洛佳男，萬曉霞，孫東禮，鄔 金，徐衛(wèi)國，劉莉雯，段 晶

(1. 武漢大學(xué)印刷與包裝系，湖北 武漢 430079； 2. 交通運(yùn)輸部東海航海保障中心，上海 200086；3. 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心，廣東 廣州 510235； 4. 上海海圖中心，上海 200090)

海洋測(cè)繪地理信息空間數(shù)據(jù)模型(以下簡(jiǎn)稱S-100)，即通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型，是國際海道測(cè)量組織(IHO)于2005年提出、2010年開發(fā)制定的新一代海洋地理信息數(shù)據(jù)模型。開發(fā)該模型的主要目的是為了解決數(shù)字海道測(cè)量傳輸標(biāo)準(zhǔn)(代號(hào)為S-57)存在的局限性[1-2]，更重要的是為今后海上地理信息建模、編碼、可視化、交換，以及導(dǎo)航和非導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)和交付提供統(tǒng)一的理論和應(yīng)用框架，將海洋地理信息融入全球地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系之中[3]。

盡管S-100從開發(fā)制定至今已有8年，歷經(jīng)3次更新與完善[4-6]，但仍存在缺陷和不足。基于S-100的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)也尚處于進(jìn)行時(shí)，距離全面應(yīng)用仍需一段較長(zhǎng)的過渡期[7]?？v觀S-100相關(guān)文獻(xiàn)，2015年以前，國內(nèi)外學(xué)者主要以S-100的進(jìn)展、概念、構(gòu)成、與S-57的對(duì)比分析、產(chǎn)品規(guī)范介紹等概念性和理論性研究為主，2015年以后則側(cè)重于S-100工具開發(fā)、新型航海數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)、數(shù)據(jù)可視化、與e-Navigation[8]的結(jié)合等應(yīng)用性研究。這也意味著S-100逐漸從理論走向?qū)嵺`，處于優(yōu)化到實(shí)踐再到優(yōu)化的良性迭代過程中。2018年IHO發(fā)布了S-100的更新周期，計(jì)劃2019年更新至4.0.0版，并在之后每3年更新一次[9]。隨著S-100數(shù)據(jù)模型的穩(wěn)定和完善，S-100的下一步研究也將從應(yīng)用性研究向創(chuàng)新性研究階段轉(zhuǎn)變，如圖1所示。

本文通過搜集、整理國內(nèi)外文獻(xiàn)和相關(guān)技術(shù)資料，研究分析了當(dāng)前S-100的進(jìn)展和存在的主要問題，根據(jù)S-100設(shè)計(jì)目標(biāo)和目的，結(jié)合應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，提出了S-100的研究重點(diǎn)，為下一步研究工作指明方向。

1 理論性研究階段

1.1 S-100數(shù)據(jù)模型理論性研究

相比于陸上，GIS理論和技術(shù)在海洋測(cè)繪乃至整個(gè)海洋地理信息領(lǐng)域起步和應(yīng)用均明顯滯后。S-100的概念、目標(biāo)、構(gòu)成、參考的國際地理信息標(biāo)準(zhǔn)(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織19100系列標(biāo)準(zhǔn))及應(yīng)用模式等在海洋測(cè)繪領(lǐng)域均屬新興事物。因此，在此階段，國內(nèi)外學(xué)者也主要圍繞這些概念性內(nèi)容開展研究工作。

2007—2008年，IHO機(jī)構(gòu)內(nèi)部專家和學(xué)者首次公開發(fā)表關(guān)于S-100的研究成果[1,3,10]，明確了如下幾個(gè)基本問題：①S-100的概念和由來；②S-100的目標(biāo)和目的；③S-100的優(yōu)勢(shì)；④S-100與19100標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系；⑤S-100框架和構(gòu)成。

