１引言
电子海图显示与信息系统ＥＣＤＩＳ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｈａｒｔＤｉｓｐｌａｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）是以数字形式储存的海图及其相关数据与多种传感设备、图形显示终端、计算机软硬件等高度融合的船舶航行多参数电子综合信息处理系统。随着信息化在航海领域的不断深入，ＥＣＤＩＳ的普及是必然趋势，国际海事组织ＩＭＯ已开始讨论ＥＣＤＩＳ的强制安装。目前全球电子海图技术标准以国际海道测量组织ＩＨＯ的系列标准为主。
ＩＨＯＳ－５２“电子海图现实与信息系统内容与显示规范”［１］规定：ＥＣＤＩＳ必须以电子航海图ＥＮＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＮａｕｔｉｃａｌ／ＮａｖｉｇａｔｉｏｎａｌＣｈａｒｔ）为数据来源，ＥＮＣ必须符合ＩＨＯＳ－５７“数字海道测量数据传输标准”［２］。Ｓ－５７实质为针对数据传递和交换的传输标准，由于效率原因它不能作为ＥＣＤＩＳ的内部数据格式。Ｓ－５２标准规定ＥＣＤＩＳ必须设计高效的系统电子航海图ＳＥＮＣ的用户格式，将Ｓ－５７文件的海图数据和改正数据导入到ＳＥＮＣ中。Ｓ－５７数据集文件的读取、数据改正和物标信息解析处理是构建ＥＣＤＩＳ的三个基础环节。
Ｆｉｇｕｒｅ１Ｓ－５７Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄａｔａｍｏｄｅｌｄｉａｇｒａｍ图１Ｓ－５７理论数据模型示意图目前，成熟的Ｓ－５７电子海图开发工具主要为商业软件，由于价格昂贵，应用范围较小。现有的通用ＧＩＳ软件对Ｓ－５７格式的支持都较有限。林志辉［３］用ＧＩＳ开源库ＯＧＲ实现Ｓ－５７数据导入空间数据库，但ＯＧＲ不支持Ｓ－５７目录文件，它在Ｓ－５７数据集的整体处理上功能有限。近年来国内一些高校的科研人员在各自的电子海图软件中实现了Ｓ－５７文件处理模块［４～９］，它们都能对Ｓ－５７数据文件进行解包读取，但都没有同时支持数据改正和物标信息解析这两项功能。而且它们都是面向自定义的用户数据格式设计的，通用性上存在不足。我国电子海图研究开发需要功能丰富、通用性好的Ｓ－５７海图文件处理软件。
本文在分析Ｓ－５７标准的理论数据模型、数据结构和产品规范的基础上，设计实现了一套Ｓ－５７海图文件基础处理库，具备对Ｓ－５７数据集文件进行读取、数据改正和物标信息解析三项基础处理功能。该库用Ｃ＋＋编写，与具体的用户数据结构和格式无关，以较通用的方式提供处理功能。该库可应用于Ｓ－５７电子海图研究和相关软件开发。
２Ｓ－５７标准分析
Ｓ－５７即《ＩＨＯ数字海道测量数据传输标准》，目前为２０００年１１月修订的第３．１版。该规范由三部分组成，下含两个附录：第一部分“引言”；第二部分“理论数据模型”；第三部分“数据结构”；附录Ａ“ＩＨＯ物标类目”；附录Ｂ“ＥＮＣ产品规范”。
２．１理论数据模型
在Ｓ－５７标准的“模型概述”部分中，真实世界的实体被定义为描述特征和空间特征的组合；物标被定义为一组可标识的信息，由特征物标和空间物标组合而成。特征物标含有描述信息但不带几何信息，空间物标必须有几何信息同时可能带描述信息。特征物标可以不参照空间物标而存在，前者由与一个或多个空间物标的关系定位。空间物标必须参照特征物标而存在。关系模型如图１所示。
“模型实现”定义了四类特征物标：元物标、制图物标、地理物标、集合物标；定义了三类空间物标：矢量型、光栅型和矩阵型。目前Ｓ－５７标准实际只使用矢量型空间物标，其几何图元分为点、边和面三种。当前Ｓ－５７产品规范强制使用“链－结点”拓扑等级，该等级下矢量由一组结点和边表示：点被编码成孤立结点或连结点；线被编码成一组边和连结点，边必须以连结点为起点和终点；面被编码成一组边的闭合环，其起点和终点为同一连结点。
