新一代ENC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)S—101與S—57的對(duì)比分析

劉力　程為平　馮新強(qiáng)　朱瑋瑋

摘 要：S-101是基于通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型（S-100）建立的新一代電子海圖產(chǎn)品規(guī)范，遵循了S-100規(guī)定的產(chǎn)品規(guī)范建立原則和方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子海圖（ENC）特定應(yīng)用的準(zhǔn)確技術(shù)描述。在分析了當(dāng)前ENC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)S-57存在的不足的基礎(chǔ)之上，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間模式以及數(shù)據(jù)內(nèi)容三個(gè)方面闡述了新一代ENC標(biāo)準(zhǔn)S-101的優(yōu)點(diǎn)，并與S-57進(jìn)行了深度對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：電子海圖 ENC S-101 S-57 S-100

中圖分類號(hào)：P201 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（b）-0034-04

Abstract：S-101 is a new ENC product specification based on the S-100 universal hydrographic data model， which followed the establishment principles and methods specified by S-100_Part 11 Product Specification and realized an precise technical description for the specific application.In this article，a comprehensive analyze of the advantages of this new product specification standard have been discussed from three aspects such as data structure，spatial schema and data content with a comparison of the disadvantages of S-57.

Key Words：Electronic Navigational Charts；ENC；S–101；S-57；S-100

根據(jù)國際海道測(cè)量組織（IHO）公開發(fā)布的信息，隨著全球海洋開發(fā)的發(fā)展，S-57標(biāo)準(zhǔn)已不再適合當(dāng)前的多種業(yè)務(wù)需求。2010年1月，國際海道測(cè)量組織發(fā)布了《S-100通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》，各國官方海道測(cè)量產(chǎn)品開始由海道測(cè)量信息時(shí)代進(jìn)入地理信息時(shí)代，S-100的發(fā)布標(biāo)志海道測(cè)量數(shù)據(jù)可以與傳統(tǒng)的地理信息以統(tǒng)一的模式和方法表達(dá)、存儲(chǔ)、發(fā)現(xiàn)和使用[1]。但S-100僅提供了一個(gè)模型框架，不涉及具體的數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范，IHO將基于S-100的數(shù)字海道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)S-10X系列，如ENC產(chǎn)品規(guī)范S-101，水深表面產(chǎn)品規(guī)范S-102等。

S-101最終將成為基于S-100的ECDIS系統(tǒng)中的導(dǎo)航層，并能夠與其他以S-100為基礎(chǔ)的S-10X產(chǎn)品相結(jié)合，為航行決策提供更好的信息保障。國內(nèi)學(xué)者對(duì)S-100展開了一定研究，但對(duì)于具體的S-10X產(chǎn)品規(guī)范還未深入探索，深入分析S-101產(chǎn)品規(guī)范。此處從數(shù)據(jù)內(nèi)容、空間模式以及結(jié)構(gòu)與S-57進(jìn)行對(duì)比分析，從而為新一代電子海圖產(chǎn)品制作提供幫助。

1 ENC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)S-57的發(fā)展與不足

S-57標(biāo)準(zhǔn)是電子海圖的格式標(biāo)準(zhǔn)，是IHO需要維護(hù)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，目前發(fā)展到S-57 Edition 3.1版本[2]。S-57標(biāo)準(zhǔn)分別在2007年1月、2009年6月和2014年3月發(fā)布了三個(gè)增補(bǔ)版，增補(bǔ)版增加了群島航道和群島航道軸線兩個(gè)物標(biāo)類，并修改了部分要素屬性值。

隨著全球海洋開發(fā)的發(fā)展，S-57標(biāo)準(zhǔn)因不再適合當(dāng)前的多種業(yè)務(wù)需求，而被IHO凍結(jié)。其不足包括：（1）維護(hù)機(jī)制不靈活。在S-57中增加任何新要素與屬性都必須經(jīng)過系統(tǒng)管理者、數(shù)據(jù)提供者、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）設(shè)備制造商以及數(shù)據(jù)用戶等角色的嚴(yán)格討論。（2）數(shù)據(jù)交換的靈活性與可用性較低。數(shù)據(jù)模型以文件格式封裝，雖然保持了數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，但很大程度上限制了數(shù)據(jù)交換的靈活性與可用性。（3）S-57的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無法支持未來發(fā)展需求，特別是無法滿足ECDIS中的數(shù)據(jù)融合與集成的需求。（4）S-57數(shù)據(jù)模型僅限于ENC數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與交換，與國際主流地理信息標(biāo)準(zhǔn)不符，不利于全球地理空間數(shù)據(jù)共享。

