王玉林

摘要：本文主要研究現(xiàn)行電子海圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在三維表達(dá)方面存在的主要問題，分析了航海用戶對三維表達(dá)方面的需求，建立了數(shù)字三維海底地形模型，提出了一種數(shù)字三維海底地形模型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，探索了三維場景構(gòu)建方法，并建立了相應(yīng)的原型系統(tǒng)，在船舶三維導(dǎo)航的海底地形數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行了有益的探索，為海道測繪生產(chǎn)部門拓展三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)和航海用戶拓展三維數(shù)據(jù)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航 海底地形 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

1 三維地形數(shù)據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國SRTM 90米分辨率原始高程數(shù)據(jù)

由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量。2000年2月，美國發(fā)射的“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)上搭載SRTM系統(tǒng)，共計(jì)進(jìn)行了222小時(shí)23分鐘的數(shù)據(jù)采集，獲取北緯60。至南緯60。之間總面積超過1.19億平方公里的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面。SRTM系統(tǒng)獲取的雷達(dá)影像的數(shù)據(jù)量約9.8萬億字節(jié)，經(jīng)過兩年多的數(shù)據(jù)處理，制成了數(shù)字地形高程模型（DEM），即現(xiàn)在的SRTM地形產(chǎn)品數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)產(chǎn)品2003年開始公開發(fā)布，經(jīng)歷多次修訂，目前的數(shù)據(jù)修訂版本為V4.1版本。SRTM地形數(shù)據(jù)按精度可以分為SRTM1和SRTM3，對應(yīng)的分辨率精度為30米和90米數(shù)據(jù)（目前公開數(shù)據(jù)為90米分辨率的數(shù)據(jù)）。SRTM的數(shù)據(jù)組織方式為：每5度經(jīng)緯度方格劃分一個(gè)文件，共分為24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。

1.2 日本GDEM高程數(shù)據(jù)

2009年6月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）美國航天局（NASA）與共同推出了最新的地球電子地形數(shù)據(jù)ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型），該數(shù)據(jù)是根據(jù)NASA的新一代對地觀測衛(wèi)星TERRA的詳盡觀測結(jié)果制作完成的。這一全新地球數(shù)字高程模型包含了先進(jìn)星載熱發(fā)射和反輻射計(jì)（ASTER）搜集的130萬個(gè)立體圖像。ASTER測繪數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區(qū)域，比以往任何地形圖都要廣得多，達(dá)到了地球陸地表面的99%。ASTER GDEM數(shù)據(jù)是世界上迄今為止可為用戶提供的最完整的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)，它填補(bǔ)了航天飛機(jī)測繪數(shù)據(jù)中的許多空白。NASA目前正在對ASTER GDEM、SRTM兩種數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，以產(chǎn)生更為準(zhǔn)確和完備的全球地形圖。

1.3國家測繪局

“中國空間信息網(wǎng)”（nfgis.nsdi.gov.cn）網(wǎng)站上提供了下列空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品：地形數(shù)據(jù)庫、地名數(shù)據(jù)庫、數(shù)字柵格地圖數(shù)據(jù)庫、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫、數(shù)字高程模型（DEM）、重力數(shù)據(jù)庫、大地?cái)?shù)據(jù)庫。數(shù)字高程模型（DEM）產(chǎn)品按比例尺分為：1：100萬、1：25萬、1：5萬、1：1萬。1：100萬數(shù)字高程模型利用1萬多幅1：5萬和1：10萬地形圖，按照28".125X18".750（經(jīng)差X緯差）的格網(wǎng)間隔，采集格網(wǎng)交叉點(diǎn)的高程值，經(jīng)過編輯處理，以1：50萬圖幅為單位入庫。原始數(shù)據(jù)的高程允許最大誤差為10-20米。全國1：100萬數(shù)字高程模型的總點(diǎn)數(shù)為2500萬點(diǎn)。1：25萬數(shù)字高程模型的格網(wǎng)間隔為100mX100m和3″×3″兩種。陸地和島嶼上格網(wǎng)值代表地面高程，海洋區(qū)域格網(wǎng)值代表水深。另外，國家測繪局于1999年安排生產(chǎn)了七大江河區(qū)域范圍的1：1萬數(shù)字高程模型，其格網(wǎng)尺寸為12.5m X 12.5m。已完成13781幅，數(shù)據(jù)量達(dá)24GB。

