S-57标准电子海图航海中的应用课件

1、S-57标准电子海图及其在航海中的应用 摘要：随着电子海图系统在船舶上的逐步普及，越来越多的人开始关注并加入到电子海图相关标准及系统的研究中来，文章从电子海图数据采用标准、数据信息显示系统两大方面对电子海图进行了介绍，分析了电子海图的现状及发展趋势，论证了电子海图在保障船舶航行安全方面的重要作用。关键词：电子海图，S-57标准，信息，显示系统，航海，应用1 引言自从人类文明拥有了航海技术以来，由于在海上一望无际，分不清方位，航海家们非常关心的问题是船舶在大海中的准确位置。为了获取船舶位置，航海家们不得不使用测定天体、观测陆标、接受无线电信号等手段获取船的位置，然后把船位标绘

2、在海图上，进而获得直观的船舶位置。驾驶员根据获得的船位来判断航行的安全性，判断船舶是否在计划航线上航行，因而海图被称为海上船舶驾驶员的眼睛。但在实际操作中，需要花费大量的时间去观测和标绘，然后在此基础上判断船舶航行的安全性，但由于船是一直处于航行状态，采用这种在海图上标绘进而获取船位的方式，驾驶人员很难得到直观的即时船位，驾驶员所标绘出的船位是观测那一瞬间的船位而非即时船位，造成了船位的获取滞后现象，这样对近岸航行船舶安全有很大的影响。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安

3、全性；对电子海图的使用更为有益的是通过GPS/ODGPS所获得的船.位是不间断的，让电子海图的使用有了有力的技术保证。一个好的引水员或者团队最好可以做到每3min获取一个船位，电子海图系统可以做到每秒钟获取一个较为准确和值得信赖的船位。电子海图也可以整合处理别的一些助航信息，譬如船舶的航向/船速/测深仪和雷达的数据等，这些助航信息和即时船位一并显示在仪器上；而且可以把所有的这些信息设定报警范围，报警时可以预先提醒驾驶员潜在的航行危险，进而确保船舶航行的安全性。总而言之，在电子海图的帮助下，驾驶人员对即时的船舶动态和航区中存在任何危险都会一目了然，同时在雷达观测的帮助下对周围船舶的动态也做到心中

4、有数；“知彼知己，百战不殆”，对自己和周围的情况都做到了清楚了解，航行的安全性就有了有力的保障。2 电子海图简单的说电子海图可分为两个部分，一个部分是电子海图数据（Electronic Navigation Chart，简称ENC），另一部分是各种基于电子海图数据的应用系统，其中最为主要的就是电子海图显示及信息系统（Electronic Chart Display and Information System，简称ECDIS）。电子海图和电子海图显示及信息系统一起为航海人员提供一个海图信息平台，使使用者能够非常直观、方便地了解到所处海域的状况。同时在这个平台上还集成有多种航海设备的信

5、息（如GPS、雷达等），最终为船舶的航行安全带来更好的保障。2.1 电子航海图及相关标准2.1.1 电子航海图的概念电子航海图分为官方海图和非官方海图，官方海图指的是由政府授权的水道测量部门测量绘制的海图，而非官方海图是指由一些民间组织绘制的海图，非官方海图在绘制标准和数据的准确性上与官方海图有一定的差异。我们目前生产的电子海图是按照S-57标准生产的电子航海图（ENC），具有两种形式，即基础数据和更新数据。基础数据和更新数据一起为电子海图显示及信息系统所接收，以形成反映海域内最新信息的系统电子海图(SENC)，供电子海图显示与信息系统ECDIS显示和作相应的处理。无论是基

6、础数据还是更新数据，均以标准的格式进行数据的组织和封装，从而达到不同国家的海道测量机构制作的电子海图可以在不同的ECDIS上准确地使用。电子海图和电子海图显示及信息系统一起为航海人员提供一个海图信息平台，使使用者能够非常直观、方便地了解到所处海域的状况。同时在这个平台上还集成有多种航海设备的信息（如GPS、雷达等），最终为船舶的航行安全带来更好的保障。2.1.2 ENC数据采用标准ENC是由国家授权的水道测量部门发行的并且符合S-57标准的电子海图，S-57全称为国际海道测量组织（IHO）第57号特殊出版物数字海道测量数据传输标准，该标准被IHO在S-52电子海图显示与信息系统海图内

7、容与显示规范中规定为用于国际间数字海图交换的官方海图数据标准。从严格意义上讲，它仅是一个数据传输标准，它所规定的数据格式是一个顺序读取的文件格式，不可能实现数据的快速检索，因此任何一个生产系统和应用系统是不可能用它作为系统内部快速操纵数据的存储格式。但S-57所规定的数据模型和编码方式却是各种应用电子海图的系统所必须遵守的。S-57标准的关键点可以归纳为以下儿条，是设计系统内部格式的依据。（1）S-57是面向海洋地理空间实体定义的，它不关心数据如何显示，只关心如何用编码数据把实体描述完整，定义清楚。面向海图的物标分类，几乎逐个对图式中的符号用物标来定义，而S-57则仅用181个物标（地理物标1

