（交通信息工程及控制专业论文）基于分层动态网格的电子海图显示技术研究.pdf

上海海事人学硕士学位论文 摘要 从二十世纪7 0 年代后期开始，研究人员展开了对新型海图媒体的研究。8 0 年代末， 丌始出现了电子海图。计算机技术的迅速发展推动了电子海图技术的不断进展，并为 电子海图的进一步发展提供了所需的硬件平台。电子海图显示与信息系统( 简称 e c d i s ) 可以为海船作业人员提供清晰的海图平面并极大地方便了航海工作。凭借它 可以轻松地制定航海计划，进行目标定位、测距等，并与雷达、g p s 、罗经和卫星导 航系统等导航设备进行通讯。因此，e c d i s 将成为新型组合导航系统的重要组成部分。 电子海图数据库是电子海图应用系统的基础，它决定了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，怎样合理地组织、管理海图数据又 是电子海图性能的关键。因此，建立一套完善的电子海图数据管理机制是电子海图研 究的基础和核心技术。当前电子海图的文件系统主流方法就是对分幅管理的海图数据 主文件建立r 树索引，从而快速检索到所需的数据文件。该方法优点是灵活，在目前 海图数据量有限，世界海图数据不完整的现实条件下，通过r 树索引能高度灵活地适 应“有多少数据加载多少数据”的无奈事实。但是，随着航海信息化的进一步发展， 越来越多的航海因素( 包括气象，水文等) 被信息化，并融入到e c d i s ，这势必造成 在日趋完善的同时其信息量也日益增大。这样e c d i s 用户所得到的海图数据单幅数据 量也会不可避免的相应增大。这在一定程度上阻碍了电子海图在两个重要平台上的推 广和发展： 一个是网络平台。基于w e b 的电子海图很早就有人提出了，但是一直无法真正地 在实际中得到推广和应用，究其根本原因就是数据传输和处理的速度不能达到航海的 实时性要求。 另一个是嵌入式平台。嵌入式平台以p c 机无法比拟的抗震、抗摇以及低成本等 特点在航海实际的恶劣工作环境中更能体现其稳定性优势。然而随着数据量的增大， 电子海图在嵌入式平台上的应用也受到了很大的限制。 为了解决电子海图信息化的发展与其在这两个平台应用之间存在的矛盾，同时也 为了扩大电子海图的应用领域，推进其在网络平台和嵌入式平台上的应用，本文提出 了基于分层动态网格的方法管理海图数据，这样可以实现大海图数据的切割网格化， 并能在运行中根据预定的规则动态加载所需数据，比较好的解决了数据量过大给网络 平台和嵌入式平台带来的传输过忙和内存不足的问题。 作者通过对基于分层动态网格的电子海图平台的研制与开发，得出下述结论和成 果： ( 1 ) 正确理解s 一5 7 标准是建立标准平台的前提，作者通过对s 一5 7 标准的比较深 上海海事大学俩士学位论文 入的研究，开发了一个数据格式转换工具，把二进制的0 0 0 文件转换成可读的文本 格式。方便了后续的研究和数据再处理，为今后继续研究电子海图应用打下良好的基 础。 ( 2 ) 使用v c + + 6 0 开发工具开发出电子海图数据网格化工具。采用 s u t h e r l a n d h o d g m a n 裁剪算法实现海图数据的网格化。 ( 3 ) 开发出基于图幅管理的传统电子海图平台和基于分层动态网格的电子海图平 台并对这两个平台的性能进行了比较分析。证明了基于分层动态网格的电子海图平台 在未来e c d i s 信息化、数字化进一步发展时的强适应性，以及在应用于嵌入式平台和 网络平台上时的优越性。 关键字：电子海图，空间索引，动态网格，分层网格 h 索永峰 导师：陈锦标副教授 t 海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c ei a t e19 7 0 s r e s e a r c h e sr e l a t e dt on e wm e d i af o rc h a r t sw e r eg e t t i n g p o p u l a ra n d i n19 8 0 s ，e l e c t r o n i cc h a r t sa p p e a r e d t h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g yn o to n l yp r o m o t e st h ec o n t i n u o u sp r o g r e s s e so ft h ee l e c t r o n i c c h a r tt e c h n o l o g y , b u ta l s op r o v i d e st h en e c e s s a 吖h a r d w a r ep l a t f o r m st oe l e c t r o n i c c h a r t s 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 ) c a np r o v i d e s e a f a r e r sw i t hav i v i dc h a r tp l a n e i ta l s oc a ng r e a t l yf a c i l i t a t et h ew o r ko fn a v i g a t i o n s u c ha sr o u t ep l a n n i n g ，p o s i t i o nf i x i n g ，r a n g i n g ，e t c t h r o u g ht h ei n t e r f a c ei to f f e r s n a v i g a t i o ne q u i p m e n t ss u c ha sr a d a r , g p s ，c o m p a s sa n ds a t e l l i t en a v i g a t i o n s y s t e m ，e t cc a nb ea c c e s s e di n t o e c d i s s o ，e c d i si ss u r et ob e c o m ea s i g n i f i c a n tc o m p o n e n to fn e wc o m b i n e dn a v i g a t i o ns y s t e m 。 