為解決上述問題，IHO于2000年批準(zhǔn)修訂S-57標(biāo)準(zhǔn)，于2010年形成了一個(gè)新的地理空間框架標(biāo)準(zhǔn)S-100通用海道數(shù)據(jù)模型。

2 S-100通用海道數(shù)據(jù)模型建立及意義

S-100是全新的海道地理空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，主要目標(biāo)是支持與各種海道相關(guān)的更加多樣化的數(shù)據(jù)源、產(chǎn)品和服務(wù)。它完全符合國際主流地理信息標(biāo)準(zhǔn)，特別是ISO19000系列地理標(biāo)準(zhǔn)，從而使地理空間應(yīng)用程序集成海道測(cè)量數(shù)據(jù)更容易[3]。S-100不是S-57標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)版，而是一套全新的標(biāo)準(zhǔn)體系，不僅擴(kuò)展了現(xiàn)有的S-57海道測(cè)量傳輸標(biāo)準(zhǔn)的范圍，本質(zhì)上比S-57更靈活，還規(guī)定支持大量海道測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)源、產(chǎn)品及用戶需求（如圖1所示），其中包括矩陣和光柵數(shù)據(jù)、三維和時(shí)變數(shù)據(jù)（X、Y、Z和T），以及超越傳統(tǒng)海道測(cè)量范圍的新應(yīng)用（高密度水深測(cè)量、海床分類、海洋GIS等）。

S-100提供了更加靈活的動(dòng)態(tài)維護(hù)機(jī)制，通過IHO專用網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)對(duì)要素實(shí)體及屬性和圖示目錄的在線注冊(cè)[4]。S-100是基于ISO19000系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，這些標(biāo)準(zhǔn)也是現(xiàn)代地理空間標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)，且密切與其他標(biāo)準(zhǔn)如開放地理空間聯(lián)盟（OGC）的發(fā)展計(jì)劃相一致。

S-100最重要的意義是它提供了新一代ENC產(chǎn)品及其他與航海相關(guān)的數(shù)字產(chǎn)品的發(fā)展框架，為建立規(guī)范性產(chǎn)品規(guī)范提供了必要的機(jī)制，使各種數(shù)字海道信息和海洋地理空間信息能夠進(jìn)行廣泛交流。但S-100僅僅是提供了一個(gè)模型框架，不涉及具體的數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范，IHO將基于S-100的數(shù)字海道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為S-10X系列，如ENC產(chǎn)品規(guī)范S-101，水深表面產(chǎn)品規(guī)范S-102等[5]。endprint

3 新一代電子海圖標(biāo)準(zhǔn)S-101分析

3.1 S-101與S-100的關(guān)系對(duì)比

S-101是一部具體到海道測(cè)量產(chǎn)品規(guī)范層面的基于S-100體系的技術(shù)規(guī)范，S-101是按照S-100確立的基本結(jié)構(gòu)和要求建立，與其它基于S-100的海道測(cè)量產(chǎn)品規(guī)范采用相同的框架，保證了海道測(cè)量不同產(chǎn)品規(guī)范可以通過一個(gè)清晰并且相似的結(jié)構(gòu)來維護(hù)[6]。S-101部分詳細(xì)內(nèi)容遵循了S-100第4章到第10章的規(guī)定，部分內(nèi)容如數(shù)據(jù)獲取和分類、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)等在S-100中沒有具體的描述，與S-57基本相同。S-101與S-100的相互關(guān)系框架如圖2所示。

3.2 S-101與S-57的差異性分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)對(duì)比

S-101作為一種新的電子海圖產(chǎn)品規(guī)范，依然保持了基本的電子海圖功能，因此大多數(shù)的S-57電子海圖的特點(diǎn)被保留[7]。另外，為克服S-57已知的編碼缺點(diǎn)，如危險(xiǎn)區(qū)域要素編碼的濫用問題，提高數(shù)據(jù)的效率，改善用戶體驗(yàn)，S-101制定了許多新概念和結(jié)構(gòu)。如更豐富的幾何模型、信息類型和復(fù)雜屬性，可交換的動(dòng)態(tài)要素與圖示目錄等。改進(jìn)的功能將實(shí)現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)處理和在ECDIS設(shè)備中更好的定義圖示符號(hào)，以消除或減少一些條件可視化規(guī)則與程序。

