電子海圖與電子海圖系統(tǒng)

1、第一章 電子海圖與電子海圖系統(tǒng)第一節(jié) 電子海圖與標準電子海圖隨著計算機技術(shù)與航海技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了以數(shù)字形式表示的海圖以及各種電子海圖應(yīng)運系統(tǒng)。它們的出現(xiàn)是水道測量領(lǐng)域的一場新技術(shù)革命，使海圖研究，生產(chǎn)以及使用跨入了一個新的紀元，也促使航海自動化邁上新的臺階。所謂的電子海圖（Electronic chart, EC）是在顯示器上顯示出海圖信息和其他航海信息，所以也稱“屏幕海圖”。電子海圖及其應(yīng)用環(huán)境組成電子海圖系統(tǒng)。一、 電子海圖電子海圖是描述海域地理信息和航海信息的數(shù)字化產(chǎn)品，主要涉及海洋及其毗鄰的陸地。詳細的描述了岸形、島嶼、礁石、淺灘、沉船、水深、地質(zhì)、助航標志、潮流、海流等航海所需

2、的資料。電子海圖按照制作方法可分為矢量電子海圖和光柵電子海圖兩大類。（一） 矢量電子海圖 （Vector Charts） 以矢量形式表示的數(shù)字海圖。海圖中的每個要素是以點、線、面等幾何圖形的形式存儲在電子海圖數(shù)據(jù)文件中、具有存儲小、顯示速度快、精度高、支持智能化航海等優(yōu)點。用戶查詢電子海圖中任意圖標的細節(jié)（如燈標、顏色、周期）可根據(jù)需要有選擇的顯示不同的層次信息（如只顯示小于10M的水深點）。矢量電子海圖與其他的船舶系統(tǒng)相結(jié)合，能提供警戒區(qū)、危險區(qū)等自動報警功能。矢量電子海圖被稱為“智能電子海圖”。（二） 光柵電子海圖（Raster Charts）以光柵形式表示的數(shù)字海圖,通過對紙質(zhì)的海圖的一

3、次性掃描，形成單一的數(shù)字信息文件；以像素的排列反映海圖中的要素，依靠眼睛識別航海要素。因此，光柵電子海圖被認為是紙質(zhì)海圖的復制品，它包含的信息（如岸線、水深等）如紙質(zhì)海圖一一對應(yīng)。光柵電子海圖也可與定位傳感器（如GPS）連接，但由于光柵電子海圖制作原理上的局限性，光柵電子海圖不能夠提供選擇性的查詢和顯示功能（如查詢某一海圖要素特征，或隱去某類海圖要素特征等）。光柵電子海圖被稱為“非智能電子海圖”。 目前，電子海圖以矢量電子海圖為主，光柵電子海圖是在沒有矢量電子海圖的海域作為補充使用。二、 標準的電子海圖隨著電子海圖的發(fā)展，相關(guān)國際組織通過制定標準規(guī)范和統(tǒng)一的電子海圖的數(shù)據(jù)格式，隨之產(chǎn)生了標準的

4、光柵電子海圖和矢量電子海圖，即光柵掃描航海圖和電子航海圖。（一） 光柵掃描航海圖（Raster Navigational Chart, RNC）符合國際水道測量組織（IHO）光柵海圖產(chǎn)品規(guī)范S-61的光柵電子海圖，是通過國家水道部或國家水道部授權(quán)出版的海圖數(shù)字掃描而成，并與顯示系統(tǒng)結(jié)合提供連續(xù)的自動定位功能的電子海圖。 RNC具有以下屬性：（1） 由官方紙質(zhì)海圖復制而成；（2） 根據(jù)國家標準制作；（3） 內(nèi)容的保證由發(fā)行數(shù)據(jù)的水道測量局負責；（4） 根據(jù)數(shù)字化分發(fā)的官方改正數(shù)據(jù)進行定期改正。RNC通常用于單一的海圖或海圖集的一些標準中。目前世界上主要的光柵掃描航海圖產(chǎn)品有英國水道測量局（UKH

