1.引言
电子海图显示与信息系统(Eleetronieehartnisplayandxnformati。nsystem,简称EeDxs)被国际间认为是继雷达之后在船舶导航方面又一次伟大的技术革命。国际海道测量组织(IHO)、国际海事组织(工MO)航行安全分委员会、国际电工委员会(ICE)等多个国际组织相继为ECDIS制定了相应的性能标准〔1〕L2]。目前世界各国都在大力投资研制“电子航行系统(E一Nvaigation)”,EcDIS为其核心部分。
“电子海图桌”是天津海事局海测大队近年研制开发的一套全要素电子海图显示应用系统,该系统实现了将海事局制作出版的港口航道图等效电子显示。目前支持该系统的海图资源近百幅,覆盖区域从连云港到丹东的中国北方全部港口及附近海域。在投入使用后的一年来,该系统软件通过销售或赠送的方式已发行100多套,受到用户普遍称赞,取得了很好的经济效益和社会效益。
为了进一步满足港口管理、航道疏浚、海事监督、航运、测绘等多行业多部门的使用要求,“电子海图桌”在已取得的成绩基础上,尚需不断适时地进行软件升级、数据更新、海图量扩充、新功能开发,并按照国际电子海图的制作与显示标准【3」【4],升级成为一套满足国内全行业各部门的多功能电子海图应用系统,本文对该系统的升级完善做了初步的设计构想。
2.电子海图的发展及其国际标准
2.1电子海图的历史及其发展趋势
电子海图的发展大致经历了如下三个阶段:
(l)纸质海图的数字化。自二十世纪70年代末开始,随着计算机技术的迅速发展,为了减轻海图制作的劳动强度和减小存放海图的空间,人们开始把纸质海图经数字化后存入计算机中;
(2)电子海图的功能开发。自1986年起,人们开始挖掘电子海图的各种潜能,为电子海图增加各种功能。例如在电子海图上进行航线设计,借助于定位仪,在电子海图上实时显示船位、船速、航向等船舶参数,通过综合电子海图及船舶参数,进行偏航、浅水、碰撞等预警。
(3)电子海图的系统化。通过开发及完善电子海图的数据库,将电子海图升级为一个信息系统,并与雷达、定位仪、计程仪、测深仪、GSP、VTS、AIS等各种设备和系统进行接口或组合,使电子海图作为提供航行信息的核心。在此期间,多功能船用电子海图系统对保证船舶航行安全所起的重要作用,得到了国际海道测量组织(IHO)和国际海事组织(IOM)以及众多航海专家的认可。I珊和IOH成立了ECDIs的专门协调小组,此后,ECD工S各类标准和规范不断地建立和完善,各种性能优良的ECDIS产品也不断地出现。
目前电子海图显示与信息系统(ECDI)S的性能标准、海图显示的规范、数据的格式标准均己制订,其未来的发展趋势为:逐步建立覆盖全球的ENC(Eleetroni。NavigationalChart,电子导航海图,又称官方电子海图)以及海图改正服务网络,使其国际化、普及化;进一步扩充加强CEDIS的服务功能,使其高度智能化;将其同高精度定位系统、雷达避碰系统、船舶通信系统、车舵控制系统等进行集成,辅助制定操船决策,控制船舶以最经济的方式航行在最优航路上,使其应用高效化【5]。
2.2电子海图的国际标准
1992年,国际海道测量组织(IHO)第十四次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,与国际海事组织l(栩)的ECDIs性能标准相呼应,1996年国际海道测量组织(IHO)第十五次大会通过了更为详细、完善的数字海图交换标准,并以mo特别出版物S一57(第三版)的形式正式发布。国际海道测量组织(IHO)的S一57是关于数字化海图数据的交换标准,它包括DX一90数据格式,ENC数据库的性能标准,以及ENC的改正概要。在制定数据交换标准S一57的同时,国际海道测量组织(IHO)在1996年12月又增补通过了关于电子海图内容、图标、颜色和cEDls显示系统的规范,即《CEDIS海图内容与显示规范》,简称IHOS一52(第五版)规范。
