基于 S-52标准电子海图的符号研究

1引言

海图制图区域的特殊性以及海上远洋航行的需要,决定了海图是一种国际性的图种,实现海图国际化的必要条件之一就是与国际海图符号的接轨。基于国际标准的电子海图显示信息系统(ECDIS)不仅指那些能够正确接受标准ENC交换文件的系统,更重要的是指应依据IHO颁布的《电子海图显示与信息系统的海图内容与显示规范》(S-52)标准合成的电子海图。S-52及其附录是IHO为了确保海道测量局成员国提供的海道测量数据在使用时能提高航行的安全性和有效性制定的。其结果生成了电子海图显示文件,即图形显示的命令集合。其中物标的显示依据特征和属性状态自适应动态生成,其显示命令的格式、参数是由图形支持系统的算法所决定的。

在国际标准电子海图显示信息系统中,信息的表达模型是独立于数据存储的。ENC仅仅获得了交换数据标准,该标准的实施使不同系统之间可以随意交换数据并很容易地进行数据的更新。因此,需建立独立的表达系统。

2显示系统功能结构及关键技术实现

2.1S-57和ECDIS的表示模式

S-57标准所述的数据模型未包含用于信息展示或显示的任何规则,只提供了真实描述世界的方法。信息的显示被认为独立于其存储,所以不同的应用必须提供其特定的显示模式。用于ECDIS的表示模式与IHOS-57相关。一个表示模式通过一套表示规则定义了真实世界的信息应当如何在特定的应用中加以显示。保持信息存储与显示独立的概念提供了较大的通用性和灵活性,使得同一数据可以用于多种目的而不需要对其结构和内容作任何改变。如果显示风格或介质改变了,显示模式也就改变。因此,所述模型可以连接许多不同的显示模式。例如,ECDIS和纸质海图展示了相同的基本数据,只是通过不同的显示模式以不同的方式显示。

与适于纸质海图应用的表示模式相对应,用于ECDIS的表示模式必须符合IMO/IHOECDIS性能标准和IHOS-52的要求。这就意味着,在ECDIS屏幕上,海图的显示将随参数和航海人员的选择而变。因此,表示模式必须不仅满足颜色和符号的定义,而且还要包括如何处理动态变化显示的指导。

2.2ECDIS显示生成器的功能结构

S-52表示库是一组主要以数字形式定义的规范,由符号库、色彩表、查询表和查询规则组成,提供了解码和符号化SENC元素的细节和程序,它把SENC的每个目标及属性与ECDIS显示器上适当的表示方式联系起来,由IHO以S-52附录2“颜色与符号规范”(PC&SS)的附录A形式出版。

表示库的内容由ECDIS显示生成器处理,它作为用于ECDIS系统图形的功能模块,说明了表示库的用法以及如何正确显示S-57结构化的数据。所以要成功地使用表示库,并满足对S-57数据一致性的要求,就要确保显示生成器具有以下能力。

(1)检测一个点物标是否位于第一组(地球表面)中的任何区域物标的内部或外部。一些条件符号程序就是基于这一功能的。

(2)检测两个或多个特征物标是否针对同样的空间物标,如一个区域、线或点。位于同一位置并且共享相同范围(坐标相同)的两个物标将作为一个处理。一组特征物标与一个或一组相同的空间物标的关系对于导出正确的符号来说是必需的。

循环程序从SENC数据库中一个接一个检索物标,特别处理依赖时间(DATSTA、DATEND)或显示比例尺(SCAMIN)的物标。由于SENC不包含物标的颜色和符号信息,必须从物标属性导出符号画法。因此,在检索表中利用物标的属性值来查找适当的符号化指令和显示优先级,这些指令便转译成一系列特定的图形命令。所有物标经过程序循环处理后,显示列表便添入了显示命令。

然后这些命令又被ECDIS图形程序执行,也就是从符号库中装入符号并从颜色表中得到颜色。这种ECDIS显示的生成方法使得航海人员可根据不同的选择(安全等深线、颜色方案、文本显示)来控制显示的内容和外表,其结果是一个动态结果集。

2.3基本图元数据的显示研究

根据空间数据处理的特点和可视化的基本技术,矢量数据的几何图形表示方法通常包括点状符号表示、线状符号表示和面状符号表示等三种。

2.3.1点状符号的显示

点符号有孤立点符号和复合点符号。符号的显示本身由符号的属性及其属性值决定,同一属性不同的属性值将决定不同的符号表现及组合。复合点符号是由多个点符号共同组成一个海图特征物标的情况,由物标的多个属性组合来定义,其定位中心是由各个属性符号的中心叠合在一起生成的。

点状符号用来描述具有定位性质的海图要素,通常具有的特点是:①点状符号都由各自的中枢点表示其位置信息,同时,中枢点也是符号缩放和旋转的参考点,符号的所有元素与该位置具有几何关系;②点状符号的图形比较规则,能用简单的几何图形构成;③点状符号有着明确的定位点和方向性;④点状符号的图形不随定位点位置的变化而变化;