5、O）生產(chǎn)的ARCS和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）生產(chǎn)的RNC等。（二） 電子航海圖（Electronic Navigational Chart , ENC）ENC是完全符合相關(guān)國家標準的，由政府或授權(quán)的航道測量機構(gòu)或相關(guān)政府機構(gòu)發(fā)布的與ECDIS一起使用的數(shù)據(jù)庫，具有標準化的內(nèi)容，結(jié)構(gòu)和格式。ENC包含安全航行所需的所以海圖信息，并可包含如航路指南等紙質(zhì)海圖上沒有但安全航行所需的補充信息。 ENC具有以下屬性：(1) 內(nèi)容基于主管水道測量局的原始數(shù)據(jù)或官方海圖；(2) 根據(jù)國際標準進行編碼和編制；(3) 基于WGS84坐標系；(4) 內(nèi)容的保證由發(fā)行數(shù)據(jù)的水道測量局負責；(5) 由主管

6、的水道局負責發(fā)行；(6) 根據(jù)數(shù)據(jù)化分發(fā)的官方改正數(shù)據(jù)進行定期的改正。通常所說的標準電子海圖就是指ENC。不符合的標準的電子海圖，以及由非官方機構(gòu)自己數(shù)據(jù)格式制作的電子海圖屬于非標準的電子海圖。相對于標準的電子海圖（ENC）非標準電子海圖存在如下缺點，給用戶帶來航行安全隱患。（1） 不是官方水道測量機構(gòu)制作，不能保證數(shù)據(jù)的權(quán)威；（2） 不直接從事水道測量，不能保持數(shù)據(jù)的實時更新；（3） 通用性較差。目前，航海上通常用的非標準電子海圖主要是羅威C-Map公司的CM93數(shù)據(jù)、英國商船（Transan）公司的TX97數(shù)據(jù)和美國國家地理空間站情報局(NGA)生產(chǎn)的數(shù)字航海圖（Digital Nauti

7、cal chart, DNC）.美國標準的ENC主要由另一家官方水道測量機構(gòu)-美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）生產(chǎn)制作。第二節(jié) 電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)電子海圖，無論是矢量電子海圖還是光柵電子海圖，都只是將海上空間信息按照數(shù)據(jù)的方式進行組織和存儲而形成的數(shù)據(jù)文件，無法單獨使用。電子海圖需要與電子計算機、通導設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)軟件等相結(jié)合，實行信息顯示、船位標繪、船位標繪、航線設(shè)計等導航功能。電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)是指接受并顯示電子海圖數(shù)據(jù)，提供一定功能的軟件或設(shè)備（包括軟件和硬件）。電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)種類很多，目前主要是有電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）、電子海圖系統(tǒng)（ECS）光柵海圖顯示系統(tǒng)（RCDS）

8、一、電子海圖顯示與信息系統(tǒng) 電子海圖顯示與信息系統(tǒng) （Electronic Chart Display and Information System, ECDIS）是指一種有足夠備用裝置，符合經(jīng)修正的1974年SOLAS公約第V/19條和第V/27條要求的最新航行信息系統(tǒng)，可有選擇的顯示系統(tǒng)電子海圖（SENC）信息及航行傳感器的位置信息，幫助用戶進行航線設(shè)計和航行監(jiān)控，及顯示其他相關(guān)航行信息。二、系統(tǒng)電子航海圖快速顯示ENC，將ENC及其更新數(shù)據(jù)無損的轉(zhuǎn)換成制造商內(nèi)部ECDIS格式后形成的數(shù)據(jù)庫。如圖所示。在ECDIS中將ENC進行格式轉(zhuǎn)換，并綜合用戶手動改正信息和其它來源信息,形成SENC,

