 5 2 4 f p p t o 0 0 8 3 0 0 6 1 3 f s p c 0 0 0 8 9 0 0 6 9 6 f s p t o 0 0 9 1 0 0 7 8 5 张王d o 0 0 8 3 0 0 8 了6 熏肇擎v o o o 9 0 0 9 s 9 v 象p e o 0 0 7 0 0 l o l 8 v r p t o 0 0 7 7 0 1 0 8 8 s g c c o o e s 9 0 王 王6 5 s g 2 d 0 0 0 4 6 0 1 2 2 唾s g 3 d d 0 0 5 l o l 2 7 0 a r c c o 0 0 7 8 0 1 3 2 l a r 2 d o 0 0 6 0 0 1 3 9 9 e l 2 d o 0 0 7 4 0 l 4 5 9 c t 2 d o 0 0 4 8 0 1 5 3 3 v 基了二s 一5 7 国际标准的电子海图显示与导航系统 d d r 字段区( 字段控制) 0 0 0 0 ；口口口0 0 0 l f r i d