尤方圓　劉詩俊　楊　巍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所　武漢　430205)

YOU Fangyuan　LIU Shijun　YANG Wei

(The 722th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan　430205)

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電子海圖通信態(tài)勢軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

尤方圓劉詩俊楊巍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所武漢430205)

論文主要介紹了電子海圖顯示信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)。分析介紹電子海圖IHO S-57標(biāo)準(zhǔn)與IHO S-52標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型。在該基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電子海圖通信態(tài)勢軟件，著重論述電子海圖S-52標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，電子地圖縮放，漫游相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，通信態(tài)勢自定義標(biāo)識符的繪制，經(jīng)緯度屏幕標(biāo)識符的繪制。

S-57; S-52; 電子海圖顯示與信息系統(tǒng); 通信態(tài)勢

YOU FangyuanLIU ShijunYANG Wei

(The 722th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan430205)

Class NumberTP311

1　引言

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System, ECDIS)是集導(dǎo)航計(jì)算、航線規(guī)化、航行告警、海圖信息顯示、船位信息、雷達(dá)信息、船舶運(yùn)動參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算等功能的綜合海情自動化系統(tǒng)。

ECDIS以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，連接GPS、雷達(dá)、測深等設(shè)備，集成電子海圖數(shù)據(jù)庫，通過不斷采集船舶位置信息，動態(tài)計(jì)算航行線路，實(shí)時(shí)反映船舶行駛狀態(tài)，保障船舶的安全航行。其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是核心部分，它主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)導(dǎo)航計(jì)算、碰撞檢測和圖形圖像繪制計(jì)算。在ECDIS中海圖信息的存儲與顯示是相互獨(dú)立的，信息的交換存儲模型是基于S-57標(biāo)準(zhǔn)[1]，顯示模型基于S-52標(biāo)準(zhǔn)。這樣為電子海圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性，使得同一數(shù)據(jù)不需任何更改即可用于滿足不同需求的顯示，訂制特定的顯示功能。

電子海圖通信態(tài)勢軟件，在電子海圖背景上實(shí)時(shí)顯示船用通信設(shè)備的通信覆蓋區(qū)域，通信站點(diǎn)連通狀態(tài)，通信質(zhì)量等信息，為船用通信設(shè)備管理系統(tǒng)提供更加友好的態(tài)勢監(jiān)控界面，滿足系統(tǒng)各種訂制的通信態(tài)勢顯示需求。

2　S-57理論數(shù)據(jù)模型

S-57(IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)水文數(shù)據(jù)傳輸與交換的標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)模型不包含用于海圖圖形化顯示的規(guī)則，只提供描述顯示世界的方法，信息的顯示獨(dú)立于其存儲模型。S-57標(biāo)準(zhǔn)最終目標(biāo)是將對顯示世界的描述轉(zhuǎn)換成為可傳輸?shù)奈募?，轉(zhuǎn)換過程分為以下幾個(gè)步驟：

圖1　S57轉(zhuǎn)換過程

在S57標(biāo)準(zhǔn)的“模型概述”部分中，真實(shí)世界的實(shí)體是可以感知的對象，標(biāo)準(zhǔn)將對象抽象為數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)實(shí)世界中的對象非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)模型是對高度復(fù)雜世界的簡化和抽象。根據(jù)物標(biāo)的特性，數(shù)據(jù)模型將物標(biāo)定義為描述特征和空間特征的組合；物標(biāo)被定義為一組可標(biāo)識的信息，由特征物標(biāo)和空間物標(biāo)組合而成。下一步將特征物標(biāo)與空間物標(biāo)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)物標(biāo)(Object)對應(yīng)一個(gè)記錄(Record)，物標(biāo)(Object)中的屬性(Attribute)對應(yīng)于記錄(Record)中的域(Field)。轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將以ISO8211標(biāo)準(zhǔn)格式存儲在文件中，即將Record，F(xiàn)ield等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最終存儲到二進(jìn)制文件中。

