李 穎 劉志晨 蔡小華

1 大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連，116026 2 大連海事大學(xué)環(huán)境信息研究所，遼寧 大連，116026

近年來，船舶的智能導(dǎo)航已成為航運(yùn)界的發(fā)展趨勢［1，2］。電子航海圖（electronic navigational chart，ENC）在通用空間信息平臺下的轉(zhuǎn)換與共享是實(shí)現(xiàn)船舶智能航行的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。在通用空間信息平臺下以ENC 為底層，整合多源船舶航行環(huán)境信息是船舶智能導(dǎo)航的首要待突破問題。

目前，國內(nèi)外均有針對船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)分析與轉(zhuǎn)換的研究。美國ESRI 公司的Nautical 模型提供了ENC 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布的研究方案，使用ArcGIS 中的S-57 海圖模塊能夠直接顯示.000格式的ENC，但是只提供顯示功能，不便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與空間分析研究。美國MapInfo 公司在ENC 平臺與船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）上進(jìn)行多源數(shù)據(jù)空間分析嘗試；意大利海洋科學(xué)院研究了船載雷達(dá)與多源傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（electronic chart display and information system，ECDIS）能夠顯示不同比例尺下的ENC，從而完成航線設(shè)計(jì)與航路監(jiān)視，保證船舶安全航行。然而，ECDIS 無法在通用地理信息環(huán)境下整合海上航行空間信息。有學(xué)者從航海物標(biāo)源數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了航行物標(biāo)空間數(shù)據(jù)從海道測量產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫（hydrographic production database，HPD）轉(zhuǎn)換至地理信息文件的轉(zhuǎn)換技術(shù)［4，5］；也有學(xué)者通過S-100 建模框架及產(chǎn)品規(guī)范制定流程［6］，解析了圖像和網(wǎng)格各類型的空間模式；還有學(xué)者基于網(wǎng)格覆蓋的空間模式分析了S-102 水深屬性網(wǎng)格數(shù)據(jù)的組成［7］，并取得了初步研究成果。海上多源航行信息的融合與集成技術(shù)正在逐步提升［8，9］，地理信息技術(shù)也在持續(xù)為航海領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)服務(wù)［10］。但是ENC 信息的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表示形式等有所不同［11，12］，因此，解決ENC在通用空間信息平臺下的共享問題，是實(shí)現(xiàn)多源航行環(huán)境信息整合的關(guān)鍵。

本文研究了ENC 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)模型，對ENC 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了ENC 數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換及其在通用空間信息平臺下的轉(zhuǎn)換與共享。

1 ENC 數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)換

1.1 數(shù)據(jù)解析

1）結(jié)構(gòu)解析。ENC 數(shù)據(jù)按字串式存儲，圖1 展示了其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)的屬性表中存儲了通用信息記錄、空間參考等信息，但缺少比例尺、范圍等。ENC 數(shù)據(jù)主要有ENC、IENC、IENC Overlay 等類型。

圖1 ENC 數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic Data Structure of ENC Data

物標(biāo)信息是ENC 數(shù)據(jù)的重要組成，ENC 數(shù)據(jù)中的物標(biāo)存儲結(jié)構(gòu)包括屬性、綜合、屬性驗(yàn)證、表示驗(yàn)證、編輯歷史等。其物標(biāo)存儲結(jié)構(gòu)見圖2。ENC中的物標(biāo)按照點(diǎn)、線、水深等進(jìn)行存儲，采用的是非面向?qū)ο蟮姆绞?。不同的ENC 數(shù)據(jù)中，物標(biāo)的表示信息存儲在不同前綴的表中。

圖2 ENC 產(chǎn)品數(shù)據(jù)物標(biāo)存儲結(jié)構(gòu)Fig.2 Object Storage Structure of ENC Product Data

2）模型解析。ENC 數(shù)據(jù)的專題庫按字串式存儲，通過專題庫對制作過程導(dǎo)出的ENC 數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。其具體數(shù)據(jù)模型見圖3。

圖3 ENC 專題數(shù)據(jù)模型Fig.3 Model of ENC Thematic Data

根據(jù)ENC 專題數(shù)據(jù)模型，每條ENC 數(shù)據(jù)有對應(yīng)的完整物標(biāo)內(nèi)容，物標(biāo)中包含了完整的矢量信息，如坐標(biāo)、屬性等。

按照ENC 專題數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)了ENC 數(shù)據(jù)的專題屬性表，進(jìn)一步保存ENC 數(shù)據(jù)中的屬性內(nèi)容，主要包括ENC 數(shù)據(jù)的基本信息、物標(biāo)信息、數(shù)據(jù)拓?fù)渚€表和導(dǎo)出文件表，具體如表1 和表2 所示。

表1 ENC 基本信息與數(shù)據(jù)物標(biāo)信息Tab.1 Basic Information of ENC and Information of Data Object

表2 ENC 導(dǎo)出文件與數(shù)據(jù)拓?fù)渚€段Tab.2 Export Files and Data Topology Line Segments of ENC