1.4 中國科學(xué)院

中科院“國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺”提供以下DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品：中國30米分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品、中國30米分辨率坡度數(shù)據(jù)產(chǎn)品、中國90米分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品、中國90米分辨率坡度數(shù)據(jù)產(chǎn)品、中國90米分辨率坡位數(shù)據(jù)產(chǎn)品、中國90米分辨率坡向數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中，中國30米分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品利用ASTER GDEM第一版本的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工得來，是覆蓋整個(gè)中國區(qū)域的空間分辨率為30米的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2 現(xiàn)有二維電子海圖標(biāo)準(zhǔn)不足

IHO特別出版物S-57是IHO數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。它主要目的是為不同海道測量組織之間交換數(shù)據(jù)、向航海設(shè)備生產(chǎn)廠商、航海者和其他用戶發(fā)布數(shù)據(jù)用。S-57在1992年5月被第十四屆國際海道測量大會(huì)正式批準(zhǔn)為IHO的官方標(biāo)準(zhǔn)。它的發(fā)布確保了各類海道測量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換具有統(tǒng)一和規(guī)范的格式。但是，在近幾年的推廣使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)S-57標(biāo)準(zhǔn)存在很大限制，如標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)缺乏彈性、不支持柵格、圖像數(shù)據(jù)和時(shí)變數(shù)據(jù)格式等?，F(xiàn)在的S-57 3.1版本已經(jīng)“凍結(jié)”，換句話說，即標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已不再改變。這更難滿足隨時(shí)變化、日益增長的海洋測繪和航海保障的需求。

以S-57標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的二維電子海圖在航海領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，然而它與其他的二維海圖一樣，本質(zhì)上都是基于抽象符號的系統(tǒng)，不能直觀還原自然界的真實(shí)面貌且易形成抽象多義化，給使用者的辨識和符號意義還原帶來困難。另外隨著應(yīng)用的逐步深入，三維高程、水下海岸等信息越來越重要，迫切需要真三維這種表現(xiàn)方式的出現(xiàn)。目前二維電子海圖導(dǎo)航技術(shù)也一直在采取各種措施來彌補(bǔ)二維固有的缺陷，例如對于航標(biāo)、重要建筑物、關(guān)鍵地形，通過提供圖片鏈接，使駕駛員得到相應(yīng)物標(biāo)的直觀圖像信息，利用各種動(dòng)畫圖片來表征燈標(biāo)的燈質(zhì)等，但這些手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們需要建立真三維的航行環(huán)境，為二維平臺引入三維這一直觀、形象輔助手段，進(jìn)一步提高船舶航行的安全性。ECDIS系統(tǒng)作為地理信息系統(tǒng)在航海領(lǐng)域的特殊應(yīng)用，結(jié)合陸上地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，我們可以預(yù)測三維電子海圖導(dǎo)航技術(shù)將成為電子海圖技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

另外，ENC數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)大小不超過5兆，因此，海事測繪發(fā)布的圖幅ENC數(shù)據(jù)在原始測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大規(guī)模的抽稀和壓縮，這樣原始測量獲取的高密度多波束水深點(diǎn)數(shù)據(jù)未得到有效的應(yīng)用，造成了這些數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。未來若發(fā)布不同密度的海底數(shù)字地面高程模型數(shù)據(jù)，則可以充分發(fā)揮測量數(shù)據(jù)的效益，滿足不同用戶的不同需求。

當(dāng)前，S-100系列標(biāo)準(zhǔn)是IHO正致力于重點(diǎn)發(fā)展的海道測量最新標(biāo)準(zhǔn)，它將支持多種數(shù)據(jù)格式，如圖像和柵格數(shù)據(jù)、3D、隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù) （X， Y， Z和時(shí)間），以及超出傳統(tǒng)海道測量范圍的新應(yīng)用，例如，高密度水深、海底分類和海洋地理信息系統(tǒng)。它也將能夠使用獲取、處理、分析，訪問和提交數(shù)據(jù)這些基于Web的服務(wù)。重要的是要認(rèn)識到S-100不是一個(gè)S-57標(biāo)準(zhǔn)的修訂版本。S-100是一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括更多的內(nèi)容并支持新的數(shù)據(jù)傳輸格式。它將成為新的可界定的最廣泛的各種應(yīng)用和利用的水文數(shù)據(jù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。S-100將按照IHO網(wǎng)站上的ISO合格注冊進(jìn)行匯編和管理，并將成為地理信息ISO 19100系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分—目前，有超過40個(gè)標(biāo)準(zhǔn)列入ISO 19100系列。這些已經(jīng)包括國際標(biāo)準(zhǔn)（包括已實(shí)施的和草案）的時(shí)空架構(gòu)、數(shù)據(jù)、圖像和柵格數(shù)據(jù)、資料、描述和編碼。

