基于国际标准的电子海图显示系统设计

基于国际标准的电子海图显示系统设计①
许兆新1)　方　明1),2)　徐　婧1)
(哈尔滨工程大学1)　哈尔滨　150001)　(武汉数字工程研究所2)　武汉　430074)
摘 要
针对开发标准化电子海图显示信息系统所需解决的相关问题进行了研究。

论文给出了基于国际标准的电子航海图系统的设计方案,并采用先进的面向对象程序设计技术,实现电子海图显示系统的无缝拼接、自适应显示和信息查询等模块。

本系统可以作为标准系统电子航海图系统的地理信息显示平台。

关键词:航海　标准化　电子海图显示与信息系统　S-57　自适应显示技术
中图分类号:U661.21
Study on Electronic Chart Display System
Based International Standard
Xu Zhaoxin1)　Fang Ming1),2)　Xu Jing1)
(Harbin Eng ineering University1),Harbin　150001)
(Wuhan Digital Engineering I nstitute2),Wuhan　430074)
A bstract:T he thesis studies some problems about developing standard electronic chart display and information sy stem.T he design scheme of electronic sailing chart system based international standard has been brought out.Further more,adopting ad-vanced oriented object technology,pulling chart together without slot mo dule has been developed,so as to adapt oneself display and information query.T his sy stem w ill be a platfo rm of standard sailing G IS.
Key words:Naviga tio n,Standard,ECDIS,S-57,display adapting oneself
C lass number:U661.21
1　引言
电子海图显示与信息系统是近年来新兴的一种导航设备,它不仅能将海图信息、导航信息以及雷达目标等信息在同一屏幕上叠加显示,而且还具有独特的数据结构,便于分层显示、快速调用、叠加雷达等信息,以方便航海人员使用。

为适应国际海事组织制定的有关电子海图显示与信息系统(Electronic Chart Display and Infor-mation System,ECDIS)国际标准的推广应用,美国、加拿大、英国、俄罗斯、挪威、德国、意大利等国的海运、测绘部门也相继开展了ECDIS的技术标准工作,国际电子海图正向着国际标准化方向迅速发展。

2　电子海图标准化概述
《S-57篇IHO数字海道测量数据传输标准》IHO S-57第三版(1996年11月由IHO发布并声明4年内不再修改)描述了用于各国航道测量部门之间的数字化航道测量数据的交换以及向航海人员、ECDIS的生产商发布这类数据的标准。

旨在对各国海道部门之间用于交换数字化海道数据以及将这些数据传递给生产厂家、航海者和其它数据用户的标准加以说明。

S-57标准分为三个部分[1,2]:
第一部分:标准概述及参照标准表和术语定义表;
第二部分:理论数据模型;
第三部分:定义了实现数据模型所用的数据结构和格式,并定义了数据编码的基本规则。

ECDIS海图内容与显示规范(即S-52规范)研制开发的颜色、符号及其它适当表示方法,是ECDIS清楚、明确地表示海图信息的依据和标准。

S-52规范确保了不同型号的ECDIS间的统一
①收到本文时间:2005年1月10日
性,以避免混乱。

S -52规范具有充分的理论依据,以便在证明其中观点有误时,为制定修正案提供帮助。

S -52为将S -57中抽象描述的物标有效地显示在ECDIS 屏幕上提供了必要的信息,它解释了ECDIS 表示库各部分之间的相互关系,符号的显示方法以及符号库的传递规则。

特别是S -52规范中的表示库对S -57数据概念和方法的处理,对于ECDIS 的设计者有着重要的影响。

S -52标准包括以下几个部分[3,4]:(1)ECDIS 海图内容和显示规范;(2)附录1.ENC 更新指南;(3)附录2.颜色和符号规范;(4)附录3.ECDIS 相关术语集。

3　基于S57标准的电子海图显示系
统结构
[5]
系统电子航海图的总体要求:
1.符合IHO 数字海道测量数据传输标准,即
IHO S -57标准
2.支持IMO ECDIS 性能标准
3.支持电子海图内容与显示规范即IHO S -52标准
基于此要求,我们设计了基于S -57格式数据文件的ECDIS 构成如图1所示
:
图1　基于S -57格式数据文件的ECDIS 构成
4　系统开发
该系统硬件采用PENTI UM Ⅲ800MHZ 主机
板,基于Window s 平台,用先进的面向对象程序设计方法,采用Visual C ++6.0为开发工具进行开发的。

为了保证系统有较好的可移植性,编码过程中基本使用的是标准C 或C ++语言,只在图形操
作部分使用了MFC 类库的函数。

软件开发过程中设计了合理有效的系统电子航海图结构,引入了海图空间检索技术、显示缓冲技术、位图链表和复制填充技术等,实现了海图的
自适应显示、多幅海图快速无缝拼接、海图切换以及信息查询等功能。

系统采用自上而下的设计方法:用ECDIS 类作为最上层集中管理海图显示所需全部信息。

ECDIS 类中包括成员S -52类和S -57类以及用户控制参数类,S -52类管理颜色表、对照表和符号库,S -57类管理海图文件、坐标变换和系统电子航海图,用户参数类管理可被用户控制的各种参数。

图2为ECDIS 显示生成器的操作流程。

5　系统设计关键技术研究
5.1显示模型
与纸质海图不同,ECDIS 系统必须要考虑船员的选择对海图显示的影响,系统应可以根据船员的选择更改屏幕显示内容,例如安全水深、时间变
化以及传统或是简化符号等。