（1）XML化動(dòng)態(tài)化ENC目錄及規(guī)范化圖示表達(dá)。

目前，基于S-57數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的圖示表達(dá)是建立在S-52標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的，一個(gè)完整的ECDIS系統(tǒng)至少需要解決這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。與S-57 ENC產(chǎn)品規(guī)范相比，S-101顯著優(yōu)點(diǎn)在于采用XML化與動(dòng)態(tài)化要素目錄與圖示目錄。XML化是指S-101目錄標(biāo)準(zhǔn)是以機(jī)器可讀的XML方式進(jìn)行存儲(chǔ)的，以便于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的升級(jí)以及與其他領(lǐng)域的交互。動(dòng)態(tài)化是指S-101數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不是固定不變的，它能夠根據(jù)需要進(jìn)行累積性的改進(jìn)且不影響現(xiàn)有用戶。

S-101將要素、屬性及其枚舉值之間的關(guān)系定義在單一的要素目錄中。要素目錄的構(gòu)建是基于注冊(cè)集的方式，注冊(cè)集中對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容給出了定義，并以機(jī)器可讀的XML形式進(jìn)行存儲(chǔ)，允許ECDIS通過XML文件，很容易升級(jí)現(xiàn)有的船上系統(tǒng)。在S-100框架下，注冊(cè)內(nèi)容可以被連續(xù)的改變，S-101的要素與圖示目錄可以不斷更新版本，且不會(huì)改變目錄標(biāo)準(zhǔn)的XML結(jié)構(gòu)，這使得IHO既能夠利用動(dòng)態(tài)注冊(cè)方式的優(yōu)勢(shì)，又能夠使更新在一個(gè)受控的進(jìn)程中進(jìn)行，保護(hù)最終用戶的利益[8]。

（2）信息類型和復(fù)雜屬性的加入。

S-101的一個(gè)重要改進(jìn)是使用“信息類型”。信息類型是一個(gè)可識(shí)別的可在附加要素屬性中體現(xiàn)相關(guān)信息的沒有幾何屬性的要素類型。當(dāng)有更多補(bǔ)充信息與某信息類型相關(guān)時(shí)，該信息類型也可以附加其他信息類型，如圖3所示。例如在S-57中，為表示一個(gè)浮標(biāo)的說明信息，通常被編碼到警告區(qū)要素。電子海圖中包含的許多這種說明信息，通常采用警告區(qū)要素來表示。然而，該信息并不需要觸發(fā)報(bào)警。然而，S-101的信息類型將有助減少警告區(qū)要素的濫用，克服現(xiàn)行S-57標(biāo)準(zhǔn)中類似的編碼局限問題。

S-101另一個(gè)重要改進(jìn)是使用“復(fù)雜屬性”。復(fù)雜屬性可以簡(jiǎn)化要素的編碼及其描述，提高數(shù)據(jù)的編碼和可視化效率。例如使用復(fù)雜屬性的海床要素，如圖4所示。S-57對(duì)較為復(fù)雜的屬性類型描述往往比較冗長(zhǎng)、累贅，其一般采用ASCII字符串的屬性類來表示，并對(duì)字符串格式進(jìn)行一些規(guī)定，在一個(gè)字符串屬性無法表達(dá)完整時(shí)，采用多個(gè)字符串屬性進(jìn)行表達(dá)，即造成復(fù)雜方案的累贅描述。例如體現(xiàn)潮汐流儀表數(shù)據(jù)的物標(biāo)TS_PAD，利用TS_TSP屬性字段的字符串來表示，字符串格式規(guī)定為：“港口識(shí)別碼，港口名稱，高潮HW或低潮LW，潮流方向，潮流速度”。（3）S-101獨(dú)立化不依比例尺數(shù)據(jù)集。