9、顯示設(shè)備直接讀取和顯示SENC. 電子海圖顯示設(shè)備 電子航海圖 轉(zhuǎn)化 系統(tǒng)電子海圖 改正信息 ENC SENC 其它信息 ECDIS 三、電子海圖系統(tǒng) 電子海圖系統(tǒng)（Electronic Chart System ,ECS）是指用于顯示官方或非管方矢量電子海圖或光柵電子海圖數(shù)據(jù)庫，但不符合ECDIS相關(guān)國際標準的電子海圖顯示系統(tǒng)。ECS也可具有各種導航應(yīng)用功能。ECS和ECDIS之間并沒有明顯的區(qū)界限，就顯示界面而言，一個性能完善的ECS與ECDIS無本質(zhì)區(qū)別。對ECS的相關(guān)要求略低于ECDIS，ECDIS中某些必備功能（如臨時標繪）在ECS中并不強制要求。ECS可以使用非官方、非S-57格式

10、的海圖數(shù)據(jù)庫，而ECDIS必須使用官方電子航海圖（ENC）四、光柵海圖顯示系統(tǒng)光柵海圖顯示系統(tǒng)（Raster Chart Display System, RCDS）是一種航行信息系統(tǒng)，可顯示航行傳感器提供的位置信息來幫助用戶計劃航線和監(jiān)控航線，也可顯示其他相關(guān)信息。與ECS相似，為了快速顯示海圖數(shù)據(jù)和實現(xiàn)其它導航功能。RCDS先對RNC及更新數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)化，再生成新的數(shù)據(jù)庫，即系統(tǒng)光柵海圖（System Raster Navigational Chart, SRNC）。 RCDS有以下局限性：（1）光柵掃描海圖為邊界海圖，如同紙質(zhì)海圖；（2）光柵掃描海圖不能啟動諸如防止擱淺的自動報警功能，但

11、可以由用戶加入信息的方式產(chǎn)生某些報警功能（如船舶的安全等深線、孤立危險物等）;（3）海圖基準面和投影可能與NEC不同；（4）海圖上的特征不能被簡化或移除以滿足某些特定航行要求，如雷達信息的疊加;(5) 光柵掃描海圖應(yīng)以其紙質(zhì)海圖的比例尺顯示，過分的放大或縮小會嚴重降低RCDS的性能；（6）RCDS的海圖變向顯示會影響海圖資料的讀取；（7）不能對海圖物標的附加信息進行選擇性查詢；（8）不能設(shè)置和高亮顯示安全等深線或水深點；(9)基于光柵掃描海圖，不同的顏色可能用于顯示類似的海圖信息，也可能出現(xiàn)白天和夜間顏色的不同。 第三節(jié) 電子海圖系統(tǒng)相關(guān)標準一、 ECDIS相關(guān)國標標準目前，ECDIS相關(guān)國標

12、標準主要有五個：IMO ECDIS性能標準：IHO S-52，即ECDIS的海圖內(nèi)容和顯示規(guī)范：IHO S-57，即數(shù)字化水道測量數(shù)據(jù)傳輸標準；IHO S-63，即數(shù)據(jù)保護方案；國際電工委員會（International Electrotechnical Commission,IEC）的IEC 61174，即ECDIS硬件設(shè)備性能和測試標準。此外，IHO也制定了一些關(guān)于電子海圖其他方面的配套標準。（一）IMO ECDIS性能標準1995年11月，IMO第19屆大會正式通過A.817（19）號決議“IMO ECDIS性能標準”（Performance Standard for Electroni

13、c Chart and Display System ,ECDIS）此后在1996年11月海安會通過MSC.64（67）決議增加了性能標準附件6“ECDIS 備用裝置要求”1998年MSC.86(70)決議增加了附件7“RCDS操作模式”。2006年12月通過了MSC.232(82),對標準進行了全面的修訂，使之成為現(xiàn)行的“IMO ECDIS性能標準”，俗稱為IMO PS。 IMO ECDIS性能標準給出了ECDIS的定義、適用范圍、提供和更新海圖信息、操作和功能要求、比例尺、其他航行信息顯示、顯示模式和鄰近區(qū)域的生成、顏色和符合、顯示要求、航線設(shè)計、航路監(jiān)控和航程記錄、計算和精度、性能試驗、