在S-100的第8 部分“影像和柵格數(shù)據(jù)”中定義“影像”為一種特殊類型的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并指出：海道水深就其性質(zhì)而言是一組測量數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)可以采用不同方式的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，包括使用一個(gè)規(guī)則格網(wǎng)間距的高程模型，以及用單元大小可變的不規(guī)則格網(wǎng)。它們也可以用不規(guī)則三角網(wǎng)或者點(diǎn)集表示。

3 數(shù)字三維海底地形模型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究

雖然，目前S-100對三維數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定還不是十分細(xì)化，但是S-100的基本原則就是要與S9001等通用測繪標(biāo)準(zhǔn)相一致，網(wǎng)格時(shí)變數(shù)據(jù)在S-100的標(biāo)準(zhǔn)中明確表示將支持NetCDF格式，可以預(yù)期的是在未來S-100標(biāo)準(zhǔn)框架下，NetCDF一定是其中重要的標(biāo)準(zhǔn)格式。基于以上提出問題，本文研究在現(xiàn)行S-57電子海圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上參考新版海道測量數(shù)據(jù)地理空間標(biāo)準(zhǔn)S-100中的數(shù)據(jù)模型，定義了海事測繪三維航道數(shù)據(jù)的交換標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參考目前成熟的三維GIS建模技術(shù)及三維場景重建和可視化技術(shù)提出了三維航道模型的建立與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 NetCDF標(biāo)準(zhǔn)的介紹

NetCDF（network Common Data Form）網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式是由美國大學(xué)大氣研究協(xié)會(huì)的Unidata項(xiàng)目科學(xué)家針對科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開發(fā)的，是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)。利用NetCDF可以對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行高效地存儲(chǔ)、管理、獲取和分發(fā)等操作。NetCDF文件開始的目的是用于存儲(chǔ)氣象科學(xué)中的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為許多數(shù)據(jù)采集軟件的生成文件的格式。NetCDF提供一組針對陣列數(shù)據(jù)訪問的接口，一個(gè)可自由分發(fā)的數(shù)據(jù)訪問庫（包），支持C、Fortran、C++、Java、R以及其他的一些語言。NetCDF數(shù)據(jù)具有下列特性：自我描述、可攜帶和可移動(dòng)性、可伸縮性、可追加性、可共享性、可存檔行。由于NetCDF是一種靈活的、自描述的，并能表達(dá)大量數(shù)組數(shù)據(jù)的格式，因此NetCDF在地球、海洋、大氣科學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，許多國家的組織和科學(xué)機(jī)構(gòu)都采用NetCDF作為一個(gè)表示科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。例如，NCEP（美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）發(fā)布的再分析資料，NOAA的CDC（氣候數(shù)據(jù)中心）發(fā)布的海洋與大氣綜合數(shù)據(jù)集（COADS）均采用NetCDF作為標(biāo)準(zhǔn)。

支持NetCDF的軟件和系統(tǒng)有許多，除了ArcGIS，還有Matlab、Ferret、GrADS、PanoplyWin等。

3.2 數(shù)字三維海底地形模型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

不同于現(xiàn)有的陸地?cái)?shù)字地形模型采用純二進(jìn)制或文本文件的表示方法，本文提出的數(shù)字三維海底地形模型采用NetCDF作為數(shù)據(jù)存取的手段，這樣保證格式具有足夠的開放性，能夠被現(xiàn)有大量的軟件支持，同時(shí)適應(yīng)S-100未來的發(fā)展。數(shù)字三維海底地形模型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)來源主要有兩大方面：一是原始測量產(chǎn)生的多波束、單波束水深數(shù)據(jù)，二是制作完成的電子海圖ENC數(shù)據(jù)。與數(shù)字海圖類似，海底地形數(shù)字模型產(chǎn)品也是海道測繪測繪數(shù)字化保障的一個(gè)產(chǎn)品形式，可用于海底電纜、管道等海上工程、海洋石油、海上交通運(yùn)輸、海洋環(huán)境保護(hù)、海上航行安全等海洋綜合開發(fā)、利用和管理。它按照固定大小的格網(wǎng)間隔，表示了海底地形的深度。

3.3 元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

元數(shù)據(jù)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。數(shù)字三維海底地形模型產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)需要包含以下信息：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)名稱、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)版本、數(shù)據(jù)制作方、數(shù)據(jù)測量日期和時(shí)間、數(shù)據(jù)制作日期和時(shí)間、數(shù)據(jù)集名稱、平面精度、深度精度、接邊精度、等效比例尺分母、數(shù)據(jù)范圍、采樣間隔、平面坐標(biāo)參照系、垂向坐標(biāo)參照系、插值方法、維度、坐標(biāo)軸名稱、起始點(diǎn)位置、網(wǎng)格行數(shù)、網(wǎng)格列數(shù)、坐標(biāo)單位。