數(shù)據(jù)模型中物標(biāo)分為特征物標(biāo)和空間物標(biāo)，特征物標(biāo)只包含對象的基本描述信息，不包括地理信息，空間物標(biāo)包含對象的地理信息(如經(jīng)緯度、高度等信息)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中最基本的單位是子域(subField)，一或多個(gè)子字段組成字段；一個(gè)或多個(gè)域(Field)組成記錄(Record)；一個(gè)或多個(gè)記錄構(gòu)成文件(File)；一個(gè)交換集(Data Exchange Set)由一個(gè)或多個(gè)文件組成。記錄分為五種：數(shù)據(jù)集描述(Data Set Descriptive)記錄、目錄(Catalogue)記錄、數(shù)據(jù)字典(Data Dictionary)記錄、特征(Feature)記錄、空間(Spatial)記錄。S-57數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上采用樹形結(jié)構(gòu)。不同記錄和字段中的信息由專門的指針字段關(guān)聯(lián)。RCNM和RICD子字段標(biāo)識共同作為記錄的標(biāo)識。

S-57格式文件使用ISO/IEC 8211作為物理封裝標(biāo)準(zhǔn)，ISO/IEC 8211是基于文件的數(shù)據(jù)交換格式，實(shí)現(xiàn)不依賴具體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。ISO/IEC 8211是一個(gè)以文件為基礎(chǔ)的交換格式，其基本結(jié)構(gòu)是邏輯記錄。

3　S-52顯示標(biāo)準(zhǔn)

S-52標(biāo)準(zhǔn)[2]中電子海圖的顯示模式[3]的規(guī)定分為兩大部分，一是電子海圖表示庫，包括色彩編碼表、符號庫(點(diǎn)、線、面)、符號化指令集、物標(biāo)—符號查找表以及條件符號化過程；二是顯示生成器，在S-52表示庫的各項(xiàng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，把按S-57標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化編碼[7]組織的數(shù)據(jù)以正確的形式顯示。電子海圖繪制算法，遍歷S-57數(shù)據(jù)中的物標(biāo)對象，提取物標(biāo)屬性，在檢索表中根據(jù)物標(biāo)屬性查找相應(yīng)的符號化繪制指令[8]，該繪制指令從符號庫中載入符號，從顏色表中獲取對應(yīng)的顏色，進(jìn)行繪制[9]。

圖2　S52顯示標(biāo)準(zhǔn)模塊圖

S52標(biāo)準(zhǔn)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，第一部分對電子海圖的改正問題做出了詳細(xì)的規(guī)定，給出了海圖改正的方法和流程；第二部分描述了ECDIS屏幕上電子海圖的顏色及符號的使用細(xì)節(jié);第三部分定義了ECDIS的相關(guān)術(shù)語。其中，第二部分的《顏色和符號規(guī)范說明》是該標(biāo)準(zhǔn)的重要部分，它確定了ECDIS表達(dá)SENC信息[10]的方法和意義。

此外，S-52標(biāo)準(zhǔn)還包括兩個(gè)附件和三個(gè)附錄[4]，分別如下：

1) 附件A S-52與IMO ECDIS性能標(biāo)準(zhǔn)參考

2) 附件B IMO ECDIS性能指標(biāo)

3) 附錄1電子航海圖更新指南

4) 附錄2 ECDIS色彩與符號詳細(xì)規(guī)定

5) 附錄3 ECDIS技術(shù)相關(guān)術(shù)語集[5]

4　電子海圖通信態(tài)勢軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研制開發(fā)了電子海圖通信態(tài)勢軟件系統(tǒng)[6]，系統(tǒng)模塊圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)模塊圖

