随着测绘技术、信息化技术以及GIS技术的融合发展，海洋信息化测绘建立了航天、航空、地面、水面、水下五位一体的数据采集模式^[1]，产生了海量的海洋地理信息数据。这些数据为构建数字地球^[2]和实现海洋空间数据基础设施(marine spatial data infrastructure, MSDI)建设^[3]提供了有力支撑，并可广泛用于海事、资源、环境、生物等领域。然而，长期以来，海洋测绘地理信息数据以S-57数字海道测量传输标准作为唯一标准^[4]，导致海洋测绘地理信息数据只限于电子海图编绘时使用，造成了较为严重的信息孤岛和数据浪费现象。为此，国际海道测量组织(International Hydrographic Organization，IHO)制定发布了IHO S-100通用海洋测绘数据模型(简称S-100)^[5]，其主要目的就是为海洋测绘地理信息提供一个统一的国际地理信息数据标准^[6]，保证海洋地理信息与其他标准地理信息的交换和共享，拓展海洋测绘地理信息的应用广度和深度，提供更多的海上地理信息产品和服务^{[7, 8]}。

从应用角度讲，S-100最重要的意义就是构建了新一代电子海图及相关数字化海事产品和服务的基础框架，为数字航海(如e-Navigation、e-Port、e-Maritime)提供丰富、标准、基于位置、环境感知的地理信息产品和服务，如电子海图、网格化水深、表层流、气象与天气、海冰信息等^[9]。在这些产品和服务中，S-101电子海图处于应用的核心地位，其他数据(除S-401外)均会以一种叠加或融合(可视化互操作)的方式“覆盖”在电子海图之上进行综合显示^[10]，这种显示方式在e-Navigation^[11]中被称为Single-Window模式。Single-Window是新一代电子海图显示与信息系统(electronic chart display and information system，ECDIS)必须实现的基于S-100的多源异构数据可视化与互操作解决方案。可视化是S-101电子海图应用的前提条件，相比于S-57电子海图，两者在可视化的概念、模型、处理方法等方面均发生了改变，现有的基于S-52(电子海图显示与内容规范)^[12]的方法已不能完全适用于新一代电子海图生产与应用。对此，本文通过分析S-100的图示表达机制，分析了S-100图示表达技术在电子海图可视化中的应用方式，着重研究了S-101图示表达目录、符号系统、图示表达规则、绘制指令等关键技术, 并进行了测试。其主要目的是为新一代S-101电子海图的可视化显示和互操作开发与应用提供理论与技术实现方法。

1 S-100图示表达机制 1.1 处理模型

S-100使用图示表达(portrayal)这一概念来表示空间数据的可视化处理方式^[13]。图示表达源自ISO/TC211地理信息系列标准中的ISO 19117:地理信息图示表达(Geo-graphic information-portrayal)标准，S-100图示表达可视为该标准的一个专用标准(profile)。S-100图示表达提供了一套标准化的数据可视化处理模型，如图 1所示。基于S-100的数据产品和服务可以根据自身需求对模型予以实现。

S-100图示表达处理模型的整个流程如下：①地理信息要素数据按照特定模式转换为可视化数据；②可视化数据利用图示表达规则处理器对数据进行处理，转换为绘制指令；③绘制指令利用计算机渲染引擎将数据在设备屏幕中进行显示。在整个流程中，数据从输入到输出均采用XML(extensible markup language)技术定义。其中，要素数据需要根据特定的要素输入模式(XML Schema)进行编码转换，输出为XML编码格式的可视化数据；规则处理器采用XSLT语言定义，规定了可视化数据向绘制指令转换的规则，即将一种XML结构转换为另一种结构；规则处理器还可以通过外部的环境设置(用户自定义)对指令的输出加以控制，从而满足更多的需求；绘制指令包含了地理信息空间数据要素实例的符号定义映射，同样采用XML编码，具有相对固定的编码模式。

1.2 图示表达目录

S-100图示表达将规则处理器、符号定义(包含线和面样式)以及其他可视化的基本组件(如字体、颜色等)封装在一个概念中，即图示表达目录(portrayal catalogue)。图示表达目录包含了地理信息要素数据可视化的所有要求，它使用一种XML编码的映射文件将图示表达目录中的可视化组件连接在一起。映射文件相当于一个图示表达索引文件，它定义了一个数据产品中所有要素类型和空间几何类型的可视化参数。每一种S-100数据产品都需要构造自己的图示表达目录，规定可视化显示所需的符号、规则、字体、颜色等内容。