因此,显示模型不仅要包含符号的颜色和画法定义,还要包括符号动态显示处理的说明[6]。

ECDIS 显示模型主要有两部分构成:
图2　电子海图显示系统功能结构图
(1)ECDIS 表示库。

将物标描述转化为符号说明所需的颜色表、点、线和面符号画法说明以及查找表。

(2)显示驱动。

是一种可编程结构的描述,作为ECDIS 系统图形的功能模型,解释了符号库基
本要素的使用方法和正确显示S -57数据结构的方法。

S -52规范中的表示库在ECDIS 显示中会将每一个系统电子航海图物标的分类、属性与适当的表示方法结合起来,它包含了S -52规范的所有细节,因此表示库是设计系统电子航海图的重要依据。

其组成如下
[3]
:
(1)ECDIS 符号库,包括IEC 的导航符号;(2)ECDIS 的颜色表,包括晴天、阴天、黄昏、
夜晚和晚上五类;
(3)查找表,通过符号说明的方式将SENC 物标解释为适当的颜色、符号、IMO 分类、显示优先级、雷达覆盖和显示分组;
(4)为下列情况提供条件符号过程:依赖于环境的符号显示,如航海人员对安全水深的选择,画法过于复杂而无法用查找表定义;
(5)符号的画法说明;
(6)航海人员导航物标,说明方式与海图符号说明相同,方便ECDIS 处理;(7)增补物标,颜色差别检测表和颜色校准软件。

组合上述部分形成ECDIS 显示的指南。

5.2条件符号
条件符号库是S -52最有生命力和表现力的部分。

条件符号是将海图符号复杂情形简单化的一种有效解决方案,它依赖于航海人员设定的条件参数来确定的符号化指令,也就是能够动态创建指令。

需要说明的是,水深数据不作为文本符号处理。

符号库为水深数据设计了一组条件符号用于显示水深数据。

文本符号不进行旋转操作。

面状符号的文本的轴点位于面状符号的中心,线状符号的文本的轴点位于线状符号的中心。

5.3查找表
符号库的查找表提供了物标的显示方法说明。

共有五个查找表:纸质海图点符号;简化点符号;线符号;简单边界符号;符号化边界符号。

图3说明了根据系统电子航海图数据显示S -57物标的过程。

表示库只提供了单独的要素(符号库、查找表等),而没有将要素联系起来,因此ECDIS 的开发者要编写程序实现这些要素之间的连接。

5.4自适应显示技术5.4.1自适应比例尺选择显示
S -57格式海图在不同比例尺下显示的内容是不同的,随着比例尺的增大海图显示的信息随之增多,通过海图文件的符号记录中的SCAM IN 字段控制,该字段指出了符号需要显示时的最小比例尺。

因此,当海图进行缩放时,我们判断每个符号是否需要显示,这样实现了海图自适应比例尺显示策略。

5.4.2海图分层显示
根据层号属性由用户选择显示符号的类别。

根据海图要素的属性信息(在S -57格式的ENC 中描述)和用户输入的安全等深线以及安全深度将SENC 中的信息进行上述分类,以便在海图显示时
减少信息的筛选所需的时间,提高显示速度。

图3　ECDIS 显示生成器的操作过程
5.4.3依据海图优先级显示
我们在画图指令形成链表后,对其按优先级顺序排序,由小到大,优先级越大越后画,在画图时按链表顺序依次取指令画图,避免了物标的覆盖,完成了对图形绘制顺序的要求保证了海图无损失正确显示。

5.4.4根据天气环境显示
船舶在航行中会经历白天、黄昏和夜晚,也会遭遇不同天气变化,如晴天和阴天。

电子海图要根据天气环境对颜色和符号设计,为的是确保重要的海图和航行要素在强烈的阳光下和黑暗的夜晚都能保持清晰的可视性。

5.4.5安全水深显示
安全水深显示部分来源于S -52的条件符号部分,航海人员可以从系统电子航海图提供的水深等深线中选择一条安全等深线,并可以选择安全水深。

5.5快速无缝拼接
在提取了每幅海图的画图信息后,需要确定需要显示的多幅海图之间的相对位置关系,在计算出屏幕可显示的海区范围后,我们可以计算出屏幕中
图4　电子海图显示系统拼图功能实现效果
心点所代表的经纬度,再计算出的每幅海图相对于
中心点的偏移量进行画图,这样就可以实现海图的
无缝拼接。

5.6物标位图链表
在S-57格式的电子海图数据中,不同海图中
相同物标对应的画图指令是相同的,即同一物标的
显示方式是固定的。

根据此特点我们使用了位图
链表技术,即用物标名称作为索引,将已使用过的
物标的位图记录下来,在画物标时首先判断该物标
的位图是否已存在于位图链表中,若存在则可直接
取出使用,不存在就首先创建该位图,并将其存入
位图链表中。

这样做虽然增加了系统的空间消耗,
但避免了相同位图的重复创建,节省了时间上的消
耗,提高了画图速度,尤其对于多幅海图显示,效果
十分明显。

6　结论
电子海图与传统纸质海图相比的优势在于,电子海图可以根据船员的选择更改屏幕显示内容,还可以根据需要增加多种航海辅助功能。

本文采用面向对象程序设计方法,分析和设计了基于S57标准的电子海图显示系统,针对关键问题提出了一些行之有效的解决方案,完成了显示系统的自适应显示功能和查询功能等,并保证系统运行的效率。

参考文献
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[M].中华人民共和国海事局.
[5]赵德鹏等译著.电子海图及其应用系统国际规范和标准
[S].大连:大连海事大学出版社,1999.7
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[7]史世新.电子海图概论[J].电子科技导报.1998.1。