2022, Vol. 47引用本文 |
| 中国海事电子海图分幅标准研究 |  [PDF全文] |
2. 武汉大学印刷与包装系，湖北 武汉，430079;
3. 中国地质大学地理与信息工程学院，湖北 武汉，430074
2. School of Printing and Packaging, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. School of Information and Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
中华人民共和国海事局(简称中国海事)于20世纪90年代开始研制生产电子海图，在2008年9月公开发行2000国家大地坐标系的S-57标准电子海图，2020年1月—10月发行量达290万幅，目前共有520幅电子海图正式对外发行，并被广泛应用于航行、海上交通管理、地理信息等领域[1-6]。
按照纸海图图幅范围进行电子海图分幅，是各海图生产机构从单一纸海图生产转为电子海图生产时的常用方式，也是中国海事目前采用的电子海图分幅方式。
为方便航海用户使用海图，同一比例尺序列的纸海图的相邻图幅间必须要有重叠，同一航海用途的电子海图单元数据不能有重叠，且单元范围必须是矩形。若电子海图按照纸海图的分幅方式进行分幅，必然导致相邻电子海图之间有重叠，需要进行裁切；同时不同航海用途的电子海图数据实际上很难完好拼接。鉴于此，结合电子海图的特点及国际规范的技术要求、显示设备的限制等因素，本文尝试采用电子海图网格化分幅方式对同一航海用途的电子海图数据进行分幅。利用空间网格化的思路展开研究，以解决电子海图与纸海图分幅方式一致带来的问题，使中国海事电子海图更好地服务海洋强国和“一带一路”建设[7]。
1 电子海图单元现状 1.1 比例尺不够系统化中国海事电子海图单元范围与纸海图图幅范围一致，比例尺则以纸海图比例尺为基础，按照电子海图编辑比例尺制作。中国海事电子海图编辑比例尺序列有1∶0.4万、1∶0.8万、1∶1.2万、1∶2.2万、1∶4.5万、1∶9万、1∶35万7种比例尺，而纸海图的编辑比例尺序列有1∶0.5万、1∶0.8万、1∶1万、1∶1.2万、1∶1.5万、1∶2万、1∶2.5万、1∶3万、1∶3.5万、1∶4万、1∶4.5万、1∶5万、1∶6万、1∶7万、1∶7.5万、1∶8万、1∶10万、1∶12万、1∶15万、1∶18万、1∶30万、1∶40万22种比例尺，共540幅海图，其中有些比例尺的海图仅有1幅(如比例尺为1∶0.8万的36135《积米崖港》)。
多种比例尺的电子海图使用同一标准编辑比例尺，直接导致电子海图单元拼接关系凌乱，给生产者和使用者都带来不便。
1.2 嵌套重叠图幅数量多，拼接关系复杂在S-57中规定，电子海图单元数据在同一航海用途中不能重叠[8]。从中国海事纸海图、电子海图比例尺及其对应的航海用途、海道测量产品数据库(hydrographic production database，HPD)生产产品层以及图幅数量对应关系来看，航海用途4和5的图幅比例尺有16种，共464幅，势必造成图幅间嵌套、拼接关系复杂凌乱。制作电子海图的数据来自HPD源数据，一个HPD源数据产品层不能制作两个或多个航海用途的电子海图，同样，一个航海用途的电子海图不能由多个源数据产品层生产，否则会增加电子海图制作的复杂程度。
目前，中国海事出版的540幅纸海图中，因有嵌套重叠而被取消电子海图编绘的有20幅。这些嵌套重叠的电子海图单元不仅存在切割、挖空关系问题，还存在各类海图要素不能完好拼接等问题。
1.3 有效数据(图幅)碎片化随着图幅数逐年增加，尤其是近年来图幅调整频繁，电子海图分幅完全以纸海图为基础，单元图幅相互叠盖，图幅间裁切关系随意，缺乏统一标准[9]。电子海图拼接关系日趋复杂，出现了有效数据范围切割过于零碎等问题，导致实际数据覆盖范围难以判读。