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 b ( e l e c t r o n i cc h a r t d a t a b a s e ) d e c i d e st h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h e r ea r e m a s s i v ec h a r td a t as t o r e di ne c d b ，h o wt oo r g a n i z ea n dm a n a g ec h a r td a t a r a t i o n a l l yi st h ek e yo ft h ep e r f o r m a n c eo fe c d i s t h e r e f o r e e s t a b l i s ham a t u r e m e c h a n i s mf o re c d bi st h ef o u n d a t i o na n dc o r et e c h n o l o g yf o re l e c t r o n i cc h a r t r e s e a r c h e s t h em a i n s t r e a mo ft h em a n a g e m e n to fc u r r e n te l e c t r o n i cc h a r tf i l e s s y s t e mi st oe s t a b l i s ha nrt r e ei n d e xf o rt h em a i nc h a r td a t af i l e s ，w h i c hc a n p r o v i d ear a p i ds e a r c ho fr e q u i r e dd a t af i l e s t h ea d v a n t a g eo ft h i sm e t h o di s f l e x i b i l i t y w i t ht h ec u r r e n tc o n d i t i o n so fi i m i t e dc h a r td a t aa n d r e a l i t y o f i n c o m p l e t i o no fc h a r td a t ai nt h ew o r l d ，rt r e ei n d e x i n gc a nh i g h l ya d a p tt ot h ef a c t o f “l o a dt h ed a t an om a t t e rh o wm a n yt h e ya r e ”i naf l e x i b l ew a y h o w e v e r w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o n i z a t i o n o f n a v i g a t i o n ， m o r ea n dm o r e i n f o r m a t i o n i z e dn a v i g a t i o n a lf a c t o r s ( i n c l u d i n gm e t e o r oj o g i c a la n dh y d r o l o g i c a l f a c t o r s ) a r ei n t e g r a t e di n t oe c d i s t h u s t h ei n f o r m a t i o no fs i n g l ec h a r tw h i c h e c d i sc u s t o m e r sg e tw i l ii n e v i t a b l yi n c r e a s e t os o m ee x t e n t ，t h i sp r o b l e mw i l i h i n d e rt h ep o p u l a r i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft w oi m p o r t a n tp l a t f o r m sf o re l e c t r i c c h a r t o n eo ft h ep l a t f o r m si sn e t w o r k w e b b a s e de l e c t r o n i cc h a r t sw e r er a i s e da l o n gt i m ea g o ，b u tt h e yh a v en o tt r u l yb ep r o m o t e da n da p p l i e d i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s t h ef u n d a m e n t a jr e a s o nf o rj tj st h es p e e do fd a t at r a n s m i s s i o nc a n n o ta c h i e v et h er e q u i r e m e n t sf o rr e a l t i m en a t u r eo fn a v i g a t i o n t h eo t h e rp l a t f o r mi sa ne m b e d d e dp l a t f o r m w i t hi t sa d v a n t a g e ss u c ha s a n t i s h a k i n g 。a n t i r o l l i n ga n di o wc o s t 。e m b e d d e dp l a t f o r mi sf a rb e t t e rt h a np ci n t h ep o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n ti nn a v i g a t i o n ， b u tt h ei n c r e a s i n go fd a t av o l u m e i i i 上海海事人学砸上学位论文 s e v e r e l yr e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cc h a r to ne m b e d d e dp l a t f o r m a f t e rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc h a r tp l a t f o r mb a s e do n l a y e r e dd y n a m i cg r i d ，t h ea u t h o ro ft h i st h e s i sc a np r e s e n tf o l l o w i n gc o n c l u s i o n s a n dr e s u l t s ( 1 ) c o r r e c