但S-100数据的可视化并非仅依据图示表达目录就可以实现，它需要与通过要素目录协同工作。要素目录包含了一个数据产品中所有要素、属性、要素关系、空间关系等内容的描述，通常采用XML编码，它是对S-100通用要素模型(general feature model，GFM)的具体实现。要素目录与图示表达目录通过要素类型的缩略词(6位编码)、属性值或空间几何特征将要素与符号进行绑定。S-100图示表达为点、线、面3种空间几何分别定义了符号的处理规则。点状几何的空间数据采用SVG(scalable vector graphics)符号编码绘制，线状几何和面状几何均采用XML编码，线状几何通常需要定义线的起点、终点、虚实及相关样式，面状几何主要定义填充的图案或者颜色。

S-100图示表达绘制指令是空间数据与最终设备渲染输出的一种中间数据。S-100定义了各种空间几何的绘制指令模型，将显示设备模拟为一个显示平面，利用坐标参考系统、视图组、优先级等概念控制空间数据的输出显示。绘制指令中包含了空间数据的符号映射规则，当没有符号可以采用时，S-100提供了一种增强几何的概念，它由图示表达规则器中的图示表达函数绘制形成。

纵观整个S-100图示表达机制可以发现，空间数据的可视化流程以及结构沿袭了S-57与S-52中的内容和要求，图示表达相当于两者的结合，区别在于实现过程中的编码转换。图示表达目录将文字描述的图示表达规则、明文描述的符号和样式、DAI文件编码的表达库^[14]均以XML相关技术实现，既保证机器可读，同时也不影响人类可读。统一编码、协同而又独立运作的图示表达目录和要素目录对于应用与实现十分灵活，同一版本的要素目录通过采用不同版本的图示表达目录可以扩展出更多的可视化效果。

2 S-101电子海图可视化基础 2.1 可视化框架结构

S-101电子海图^[15]可视化是对S-100图示表达机制的一种实现，同时由于S-100图示表达是S-57与S-52的结合，因此可以说，S-101电子海图可视化是对S-100图示表达的完整实现。S-101电子海图图示表达目录涵盖了S-100图示表达中的所有概念，其构成框架如图 2所示。S-101图示表达流程与S-100图示表达流程完全一致：ISO 8211编码的电子海图数据需要根据要素输入模式进行编码转换，形成图示表达规则可以处理的XML格式，图示表达规则这种XML格式转换为绘制指令。

2.2 图示表达目录映射文件

映射文件包含了电子海图图示表达规则、符号系统、颜色定义、位图、字体文件的引用以及电子海图可视化控制内容。映射文件编码基本结构如表 1所示，< portrayalCatalog>节点代表XML文件的根节点，定义映射文件的版本、特定用途数据的标识(S-101)、用途以及所使用的XML命名空间等内容；< pixmaps>、< colorProfiles>、< symbols>、< lineStyles>、< areaFills>、< fonts>、< rules>是对图示表达目录中实体文件的引用节点，分别代表位图文件引用节点、颜色定义文件引用节点、点状符号文件引用节点、线状样式文件引用节点、面填充样式引用节点、字体文件引用节点、可视化规则文件引用节点；< viewingGroups>、< foundationMode>、< viewingGroupLayers>、< displayModes>、< displayPlane>是可视化控制节点，包含了分组分层和显示模式的可视化组织逻辑；< context>是环境参数，用于用户外部可视化设置使用。物理实体文件引用节点、可视化控制节点和环境参数均是映射文件的二级节点，即 < portrayalCatalog>的直接子节点。每个二级节点下需要包含更加详尽的逻辑和约束。

2.3 数据加载

由于可视化处理引擎仅支持XML等树形结构编码的要素数据输入，因此ISO 8211编码的电子海图文件在加载前首先应根据要素数据的输入模式进行编码。要素输入模式与电子海图的文件记录结构类似，包括数据集通用信息记录、数据集坐标参考系统记录、信息类型记录、空间几何记录、要素类型记录5大类，每一类记录中的数据都依据绘制指令列表采用有序ID号进行标识。因此可以通过实现图属联动功能实时查看特定ID的要素可视化显示效果，如图 3所示。

