电子海图研究与应用现状、趋势及发展

1、电子海图研究与应用现状、趋势及发展一、 引言航海是一个多学科融合的、综合性极强的领域，电子海图作为近些年航海领域的一个新的事物发展较快。在实现船舶航行系统集成化和智能航行的过程中，有五个具有划时代意义的变化：船舶定位方法的变化、航海资料形式的变化、物标识别手段的变化、航行记录方式的变化和航行值班要求的变化。其中最有影响的就是航海资料形式的变化，指的就是由传统纸质航海图书向电子海图显示与信息系统(Electronic Chart Display and Information System，简称ECDIS)的变化。ECDIS被认为是继雷达ARPA之后在船舶导航方面又一项伟大的技术革命，它不仅能与

2、位置传感器、自动舵、ARPA雷达、电罗经、测深仪、计程仪等航海仪器接口，快速查询各种信息(如水文，港口，潮汐，海流等)，连续精确地给出船位，还要求能提供和综合与航海安全有关的各种信息，有效地防范各种险情，从而达到提高营运效率、保障航行安全的目的。电子海图作为船载ECDIS的重要基础之一，是由各个国家官方海道测量机构制作并发布，符合IHO S-57标准的数字海图。在国际海道测量组织（IHO）等国际组织的共同努力下，电子海图的生产和应用标准趋于一致，为ECDIS的强制配备和更广泛应用奠定了很好的基础。如今，电子海图的应用已经进入海事管理、港口引航、船舶导航、水上工程等方方面面，取得了较好的社会和经

3、济效益。然而，虽然S-57标准电子海图的应用已经较为普及，但是它从设计上也不可避免的存在一些问题，阻碍了标准的继续深层应用，为了开发下一代全新的电子海图标准，IHO的相关工作组又开始了新一轮的标准研究。为使得国内相关的研究跟上国际步伐，开展相关的动态追踪和研究是必不可少的。本文结合电子海图研究和应用在国内的现状，根据我们近几年在电子海图领域国际追踪的成果，对相关动态情况进行了总结，期望对海道测绘管理者、生产者和应用者提供一些借鉴。二、 电子海图标准体系的现状为了使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（IHO）一直在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研

4、究。国际海事组织（IMO）也积极配合开展工作，并从使用的角度提出了电子海图及其应用系统的性能标准。此外，国际电工委员会（IEC）等也参与了电子海图及其应用系统的研究。其中，电子海图技术标准以IHO标准为主，在性能上辅以IMO标准，在设备与检测上辅以IEC的标准。三大组织通过一个协调机制（HEG），使其得到相互补充，形成有机整体。国际上的著名厂商在开发电子海图应用系统时，都基本上遵循了这个标准体系。目前，IHO现行电子海图标准体系主要包括以下标准：S-57 数字海道测量数据传输标准、S-52 电子海图显示与信息系统海图内容与显示规范、S-58 推荐的ENC确认检查、S-61 光栅航海图产品规范、

5、S-63 IHO数据保护方和S-65 电子海图生产指南。S-57标准旨在对各国海道测量部门之间交换数字化海道测量数据以及将这些数据传递给生产厂家、航海者和其他数据用户。保证在交换与传递的过程中，数据含义没有改变。 在S-57中，一个特定的客观世界实体（如灯标）通过物标类、属性和属性值来编码。S-57 V3.1版中共收录物标160个、元物标13个组合物标类3个、制图物标类5个，物标类总数181个。S-52标准是ECDIS海图内容与显示规范，详细规定了ECDIS在电子海图内容、显示、符号样式、颜色以及电子海图改正等各个方面应遵循的法则。它具体包括了： 如何按照重要性将信息进行分类显示、如何按照显示