图 1展示了1∶15万的渤海湾水域图幅的拼接和裁剪，可以看出电子海图拼幅切割后呈现碎片化，给电子海图生产、用户订购和使用带来不便。
 |
| 图 1 渤海湾水域1∶15万电子海图拼接裁剪示意图 Fig.1 Diagram of Mosaic and Clipping of 1∶150 000 Electronic Chart of Bohai Bay |
1.4 未充分利用航海用途分层
中国海事电子海图航海用途规则执行国际海道测量组织(International Hydrographic Organization，IHO)的S-65推荐规定。中国海事海图的比例尺众多，但大于1∶0.4万和小于1∶35万比例尺的海图并未出版。在实际生产中，将1∶30万电子海图的标准编辑比例尺由1∶18万改为1∶35万，并将其划分至航海用途2中，航海用途1和6仍未被用到，仅有4在使用。
2 国内外电子海图分幅分析研究 2.1 航海用途的分析研究1) 标准。IHO于1996年发布的S-57(即“数字海道测量数据传输标准3.0”)，提出了航海用途的概念(S-57附录B.1《ENC产品规范》2.1)，但没有明确航海用途的划分规则[9, 10]。2005年3月发布的S-65 1.0版中，首次提出了标准编辑比例尺概念以及航海用途的划分规则。2008年4月发布的S-65 1.1版中，删去了航海用途设置，但保留了标准编辑比例尺的划分规则。2010年发布的S-66(《电子海图基本情况及其配备要求1.0版》)中，在标准编辑比例尺的划分规则中注明“仅供参考”。
在最新的S-101标准中，增加了最大、最小显示比例尺两项，同时取消了电子海图航海用途的设置项。从IHO标准中最早出现的“推荐”，到“仅供参考”，直至“取消”。由此可见，IHO对航海用途的设置是非强制性的，各成员国可自行规定。
2) 划分细则。虽然S-101中取消了航海用途设置项，但是其推荐的最大、最小显示比例尺基本延续了航海用途标准编辑比例尺的设置概念。比较发现，S-101实质上仍以显示比例尺为标准进行电子海图分层。为便于理解和描述，本文仍沿用航海用途概念。
3) 国外航海用途设置方案。虽然IHO在电子海图相关规范中对航海用途的划分给出了推荐性建议，但对美国、日本、加拿大、澳大利亚和法国海图生产官方机构的航海用途设置方案进行分析后，发现各国在航海用途设置方面存在较大差异。没有一个国家的航海用途设置方案与IHO的推荐标准完全一致，都是根据本国实际情况制定相应的电子海图航海用途设置方案。
2.2 国外网格电子海图的分析研究1) 网格划分。电子海图单元必须是矩形的，各国海图生产机构生产的电子海图虽然遵循这一规则，但又不完全相同。近年来，网格分幅已被中华人民共和国香港特别行政区海事处以及日本、澳大利亚、加拿大等采用。
2020年以前，美国的电子海图单元和纸海图单元一致，未采用网格分幅。但是从2017年起，美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)开始酝酿并完善了电子海图网格划分方案。
2) 文件命名。各国海图生产机构电子海图命名规则也不尽相同，都采用8位编码命名，前两位是生产机构代码，第3位是航海用途，后5位则根据各国实际有所不同。
美国电子海图文件名前两位为国家名称(US)，第3位为航海用途，第4、5位为美国各州或地区缩写首字母，第6、7位为单元顺序编码，第8位则是相应纸海图采用的长度度量单位(如M表示米)。美国电子海图单元切割没有固定规律，部分海图需要考虑实际航道用图需求，故其范围会有所不同。
加拿大电子海图文件名前两位为国家名称(CA)；第3位为航海用途；第4位是预留字段，暂时都以7填充；第5位是地区编码；最后3位是单元编号。