要素目录和图示表达目录是S-101电子海图可视化显示的必要文件，因此，在加载S-101电子海图时，除了电子海图数据集文件外，还必须选择电子海图所使用的要素和图示表达目录。根据S-101电子海图数据交换要求，两个目录需要封装在电子海图交换目录中，与数据集一同交付。基于不同版本的要素目录或图示表达目录，电子海图的可视化效果会发生变化。

另外，S-101电子海图加载策略也与S-57不同。S-101采用了GIS中最有效的最大最小比例尺控制方法，要求数据生产者必须赋予元要素最大和最小显示比例尺，地理要素则必须赋予最小显示比例尺，这就有效解决了S-57中使用航海用途、编辑比例尺、最小比例尺带来的显示效果差异问题^[16]。

3 符号系统与可视化控制 3.1 海图要素符号

电子海图数据以离散的要素形式进行组织，因此要素符号的设计也以要素类型为单位独立设计。传统上，ECDIS中的符号采用TrueType形式保存和绘制，这是一种基于像素的栅格型符号，当超过绘制比例尺时，符号会产生失真效果，如图 4(a)所示。栅格符号在用作可视化处理时，用户的直观体验不佳，在处理比例尺缩放过程时也较为复杂(保存不同绘制比例尺的TrueType符号)。相比较而言，矢量符号可以有效避免失真问题，可以进行无极放大，如图 4(b)所示。

电子海图要素数据符号变化具有以下3种情况(表 2)：①基于要素类型的符号；②基于属性值的符号，相同要素类型但属性不同，其符号也会不同；③同一要素类型或属性值在不同比例尺下，几何形状的综合会导致符号的变化，如面状的岛屿综合称为点状要素。

S-101使用SVG编码点状符号，使用XML定义线状样式和面状填充样式。SVG是一种XML编码格式的矢量图形文件，通过几何节点(矩形、圆形、路径)和层叠样式表(cascading style sheets, CSS)控制图形的外观。线状样式通过XML节点定义画笔的颜色、虚实、符号(SVG)及位置进行绘制；面状填充则通过引用符号(SVG)，在面几何内部定义符号的填充规则进行绘制。除新增的要素类型外(如AIS(automatic identification system)航标)，S-101电子海图的符号系统均来自于S-52符号库。

3.2 颜色与样式定义

从色彩学角度出发，不同的光照条件下，物体的外观会产生相应的变化。这对于自然条件较为恶劣的海上船舶导航系统来说极为重要。由于白天光线充足，ECDIS应尽可能地保持高亮度可视化显示，以便人眼可以分辨和看清电子海图。黄昏光线相对昏暗，ECDIS应相对降低亮度，而晚间在没有光照条件的情况下，ECDIS则应保持低亮度显示，否则会造成盲视现象。同理，电子海图要素符号的颜色在不同光照条件下也应分别设置，从而在不同的光线强弱下，选择最适合的颜色进行显示，突出显示重要要素，降低或弱化辅助要素的显示。为此，IMO(International Maritime Organization)与IHO对ECDIS的功能和性能标准进行了规定，要求ECDIS需要具有处理白天、黄昏和黑夜不同光照条件的可视化显示模式切换功能，如图 5所示。

颜色定义即是用于设置海事空间数据要素符号的颜色以及白天、黄昏和黑夜符号的样式。控制文件包含5个部分，即颜色定义、标准颜色样式、白天颜色样式、黄昏颜色样式以及黑夜颜色样式。

颜色定义采用XML格式编码，将电子海图可能用到的颜色和要素通过设备无关的色度坐标(xy)和亮度(L)以及标准RGB颜色进行定义，并分别设置白天、黄昏和黑夜的颜色变化，如图 6所示。

本文总计定义了67种颜色，覆盖海事空间数据要素需要的全部颜色需求，相比于IHO S-52增加了船员可自设的4种颜色，如表 3所示。

标准颜色样式、白天颜色样式、黄昏颜色样式以及黑夜颜色样式使用CSS定义了若干用于点、线、面符号外观显示的类，同样也包含67种颜色，并分别设置线条边框和内部填充的样式类。点、线、面符号和样式可以通过引用上述4种样式表来控制符号的颜色。其中标准颜色样式与白天颜色样式相同，用于点状符号的颜色设计。

3.3 视图控制

可以把计算机或ECDIS等图形输出设备的屏幕想象成一个三维画板，使用二维空间平面展示电子海图(显示面板)，在三维上通过视图组和优先级组织和控制堆栈中待显示的电子海图要素，这就是绘制控制的概念，如图 7所示。