14、故障報警指示、備用裝備、與其他設(shè)備連接。電源等內(nèi)容。 該標準有7 個附件； 附件1：制定標準時所參考的其他標準； 附件2：ECDIS在航線設(shè)計和航路監(jiān)控過程中可顯示的海圖信息分類； 附件3：ECDIS中所使用的航行要素和參數(shù)術(shù)語及其縮寫； 附件4：ECDIS在航線設(shè)計和航路監(jiān)控過程中自動檢測到的特殊地理區(qū)域； 附件5：ECDIS的報警指示的形式和內(nèi)容； 附件6：ECIDS 備用裝置的要求； 附件7：RCDS操作模式的相關(guān)要求。 MSC.232(82) 建議各國政府確保： （1）在2009年1月1日及以后安裝的ECDIS設(shè)備，符合不低于本決議附件所規(guī)定的性能標準；（2）在1996年1月1日之20

15、09年1月1日期間安裝的ECDIS設(shè)備，符合不低于MSC.64(67) & MSC.86(70)決議修正的A.817(19)決議附件所規(guī)定的性能標準。（二）IHO關(guān)于ECDIS的相關(guān)標準 IHO一直致力有關(guān)海圖與航海出版物規(guī)范、海圖符號規(guī)格及其顯示等方面的標準化工作。目前IHO制定的關(guān)于ECDIS的標準主要包括：1.IHO S-52IHO S-52是IHO 關(guān)于電子海圖的內(nèi)容和ECDIS顯示方面的標準（IHO Specifications for Chart Content and Display Aspects of ECDIS）,現(xiàn)行版為2010年3月第6版。該標準規(guī)范了ECDIS

16、顯示ENC信息時的方式，包括顏色、符號樣式、線型等一系列問題，保證了不同廠商生產(chǎn)的ECDIS顯示海圖信息的方式、基本海圖功能都一致的，有利于用戶識讀。該標準有三個附件和一個附錄。 附件A：IHO ECDIS 表示庫； 附件B: 顏色顯示初始校準程序； 附件C: 顯示標準的維護程序； 附錄1：電子海圖更新指南。2. IHO S-57IHO S-57是IHO關(guān)于數(shù)字化水道測量數(shù)據(jù)即電子海圖數(shù)據(jù)的傳輸標準（IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data）現(xiàn)行版為2000年11月第3.1版。 該標準描述了用于各國航道部門之間的數(shù)字化水道測量數(shù)據(jù)交

17、換以及向用戶、ECDIS的生產(chǎn)商發(fā)布此類數(shù)據(jù)的標準。該標準是具有法律效力的矢量形式電子航海圖的數(shù)據(jù)交換和傳輸標準。該標準內(nèi)容主要包括三部分以及兩個附件： 第一部分：一般性的介紹； 第二部分：理論數(shù)據(jù)模型；第三部分：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（電子航海圖的數(shù)據(jù)模式）；附件A：IHO 物標目錄（物標分類和編碼系統(tǒng)）附件B：產(chǎn)品規(guī)范（電子航海圖產(chǎn)品規(guī)范、IHO物標目錄數(shù)據(jù)字典產(chǎn)品規(guī)范）。3. IHO S-63IHO S-63是關(guān)于數(shù)據(jù)保護方案的標準（IHO Data Protection Scheme）, 現(xiàn)行版為2008年3月第1.1版。該標準主要用于規(guī)范了電子海圖數(shù)據(jù)的分發(fā)與服務(wù)，包括防盜版、防偽造、選擇性存取、