8、60个、元物标13个、组合物标3个、制图物标5个）和195个属性就把图式中近千种符号所代表的地理实体定义清楚，通过一个物标类组合不同的属性项/属性值代表图式中的一个符号或图中的一个物标。（2）S-57对物标属性的处理采取变长数据，即每个物标的属性个数可以不同，属性分为A、B、C三级，关系航海安全的强制属性必须赋值，其他属性可有可无，用户也可添加。（3）S-57的一个物标类可以对应不同的几何图元，点、线、面，或是非几何图元。可以根据物标的性质界定该物标允许使用的几何图元。（4）S-57主要为生产ENC制定，但不是唯一为ENC服务的，而是涵盖整个海洋地理空间信息领域，从数据采集、数据制图、数据生产

9、直到数据应用。（5）S-57是一个数据交换标准，数据按ISO/IEC8211进行封装，8211提供了独立于机器构造的从一个计算机体系向另一种计算机体系传递数据的文件机制。一个数据交换文件由一个或多个逻辑记录组成，每个逻辑记录由头标区、目次区、字段区构成。首记录为数据描述记录（DDR），其后的各个记录为数据记录（DR）。这种交换文件便于数据规范化传输，但不便于实时操纵。因此任何数据生产或应用系统都不能用它当作系统操纵的内码，必须自行设计适合需要的文件结构。（6）S-57的子集ENC包括两部分，新版电子航海图数据EN和海图改正数据ER，后缀000表示新版，其他数字表示通告改正次数。二者的结构相同。

10、（7）同比例尺的各个ENC相互之间在地域上可以重叠，但重叠区的内容只能在一个数据集中出现。（8）ENC不是纸海图的“数据影像”，制作ENC单靠纸海图是不够的，必须补充其他资料，如航标表、港口指南、航路指南等，否则有些强制属性无法充填。电子航海图（ENC）属于电子海图数据库，是由各国官方的海道测量局（HO）制作的（也有一些国家由某公司制作，由HO认定）符合IHOS57标准的矢量电子海图。ECDIS的应用，离不开全球范围的数千幅ENC的支持。所以，IHO正在努力敦促世界各海洋国家制作自己海域的ENC，并成立了一些区域性的ENC中心，通过国际合作共同完成全球ENC数据库的建立，并逐步建立全球的ER发

11、行体系。由于各国的技术水平相差较大，全球ENC数据库的建立进展缓慢，相反，一些大公司却利用技术和资金的优势，制作了符合S-57要求的全球ENC数据库，目前覆盖范围最大的是挪威C-MAP公司的C93格式电子海图。这些EIYC补充了官方ENC数量的不足。但是，也存在着缺乏法律保障、改正不及时等问题。我们现在正在生产的S-57数字海图就是ENC，但由于我们还处于起步阶段，对发布的ENC数据，我们还没有相应的数据保护措施。ENC必须根据规范定义的规则进行生产制作，并且必须按S-57附录B“ENC物标类目的使用”中所述规则进行编码。并按照S-58电子航海图有效性检核推荐案对ENC数据进行检查，以保证数据

12、结构的正确性及要素编码的合理性。2.1.3 S-57标准发展及现状随着计算机技术的发展，许多国家早在二十年前就开始研究海图数字化技术，尤其在近十年计算机小型化，特别是在微机的高运算速度和大容量存储技术迅猛发展的情形下，各类非标准的电子海图按使用需要出现在各单位的工作系统内。国际海道测量组织（IHO）为使这项技术更加国际化，十多年来一直致力于国际标准的制定工作。1992年，第十四次海道测量大会通过了新的数字化海道测量数据交换标准，这一标准由理论模型、物标目录和交换格式组成。通过四年试用，在吸收了计算机对图形数据存储处理最新成果的基础上，对这一标准进行了全面的修改、补充后，1996年第十

13、五次国际海道测量大会通过了更为详细、完善的数字海图交换标准，并以IHO特别出版物S-57（第三版）的形式正式发布。在制定数据传输标准S-57的同时，IHO还制定了ECDIS海图内容与显示规范，这就是所说的S-520此外，国际海事组织（IMO）、国际电工委员会（IEC）等多个国际组织也为ECDIS制定了一系列相应的标准。主要包括：（1）IHO S-52电子海图显示与信息系统海图内容与显示规范（SPECIFICATIONS FOR CHART CONTENT AND DISPLAY ASPECTS OF ECDIS）；（2）S-58电子航海图有效性检核推荐案（Recommended ENC Val

14、idation Checks, RNC）。目前为2003年10月发布的第2版；（3）s-61光栅航海图产品规范（Product Specifications for Raster Navigational Charts，RNC）。目前为1999年1月发布的第1版；（4）S-63 IHO数据防护模式（IHO Data Protection Scheme），目前为2003年10月发布的第1版；（5）S-65电子航海图生产指南（Electronic Navigation Charts（ENCS）“Production Guidance”），目前为2005年第1版。由于按照S-57标准生产全球范围的海