tu n d e r s t a n d i n g o fs 一5 7s t a n d a r di st h ep r e r e q u i s i t ef o rt h e e s t a b l i s h m e n to fs t a n d a r d sp l a t f o r m a f t e rd e e ps t u d yo fs 5 7s t a n d a r d ，t h e a u t h o rd e v e l o p e dad a t at r a n s f o r mt 0 0 1 w i t hw h i c hc a nt r a n s f o r m 0 0 0f i l e st o r e a d a b l et e x tf o r m t h i st o o lc a nf a c i l i t a t et h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha n dd a t a r e p r o c e s s i n ga n dl a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fe l e c t r o n i cc h a r ti nt h e f u t u r e ，a sw e l l f 2 ) u s ev c + + 6 0d e v e l o p m e n tk n i tt od e s i g nat o o lt oc u tt h ee l e c t r o n i cc h a r t s t og r i d sw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs u t h e r l a n d h o d g m a na l g o r i t h m ( 3 ) d e v e l o pat r a d i t i o n a le l e c t r o n i cc h a r tp l a t f o r mb a s e do nc h a r tm a n a g e m e n t a n da ne l e c t r o n i cc h a r tp l a t f o r mb a s e do nl a y e r e dd y n a m i cg r i d t h ec o m p a r i s o n a n da n a l y s i sf o ra b o v et w op l a t f o r m sc a nd e m o n s t r a t et h a tt h ep l a t f o r mb a s e do n l a y e r e dd y n a m i cg r i d h a sa s t r o n ga d a p t a b i l i t y i nt h e d e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o n i z a t i o na n dd i g i t a l i z a t i o no fe c d i sa n dh a st h es u p e r i o r i t yi nt h e a p p l i c a t i o no ne m b e d d e dp l a t f o r ma n dn e t w o r kp l a t f o r m y o n g f e n g ，s u o ( t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g c o n t r 0 1 ) d i r e c t e db yj i n b i a o ，c h e n k e y w o r d s ：e c d i s ，s p e c i a li n d e x ，d y n a m i cg r i d ，l a y e r e dg r i d 论文独创性声明 本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。论文中除了特另r i j j a 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其 他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和 所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 日期：堡垒：2 ：! 厂 名：哗翩签渺眺一 f ：海海事大学碗十学位论文 第一章绪论 1 1 概述 空间信息多级网格的核心思想是：按不同经纬网格大小将全球范围划分不同粗细 层次的网格，每个层次的网格，在范围上具有上下层涵盖关系。每个网格以其中心点 的经纬度坐标来确定其地理位置，同时记录与此网格密切相关的基本数据项。落在每 个网格内的地物对象记录与网格中心点的相对位置，以高斯坐标系或其它投影坐标系 为基准。根据实际地物的密集程度确定所需要的网格尺度，如地物稀疏的地方只需要 粗网格，而地物密集的地方则按细网格存贮空间与非空间数据。 空间信息包括几何与属性数据按多级网格的存取与多比例尺地图空间数据库的 区别在于：所有数据直接由粗或细网格组成的统一网格系进行存贮、查询、分析和应 用，而无需通过地图综合为每一级网格存贮一个完整的数据集，形成一个变网格的统 一数据集，保证了数据的完整性和致性。 空问信息多级网格的信息表示、数据存储与快速查询技术借鉴传统g i s 空间数据 表示、数据组织和查询技术，研究空间信息多级网格的信息表示、数据存储与快速查 询技术。只有解决了这一系列的技术关键点，空间信息多级网格才有可能成为现有数 字地图、海图和空问数据库的补充或替代产品并得到真正的应用。现在使用的主要是 以图幅为单位存储的矢景电子海图，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。这种电子海图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，有人提出“全球电子 海图一张化”的概念，建立电子海图数据库，统一管理和维护海图数据。 从航海领域发展情况来讲，海图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硝i 问用途， 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。 基于以上设想，对“全球海图一张化”的提出，又带来了对庞大数据库的管理和 检索问题。