18、數(shù)據(jù)制作者一致性和原始設(shè)備制造商（OEM）一致性等條款，是安全結(jié)構(gòu)與操作規(guī)程的推薦性標準，使用對象是數(shù)據(jù)發(fā)行機構(gòu)（如國家水道測量部門）、ECDIS/ECS設(shè)備制造廠商和最終用戶。4.IHO 其他標準除了上述標準外，IHO還制定通過了其他與電子海圖數(shù)據(jù)或應(yīng)用系統(tǒng)有關(guān)的標準：S-58ENC有效性檢驗推薦標準（Recommended ENC Validation checks）:ENC 生產(chǎn)中質(zhì)量控制的參考標準，現(xiàn)在版為2011年2月4.2.0版）S-60 WGS84坐標系變換用戶手冊：介紹了各坐標系的轉(zhuǎn)換到WGS-84修正值和公式，現(xiàn)在版為2003年7月第三版），在2008年8月做出修正。S-61

19、光柵航海圖產(chǎn)品規(guī)范：是RNC制作的主要的標準，現(xiàn)行版為1999年1月第1版）。S-62ENC生產(chǎn)商代碼：給出了全球官方的ENC生產(chǎn)商，現(xiàn)行版為2009年12月第2.5版）。 S-64IHO ECDIS測試數(shù)據(jù)集：用于ECDIS測試，現(xiàn)行版為2008年12月第1.1版）。S-65ENC生產(chǎn)指導：用于ENC生產(chǎn)，現(xiàn)行版為2009年10月第1.2版）。S-66電子海圖及配備要求：介紹了關(guān)于電子海圖的基本知識和配備要求，現(xiàn)行版為2010年1月第1.0.0版）。（三）IEC 61174 國際電工協(xié)會發(fā)布的IEC 61174 海上導航和無線電通信設(shè)備及系統(tǒng)電子海圖顯示與信息系統(tǒng)操作要求和性能要求，測試方法

20、和要求，現(xiàn)在標準是2008年9月發(fā)布的第3.0版。該標準描述了ECDIS的性能測試方法和要求的測試結(jié)果。任何廠商生產(chǎn)的ECDIS系統(tǒng)必須按該標準經(jīng)嚴格測試并達到標準要求的結(jié)果，才能被官方認可投入市場。因此通過該標準的測試是ECDIS合法成為船上設(shè)備的基礎(chǔ)。符合該標準的ECDIS得到了類型認可（Type-Approved）后。才可合法的成為船用設(shè)備。（四）ECDIS標準之間關(guān)系 為了讓ECDIS的功能滿足IMO ECDIS的性能標準MSC232.(82)的要求。所使用的海圖信息由官方水道測量部門提供的符合IHO-57標準的經(jīng)過改正后最新的信息，ECDIS中電子海圖的具體內(nèi)容、顯示方式、顏色和符號

21、的使用等符合IHO S-52規(guī)范，電子海圖的信息保護標準要符合IHO S-63規(guī)范。ECDIS的硬件設(shè)備要通過IEC61174的性能測試。第四節(jié) 電子海圖顯示與信息系統(tǒng)電子海圖顯示與信息系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件兩個部分。一、系統(tǒng)硬件組成ECDIS 實質(zhì)是以一個具有高性能的內(nèi)，外部接口符合IHO S-52標準要求的船用計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)的中心是高速中央處理器和大容量的內(nèi)部和外部存儲器。外部存儲器的容量應(yīng)保證容納整個ENC、ENC更新數(shù)據(jù)和SENC. 中央處理器、內(nèi)存和顯存容量應(yīng)保證顯示一幅電子海圖所需的時間為5秒。當然，由于計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，加上對SENC的合理設(shè)計，目前各廠商都能實現(xiàn)1秒完成

22、一幅電子海圖的顯示。 圖形顯示器用于顯示電子海圖，其尺寸、顏色和分辨率應(yīng)符合IHO S-52的最低要求，即有效畫面尺寸應(yīng)為成350mm x 270mm ,不少于64種顏色，像素尺寸小于0.3mm。在進行航路監(jiān)視時顯示海圖的有效尺寸至少為270mm x270mm. 文本顯示器用于顯示航行警告、航路指南、航標表等航海咨詢信息，其尺寸應(yīng)不小于14英寸，支持24x 80字符顯示。事實上，當前的ECDIS大多采用在圖形顯示器上以開窗方式顯示相關(guān)文本信息。 內(nèi)部接口應(yīng)包括圖形卡、語音卡、硬盤和光盤控制卡等。以光盤或軟盤為載體的ENC及其他改正數(shù)據(jù)，以及用于測試ECDIS性能的測試數(shù)據(jù)集可通過內(nèi)部接口直接錄