主要分為地圖控件模塊、地圖渲染模塊、電子海圖數(shù)據(jù)源、地圖圖層模塊、S52符號模塊、通信態(tài)勢繪制模塊等幾個(gè)模塊。

地圖控件模塊封裝了地圖控件的基本功能、如漫游、縮放、標(biāo)注、距離測量、加載地圖文件等功能。地圖渲染模塊進(jìn)行海圖的繪制工作，將解析完的海圖物標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，繪制到地圖控件上。海圖數(shù)據(jù)源模塊將S57格式的海圖文件解析為基于ORG格式的標(biāo)準(zhǔn)圖層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以供地圖渲染模塊進(jìn)行繪制操作。由于S57格式的海圖數(shù)據(jù)是基于物標(biāo)的文件格式，而ORG庫中的地圖圖層是基于地理位置屬性的，地圖圖層模塊是將ORG庫解析的S57圖層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ORGMapLayer轉(zhuǎn)換為S57物標(biāo)圖層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S57MapLayer。S52符號模塊用于管理物標(biāo)繪制時(shí)所需的樣式信息。通信態(tài)勢繪制模塊用于在海圖上繪制通信站點(diǎn)的連通狀態(tài)，通信覆蓋范圍等信息。系統(tǒng)的UML類圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)類圖

4.1地圖控件模塊

地圖控件模塊類MapCanvas封裝了地圖控件的基本功能，如漫游、縮放、標(biāo)注等功能。

基本接口函數(shù)如下：

setExtent：設(shè)置地圖范圍，在加載完海圖數(shù)據(jù)后，計(jì)算出整張海圖所包括的區(qū)域面積，調(diào)用該接口設(shè)置地圖控件顯示的海圖區(qū)域；

zoomIn：放大地圖，當(dāng)滾動鼠標(biāo)時(shí)，進(jìn)行地圖放大操作；

zoomOut：縮小地圖，當(dāng)滾動鼠標(biāo)時(shí)，進(jìn)行地圖縮小操作；

pan：地圖漫游，拖動鼠標(biāo)時(shí)，移動地圖；

mapToScreen：地圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)屏幕坐標(biāo)，在進(jìn)行地圖繪制時(shí)，將地理位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，進(jìn)行繪制；

screenToMap：屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)地圖坐標(biāo)，在進(jìn)行地圖交互操作，如實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)當(dāng)前經(jīng)緯度時(shí)，將鼠標(biāo)屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理位置坐標(biāo)；

setViewPort：設(shè)置屏幕視圖，屏幕視圖以像素為單位。

4.2地圖圖層模塊

電子海圖系統(tǒng)將物標(biāo)數(shù)據(jù)根據(jù)地理屬性劃分為不同的地圖圖層類S57MapLayer，S57地圖數(shù)據(jù)是基于物標(biāo)，圖層信息是基于特征的，S57數(shù)據(jù)解析完成后生成的幾何屬性會加入到對應(yīng)的圖層中。

4.3電子海圖數(shù)據(jù)源

電子海圖數(shù)據(jù)源類S57DataSource定義解析S57海圖文件，S52表示庫文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解析后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。地圖數(shù)據(jù)模型采用分層模型結(jié)構(gòu)，物標(biāo)的顯示與地圖的放大尺寸存在一定關(guān)系，物標(biāo)在不同的地圖放大級別上顯示效果不一樣，數(shù)據(jù)源中的scaleItemGroups是根據(jù)物標(biāo)顯示閾值將相同顯示閾值的物標(biāo)進(jìn)行歸類；symbols用于保存S52解析后的樣式名稱與樣式結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，在繪制物標(biāo)時(shí)，根據(jù)樣式名稱動態(tài)查找對應(yīng)的樣式結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。

數(shù)據(jù)源類的基本接口函數(shù)如下：

parseDrawInstruction：解析動態(tài)繪制指令；

parseLookupLine：解析檢索表行；

parseLookups：解析檢索表，創(chuàng)建檢索表樣式ChartStyle；

parseS52Symbols：解析S52樣式文件S52RAZDS.RLE，生成S52顯示結(jié)構(gòu)S52Symbol；

translateChartStyle：使用條件符號；

getLayerStyle：獲取圖層樣式；

getComplexSymbol：拼接復(fù)雜符號，S52的符號繪制指令非常復(fù)雜，該函數(shù)是根據(jù)S52的繪制指令生成相應(yīng)的圖標(biāo)文件，以便重復(fù)繪制，避免重復(fù)解析繪制指令的開銷，提高繪制效率。S57海圖數(shù)據(jù)的加載流程如表1所示。