研究表明，實(shí)際航海要素有部分要素是不依比例尺更新存儲(chǔ)，例如雷達(dá)站要素。在S-57數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于這些要素是否依于比例尺并沒有做出明確的規(guī)定，這也導(dǎo)致在同一區(qū)域的要素信息將被存儲(chǔ)到不同比例尺數(shù)據(jù)集時(shí)，造成數(shù)據(jù)的重復(fù)采集，增加數(shù)據(jù)的不一致性。然而在S-101標(biāo)準(zhǔn)中已將不依比例尺的要素獨(dú)立出來，目前IHO已審核通過54種不依比例尺數(shù)據(jù)類型，并以附錄的形式作為S-101的一部分[9]，表1所示為部分列舉。

同一地理區(qū)域包含有依比例尺與不依比例尺兩種數(shù)據(jù)集。通常不依比例尺的數(shù)據(jù)集與依比例尺數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系是一對(duì)多的關(guān)系。不依比例尺要素集的顯示將由要素屬性中給定的比例尺范圍進(jìn)行控制。S-101中對(duì)不依比例尺的數(shù)據(jù)集有四點(diǎn)規(guī)定：（1）每個(gè)數(shù)據(jù)集僅能體現(xiàn)一個(gè)區(qū)域范圍，不同數(shù)據(jù)集之間不能有重疊；（2）數(shù)據(jù)集中的要素不允許出現(xiàn)在依比例尺數(shù)據(jù)集中；（3）要素的最大最小比例尺可被要素屬性重新定義，但應(yīng)該在數(shù)據(jù)集顯示比例范圍之內(nèi)；（4）數(shù)據(jù)集最小顯示比例尺必須設(shè)置為1∶3000000，數(shù)據(jù)集最大顯示比例尺必須設(shè)置為1∶4000。

3.2.2 空間模式對(duì)比

S-57采用的空間模式包括5種幾何類型：節(jié)點(diǎn)、孤立節(jié)點(diǎn)、連接節(jié)點(diǎn)、邊和面。S-57與S-100幾何類型對(duì)照如表2所示。

（1）S-57理論上支持4種拓?fù)浼?jí)別的空間幾何組織。

方式：無拓?fù)?、?節(jié)點(diǎn)、平面圖、完全拓?fù)洹５赟-57 ENC產(chǎn)品中，使用“鏈-節(jié)點(diǎn)”拓?fù)?；而S-101使用的是幾何單形對(duì)幾何進(jìn)行組織，兩者本質(zhì)上是一樣的。

（2）面的邊界應(yīng)該是環(huán)，而不是普通的邊。這一點(diǎn)在S-57中沒有體現(xiàn)，而S-101則有。

（3）S-57缺少描述點(diǎn)群、線群、面群的幾何類型，而S-101只缺少描述線群、面群的幾何類型。

（4）S-57對(duì)邊可以使用6種插值方法：線性插值、三點(diǎn)圓弧、橢圓弧、均勻樣條曲線、分段貝塞爾以及不均勻比例樣條。S-101可以使用4種插值方法：線性插值、大地曲線、三點(diǎn)圓弧以及等角線等。

3.2.3 數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)比endprint

S-101定義了四種要素類型：地理要素類型、聚合要素類型、制圖要素類型、元要素類型。但是，制圖要素類型目前沒有被包含。此外，如各海道測(cè)量官方機(jī)構(gòu)提供的潮流、風(fēng)等航海出版物數(shù)據(jù)不包括在S-101中，而是作為航海信息覆蓋圖（NIO）另行建立標(biāo)準(zhǔn)。

新一代電子海圖標(biāo)準(zhǔn)S-101與S-57對(duì)比，要素變化包括：新增要素17個(gè)，刪除要素21個(gè)，拆分要素1個(gè)；并且S-101沒有保留S-57中的制圖要素，部分舉例如表3所示。其中拆分的要素是將S-57中的M_NSYS拆分成航行標(biāo)志系統(tǒng)（Navigational system of marks）和局部浮標(biāo)指向（Local direction of buoyage）；屬性變化包括：對(duì)部分屬性進(jìn)行了刪、改、增，如表4舉例所示。

4 結(jié)語

基于S-100框架建立的S-101標(biāo)準(zhǔn)是新一代電子海圖產(chǎn)品規(guī)范，是真正符合航海需要，并與主流地理信息產(chǎn)品兼容的產(chǎn)品規(guī)范。本文在深入分析IHO相關(guān)會(huì)議報(bào)告和最新S-101工作版的基礎(chǔ)上，闡述了S-101在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間模式、以及數(shù)據(jù)內(nèi)容等方面發(fā)生的新變化及其優(yōu)勢(shì)，為新一代ENC數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用奠定了較好的理論基礎(chǔ)，同時(shí)為我國海洋空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和港口航道基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供有效參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 王昭，汪連賀，謝智茹.S-100的體系結(jié)構(gòu)和若干重要概念[J].海洋測(cè)繪，2011，31（2）：76-79.