显示面板相当于一张二维画板，除了可以负载电子海图数据的可视化，另一项重要的功能是以雷达图像信息为界将要素进行分离，表达为雷达图像之上显示和雷达图像之下显示，如图 8所示。

视图组是一种显示控制组件，其内部由绘制指令填充，绘制指令作为一个整体进行表达。视图组可以进行开、关操作，即显示、不显示，同时也具备条件过滤功能。另外，视图组还可以聚合成为视图组图层(layer)，视图组图层可以聚合成显示模式(基本、标准、其他)，如图 9所示。这两种聚合均是S-100图示表达目录的一部分。可视化优先级是控制绘制指令渲染处理顺序的一种控制手段，优先级越高的指令，其优先级数值越小，从而在第一时间进行可视化处理。

4 图示表达规则与绘制指令

电子海图要素目录记录了海图中每一种要素数据的标识信息，映射文件通过查找标识信息将要素数据与图示表达规则进行绑定，当可视化处理引擎接收到某条要素数据时，就可以使用特定的图示表达规则将图示信息输出为绘制指令。因此，S-101电子海图的绘制指令由图示表达规则生成，图示表达规则定义了绘制指令的结构和内容。

为了适应各种环境条件下的电子海图可视化，ECDIS除了需要考虑光线对可视化的影响外，还需要考虑电子海图符号的简繁化和符号样式问题。电子海图符号的简繁化和符号样式可以为船员提供简化符号、简单符号以及纸海图符号样式，使船员可以更加专注于某类或某个要素的状态信息，如图 10所示。S-101通过图示表达规则中的XSL(extensible stylesheet language)模板来实现这种符号样式的自由切换。S-101图示表达规则定义了两级模板：第一级模板(顶层模板)用于定义简化符号、简单符号以及纸海图符号样式的内容；第二级模板(子模板)用于具体规定每一种图示表达规则的处理方法。顶层模板是子模板的容器，通过包含不同组合的子模板实现电子海图符号的简繁化和符号样式切换。子模板根据其作用可以划分为通用规则模板和符号规则模板两类：通用规则模板包括属性规则、文本样式规则、简单线样式规则以及条件选择选择符号规则，符号规则模板包含了电子海图要素在点、线、面几何形态下对应于简化符号、简单符号纸海图符号的符号样式。

S-101电子海图图示表达规则为要素目录中每一种具有空间几何特征的要素类型均定义了相应的图示表达规则。图示表达规则使用XSLT(XSL transformation)语言编码，可视化数据通过XSLT转换输出为一个有序的指令列表，里面包含了要素数据的可视化所需的所有点、线、面、文本、覆盖以及增强几何等绘制指令。绘制指令是一种具有相对固定节点结构的XML编码文件，其中点、线、面指令均需要包含要素引用信息(要素ID)、空间参考(仅针对具有方向的线)、所属视图组、显示面板(雷达上或下显示)、优先级以及符号或线、面样式信息；文本指令额外需要增加关于要素名称、文本定位和偏移量、文本样式等信息；覆盖指令和增强几何绘制指令用于绘制覆盖类型数据以及动态空间几何，S-101暂未涉及，本文不作探讨。

5 结束语

本文通过对S-100图示表达处理模型的解析，分析了其在新一代电子海图中的应用模式，着重研究了电子海图的可视化框架、图示表达目录、映射文件、符号系统、颜色定义、视图控制等若干关键技术，并通过实验展示了电子海图可视化各种控制手段和显示效果。实际测试表明，S-101电子海图的可视化虽然在显示效果上与S-52并无明显差别，但基于人机可读的XML编码的图示表达处理方式相比于S-52的DAI绘制指令文件在实现手段上更加灵活和易于控制。基于S-52标准的电子海图显示系统既可以通过将绘制指令转换为惠普图形语言(hewlett package graphics language, HPGL)指令等图形语言描述，然后利用操作系统相关的图形API(application programming interface)渲染输出，也可以直接将绘制指令转换为图形API渲染输出。

Single-Window要求ECDIS应具备在电子海图的基础上叠加显示其他数据产品或服务数据的能力，这种模式与GIS中以图层管理的简单叠加方式具有较大差别。电子海图中的要素可能与其他数据产生冗余、空间误差、不一致、时效性差别等多种问题，因此关于多源数据的可视化互操作是S-101电子海图可视化下一步研究工作的重点。