表1　S57數(shù)據(jù)加載流程

地圖圖元項(xiàng)類MapCanvasItem定義地圖圖元的基本特性，包括畫筆、畫刷、顏色等信息，解析地圖物標(biāo)得到相應(yīng)的樣式信息，根據(jù)物標(biāo)幾何屬性創(chuàng)建對應(yīng)的地圖圖元，并將樣式信息轉(zhuǎn)換為繪制的筆畫、填充、顏色等信息。海圖圖元分為以下幾種：

1) 圖片圖元：MapCanvasImageItem

2) 線圖元：MapCanvasLineItem

3) 多邊形圖元：MapCanvasPolygonItem

4) 多邊線圖元：MapCanvasPolylineItem

5) 文字圖元：MapCanvasTextItem

4.4電子海圖渲染模塊

海圖渲染類MapCanvasRenderer定義海圖繪制方法和流程，自定義標(biāo)識符的繪制方法，海圖圖片數(shù)據(jù)導(dǎo)出方法，是整個(gè)電子海圖通信態(tài)勢軟件最核心的模塊，其中海圖繪制流程如下。

1)遍歷圖層S57MapLayer *layer；

2)遍歷圖層中的圖元MapCanvasItem *canvasItem；

3)判斷圖元類型，如果為文字圖元，進(jìn)入4)，如果為圖片圖元，進(jìn)入5)，如果為線型圖元，進(jìn)入6)，如果為多邊形圖元，進(jìn)入7)；

4)調(diào)用renderTextItem進(jìn)行文字圖元繪制；

5)調(diào)用renderImageItem進(jìn)行圖片圖元繪制；

6)調(diào)用renderLineItem進(jìn)行線型圖元繪制；

7)調(diào)用renderPolygonItem進(jìn)行多邊形圖元繪制；

8)繪制自定義標(biāo)識符canvasMarker，繪制通信態(tài)勢標(biāo)識符，經(jīng)緯度標(biāo)識符。

4.5S-52符號模塊

S52符號表示文件S52RAZDS.RLE中定義了每個(gè)物標(biāo)對應(yīng)的S52繪圖指令；條件符號化的指令將物標(biāo)的繪制操作定義為簡短的繪制指令，渲染模塊在繪制時(shí)，動態(tài)解析該指令為基本繪制命令，轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的基本繪制回調(diào)函數(shù)中繪制，該文件中大致包含如下幾項(xiàng)：

1) Color-tables：記錄的是S52標(biāo)準(zhǔn)下各種顯示模式的基準(zhǔn)色；

2) Lookups：記錄的是各種類型S52標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)線面繪制；

3) Line-styles：記錄的是各種線型；

4) Patterns：記錄的是各種類型圖案的繪制；

5) Symbols：記錄的是各種類型符號的繪制；

這幾部分的關(guān)系是：Lookups提供總體繪制方法，在繪制方法中調(diào)用其它部分的定義實(shí)現(xiàn)最終的繪制。也就是說，一個(gè)obj對象的繪制，首先需要定位到它屬于Lookups中的哪一類，再根據(jù)Lookups的記錄查找線、圖案、符號和顏色完成繪制和填充。

4.6通信態(tài)勢模塊

通信態(tài)勢軟件一般需要繪制通信站點(diǎn)標(biāo)識，通信鏈路狀態(tài)，通信區(qū)域范圍等信息，在傳統(tǒng)海圖軟件刷新界面性能較慢，而通信態(tài)勢的變化頻繁，要求軟件必須迅速繪制通信狀態(tài)，因此軟件設(shè)計(jì)了地圖標(biāo)識符類MapCanvasMarker，用戶可以自定義通信標(biāo)識符，在海圖界面不變化時(shí)，程序直接繪制緩存的海圖圖片，在圖片上繪制地圖標(biāo)識符，這樣繪制速度會得到極大提升。