鉴于点状符号的特点,在符号的绘制中,为了使绘制过程简捷,首先设计了一些基本的图元,如直线段、折线段、圆、圆弧、多边形等。通过这些基本的图元来组成各个点状符号。另外,由于在表示库中给定的坐标是以0.01mm为单位的,应将其换算成屏幕所对应的像素坐标。换算方法为:

(表示库中的坐标)÷A

式中,A为屏幕上一个像素的毫米数,其值随分辨率变化。

在具体的绘制过程中,应首先按表示库中给出的数值计算出符号各点与中枢点的偏移量,然后根据符号的实际中枢点与偏移量进行符号绘制。需着重说明的是,其他各类型的符号绘制这一步也是必不可少的。

值得注意的是,表示库提供了用来表示水深点的符号集,而不是将其作为文本标注符号化的。

图1是点状符号的具体实现示例。


2.3.2线状符号的显示

线符号的表达由线空间物标位置和线型决定。线型有两种:简单线型和复杂线型。简单线型是带有各种颜色和宽度的实线、虚线和点线。复杂线型由各种线的图案组合而成。

线状符号的图形特点为:①线状符号有一有形或无形的空间定位线,并由这条空间定位线来表示其海图要素的实际位置;②线状符号由不断重复的基本符号单元构成,也有自己的中枢点并绕它旋转,其方位由线状物标相邻两点间的方向确定;③线状符号在海图上长度依比例尺表示,而宽度不依比例尺表示。

几乎所有的线状符号都可以看作是该线状符号的基本单元按一定的间隔沿定位线循环配制而成。国内外许多计算机制图软件都采用了此种方法,但其存在着一些缺点:如线状符号的最小循环体在定位线拐点处出现断裂、错开、自交、重叠等严重变形的情况,在视觉上不能保持线形连续,不符合格式塔理论的完整性。

为避免上述情况发生,结合表示库的内容,在进行线状符号的绘制时,除借鉴了一些成熟的算法外,还应做以下特殊处理。

(1)一个线状符号的长度为表示库中给定的最大X坐标减去符号中枢点的X坐标。

(2)定位线上的每个定位点都作为基本图元的中枢点(如图2)。

(3)如果相邻两点间不能用完整的图元配置时,则保持该基本图元的长度不变,用简单线型来补充,可使用实线或点虚线。

(4)虚线是每个循环体的分隔线,实际绘图时不显示。


2.3.3面状符号的显示

面状符号的形状由包围物标的边界和其属性决定,主要的图形特点是:①多边形面符有自己的外部封闭轮廓线,含洞的多边形还有内部封闭轮廓线,表示方式是在轮廓线范围内配置不同的点状符号、填充颜色或绘制由线条组成的格网,被填充的图样又称纹案;②面符的大小是按比例表示的,随显示比例尺变化而变化。其内部填充的纹案不包含位置信息,其定位点是根据边界坐标按填充算法即时计算出来的。一般情况下,填充纹案的个数不代表实际要素的数量;③随被填充区域在尺寸上的缩放,填充纹案的疏密程度应能动态变化。

按填充的纹案类型,可分为底色普染法、晕线填充法、居中符号填充法和点符号填充法。

底色法最简单,只需告诉填充函数底色的RGB值,即可按标准图形函数实施大面积的底色渲染。晕线填充法是将一组线状符号按照一定的方向和间距在多边形内部绘制。

居中符号填充法是电子海图所特有的一种表示方式,通常用在交通繁忙、要素密集的地区。具体做法是根据边界性质绘出边界符号,然后计算区域重心,将一个单点符号按重心定位,代表该区域性质。重心的计算公式是:

式中,(X,Y)为几何重心;(Xi,Yi)为边界折点;A为面积。

点符号填充法是将规定的某个点符按一定的横向间隔和纵向间隔在多边形内部进行填充,是一个重复图案填充法,如沼泽、丛草滩等。该种填充类型又分为直线型(linear)和交错型(staggered)。如图3所示。


面状符号填充的经典算法是扫描线算法,该种算法的要点是先计算被填多边形的最小外接矩形[(Mmin,Ymin),(Mmax,Ymax)],将Ymax-Dy作为水平扫描纵向循环的起值,计算直线Y=Ymax-Dy与多边形的交点,在奇数交点与偶数交点之间实施点符填充,填充间隔为Dx,而绘出偶数交点与奇数交点之间是非多边形,则不填。依此法填充直至Ymax-n*Dy<Ymin,(n-1)为已填充的水平线条数。垂直扫描的算法只是将Y换成X即可。另外对交错型填充只是对偶数个填充行的填充起点右移半个步距

3结束语

电子海图是地理信息空间数据或称数字海图最主要的一种可视化形式,其要素的表达是可视化的基础,要素符号化的质量直接影响着可视化的效果。本文以最基本的图元显示技术为主,分别对点、线、面状要素的显示进行了研究,阐述了ECDIS信息表达模型的构成和表现形式。此显示系统具有动态显示的特点,能应对多种条件下的不同显示要求。

随着计算机科学、现代地图学、认知科学和地理信息系统等学科的发展,电子海图可视化技术对地图学和地图的影响会越来越值得关注,同时更会受到相应的促进。