日本电子海图文件名前两位为国家名称(JP)，第3位为网格等级，第4位为网格编号，后4位分别为行号和列号，网格编号与电子海图文件名一致。
澳大利亚电子海图文件名命名方式有两种，当航海用途是1~4时，前两位为国家名称(AU)，第3位为航海用途层，后5位根据图幅西南角经纬坐标命名(第4、5位为纬度坐标，第6、7、8位为经度坐标)。当航海用途为5、6时，前3位与上述情况相同，后5位则根据纸海图中的命名规则进行命名。
法国电子海图文件名前两位为国家名称(FR)，第3位为航海用途层，第4~7位为纸海图图号。如果纸海图是单幅图，则第8位为0；如果纸海图是拼幅图，则第8位对应子图序号(A、B、C…)
2.3 香港电子海图网格分幅的分析研究中华人民共和国香港特别行政区海事处采用一种独特的分幅方案进行分幅，即采用互相拼接且互不重叠的长方形进行分幅，而长方形大小不固定，如图 2所示。这种分幅方案既不按网格也不按纸海图范围进行分幅，却能保证电子海图单元在香港区域内有效数据范围的全覆盖，该方式仅适用于范围小、纸海图分布集中的区域。
 |
| 图 2 中华人民共和国香港特别行政区海事处电子海图分幅示意图 Fig.2 Diagram of Division of Electronic Chart of Marine Department of the Hong Kong Special Administrative Region in China |
2.4 网格电子海图分幅特点
虽然各国的分幅方式有所不同，但电子海图单元内均区分有效数据范围和无效数据范围，以解决未测水域电子海图编绘问题。
网格方式只是电子海图的分幅方式，不等同于按网格范围进行全覆盖测量，并未增加测量的工作量，网格电子海图分幅有以下特点：①电子海图单元以矩阵形式排列的矩形网格划分，相互拼接且互不重叠；②网格划分固定不变，一般为整度整分，且不受纸海图图幅范围变动影响；③单元内部有效数据范围不要求全覆盖，可以是任意形状，一般参照纸海图覆盖范围。
3 分幅原则比例尺相近的成套纸海图相邻图幅间要有一定的重叠，这样既能保证每幅纸海图具有独立性，又能连贯使用[11]。与纸海图不同，电子海图单元的空间范围不受限制，理论上可以用一个电子海图单元覆盖同一航海用途全区域。但从电子海图编绘、发行、更新维护以及IHO标准技术，用户所使用的电子海图显示与信息系统(electronic chart display and information system，ECDIS)或电子海图系统(electronic chart system，ESC)的显示速度和实际使用效能等方面考虑，需要分割图幅单元，减少电子海图单元的字节容量，以提高调用速度，降低ECDIS的配置成本。
结合现有电子海图生产模式，研究国外电子海图航海用途设置和电子海图分幅规则及IHO S-101最新标准和命名规则，从编绘发行、技术标准、用户使用等角度出发，充分考虑分幅给现有生产带来的困难，并研究其解决方法，提出电子海图分幅以网格分幅为基础。
在S-57标准中，通过对电子海图单元的航海用途、标准编辑比例尺的确定以及对电子海图数据最小显示比例尺的设置，来控制电子海图单元的加载和显示[12]。因此，ECDIS厂商制定的ECDIS产品的加载与显示效果会有一定差异。
在S-101标准中，为了改进电子海图的显示效果，在电子海图数据属性值中增加了最大显示比例值和最小显示比例值两项属性内容，同时取消了电子海图单元航海用途这一设置项，数据文件命名规则中也取消了代表航海用途的数字。S-101要求“000”文件大小不超过10 MB，因此在进行电子海图网格化分幅时首先要考虑该文件的大小。
在进行电子海图的分幅规划和调整时，应先确定电子海图单元格网为平行经纬线的矩形，还要考虑纸海图图幅、比例尺设计及源数据多级网格数据维护、共享等因素。基于上述原因，电子海图网格分幅原则如下：
