1引言
电子海图显示与信息系统,即ECDIS,是航海领域和测绘领域的一场技术革命,使海图的研究、生产和使用跨入了一个新的纪元,使航海自动化迈上了一个新的台阶。
现行的ECDIS国际标准有4个:IMOECDIS性能标准,IHOS-57数字化海道测量数据传输标准,IHOS-52电子海图内容和显示规范和IEC61174操作和性能测试标准。IMOECDIS性能标准,给出了ECDIS的定义,规定了信息的显示、海图改正、航线设计、航路监视和航行记录等性能要求。IHOS-57描述了用于各国航道测量部门之间的数字化航道测量数据的交换以及向航海人员、ECDIS的生产商发布这类数据的标准。该标准是具有法律效力的矢量形式电子航海图的数据交换和传输标准。IHOS-52规定了电子海图的内容和显示、数据结构、改正方法和信息传输途径,以及屏幕上电子海图颜色和符号的使用细节等。IEC61174描述了ECDIS的性能测试工作方法和要求的测试结果。通过该标准的测试是ECDIS合法的成为船用设备的前提。总之,ECDIS的功能要满足IMOECDIS的性能标准的要求,所使用的海图信息应是由官方航道测量部门提供的符合IHOS-57标准的最新(经过改正后最新)的信息,ECDIS中电子海图的具体内容、显示方式、以及颜色和符号的使用等要符合IHOS-52规范,ECDIS作为船用设备要通过IEC的性能测试。
考虑到全球电子海图的一致性问题,国际海事组织(IMO)于1995年通过了电子海图等效于纸质海图的决议。配合AIS与VTS决议案,IMO的航行安全委员会又于1999年修订了具有电子海图部分的海上人命安全国际公约(SOLAS),且于2002年元旦实施,IHOS-57电子海图正式取得了与纸质海图相同的法律地位。
目前我国的数字海图产品已与国际接轨。随着产品不断的生产完善,研制自主知识产权的“电子海图显示与信息系统(ECDIS)”逐渐成为工作的重心,而这项任务的核心是符合S-57数据传输标准及S-52电子海图模式的显示平台的研制,以此为基础才能研制出我国自主知识产权的ECDIS。
2相关国际标准简介
S-57标准,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,并维护更新至2004年12月,由国际海道测量局出版。该标准由国际海道测量组织电子数据委员会提出,于1992年4月5日第九届国际海道测量大会上通过为IHO正式标准。旨在对各国海道部门之间用于交换数字化海道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的标准加以说明。该标准分三个部分,下含两个附录,分别是:第一部分引言;第二部分理论数据模型;第三部分数据结构,又含两个附件(1.ISO/IEC8211概述及示例,2.备用字符集);附录A.IHO物标类目;附录B.ENC产品规范。
S-52标准,即“电子海图显示与信息系统海图内容与显示规范”,目前为1996年12月修订的第5版,并维护更新至2001年12月,由国际海道测量局(IHB)出版,旨在对空间数据的表达模型和可视化方式进行统一。该规范下含两个附件,三个附录,分别是:附件A.S-52与IMOECDIS性能标准交叉参考表;附件B.IMOECDIS性能标准;附录1.电子航海图更新指南;附录2.电子海图显示与信息系统色彩与符号规定;附录3.电子海图显示与信息系统相关术语集。
3显示生成器的设计与实现
国际标准关于电子海图显示模式涉及两大部分,一是表示库(PresentationLibrary,PL),包括色彩表、符号库(点、线、面)、符号化指令集、符号检索表;二是显示生成器(DisplayGenerator,DG),基于表示库的软件模块,把按S-57标准结构化编码的物标数据以正确的形式显示出来。
实现海图的S-52显示风格的基础是对表示库内容的具体实施。符号化指令及符号体系是电子海图的图形描述语言,而检索表是联系符号指令和S-57物标的纽带,显示生成器的基本操作过程表明了为显示一个SENCS-57物标是如何把表示库的各个内容关联到一起的,最终完成了S-57物标特征与ECDIS屏幕上的实际显示联系起来。因此,以表示库的显示生成器的流程为指导,对整个检索表的相关内容进行结构设计和对符号算法的设计,以达到最终实现物标的符号化显示的目的。值得注意的是为保证电子海图显示的标准化,IHO组织提供了文字描述的和数字化载体两种形式的表示库,而对显示生成器,则要求厂商按S-52标准及其附件自行开发。因此研究电子海图显示必须以表示库为基础,自行设计显示生成器来实现,如图1所示。
4电子海图显示平台关键技术的实现
4.1依赖于属性和状态实时变化的可视化模式