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[9] IHO TSMAD.S-101 Scale Independent Content [EB/OL].（2012-05-20）[2014-06-05].http：//www.Iho.int/mtg_docs/com_wg/TSMAD/TSMAD24TSMAD24IPWG4-10.2A_S-101_ScaleIndependentCo ntent_FINAL.pdf.endprint

S-101定義了四種要素類型：地理要素類型、聚合要素類型、制圖要素類型、元要素類型。但是，制圖要素類型目前沒有被包含。此外，如各海道測(cè)量官方機(jī)構(gòu)提供的潮流、風(fēng)等航海出版物數(shù)據(jù)不包括在S-101中，而是作為航海信息覆蓋圖（NIO）另行建立標(biāo)準(zhǔn)。

新一代電子海圖標(biāo)準(zhǔn)S-101與S-57對(duì)比，要素變化包括：新增要素17個(gè)，刪除要素21個(gè)，拆分要素1個(gè)；并且S-101沒有保留S-57中的制圖要素，部分舉例如表3所示。其中拆分的要素是將S-57中的M_NSYS拆分成航行標(biāo)志系統(tǒng)（Navigational system of marks）和局部浮標(biāo)指向（Local direction of buoyage）；屬性變化包括：對(duì)部分屬性進(jìn)行了刪、改、增，如表4舉例所示。

4 結(jié)語

基于S-100框架建立的S-101標(biāo)準(zhǔn)是新一代電子海圖產(chǎn)品規(guī)范，是真正符合航海需要，并與主流地理信息產(chǎn)品兼容的產(chǎn)品規(guī)范。本文在深入分析IHO相關(guān)會(huì)議報(bào)告和最新S-101工作版的基礎(chǔ)上，闡述了S-101在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間模式、以及數(shù)據(jù)內(nèi)容等方面發(fā)生的新變化及其優(yōu)勢(shì)，為新一代ENC數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用奠定了較好的理論基礎(chǔ)，同時(shí)為我國海洋空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和港口航道基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供有效參考。

參考文獻(xiàn)

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S-101定義了四種要素類型：地理要素類型、聚合要素類型、制圖要素類型、元要素類型。但是，制圖要素類型目前沒有被包含。此外，如各海道測(cè)量官方機(jī)構(gòu)提供的潮流、風(fēng)等航海出版物數(shù)據(jù)不包括在S-101中，而是作為航海信息覆蓋圖（NIO）另行建立標(biāo)準(zhǔn)。

新一代電子海圖標(biāo)準(zhǔn)S-101與S-57對(duì)比，要素變化包括：新增要素17個(gè)，刪除要素21個(gè)，拆分要素1個(gè)；并且S-101沒有保留S-57中的制圖要素，部分舉例如表3所示。其中拆分的要素是將S-57中的M_NSYS拆分成航行標(biāo)志系統(tǒng)（Navigational system of marks）和局部浮標(biāo)指向（Local direction of buoyage）；屬性變化包括：對(duì)部分屬性進(jìn)行了刪、改、增，如表4舉例所示。

4 結(jié)語

基于S-100框架建立的S-101標(biāo)準(zhǔn)是新一代電子海圖產(chǎn)品規(guī)范，是真正符合航海需要，并與主流地理信息產(chǎn)品兼容的產(chǎn)品規(guī)范。本文在深入分析IHO相關(guān)會(huì)議報(bào)告和最新S-101工作版的基礎(chǔ)上，闡述了S-101在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間模式、以及數(shù)據(jù)內(nèi)容等方面發(fā)生的新變化及其優(yōu)勢(shì)，為新一代ENC數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用奠定了較好的理論基礎(chǔ)，同時(shí)為我國海洋空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和港口航道基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供有效參考。

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