15、图，会遇到各种各样与该标准不相适应的情况，因此就需要不断的对该标准进行补充修改甚至改版。国际海道测量局2000年第52号通函发布施行了3.1版本S-570该函同时解释，由于3.1和3.0版本的差别仅体现在相对不太重要的附加属性方面，而且考虑到如果使用3.1版本，需要修改生产软件，一些国家的海道测量部门需要在一定的时期内继续使用3.0版本生产数宇航海图，因此，同意3.0和3.1两个版本同时有效，直到做出新的规定。国际海道测量局2002年第60号通函宣布：3.1版本S-57（包括3.0版本）一定时期内不再修改；3.0版本S-57至2004年12月停止使用。为了使S-57能够支持各种测量数据格式，已

16、经开始编写4.0版本S-57，改版后，该标准将改为S-100，其中ENC生产规范也将以单独的标准从S-57标准中分离出来，称为S-101，计划2004年完成，后改为2006年完成，到目前为止还没有确切消息说明4.0版什么时候能够完成。即使4.0版本S-57发布实施，为方便成员国继续生产和使用符合3.1版本S-57的数字航海图，3.1版本S-57在需要的时期内仍为有效。国际海道测量局2003年6月20日向各成员国发出通函，要求各成员国于2003年9月30日前复函确认，符合3.0版本S-57的电子航海图和通告改正数据到2004年12月可以被废止。2.2 电子海图显示及信息系统2.2.1电

17、子海图信息显示系统的概念ECDIS（电子海图信息显示系统）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、AIS等设备，以电子海图为基础，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（GIS）。ECDIS可以与船舶自动控制系统连接，实现船舶的自动驾驶。海上航行的需要决定了海图的特性，决定了海图是一个国际化的图种。实现电子海图国际标准化的必要条件就是数据按S-57标准制作、显示按S-52标准执行（S-52标准是关于电子海图制作与应用的标准，特别是对电子海图显示与信息系统在海图显示方面做了很详细的规定）。ECDI

18、S的显示模式是适应真实世界的动态显示模式，不但可以按默认的色彩和符号显示海图，还可以按顾客要求和航行的状态，通过指令动态改变显示效果，以适应航海需要。2.2.2 ECDIS具备的功能（1）海图显示包括：在给定的投影方式下合成和显示海图（在使用墨卡托投影方式时，可以适当选取海图的基准纬度，以减小投影变形）；可以选择运动方式和朝向，以“相对运动”或“绝对运动”方式显示海图；自动选择同一范围内的大比例尺海图数据；可缩放显示及漫游；分层显示海图信息。（2）使用刺激性强的颜色、高亮度闪烁等手段强调危险物的存在。（3）海图作业，在电子海图上进行计划航线设计（依照推荐航线进行手工设计或进行大圆航线

19、计算）；以灵活的方式计算任意两点间的距离和方位；标绘船位、航迹和时间标示。（4）海图改正，能够接收由官方ENC制作部门提供的正式改正数据以及由航海人员从纸质航海通告或无线电航行警告中提取的改正数据，实现ENC的自动、半自动和手动改正。（5）定位及导航，能够同记程仪、电罗经、GPS、Loran-C、测深仪和气象仪等设备连接，接收来自这些传感器的信息，并进行综合处理，求得最佳船位；能够进行各种陆标定位计算。（6）航海信息咨询，获取电子海图上物标的详细描述信息以及整个航线上的航行条件信息，如潮沙、海流和气象等。（7）雷达信息处理，ECDIS可将雷达图像或ARPA信息叠加显示在电子海图上，提供本船、本

20、船周围的静态目标与动态目标三者之间的位置关系。航海人员可以据此判断避碰态势，做出避碰决策。同时，还能在电子海图上检测该避碰决策是否可行。（8）航路监视，在船舶航行过程中，ECDIS能自动计算船舶偏离计划航线的距离，必要时给出指示和报警，实现航迹保持。ECDIS还可以自动检测航行前方的暗礁、禁航区和浅滩等，实现避礁、防浅。（9）航行记录，ECDIS能自动纪录前12h内所使用过的ENC单元及其来源、版本、日期和改正历史，以及每隔一分钟的船位、航速和航向等。一旦船舶发生事故，这些信息足以再现当时的航行情况。记录的信息不允许被操纵和更改。有了这些功能，航海人员在航行过程中的定位和设计计划航线等工作将更方便快捷，对船舶航行安全更有保障。2.2.3 电子海图及信息显示系统的现状及法律地位据信，所有在售电子海图与信息显示系统（ECDIS）都能读取使用3.1版本的数字海图。但已在使用的ECDIS如果没有进行必要升级可能会有问题。因此国际海道测量局要求各成员国询问有业务合作的ECDIS生产商，停止使用