与此同时,国际电工委员会(ICE)提出了对CEDIS硬件设备的检验和测试标准。1998年7月,这个标准被国际电工委员会(ICE)确定。国际电工委员会(ICE)还有一个对船用导航设备的“环境测试标准”,称为IcE60945,此标准用来检测EcDIs系统在不同温度、湿度、振动等情况下的可靠性。
实际上,上面提到的有关电子海图国际标准的三个方面可以看成是三个国际组织针对ECDIS的不同分工,即国际海事组织(I初)负责ECDIS的显示界面,国际海道测量组织(IHO)负责CEDIS的数据库(NEC),国际电工委员会(ICE)负责CEDIS的硬件设备,当然三者的分工也是互有交错的。
3.“电子海目桌,已有的功能特点
由天津海事局海测大队近年研制开发的,具有自主知识产权的“电子海图桌”,具有较强的数据输入、输出接口,同时能够准确读取CARIS、毗邢IS、AUTocAD、YH队CK、S一57等地图数据,并提供完善动态的外部数据库连接,能够与目前常用的外部数据库实现无缝连接,实现了用户信息与本系统有机连接和自主显示、管理,并提供较强的海图标绘、海图绘制工具,使用户能够方便地进行专题要素的标绘,制作符合本行业特点的专题海图并输出。
3.1系统的主要特点
(l)方便快速的海图调用与显示:系统具有海图选择显示、海图任意放大/缩小/漫游、画面记忆、海图显示方式控制、海图背景控制、自动调图、定点调图等功能;
(2)多种方式的海图标绘:系统提供了大量的海图标绘工具,包括点、线、面、文本、符号、水深等要素标绘工具,并用层将标绘内容灵活管理和显示;
(3)外部数据库连接:可以直接连接外部多种用户自己开发的数据库,并将数据库内容准确显示到海图平面上,并能够实现快速查询;
(4)多种海图数据接口:可读取S一57电子海图、AUTocAD、袱GPIS、’HYPACK等地图;
(5)专题系统平台构建:使用海图标绘和外部数据库连接,可方便地构建用户使用的专题系统;
(6)灵活的查询构建:使用人员可根据需要自己建立查询内容。
(7)丰富的海图资源:系统包括北方海区不同比例尺港口航道图70幅,北方海域1:50万电子海图12幅,小比例航路图10幅。
3.2系统的主要功能
(l)海图显示、控制
系统对海图可定量放大、缩小,任意放大、缩小,图形漫游,全图显示,图形刷新等(参见图1中的工具条)。
2数据库动态连接
系统可通过直接将具有空间结构的外部数据库连接到本系统上CDOB,并以符号或图形的方式显示在海图上。
(3)查询建立和查询使用
系统开发人员可根据需要自己灵活地建立查询内容,操作人员则可对各种图形要素查询自己所需的信息,例如在图上查询点的坐标、线的方位和长度、区域的面积。
(4)海图输出、保存
“电子海图桌”为用户提供了海图输出模块,有两种方式:绘图模块和区域绘图,用户可以根据需要将制作好的图形通过打印机输出或保存图片。
(5)海事管理工具
系统为海事用户提供海事分析模块,海事人员可通过本系统对管理的港口船舶进行模拟监控,能达到模拟现实的效果(参见图2中的工具条)。
6)自动调图
系统自动调入海图有下列四种方法:
①选择主菜单中的管理区域菜单,在其中选择要显示的海图区域中的海图,系统将调入该幅海图,并全图显示。其中海图区域分为:中国海区图、小比例尺海图、海事序列图、电子海图、用户数据、其它海图六类。
②在图形显示区域内,点击鼠标右键,在弹出的菜单上,选择单点调图功能,将鼠标移到需要显示海图的区域,点击鼠标左键,系统将会弹出该区域所有海图目录,用户根据需要选择海图双击调出显示。