２．２文件数据结构
Ｓ－５７数据结构中最基本的单位是子字段，一个或多个子字段组成字段；一个或多个字段组成记录；一个或多个记录构成文件；一个交换集由一个或多个文件组成。记录分为五种：数据集描述记录、目次记录、特征记录、空间记录、数据字典记录。Ｓ－５７数据结构实现上采用树形结构。不同记录和字段中的信息由专门的指针字段关联。ＲＣＮＭ和ＲＩＣＤ子字段标识共同作为记录的标识。
Ｓ－５７文件使用ＩＳＯ／ＩＥＣ８２１１作为物理封装标准，实现不依赖具体计算机系统的数据交换。ＩＳＯ／ＩＥＣ８２１１是一个以文件为基础的交换格式，其基本结构是逻辑记录。
２．３海图改正机制
Ｓ－５７定义了电子航海图数据改正机制，规定了ＥＮ（基本电子航海图数据）和ＥＲ（电子航海图修正数据）两种应用简档。ＥＲ中改正记录采用了与原版海图数据一致的数据结构，并在特征记录和空间记录中加入了特殊的字段用于改正。改正操作通过将改正记录作用于目标记录而完成。Ｓ－５７改正机制可改正已发行的数据，而不必重新发布整个数据集。
２．４产品规范
附录Ｂ“产品规范”的第二章规定ＥＮＣ数据必须采用“链－结点”拓扑关系编码。第三章给出了ＥＮＣ中允许的物标和属性。第四章对ＥＮＣ进行了制图方面的限定，要求所有坐标数据不能使用浮点数而必须用乘数因子转换为整数。第五章规定了Ｓ－５７交换集的内容和形式：一个ＥＮＣ交换集必须由一个目录文件和至少一个数据集文件组成，目录文件记录了交换集中所有文件的路径；初始版数据文件扩展名为０００，之后的改正文件扩展名依次为００１至９９９，每一新版加１。第六章规定了交换集中数据集文件和目录文件的结构与内容。
３总体设计
电子海图数据从Ｓ－５７文件导入到ＳＥＮＣ需经过三个环节：文件读取、海图改正处理和物标解析，故本程序库分为文件读取、改正处理和物标信息解析三个模块。读取模块完整地保持文件的海图数据，基本保持数据的原始逻辑结构。改正模块在内存中对海图数据进行改正处理。物标信息解析模块可提取几何信息、属性／类目信息。各功能可按需选用，不面向具体的用户格式数据结构。设计上采用面向对象方法，开发语言为Ｃ＋＋，广泛应用ＳＴＬ技术。读取模块可独立工作，改正模块与解析模块互不依赖。本库的ＵＭＬ类图如图３所示。
４各模块的设计与实现
４．１文件读取模块
ＩＳＯ８２１１Ｌｉｂ是一款用Ｃ＋＋编写的用于ＩＳＯ／ＩＥＣ８２１１格式文件解包的开源库。本文使用ＩＳＯ８２１１Ｌｉｂ，将其装到ＲｅａｄＳｕｂＦｉｅｌｄ类作为函数对象，用于Ｓ－５７文件解包。
为产品规范的应用简档所规定的各种结构设计对应的数据结构，各字段设计为结构体；各记录设计为类，ＦｅａｔｕｒｅＢａｓｅＣｅｌｌ类与ＦｅａｔｕｒｅＲｅｃＵｐ－ｄａｔｅＣｅｌｌ类分别对应ＥＮ和ＥＲ的特征记录，Ｖｅｃ－ｔｏｒＢａｓｅＣｅｌｌ类与ＶｅｃｔｏｒＵｐｄａｔｅＣｅｌｌ类分别对应ＥＮ和ＥＲ的空间记录；ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ类、Ｃｈａｒ－ｔＵｐｄａｔｅＣｅｌｌ类和Ｃａｔａｌｏｇｕｅ类分别对应基础数据文件、改正数据文件和目录文件。记录类用ＳＴＬ容器和智能指针类模板ａｕｔｏ＿ｐｔｒ存放各字段对应的结构体，文件类用ＳＴＬ容器存放规定的记录类，它们基本保持所对应的文件结构的原始逻辑关系。
各字段结构体中，整数型子字段用ｉｎｔ型存储，字符型子字段用ＳＴＬ的ｓｔｒｉｎｇ类型存储，外部指针子字段用ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ数组存储。指针字段ＶＲＰＴ、ＦＳＰＴ、ＦＦＰＴ的结构体增设额外的成员变量以存储解码后的指针信息。ＶＲＰＴ字段对应的结构体的定义代码如下所示，其指针原始数据存于ｎａｍｅ数组，解码后的指针信息存于额外成员ｎａｍｅ＿ｒｃｎｍ和ｎａｍｅ＿ｒｃｉｄ：
ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ类、ＣｈａｒｔＵｐｄａｔｅＣｅｌｌ类和Ｃａｔ－ａｌｏｇｕｅ类提供公有方法Ｌｏａｄ用于文件读取，该方法的参数接受文件路径，将文件各记录、各字段的数据读入对应的类和结构体。Ｃａｔａｌｏｇｕｅ类从目录文件读取所有基础数据文件和改正文件的路径。本库实现ＦｕｌｌＰａｔｈＤｅｃｏｍｐｏｓｏｒ类提供路径和文件名处理功能，供Ｃａｔａｌｏｇｕｅ类使用。Ｃａｔａｌｏｇｕｅ类提供公共方法进行Ｓ－５７标准要求的ＣＲＣ（ＣｙｃｌｉｃＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｈｅｃｋ）文件校验。ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ用三个ｍａｐ容器分别存储孤立结点空间记录、连结点空间记录、边空间记录，ｍａｐ的ｋｅｙ为空间记录的ＲＣＩＤ值。基础数据文件读取流程图如图４所示
４．２改正模块
改正ＵｐｄａｔｅＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类实现处理功能，它减小了ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ类和ＣｈａｒｔＵｐｄａｔｅＣｅｌｌ类的耦合。ＵｐｄａｔｅＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类提供公共方法Ｕｐｄａｔｅ执行改正处理，原型如下：
ｉｎｔＵｐｄａｔｅ（ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ＆ｃｈａｒｔ，ｃｏｎｓｔＣｈ－ａｒｔＵｐｄａｔｅＣｅｌｌ＆ｃｈａｒｔ＿ｕｐｄｔ）；
Ｕｐｄａｔｅ方法将参数２中的改正数据应用于参数１
进行更新处理，改正完成后的海图数据仍保存于参数１。改正记录也分为特征记录和空间记录两种，它们的改正操作分为插入、删除、修改三类，记录的标识字段的ＲＵＩＮ子字段指示要进行何种操作。目标记录由改正记录的标识字段的子字段ＲＣＮＭ和ＲＣＩＤ标识。记录的插入和删除操作皆以记录为整体进行，而记录修改则包括记录内字段的插入、删除和修改三种操作。字段修改的实现方式又分为两类，第一类以字段属性是否在目标记录中出现过指示操作，第二类以专门的控制字段指示操作。ＦｅａｔｕｒｅＢａｓｅＣｅｌｌ类与ＶｅｃｔｏｒＢａｓｅＣｅｌｌ类实现了三种字段修改操作的接口函数，ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ类实现了记录改正操作的接口函数。ＵｐｄａｔｅＰｒｏｃｅｓｓｏｒ的Ｕｐｄａｔｅ方法验证两参数的升级信息匹配正确后，调用前述接口进行改正处理。改正处理流程图如图５所示。
４．３物标信息解析模块
本库物标信息解析模块分为几何信息解析和属性／类目信息解析两个子模块，前者实现为ＧｅｏｍＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类，后者实现为ＡｔｔｒＯｂｊＣｌａｓｓＩｎｆｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ类，两者互不依赖。
４．３．１物标几何信息解析
物标的几何信息解析，即获取物标的几何图元类型（点、线、面）和完整的几何坐标。物标的点、线、面图元都以点为基础。点分为二维点和三维点（后者只用于水深数据，第三维表示深度），前两维表示经纬度坐标。Ｓ－５７文件中坐标数据皆为整型，ＳＧ２Ｄ和ＳＧ３Ｄ字段对应的结构体用于保存点坐标的数据结构；ＧｅｏｍＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类将解析得到的物标的整型坐标数据用乘数因子转换为浮点型，为此设计结构体ＰｉｎｔＦｌｏａｔ２Ｄ＿ｔ和ＰｉｎｔＦｌｏａｔ３Ｄ＿ｔ用于保存浮点型坐标值。