23、入硬盤，船舶駕駛員在電子海圖上所進行的一些手工標繪、注記、以及電子海圖手工改正數(shù)據(jù)的輸入等可通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)。同喇叭相連的聲卡，用于實現(xiàn)語音報警。 利用打字機可實現(xiàn)電子海圖和航行狀態(tài)硬拷貝，以便事后分析。VDR按照國際海事組織的要求記錄航行數(shù)據(jù)。 外部接口一般是含有CPU的智能接口，保證從外部傳感器（GPS、羅經(jīng)、雷達/ARPA、AIS、計程儀、測深儀、風速風向儀、自動舵等設(shè)備）接收信息，并按照一定的調(diào)度相主機發(fā)送信息。 通過船用通信設(shè)備不僅自動接收ENC的改正數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電子海圖的自動改正，而且還可以接收諸如氣象預報數(shù)據(jù)等信息。 二、系統(tǒng)軟件組成 1.海圖信息處理軟件 由NEC向SENC轉(zhuǎn)

24、換的軟件，電子海圖自動和手動改正軟件，海圖符號庫的管理軟件，航海咨詢信息的管理軟件、電子還圖庫的管理軟件、海圖要素分類及編碼系統(tǒng)的管理軟件，用戶數(shù)據(jù)管理軟件等。2.電子海圖顯示系統(tǒng)軟件 電子海圖合成軟件、電子海圖顯示軟件（根據(jù)圖形文件調(diào)用符號在屏幕上繪制海圖）、電子海圖上要素搜索軟件、航海咨詢信息的顯示軟件。3.計劃航線設(shè)計軟件 在電子海圖上手工繪制和修改計劃航線、計劃航線有效性檢查、經(jīng)驗（推薦）航線庫的管理、航行計劃列表的生成（每段航線的距離、航速、航向、航行時間等） 4.傳感器接口模塊與外部設(shè)備的接口軟件（如：GPS、羅經(jīng)、雷達/ARPA、AIS、計程儀、測深儀、風速風向儀、自動舵等設(shè)備）

25、，以及從這些傳感器所讀取的信息的調(diào)度和綜合處理軟件。5航線監(jiān)控軟件計算船舶偏離計劃航線的距離、檢測航行前方危險物和淺水域、危險指示和報警等。6.航行記錄模塊 用過記錄船舶航行過程中所使用的海圖詳細信息以及航行要素。7.航海問題的求解軟件船位推算、恒向線、大圓航法計算、距離方位計算、陸標定位計算、大地問題正反解計算、不同大地坐標系之間的換算、船舶避碰要素（CPA、TCPA）計算等。三、ECDIS 替代紙質(zhì)海圖的條件 （一）SOLAS 公約關(guān)于海圖配備要求 國際海上人命安全公約-SOLAS 公約第V章第2條規(guī)定海圖或者航海出版物系指專用的圖或書，或支持這種圖或書的經(jīng)特殊編輯的數(shù)據(jù)庫，由政府主管當局，經(jīng)授權(quán)的水文局或其他相關(guān)的政府機構(gòu)正式頒布，以滿足航海要求。 1.SOLAS 公約第V章第18條 SOLAS 公約第V章第18條關(guān)于航行系統(tǒng)和設(shè)備以及航行數(shù)據(jù)記錄儀的認可、檢驗和性能標準中規(guī)定：（1）需滿足本章第19條和第20條的要求系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)為主管機關(guān)認可的形式。（2）2002年7月1日及以后安裝，適用于第19條和第20條的功能要求系統(tǒng)和設(shè)備，包相關(guān)的備用設(shè)備，其性能標準不低于本組織通