MapCanvasMarker的定義如下：

class MapCanvasMarker

{

QList points;//點(diǎn)

QList lines;//線

QList polylines;//多邊線

QList polygons;//多邊形

QList circles;//圓形

QList rings;//圓環(huán)

};

基本接口函數(shù)如下：

setAlpha：設(shè)置透明度；

setLineWidth：設(shè)置線寬度；

setPointSize：設(shè)置點(diǎn)符號大?。?/p>

setOutlineColor：設(shè)置輪廓顏色；

setFillColor：設(shè)置填充顏色；

屏幕標(biāo)識符類MapScreenMarker區(qū)別于地圖標(biāo)識符，屏幕標(biāo)識符是基于屏幕坐標(biāo)，的標(biāo)識符，例如經(jīng)緯度的顯示，比例尺、導(dǎo)航條等控件的繪制，都是基于屏幕坐標(biāo)，用戶以底圖為背景，添加其它需要前置顯示的內(nèi)容，如雷達(dá)掃描圖、戰(zhàn)場態(tài)勢、告警信息等。

MapScreenMarker定義：

class MapScreenMarker

{

QList points;//點(diǎn)

QList lines;//線

QList polylines;//多邊線

QList polygons;//多邊形

QList texts;//文字

};

屏幕標(biāo)識符類的基本接口函數(shù)與標(biāo)識符類一致。

電子海圖通信態(tài)勢軟件的實(shí)際效果圖如圖5。

圖5　電子海圖通信態(tài)勢效果圖

5　結(jié)語

本文結(jié)合S-57,S-52標(biāo)準(zhǔn)，采用GDAL，OGR庫讀取標(biāo)準(zhǔn)的S57格式文件，自主開發(fā)了基于S52標(biāo)準(zhǔn)的海圖渲染控件，不足之處在于，海圖S52的符號化指令過于復(fù)雜，可讀性差，不利于訂制個(gè)性化的顯示方案，后期考慮將S52的符號繪制指令XML格式化，便于修改。另外對于電子海圖格式目前只支持S-57格式的數(shù)據(jù)，對基于CM93等其余格式的支持不夠。

[1] IHO. IHO transfer standard for digital hydrographic data publication S-57(Edition 3.1)[S].MONACO，2011.

[2] IHO.S-52-specifications for chart content and display aspects of ECDIS(Edition 6.0)[S].MONACO，2011.

[3] Li Xing-feng. Electronic chart display and navigation system based on S-57 international standard[D]. Xi’an: Xidian University,2007.

[4] The International Hydrographic Bureau.IHO Ecids Presentation Library Users Manual Edition 3.2[S].MONACO，2000.

[5] 國際海道測量組織.電子海圖及其應(yīng)用系統(tǒng)國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)(S-57篇)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1999：30-33.

[6] 國際海道測量組織.電子海圖及其應(yīng)用系統(tǒng)國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)(S-52篇)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1999：30-33.

[7] 黃潔.基于ArcGIS組件的電子海圖顯示系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[8] 李興鋒.基于S-57國際標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖顯示與導(dǎo)航系統(tǒng)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[9] 唐經(jīng)宇,劉東峰,孫粵輝,等.S-57電子海圖文件基礎(chǔ)處理庫的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2013(2):41-45.

[10] 董才華,秦臻.電子海圖數(shù)據(jù)讀取與顯示技術(shù)[J].中國航海，2012(4)：31-33.

Design and Implementation of ECDIS Communication Situation*

The paper mainly introduces the key technology of electronic chart information system design and implementation.The data structure model of electronic chart IHO S-57 and IHO S-52 are introduced in this paper.On the basis of the design and implementation of electronic chart communication software, the realization of electronic chart S-52 standard, electronic map zoom, panning related functions are discussed emphatically, and the rendering of the communication situation custom identifier and the latitude and longitude screen identifier are discussed emphatically.

S-57, S-52, ECDIS, communication situation

2016年2月12日,

2016年3月22日

尤方圓，男，碩士研究生，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)鏈消息處理。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.031