6、优先等级进行显示、不同环境下颜色如何设置、符号库矢量语言如何表达等。S63 标准，即“IHO 数据防护模式”，用于规范电子海图数据的分发与服务，包括防盗版、防伪造、选择性存取、数据制作者一致性和原型设备制造商（ M）一致性等条款。S58规定了在电子海图检验软件中至少应该包括的ENC检查程序，海道测量机构可以使用此软件来确定他们的ENC数据是兼容于S-57标准和ENC产品规范的。 ENC检验软件发现不符合的情况，就归类为“错误”或“警告”。“错误”被定义为与产品规范之间的严重不符或偏差。“警告”用来识别不太严重的偏差或可疑数据。例如，发现在海面上存在明显的建筑物。S-65标准，即“电子航海图生产

7、指南”。该指南在较高层次上对电子海图数据的生产、维护、分发等做了指导性的规范。它就 ENC数据的生产、维护、发布所必须的需求和流程，对官方海道测量部门给出一个建设性的框架结构。 除了IHO相关标准，还有下列相关标准和规范：IMO A.817 电子海图显示与信息系统（ECDIS）性能标准 、IMO A.694 全球海上遇险与安全系统船台无线电设备和电子导航设备的一般需求 、关于罗经、计程仪、自动雷达标绘仪（ARPA）等船用导航设备的性能标准、IEC 61174 电子海图显示与信息系统ECDIS-操作与性能需求，测试方法和应达到的测试结果、IEC 60945 海上导航与无线电通信设备和系统-一般需

8、求，测试方法和应达到的测试结果、IEC 60872-1雷达标绘仪-第一部分：自动雷达标绘仪（ARPA）-测试方法和应达到的测试结果、IEC 61162 海上导航与无线电通信设备和系统-数字接口 。三、 电子海图的优势这些标准的生效，使得电子海图生产、质检、交换、保护、发布、更新和应用变得有规可循、有据可依，从根本上规范了电子海图生产和应用的各个环节。电子海图之所以引起高度重视，是因为它具有传统纸海图无法比拟的优点。总体来说，表现在以下几个方面：（1） 信息内容更加丰富受到图幅幅面的限制，纸海图的载负量比较有限，而电子海图可实现分层显示、无极缩放、自动综合，应此可表达更加丰富的内容。 （2） 信

9、息显示更符合实际应用电子海图可实现指定条件下的符号输出，比如改变环境参数变换海图调色板，改变安全水深等，符号显示更加动态、并符合实际应用。（3） 方于船舶导航使用电子海图能够解决在传统纸质海图上定位而产生的船位获取滞后的现象，可以自动地将即时船位即时的显示在海图上，让驾驶人员能够根据显示的即时船位连续性来判断船舶航行的状况。（4） 海图改正更加便捷纸质海图的通告改正，是用户按通告内容手工改正到图上的，改正的正确与否完全取决于作业人员的责任心和能力。而电子海图的通告改正，则是直接用户按ECDIS厂商提供的系统软件依次装入相应的 改正文件即可，完全是自动化过程，改正的正确与否完全取决于ECDIS

10、软件本身。 （5） 发行成本更低和更加便捷采用光盘邮寄、电子邮件甚至是网络发布的方式进行电子海图数据的发布，相对于传统的纸海图发行模式效率更高和成本更低。图.海图产品发行模式的升迁四、 国内电子海图发展现状我国民用电子海图发展历程：1996年开始跟踪研究国际电子海图标准S-57，1998年4月制作完成第一幅电子海图，2003年12月在上海成立中国电子海图数据中心，负责组织和实施中国海事电子海图数据的编辑和制作，2007年6月成立海图信息服务中心，负责海事测绘产品的销售、发布和相关服务，2008年9月1日中国海事测绘实现电子海图的首次公开发布，2011年6月14日中国海事局在上海召开新闻发布会免