網(wǎng)格值矩陣

一定海區(qū)內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)與深度的數(shù)據(jù)集合。格網(wǎng)的遍歷順序按照ISO 19123附錄C中定義的方式進(jìn)行。可采用的遍歷方式有：線性掃描（Linear Scan）；莫頓順序（Morton Order）。下圖表示了格網(wǎng)的線性掃描遍歷以及一個(gè)莫頓順序的遍歷。莫頓排序容易適應(yīng)不規(guī)則形狀的格網(wǎng)以及格網(wǎng)大小可變的格網(wǎng)。莫頓順序?qū)?yīng)于一個(gè)二維的四叉樹，并且可以擴(kuò)展為更高維的。莫頓遍歷順序可以處理大小可變的單元。曼頓順序是從左到右，從底到上，逐個(gè)單元、不考慮單元大小地遍歷。它先增加X坐標(biāo)，然后是Y坐標(biāo)。這也可以擴(kuò)展到多維的情況，先增加X坐標(biāo)，然后Y坐標(biāo)，再然后Z坐標(biāo)，以此類推到更多的維度。

4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和試驗(yàn)系統(tǒng)

建立DEM的方法有多種。從數(shù)據(jù)源及采集方式講有：直接從地面測量，例如用GPS、全站儀、野外測量等，從現(xiàn)有海圖上采集、內(nèi)插生成DEM等方法。DEM內(nèi)插方法很多，主要有分塊內(nèi)插、部分內(nèi)插和單點(diǎn)移面內(nèi)插等幾種。目前常用的算法是通過等深線和水深點(diǎn)建立不規(guī)則的三角網(wǎng)（TIN）。然后在TIN基礎(chǔ)上通過線性和雙線性內(nèi)插建DEM。主要的離散點(diǎn)網(wǎng)格生成算法應(yīng)該有：移動(dòng)平均插值法、距離平方倒數(shù)加權(quán)法、趨勢面擬合技術(shù)、樣條函數(shù)插值法、克立金法插值法。

本原型系統(tǒng)采用西戈公司的cgGlobe三維地理信息&虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺作為底層三維開發(fā)支撐平臺，用Microsoft Visual C++開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)航道數(shù)據(jù)NetCDF 格式數(shù)據(jù)的訪問接口，選用微軟的WPF技術(shù)作為整個(gè)軟件呈現(xiàn)界面功能。三維航道數(shù)據(jù)主要來源于多波束水下測量形成的水深文件和ENC電子海圖中提取的水深數(shù)據(jù)等，本原形系統(tǒng)將這些不同種類的水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一以三維航道數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（草案）中的網(wǎng)格覆蓋數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的NetCDF數(shù)據(jù)格式。各類原始水深數(shù)據(jù)經(jīng)提取后可以比較容易的生成XYZ格式的水深數(shù)據(jù)文件，再將其轉(zhuǎn)換為符合三維航道數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格覆蓋數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的NetCDF數(shù)據(jù)格式，由NetCDF數(shù)據(jù)讀取模塊接入cgGlobe三維GIS平臺，完成數(shù)據(jù)交換流程。

本系統(tǒng)采用經(jīng)企業(yè)應(yīng)用程序經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)，從下至上分別為：數(shù)據(jù)層、邏輯業(yè)務(wù)層和呈現(xiàn)層。分層設(shè)計(jì)通過把不同的邏輯封裝在不同的軟件開發(fā)層次上，來實(shí)現(xiàn)邏輯意義上的層次結(jié)構(gòu)。邏輯上實(shí)現(xiàn)軟件功能的封裝性和相對獨(dú)立性。數(shù)據(jù)層主要包括三維航道數(shù)據(jù)和其他GIS相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)支持，業(yè)務(wù)邏輯層則實(shí)現(xiàn)三維航道的數(shù)據(jù)的組織、三維建模、渲染和各查詢功能接口，呈現(xiàn)層則將接受用戶的輸入并在三維渲染畫面上疊加顯示各查詢結(jié)果信息。

5 結(jié)束語

下一步，將對標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)完善，優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，開發(fā)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件，爭取盡早納入海事測繪產(chǎn)品體系。另外，將研究內(nèi)容擴(kuò)展到航標(biāo)、地面建筑等其他目標(biāo)的三維建模標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)生成算法、場景顯示調(diào)度等方面，形成整個(gè)海洋的真實(shí)化三維場景，并開展相關(guān)的應(yīng)用研究，爭取盡早實(shí)現(xiàn)全要素的船舶三維導(dǎo)航的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)生產(chǎn)、質(zhì)檢、發(fā)布、應(yīng)用的全套體系。

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