③在图形显示区域内,点击鼠标右键,在弹出的菜单上,选择定点调图功能,系统将弹出定点坐标窗口,输入定点的经纬度,点击调入,系统将会弹出该点所在区域所有海图目录,用户根据需要选择海图双击调出显示。
④在设置面版上选择自动调图功能后,在用户面板上选择任意航标,系统将调入该航标所在的海图,并以当前现实比例显示。
(7)海图标注
系统为用户提供了较完善的海图标注功能,包括对线划、符号、区域、水深、注释和图片等的各种编辑,系统对加入的海图要素采用层管理,可以使用层控制要素显示(参见图3中的工具条)。
(8)数据转换
本系统可将MAGPIS数据(海测大队序列图)、电子海图(S一57)、AUTocDA数据(DxF格式)、’HYPACK(xYZ)水深数据制作成需要的系统海图,还可将系统海图进行合并生成新的海图。
另外,本系统还能将北京坐标(xY)转换成大地坐标(经纬度),或将大地坐标(经纬度)转换成北京坐标(XY)。
4多功能电子海圈应用系统的设计
4.1设计目标
在上述“电子海图桌”系统己有功能特点的基础上,进一步研制多功能电子海图应用系统的总体集成、船舶导航或引航、三维仿真海图生成、符合S一57全要素电子海图国际标准的海图数据远程更新、多幅海图无缝调用及显示等关键技术,开发基于电子海图的港口管理子系统、船舶导航子系统、海事监督子系统、海图生成与更新子系统、疏浚指挥子系统等各应用系统,满足各有关行业对电子海图使用的不同需求,推动我国电子海图应用的产业化发展。
4.2设计内容
(l)系统总体集成技术:研制多功能电子海图应用系统的总体集成技术,为各应用系统提出满足业务化运行的详细技术要求,集成各相关研究成果,建立多源系统数据的接口、原始数据获取与应用格式转化、海洋地理信息的分类、建立属性信息和空间图形信息匹配机制、海图数据库的动态管理等技术。
(2)船舶导航技术:研制自动航线设计、航向航迹监测、自动存储本船航迹、历史航程重新演示、航行自动替报(如偏航、误入危险区等)、快速查询各种信息(如水文、港口、潮汐、海流等)、船舶动态实时显示(如每秒刷新船位、航速、航向)等技术。
(3)三维仿真海图生成技术:建立三维海底地形数字模型、研制三维仿真海图的自动生成、三维可视化浏览与查询、动态水深线的自动生成、任意方向海底地形剖面图的自动生成、疏浚前后浅点的搜寻、海底地形的比对以及疏浚工程量的自动计算等技术。
(4)海图数据及系统远程更新技术:海图数据及系统远程更新包括两方面的内容:①海图与软件远程更新升级:②海图改正制作及远程改正。此技术帮助从天津海事局海测大队采购海图及海图桌软件的客户,实现远程通过互联网进行海图与软件的自动升级更新和海图改正功能。开发海图版本信息检索及下载、海图改正信息检索及下载、系统软件版本信息检索及下载、海图信息及软件补丁下载支持断点续传、用户dI序列号权限设置及管理、设置远程服务器IP地址、用户下载更新信息记录等技术。
(5)多幅海图无缝调用技术:开发在视窗图形修正和对话框引导的多参数修正两种模式下的多幅海图的比例尺转换、边界修正、基准点坐标匹配,多幅海图二维及三维的同视图调用显示等技术。
5.结束语
本文基于本单位开发的“电子海图桌”已有的功能和特性,顾及各行业用户对电子海图的实际需求,参照电子海图显示与信息系统的国际标准,对“电子海图桌”的升级作了具体的设计。升级后的系统以电子海图为基础,是一套具有新型船舶导航、港口管理、海事监督、海难防范、海上搜救、海图生成、三维仿真海图显示、海图数据远程更新、疏浚指挥等多项先进技术的多功能应用系统。该系统的研制成功及使用,必将显著提升我国研制“电子航行系统(E一Navigation)”的技术水平,促进我国EcDIS的产业化发展。