11、费发放官方电子海图，2011年8月25日海军在国家会议中心也正式对外发布了中国海区民用电子海图。如今，在我国电子海图已广泛应用于：海事管理、船舶交通管理、船舶引航、船舶导航、水上工程建设等领域。在海事管理部门，已将电子海图及相关显示软件应用于船舶交通管理系统（VTS）及AIS船舶动态监控等海事安全管理领域，提高了海事管理的效率。在港口管理和引航领域，基于电子海图的引航系统已经普遍应用于船舶引航作业，极大提高了引水效率和安全性。此外，随着ECDIS的普及，目前电子海图已应用于巡逻艇、游轮、大型航标船和大型货轮的ECDIS系统，这些电子海图的应用为船舶航行带来了更可靠的安全保障。另外，海事测绘部门

12、还为一些重大的水上建设工程制作专用电子海图，如长江口深水航道、东海大桥等电子海图。可以说航海相关的方方面面无不活跃着电子海图的“身影”。虽然我国从80年代就开展了电子海图的研究，但由于各种各样的原因，到目前为止还没有符合国际标准的国产ECDIS产品出现。尽管如此，众多的科研院所还是进行了大量电子海图相关应用系统的开发，并且已经有多个ECS投入使用。目前我国ECS的应用现状可以从以下几个方面来看：从海图来源上看，目前基本有三个来源，即海事局生产、海军航保部生产、用户自行矢量化；从ECS厂商分布来看，从南到北数十家单位或企业，其中影响较大的有易迈普、海大航科、舰院、水产学院等；从应用范围来看主要分

13、为军方、海事、港务、渔业、内河航运等领域。交通运输部海事局于2010年2月发布国内航行船舶船载电子海图系统（ECS）功能、性能和测试要求（暂行）和船载B级自动识别系统（AIS）设备技术要求（SOTDMA）（暂行），2010年4月发布国内航行船舶船载电子海图系统和自动识别系统设备管理规定。通过这两个技术标准和一个行业管理规定，在中国内河水域推动ECS的应用。由中国船级社CCS负责ECS产品的型式认证。五、 电子海图相关标准的最新研究动态虽然S-57系列标准相对于纸海图而言有诸多的优点，并且在实际应用中已经取得很大的成功。然而，随着用户需求的变化和海道测量数据技术的发展，人们发现S-57标准存在很

14、大限制，如标准维护缺乏弹性，不支持栅格、图像数据和时变数据格式等。有必要对其进行扩展以适应各种类型的海道测量数据。为此，IHO相关技术工作组正在开发下一代电子海图标准体系。2009年1月1日，IHO新的机构设置正式生效，其中与电子海图相关的标准涉及海道测量服务与标准委员会（HSSC）下设的： 传输标准维护与应用开发工作组（TSMAD）、数据保护方案工作组（DPSWG）、数字信息描述工作组（DIPWG）、航海图书标准化工作组（SNPWG）、数据质量工作组（DQWG）、潮汐与水位工作组 (TWLWG)、ENC更新工作组（EUWG）。传输标准维护与应用开发工作组（TSMAD）主要任务是维护、开发和扩

15、展海道测量数据传输标准（S-57），包括开发和维护相关的应用框架。数据保护方案工作组（DPSWG）主要任务是制定和维护ENC数据保护方案（S-63），完成方案管理、出版和支持工作。数字信息描述工作组（DIPWG）主要任务是维护用于ECDIS显示ENC的颜色、符号和显示规则的标准，负责维护ECDIS标准S-52“ECDIS海图内容和显示方面标准”。航海图书标准化工作组（SNPWG）主要任务是为与ECDIS一致的数字航海出版物的编写制定相关指南（S10x，相关技术决议） 。数据质量工作组（DQWG）主要任务是制定海道测量数据质量分类和描述的方法。潮汐与水位工作组(TWLWG)关注和开发潮汐和水位信