1) 尽可能利用现有的电子海图数据(包括源数据和电子海图产品数据)，按网格等级重新划分电子海图航海用途的标准编辑比例尺。
2) 基于HPD数据管理的多级网格制定分幅规则时，充分考虑现有源数据产品层的相关规定，并对其进行优化，提高HPD的管理模式的便捷性，同时兼顾纸海图的制作需求和分幅方式。
3) 充分考虑入海江河狭长的分布特点，电子海图仍可参照纸海图范围进行分幅。
4) 单幅电子海图单元的数据量应小于10 MB (依据S-101标准)，以满足大多数电子海图导航设备的相关要求。
5) 命名规则符合IHO的最新标准S-101。
4 电子海图分幅方案本文以《中国沿海港口航道图规划目录(2017)》为基础，充分考虑未来规划小比例尺海图及南海海域海图的需求，根据电子海图分布的特点，结合电子海图生产现状，提出电子海图网格分幅方案。
4.1 网格等级划分 4.1.1 网格等级划分的必要性网格等级可以理解为航海用途的另一种说法。电子海图进行网格等级划分，能更好地适应新标准，与新标准接轨。中国海事目前没有航海用途为1和6的电子海图，但航海用途为4和5的电子海图的使用较为集中，图幅数量大，造成在相同航海用途中电子海图单元重叠嵌套、不能拼接等问题。
网格等级划分时要避免同一网格内电子海图单元数量集中，并要充分考虑用户的全面需求和中国海事电子海图的应用。在电子海图的分幅中有必要增加综述和一般比例尺系列，形成涵盖6种航海目的和用途的电子海图系列。
4.1.2 网格等级划分的影响因素网格等级划分时主要考虑下列因素：①中国海事未来规划的其他比例尺海图序列；②结合现有海图生产实际，保持与HPD源数据产品层的一致性；③符合S-101标准，且与S-65 1.0版航海用途设置的推荐标准相结合；④尽可能避免电子海图嵌套、重叠而进行裁切挖空等拼接处理。
4.1.3 网格等级划分规则经研究，本文提出中国海事电子海图网格等级与航海用途设置规则，见表 1。
| 表 1 中国海事电子海图网格等级与航海用途设置对应 Tab.1 Correspondence Between Grid Level of China's Maritime Electronic Chart and Settings of Maritime Use |
 |
4.1.4 网格等级划分细则的优点
1) 解决了电子海图间嵌套重叠图幅数量过多的问题。已出版发行的540幅中国海事海图中，因有嵌套重叠而被取消电子海图编绘的共有20幅。当前，中国海事电子海图单元航海用途4中有230幅图(1∶4.5万有59幅，1∶2.2万有171幅)，将其划分成新的网格等级4和5，解决了原来航海用途4嵌套重叠、图幅数量过多的问题。重新划分后，嵌套重叠的图幅大幅减少，仅有4幅，在1∶5万的《港珠澳大桥及附近》取消编绘后，仅网格等级5中1∶3.5万的《兴化水道》和1∶2.5万的《海坛海峡南部》存在嵌套重叠。
2) 充分利用了航海用途6。将原来航海用途5中可用于船舶停靠的港口全部划分至新的网格等级6，这一网格等级中虽然有3个可用的编辑比例尺，纸海图图幅数量达234幅，但由于这些海图所在水域均为港内或港口，比例尺大、独立性强，且多为单独或几幅连续在一起，嵌套、重叠情况较少。
3) 与HPD源数据产品层比例尺区间基本一致，避免出现用两个不同源数据产品层制作同一航海用途电子海图的情况。
4) 为目前正在规划尚未出版的其他序列海图预留了相对应的网格等级。
5)规范了中国海事电子海图网格编号和命名。
4.2 电子海图多级网格分幅根据2020年《中国沿海港口航道图目录》，并参考《中国沿海港口航道图规划目录(2017)》，本文提出中国海事网格电子海图分幅原则，确定中国海事沿海现有的网格电子海图单元范围及名称。