鉴于此，上海海事大学的徐铁、张彪等提出了利用o r a c l e 的强大的数据 库功能和地理数据库的附加功能来实现，这种方法管理数据方便高效，但是也存在如 下问题： 上海海事人学硕士学位论文 ( 1 ) o r a c l e 是商业软件，应月 | 于电子海图是不实际的，一套o r a c l e 的l i c e n s e 仅仅数据库的成本可能是数万，甚至数十万，这对一般的航运公司来讲，仅为投资 个数据库基础软件花费数万是难以接受的。所以，使用o r a c l e 作为电子海图的地理 数据库引擎只能是停留在科研机构的研究阶段。不过，目前也有一些开源免费的数据 库系统，比如p o s t g r e s q l ，该软件也支持空间数据库功能，而且有比较好的编程接 口，支持o d b c 和j d b c ，是一个比较好的选择。但是，由于这些数据库是开源的，其 中很难避免存在一些漏洞，同时开源的数据库管理系统升级维护也存在很多不确定因 素，技术支持难以保证。所以在相当长一段时间里，使用自建文件系统管理电子海图 数据还是主流的实际应用方式。 ( 2 ) 数据库管理系统的设计会充分考虑系统的通用性，这从另一个方面影响了 它在具体应用中的速度，比如电子海图系统。 本文通过对现有电子海图系统发展情况的充分研究和分板，提出了一种基于文件 系统的分层动态网格的一种显示机制。这种方法可以大大降低系统对内存的使用依 赖，而这个问题也是“海图一张化”实现所要解决的首要问题。因为一台计算机要一 次性加载全球的电子海图是不现实的，而且即使是对现有的纸海图翻版式的电子海图 显示系统一次只加载一张电子海图，在嵌入式系统中或者网络环境下，速度都不能得 到保障。对于应用电子海图到更加实用的嵌入式电子海图系统或者推广到基于网络平 台的电子海图，本文所提出的算法和显示机制也是很有借鉴价值的。 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| 生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之上特定时代的产物。1 9 9 2 年，美国副 总统戈尔首先在濒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 t 海海事大学硕上学位论文 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，将信息组织起柬的复杂系统，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 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 - 1 数字地球的组成 数字地球出四部分组成，如图l 一1 所示，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 h 海海事丈学硕上学位论文 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、海洋资源丌发、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。本文着重对“数字地球”关键技术中的快速存储 和处理技术进行了探索和研究。 1 3 电子海图系统基本概念 e c d i s 是指符合有关国际标准的船用电子海图系统1 。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，以早日实现统一的数字海洋。现在应用和研究比较多的是矢量海图，从应 用的角度和深度不同分有以下几类： ( 1 ) 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、 结构和格式上均已标准化，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 式制作的，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，整个世界的海区信息不重叠。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”张海图。 ( 2 ) s e n c ( s y s t e me 1 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，其文件记录描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 用于电子海图显示时查找覆盖显示区域的e n c 单元。 ( 3 ) e c d i s ( e 1 e c t r o n i ec h a r td i s p l a ya n dt 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 m 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 z 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施， 4 r 海海事人学硕士学位论文 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： 图卜2e c d i s 的组成 ( 4 ) 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j f 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 。 e c d i s j8 e n c 系蓄电子海 广 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 o d i s 的发展现状及发展趋势 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， 上海海事人学硕士学位论文 这与计算机技术的发展、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 ns y s t e m ) 之萌芽，电子海图的概念才由此产生，近二十多年米，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，记载于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 图有同等效力的海图出版物，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，相信这一天也必将在不远的 将来到来。 