1.2 ENC 數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換技術(shù)

根據(jù)ENC 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建其讀取與轉(zhuǎn)換方法，從而完成ENC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過解析ENC 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息，設(shè)計(jì)ENC 數(shù)據(jù)的專題屬性表，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)ENC 數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換引擎技術(shù)。圖4 展示了ENC 數(shù)據(jù)的讀取方式。先讀取物標(biāo)的空間信息，例如坐標(biāo)系、比例尺、與線段的拓?fù)潢P(guān)系，再循環(huán)遍歷所有物標(biāo)的屬性信息，達(dá)到讀取的目的。

圖4 ENC 數(shù)據(jù)的讀取方式Fig.4 Reading Method of ENC Data

圖5 展示了ENC 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換流程。首先讀取ENC；然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果，導(dǎo)出的結(jié)果包含4個文件，即ENC 版次文件、ENC 導(dǎo)出文件、拓?fù)渚€段輸出文件、ENC 基本信息文件；最后將結(jié)果在空間信息平臺下進(jìn)行顯示。轉(zhuǎn)換后的ENC 文件編碼中包含數(shù)據(jù)的生產(chǎn)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品ID、產(chǎn)品版本ID、產(chǎn)品名稱等信息，以LINE 結(jié)束的為拓?fù)渚€段文件。

圖5 ENC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.5 Conversion Process of ENC Data

2 ENC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)例

根據(jù)本文提出的ENC 數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換技術(shù)，對大連部分海域進(jìn)行解析與轉(zhuǎn)換。 本文基于Open-JUMP 1.8.0、Oracle11g、Java 7 開發(fā)環(huán)境，結(jié)合空間信息平臺ArcGIS 進(jìn)行設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)換。圖6 展示了大連部分海域的ENC 數(shù)據(jù)，其中帶有詳細(xì)的海圖信息。

圖6 大連部分海域的ENCFig.6 ENC of Partial Sea Area in Dalian

通過ENC 數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換方法對海圖中的各地理要素（點(diǎn)、線、面、水深）進(jìn)行解析，并讀取要素間的拓?fù)湫畔?。循環(huán)遍歷ENC 中每個航海物標(biāo)的坐標(biāo)、水深值等屬性信息，將其轉(zhuǎn)換為ArcGIS 所支持的.shp 格式的文件。但是直接轉(zhuǎn)換過來的海圖丟失了很多信息，如符號顯示和投影信息等重要信息。而海圖位置信息及屬性信息并沒有丟失，存儲于屬性表中，每個物標(biāo)或者區(qū)域所對應(yīng)的屬性表中的參數(shù)信息是按照S-57 字串式記錄的。屬性表中數(shù)據(jù)的可讀性不強(qiáng)，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)ENC 數(shù)據(jù)都是由英文縮寫或者代表性數(shù)字存儲的。例如，燈標(biāo)顏色對應(yīng)的屬性字段為“COLOUR”，“1”代表其顏色為白色，“3”表示紅色，“4”表示綠色，而“6”表示黃色；沉船的類別對應(yīng)的屬性字段為“CATWRK”，值為“1”代表該沉船為非危險(xiǎn)沉船，值為“2”則代表該沉船為危險(xiǎn)沉船，在其附近航行時(shí)需要注意不要與其距離過近。

為了提高數(shù)據(jù)的可讀性，利用ArcGIS 中的Arc-Catalog 將.shp 格式的數(shù)據(jù)整理到空間數(shù)據(jù)庫中，并給英文名稱的圖層賦上對應(yīng)要素的中文名稱。轉(zhuǎn)換后的ENC 數(shù)據(jù)保留原英文縮寫名稱，與S-52 和S-57規(guī)范對應(yīng)，而將中文名稱設(shè)置為要素別名。

此外，本文綜合考慮IHO 的海圖符號國際顯示規(guī)范［13］，利用ArcGIS 下的.style 格式符號庫對丟失的空間視覺信息進(jìn)行符號化顯示，包括點(diǎn)狀符號、線狀符號、面狀符號三大類。其中，面狀符號又包括邊線符號和內(nèi)部填充符號。針對不同類型的要素（如航標(biāo)、燈標(biāo)等點(diǎn)狀要素，等深線等線狀要素，陸地、錨泊區(qū)等面狀要素），將符號化分為簡單符號化、點(diǎn)狀物符號化、線狀物符號化和面狀物符號化4 類。為每一個要素編寫一個函數(shù)，符號化函數(shù)個數(shù)在20～60 之間。圖7 為GIS 平臺下的ENC 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。此時(shí)，海圖數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到顯示的處理基本完成。

圖7 GIS 平臺下ENC 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.7 Conversion Result of ENC Data Under GIS Platform

3 結(jié)束語

針對目前ENC 數(shù)據(jù)無法在通用空間信息平臺下進(jìn)行讀取與顯示的局限性，本文對ENC 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了解析，研究了ENC 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了ENC 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化顯示及其在通用平臺下的共享。該技術(shù)可應(yīng)用于ENC 數(shù)據(jù)在通用空間信息平臺下的存儲與顯示，為未來智能航行提供底層信息支持，為建設(shè)以ENC 為底層的智能航行電子矢量圖打下了基礎(chǔ)。