4.2.1 确定网格等级参考百万地形图网格划分规则，对中国海事电子海图的分布特点及沿海海域基本情况进行分析，并充分考虑电子海图单元数据大小及中国海事规划小比例尺图范围，提出以6°(经度)×4°(纬度)大小的范围进行划分。在105°E~129°E、3°N~43°N之间的区域内，共划分出25个初级网格。这个区域能将现有中国海事电子海图及南海海域等重点水域完全包括进来。网格编号从北到南、从西到东依次用大写英文字母A~Y表示。以初级网格为基础，划分出5个不同等级的网格。
1) 初级网格(1级网格)，对应航海用途“综述”系列，参考陆地地形图百万网格的分幅方式，并根据中国海域特点以及今后要拓展的海事电子海图的覆盖范围，从3°N、105°E开始，纬度自南向北每4°为一行，经度自西向东每6°为一列，既能将整个南海水域完全包含在内，又不额外增加网格数量，便于编号。
2) 2级网格，对应航海用途“一般”系列，以3°(经度)×2°(纬度)作为需求旺盛、实用性强的1∶30万比例尺系列海图的图幅格网。
3) 3级网格，对应航海用途“沿海”系列，以1°(经度)×40′(纬度)作为连续的1∶15万沿海系列海图的图幅格网。
4) 4级网格，对应航海用途“近岸”系列，以30′(经度)×20′(纬度)作为近岸1∶5万系列图的图幅格网。
5) 5级网格，对应航海用途“港口”系列，中国海事的港口图大多在1∶2.5万左右，为了方便数据的维护、用户的使用，以15′(经度)×10′(纬度)作为1∶2.5万港口图系列的图幅格网。
6) 6级网格，对应航海用途“码头泊位”系列，以7.5′(经度)×5′(纬度)作为1∶1万左右码头泊位系列的图幅格网。部分内河(如海河、黄浦江)则采用原纸海图图幅大小分幅，方便电子海图编绘生产和用户使用。虽然图幅数量多，但该系列图基本上相互独立(独立的港池、港区、泊位等)。
4.2.2 确定网格电子海图单元确定网格电子海图单元需要遵循以下原则：①电子海图单元网格等级按照中国海事电子海图的网格等级划分规则确定；②如网格内所包含的区域全部为陆地，或者网格仅包含少量水域，该水域如有更小一级网格单元，且数据基本一致，则不生产该网格的电子海图；③当电子海图单元数据嵌套(即同一水域在同一网格等级里有多个比例尺图)时，选取一个主比例尺制作电子海图，另一个比例尺不做电子海图。
根据上述原则确定中国海事各网格等级，网格等级2、3、4、5、6电子海图单元数量分别为32、134、204、473、472，按纸海图范围制作的电子海图单元数量为42，共1 357个单元。
4.3 电子海图网格分幅命名在S-101标准中，电子海图单元数据集文件名为“101CCCC0000000000.EEE”，文件名长度可以是8~17个字符，不再是8位固定不变，文件名中不包含航海用途这一项，各部分意义如下：①前3个字符“101”代表此文件为S-101数据集(强制)；②第4~7位的4个字符“CCCC”为官方生产机构代码(强制)，生产机构代码为2个或3个字符的，剩余部分用0填充；③第8~17位的10个字符“0000000000”是可选的，生产者可以使用A~Z、0~9和“_”这些字符表示；④“EEE”为文件名后缀，电子海图单元新版或再版时使用000，更新则从001开始递增到999(强制)。
1) 按网格分幅命名。中国海事电子海图单元命名方式如图 3所示。其中，网格采用“初级网格编号(1位)+行号(2位)+列号(2位)”(共5位)的形式进行编号，网格等级与电子海图的航海用途一致，所以网格等级即为航海用途。
 |
| 图 3 中国海事电子海图单元命名方式 Fig.3 Naming Method of China's Maritime Electronic Chart Unit |
2) 按纸海图范围分幅命名。深入内陆的江河图，如黄浦江、海河、闽江等的中国海事电子海图，因其过于细长等特殊性，更适合根据纸海图的范围来确定电子海图单元。内陆江河图的电子海图单元命名方式如图 4所示，例如，黄浦江电子海图单元文件名为101CN00644251.000。