16、息的发布和使用；提出垂直基准面的使用建议；提出潮汐和水位观测、分析、预测和数据交换的建议。ENC更新工作组（EUWG）主要任务是开发ENC发布和实施 的标准程序指南。几个工作组中，以数字信息描画工作组（DIPWG）和航海图书标准化工作组（SNPWG）最为活跃、任务最为繁重。由于两个工作组关联度较大，一般采取靠背举行的方式召开工作组会议。 通过对相关工作组会议的追踪，我们总结了近年来，下一代ECDIS电子海图相关标准的最新研究和发展情况。（1） 在下一代ECDIS电子海图显示标准方面在下一代ECDIS电子海图显示标准方面，正在研究如何满足ECDIS的即插即用；研究如何消除或最小化对定制解析器的需

17、求；研究如何使用单一方法来编码查找表和条件符号程序，甚至完全消除有条件符号程序（CSP）；研究如何在一个单一的编码中，输出既满足机器阅读又满足人阅读的表达规则；研究如何简化S-52的符号表达，例如：合并航标的所有组成部分到一个物标中，该物标附带用于灯标、航标船、顶标、雾号、雷达应答器等的属性；消除主/从关系创建和查找的需求。消除对属性上下文评估或相对其它物标拓扑关系的需求；研究符号库的便捷化更新方法，无需技术人员登上船舶进行操作；关于调色板的问题，传统S-52支持7种主要调色板，但其中几种差别很小，对于实用意义不大，新标准正在研究是否对调色板数量进行缩减；关于简单符号和传统符号两种显示模式，调

18、查显示72%的用户倾向使用传统符号，研究是否还继续保留简单符号，并从现有的简单符号库和传统符号库中挑选，推荐一种单一的符号库，作为下一代ECDIS系统的标准符号库；在INT1海图和S-52之间建立1500个符号的映射关系，建立INT1海图的S-52等价表示，下一代ECDIS将组合显示INT1海图/ECDIS海图；航海出版物符号化，DIPWG 和SNPWG将协同工作开发航海信息符号；（2） 在电子海图数据产品规范方面在电子海图数据产品规范方面，正在研究下一代水深产品规范；正在研究S-100兼容多层辅助航海信息；正在研究水深表面产品规格；正在研究海洋边界产品规范；正在研究S-57向S-101的转换

19、软件；正在研究S-101产品规范数据质量问题；（3） 在电子海图数据质量方面在电子海图数据质量方面，已经向航海人员发放调查问卷，以收集航海用户对数据质量的现实需求；正在研究并明确下一代电子海图数据质量涉及的范畴，明确全部数据质量要素和子要素；正在研究制定下一代电子海图数据质量的物标表示和编码表示；正在研究S-57数据质量要素和S-101的互用性；正在研究数据质量信息的更为合理、更为可视化的展现方式；正在研究ENC数据质量的检测方法。（4） 在电子海图动态潮汐方面在电子海图动态潮汐方面，正在研究数字潮汐表标准； 正在研究动态潮汐如何在下一代ECDIS中应用；正在研究基于XML格式的实时潮汐数据传

20、输标准；正在研究全球海平面升高影响；正在研究潮汐调和常数和潮汐预报的数据交换；正在研究垂直参考框架更新；正在研究河流和河口的潮汐和基准；正在研究下一代ENC的动态潮汐概念模型；正在研究下一代ENC的潮汐物标和属性表示；正在研究验潮网基础设施建设。六、 电子海图相关应用的发展趋势 当前电子海图相关应用呈现数据来源多源化趋势、立体化趋势 、小型化趋势、网络化趋势和向内河水域拓展的趋势。数据来源多元化趋势，主要表现在水文气象、海底地貌、重力、磁力的引入和集成化应用。小型化趋势主要表现在，电子海图应用平台由传统PC计算机向小型、手持智能机发展。目前，在国内已经开发出基于电子海图的PDA手持航标巡检系统、移动PDA引航系统等。 图.手持PDA上的航标巡检和移动引航系统网络化趋势主要表现在电子海图相关应用方式开始由单机平台向网络平台发展，