1 4 1e n c 发展现状 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 - 5 7 ( 第 三版) 于1 9 9 6 年1 0 月爿发行，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。 t 海海事人学硕十学位论文 ( 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，各个水道测量组织丌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、美国和加拿大将丌发出 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、小型船舶上使用或用作其它用途，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，相信有朝一日全球e n c 是可以建成的。 ( 4 ) 建立全自动改正机制势在必行。 1 4 3e c d l 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。其中主要包括以下几家国际著名的e c d i s 的生 产厂家及主要产品： ( 1 ) t r a n s a sm a r l i l e 英国船商公司 生产符合i h os - 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 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 - 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 上海海事大学硕士学位论文 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 一9 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 i 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( v m sv tn a v e c d i s ) 。目前v m sv t n 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 k h o ) 的a r c s 光栅海图和荚国国家海洋和大气管理局( n o a a ) 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 o 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。 通过对e c d i s 发展过程及现状的研究，我们可以看出e c d i s 的发展具有以下特点： l 、国际标准己趋于完善，电予海图的法律地位得到肯定； 2 、国际合作加强，区域电子海图协调中心的建立己成趋势： 3 、商业发展先于官方进展，成为引导应用的主力军； 4 、电子海图的规格、等级参差不齐，中低档次产品的应用先于高档、标准的系 统。 1 4 4e o d i s 的发展趋势 e c d i s 可以应用于航海、船舶交通管理( v t s ) 、港口管理、船舶调度、污染管理、 搜救指挥、航标管理、渔业、引水、海洋测绘、海洋工程等方面，对航运具有非常重 要的影响。因此，大面积地在船舶上推广应用e c d i s 仅仅是时间问题，预计在以下几 个方面e c d i s 将会得到进一步发展o 。 1 e c d i s 用于冰区航行：理想地，冰区信息能以数字格式提供，通过已存在的 通讯网络( 如：国际互连网) 发行，可在装有e c d i s 的船舶上显示。这种数字信息相似 于目前纸海图格式制作( 冰情服务) 。 2 实时信息：因为e c d i s 能在电子海图上连续显示船位，如有其它实时信息提 供则更有益处，有利于增加航行安全和效益。根据有关水位和海浪时刻信息，可优化 船舶运输时间或船舶货物装载量，对航海者有重要作用。这点对远洋船舶航行在狭窄 水域是非常重要的。 3 e c d i s 和i b s ：以电子海图为背景，应用e c d i s 具有的航线设计、航行监视、 f ：海海事大学硕上学位论文 高精度自动定位及自动报警等功能，并与安全航行专家系统相结合而构成的船舶自动 航行系统或数据船桥系统( i b s ) 。 4 e c d i s 和v t s ：现在的v t s 系统已经利用了e c d i s 的许多功能，并已结合a i s 在船舶交管中起着重要作用。可以预料，e c d i s 相关技术将在v t s 的发展中得到进 步开发利用。如果能制定一种标准协议，在v t s 工作区域内，其它船舶位置和运动可 为显示在每艘船舶的e c d i s 上。理想地，此类导航安全广播服务将通过世界v t s 中心 实现标准化。近来，国际灯标协会( i a l a ) 已开始对v t s 中心陈述有关e n c 数字化数据 的e c d i s v t s 标准，及v t s 有关字符在v t s 中心和船舶上显示等问题。 e c d i s 作为一个“智能化”矢量海图系统，将来发展还将与未来先进的航海电子 系统相结合，提供全自动导航技术的可能性。如此完整的系统，设想将至少由以下几 部分组成： 1 。雷达导航子系统：工作于两个不同的，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：优于5 米的定位精度，从若干独立导航传感器得到最佳位置估 测。 3 一项强制安装、全球实施船舶识别系统：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：有与以上定位数据一致精度的海图数据。 5 专家系统：能根据收到的气象和海况抉择中间转向点。 6 专家避碰系统：考虑所有周围环境船舶和海图信息以自动抉择避碰方案。 7 航迹保持控制器：能精确控制船舶在各种海况下沿着最优航线行驶，出避碰 系统不断地进行自动修正。 可以预见，未来电子海图显示与信息系统有潜能成为全自动航行船舶一个核心界 面载体。 1 5 问题的提出、研究目标及意义 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，每个地理区域对应一个数据 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 l ：海海事大学预 ：学位论文 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，都是值得商榷的问题。 图卜4 电予海图数据库分幅管理模式 弓 目前文件管理系统有如下几个缺陷有待改进： 文件系统的数据冗余度大； 夺基于