 |
| 图 4 内陆江河图的电子海图单元命名方式 Fig.4 Naming Method of Electronic Chart Unit in Inland River Map |
5 结束语
本文对中国海事电子海图分幅以及美国、日本、加拿大、澳大利亚等国家的电子海图分幅现状进行分析和研究，参考IHO最新国际标准S-101的规定，对现有同一航海用途层的单元数据嵌套重叠问题提出了解决方案，提出了用电子海图网格等级划分替代航海用途设置的建议，并确定了网格化分幅电子海图单元的命名方式。该方法的适用性和科学性主要体现在如下方面：①网格分幅方案以现有HPD生产实际为出发点，具备生产技术流程的可操作性，同样适用于现有海图生产模式。②解决了同一级网格中存在嵌套更新的电子海图单元数量过多的问题，嵌套造成的拼接等一系列困扰电子海图生产和使用的实际问题也随之解决。③网格分幅方案既符合中国海事目前电子海图生产实际，又充分考虑了未来规划航海图的需求。④网格分幅方案以最新国际标准S-101为基础，为推进S-101电子海图生产奠定基础。
| [1] |
Liu J. Research and Design of Intelligent Planning System for Ship Route Based on Electronic Chart Display and Information System[J]. Telecommunications and Radio Engineering, 2019, 78(19): 1771-1779. DOI:10.1615/TelecomRadEng.v78.i19.90 |
| [2] |
Guo M Z, Guo C, Zhang C, et al. Fusion of Ship Perceptual Information for Electronic Navigational Chart and Radar Images Based on Deep Learning[J]. Journal of Navigation, 2020, 73(1): 192-211. DOI:10.1017/S0373463319000481 |
| [3] |
张莉, 金一丞, 汪柱, 等. 电子海图的航线多尺度生成方法[J]. 测绘科学, 2011, 36(5): 197-199. |
| [4] |
叶美芬, 陈育才. 基于OGR库的S-57标准电子海图到Shapefile格式的转换[J]. 测绘地理信息, 2020, 45(1): 91-94. |
| [5] |
邬金, 万晓霞, 洛佳男. 地理信息服务在航海中的应用[J]. 测绘地理信息, 2021, 46(5): 122-126. |
| [6] |
邵永强, 施闯, 张文涛. GPS在港口引航中的应用[J]. 测绘信息与工程, 2003, 28(5): 24-26. |
| [7] |
李忠新. S-101电子海图生产系统建设方案分析[J]. 航海, 2019(2): 68-70. |
| [8] |
叶志荣. 关于电子海图单元叠盖拼接问题的探讨[J]. 航海, 2016(5): 65-68. |
| [9] |
赵建虎, 陆振波, 王爱学. 海洋测绘技术发展现状[J]. 测绘地理信息, 2017, 42(6): 1-10. |
| [10] |
万晓霞, 洛佳男, 邬金, 等. S-101电子海图可视化关键技术[J]. 测绘地理信息, 2018, 43(4): 1-7. |
| [11] |
叶志荣. 基于HPD制作电子海图的研究[J]. 航海, 2014(5): 51-53. |
| [12] |
王志云. S101标准与S57标准电子海图产品初步比较[J]. 航海, 2015(2): 51-54. |