ＳＧ２Ｄ字段的结构：
物标的几何图元类型由特征记录ＦＲＩＤ字段的ＰＲＩＭ子字段获得。坐标从特征记录的ＦＳＰＴ（特征记录到空间记录指针）字段指向的各个空间记录的坐标字段中提取。流程如下：
（１）点物标的坐标解析。从相应空间记录的ＳＧ２Ｄ、ＳＧ３Ｄ字段获取坐标数据；用ＳＴＬ的ｖｅｃｔｏｒ容器存储。
（２）线物标的坐标解析。按空间物标ＶＲＰＴ字段的ＯＲＮＴ子字段指示的方向，先获取起始连结点坐标，再获取边的各孤立点坐标，最后获取终止连结点坐标；用两层嵌套的ｖｅｃｔｏｒ容器存储，每个内层ｖｅｃｔｏｒ容器存储一条边。（３）面物标的坐标解析。先将构成面的各边解析出来；遍历这些边并判断是否构成闭环，若是，则获得面的一个封闭轮廓；用两层嵌套的ｖｅｃｔｏｒ容器存储，每个内层ｖｅｃｔｏｒ容器存储一个封闭轮廓。
ＧｅｏｍＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类提供公有方法ＧｅｎＯｂｊＧｅｏ－ｍＩｎｔ，对ＣｈａｒｔＢａｓｅＣｅｌｌ对象的所有物标进行几何解析，结果存储于ＳＴＬ的ｍａｐ容器中，ｍａｐ的ｋｅｙ为特征物标的ＲＣＩＤ值，物标的特征信息与几何信息通过ｍａｐ容器的ｋｅｙ－ｖａｌｕｅ映射关系实现关联。ＧｅｏｍＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类亦提供数个接口用于处理单个物标。
４．３．２物标属性／类目信息解析
物标属性信息解析，即根据物标属性字段的值获得Ｓ－５７规定的对应属性的信息，包括属性名称、缩略词等。物标类目信息解析，即根据文件物标特征记录ＦＲＩＤ字段的ＯＢＪＬ子字段标记的Ｓ－５７物标代码获得物标类目的信息，包括物标类名称、缩略词、相关属性等。
本库定义了两个多维ｃｈａｒ＊型常量数组ｓ５７ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ［］和ｓ５７Ｃｌａｓｓｅｓ［］，以字符串分别存储Ｓ－５７标准规定的物标属性和物标类目两个参考表的主要信息。ＡｔｔｒＯｂｊＣｌａｓｓＩｎｆｏＰｒｏｃｅｓｓｏｒ类以这两个数组为基础，提供数种方法用于获取物标属性／类目信息，以ＳＴＬ的ｓｔｒｉｎｇ类返回。
５功能演示与应用
采用本库在ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ下编写了一个功能演示程序，其对Ｓ－５７海图文件进行处理并在命令行界面以文本形式输出信息。图６为演示程序的部分输出结果，所读取的基础数据文件为ＵＳ４ＮＹ２４Ｍ．０００（大小６１５ＫＢ），读取的改正文件为ＵＳ４ＮＹ２４Ｍ．００１（大小２６．６ＫＢ）和ＵＳ４ＮＹ２４Ｍ．００２（大小２ＫＢ），读取后进行了数据改正和物标信息解析处理。
图６ａ显示了一个类目名为“Ｃｏｍｐｉｌａｔｉｏｎｓｃａｌｅｏｆｄａｔａ”的物标，其第一个ＡＴＴＦ字段的属性名为“Ｃｏｍｐｉｌａｔｉｏｎｓｃａｌｅ”（倒数第二行）；图６ｂ第二行显示物标几何类型为“面”，后续显示各点未用乘数因子转换的经纬度原始值。
目前该库在我们的项目《基于ＬＩＮＵＸ／ＧＴＫ的嵌入式ＥＣＤＩＳ软件》中，应用于Ｓ－５７数据集文件读取及用户格式数据库导入底层模块的开发。
６结束语
本文实现的程序库具备Ｓ－５７电子海图数据集文件读取、改正处理和物标信息解析功能。文件读取模块能够读取Ｓ－５７数据集目录文件、基础数据文件和改正文件，保证数据完整性，较好地保持了数据的原始逻辑结构。改正模块对读取到内存的海图数据进行改正处理。物标信息解析模块可获取物标的几何信息和属性／类目信息。各功能模块之间独立性较好，与具体的用户格式数据结构无关，具备一定的通用性。在当前Ｓ－５７海图文件处理软件数量和功能都不丰富的情况下，本库对电子海图研究和软件开发具有一定实际意义。