依照S-52标准,大多数物标能以直接的方式用点、线、面等符号化指令进行绘制,但有些物标,其属性值与符号化指令间的关系过于复杂,或者依赖于航海人员设定的条件参数来确定符号化指令。为了处理这些复杂表现情形,需要条件符号化。有条件符号是将海图符号复杂情形简单化的一种有效解决方案,更是S-52最有生命力和表现力的部分。有条件符号需要依靠输入不同的参数和一系列的判定条件确定,通过程序生成。具体表现如下
(1)与输入参数相关
大部分的条件符号都依据目标属性值和航海人员输入参数的不同而动态创建。以深度范围(DEPARE)为例,其符号化过程由条件符号化程序DEPARE01决定,DEPARE01根据航海人员设置的关于等深线的3个参数(SHALLOW_CONTOUR,SAFETY_CONTOUR,DEEP_CONTOUR)的数值和该目标的属性DRVAL1(深度范围值1),DRVAL2(深度范围值2)的数值进行比较,来决定符号化指令。如图2所示。
(2)与空间位置的相对关系相关
一些条件符号不仅依赖于其目标属性值和输入参数,还受相关目标的空间位置关系影响,例如一条等深线是否表现为安全等深线,不仅与其本身深度值有关,还要判断其相邻的水深区域的深度,这样其符号化程序中必须检测其相邻目标的属性。
(3)与目标间组合关系相关
S-57数据模型中,有些是带有组合关系的目标,例如助航目标。这些目标的符号化过程不仅与其自身有关还受其关联目标性质的制约。以灯标为例,它的符号化指令创建不仅取决于它本身的类别、颜色、扇形界限、作用距离等,还取决于它是位于浮动的还是固定的平台之上等。如图3所示。
4.2建立调色板来实现符号颜色与环境的适应性变化
表示库提供了适合不同光照条件的6个颜色表(如DAY_BRIGHT、DUSK、NIGHT等)。根据用途将颜色分类,每一种颜色用包含5个反映它们用途的字符代码来命名,也称为“颜色标识”,每一种颜色标识相当于不同亮度的一套国际照明联合会(CIE)对颜色表中的一种颜色定义。由于在ECDIS系统中,所显示的图形、导航线、符号必须明显地区分于背景色,所以,需要为所有的符号选择颜色的动态表达。对颜色和符号的设计,应致力于确保重要的海图和航行要素在强烈的阳光下和黑暗的夜晚都能保持清晰的可视性。如图4所示。
4.3分类显示模式
海图信息的显示分类是作为航海人员出海时对电子海图操作的可选项,显示分类实际上表现了航海人员对显示内容详细程度的选择。一般采用以下三种显示方式:
基础显示:显示那些不论何时、何地、何种情况下都必须的信息,包括:海岸线、安全等深线、孤立危险物、浮标、立标、通航分隔带等。
标准显示:海图首次打开时显示的内容,除了上述基础显示内容外,还包括助航设备、航路、水道界限、禁航区、限航区等。
全要素显示:所有的要素。包括水深、水下电缆等。
由此可见,显示信息量的大小依次为:全要素>标准显示>基础显示。如图5所示。
4.4不同符号体系的控制
按照S-52标准,要素的可视化表达由其本身的属性决定,同一要素不同的属性值其符号表达是不同的。为确保信息表达的简捷和准确,航行时可选择符号的表达方式,因此,显示系统按国际标准的要求设计两套不同的符号:简化符号和传统符号。如图6所示,可供航海人员自由选择。
4.5海图要素随比例尺变化的在线综合
多比例尺地图信息的自动综合一直是地图工作者致力研究的重要内容。在ECDIS中,为了更清晰的显示物标信息,如何提供多比例尺电子海图的无级放大、缩小、漫游和拼接,是显示信息系统不可分割的一部分。在这里,利用物标属性的最大最小显示比例尺设置来实现多比例尺海图的在线综合。如图7所示,矩形框内即为放大区域。
5结束语
电子海图信息可视化问题的研究,世界上已有许多相关的研究成果出现。最有影响的应该是国际标准电子海图以及与之相对应的符合国际标准显示要求的ECDIS。从最初对纸海图的简单电子复制品到过渡性的电子海图系统(ECS),ECDIS已经发展成为一种新型的船舶导航系统和决策辅助系统,它不仅要求能与位置传感器、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,提供海图的自动改正,连续精确的给出船位,还要求能提供与航海安全相关的各种信息,有效的防范各种险情。从而达到提高营运效率、保障航行安全的目的。随着电子海图信息应用的日益深入,电子海图信息的可视化问题已日益成为十分重要的问题。
目前我国数字海图产品已逐步与国际接轨,随着产品不断的生产完善,研制自主知识产权的“电子海图显示与信息系统(ECDIS)”逐渐成为工作的重心,而这项任务的核心是符合S-57数据传输标准及符合S-52电子海图模式的显示控件的研制。以此为基础才能研制出我国自主知识产权的ECDIS。本文以VC++为开发工具,实现了自主知识产权的国际标准电子海图显示平台,完全符合国际海道测量组织(IHO)颁布的S-57、S-52和国际海事组织(IMO)颁布的A.817、A.694的数字海图显示标准。并且以控件技术进行包装,与开发平台和环境无关,即插即用。在此基础上,与导航、监控、数据采集等相关硬件设备相联,可研制出满足不同行业需求的专业型信息系统。