根據(jù)上述文獻(xiàn)，S-57存在的缺陷造成海道測(cè)量數(shù)據(jù)僅用于電子海圖編繪生產(chǎn)，極大偏離了S-57的設(shè)計(jì)初衷。為了改變這一情況，IHO決定開發(fā)制定新的海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型，并將其命名為“IHO海道測(cè)量地理空間數(shù)據(jù)和信息標(biāo)準(zhǔn)(IHO hydrographic geospatial standard for marine data and information)”，后更名為通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型(universal hydrographic data model)，代號(hào)為S-100。S-100的目標(biāo)和目的是為了支持更廣泛的海道測(cè)量相關(guān)的數(shù)據(jù)源、產(chǎn)品和用戶，包括但不局限于影像和網(wǎng)格數(shù)據(jù)、三維和時(shí)變數(shù)據(jù)，以及超出傳統(tǒng)海道測(cè)量范圍的新型應(yīng)用，如海上空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施(MSDI)等。除圖示表達(dá)、編碼及維護(hù)機(jī)制外，S-100各個(gè)部分均參考19100標(biāo)準(zhǔn)制定，是19100標(biāo)準(zhǔn)的專用標(biāo)準(zhǔn)。因此，S-100數(shù)據(jù)具有標(biāo)準(zhǔn)地理信息的全部特征，這就為海洋地理信息與陸上地理信息的交換和互操作、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和處理、海上地理信息綜合導(dǎo)航服務(wù)等應(yīng)用提供了基本條件。

S-100由概念模式語言、注冊(cè)機(jī)制、通用要素模型(GFM)、要素目錄和應(yīng)用模式規(guī)則、元數(shù)據(jù)、影像和網(wǎng)格數(shù)據(jù)、坐標(biāo)參考系統(tǒng)、空間模式、圖示表達(dá)、編碼及產(chǎn)品規(guī)范構(gòu)成[11]，同時(shí)也是理論性研究階段的主要研究?jī)?nèi)容。通過學(xué)術(shù)文獻(xiàn)搜索引擎結(jié)果分析，我國在此階段的研究成果數(shù)量最多，而外文文獻(xiàn)寥寥無幾。文獻(xiàn)[12]參考國際標(biāo)準(zhǔn)地理信息慣用術(shù)語，探討了我國在翻譯S-100內(nèi)容時(shí)應(yīng)注意的關(guān)鍵問題；文獻(xiàn)[13—14]從整體上介紹了S-100體系架構(gòu)和若干重要概念；文獻(xiàn)[15]探討了S-100中概念模式語言的應(yīng)用，分析了其在未來數(shù)字海圖生產(chǎn)與信息標(biāo)準(zhǔn)化中的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)[16]用實(shí)例說明了S-100復(fù)合坐標(biāo)參考系統(tǒng)的應(yīng)用方式；文獻(xiàn)[17—18]運(yùn)用S-100中注冊(cè)機(jī)制、概念模式語言、空間模式探索構(gòu)建海圖要素建模方法；文獻(xiàn)[19]分析了S-100的空間模式，對(duì)比了與S-57空間幾何的差別；文獻(xiàn)[20]介紹了S-100的圖示表達(dá)機(jī)制。

1.2 S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品理論性研究

基于S-100制定的數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范稱為S-10X系列標(biāo)準(zhǔn)[21]。但由于S-100在海洋領(lǐng)域的不斷應(yīng)用和擴(kuò)展，S-100注冊(cè)系統(tǒng)(S-99)[22]中的域不再局限于海道測(cè)量，同時(shí)對(duì)航標(biāo)、天氣和氣象、內(nèi)河等海洋相關(guān)領(lǐng)域開放，S-10X系列標(biāo)準(zhǔn)逐漸向S-XXX系列標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變。為此，IHO為每個(gè)域劃定了數(shù)據(jù)產(chǎn)品的編號(hào)段，如S-1XX為海道測(cè)量域、S-2XX為國家航標(biāo)協(xié)會(huì)(IALA)的導(dǎo)助航信息域等。

基于S-XXX系列標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品稱為S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品。S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品需要對(duì)S-100數(shù)據(jù)模型中各部分的抽象模型進(jìn)行實(shí)例化，建立自己的要素目錄、圖示表達(dá)符號(hào)庫和規(guī)則庫(圖示表達(dá)目錄)，確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)編碼格式及元數(shù)據(jù)信息等。在表1中，S-101電子海圖規(guī)范和S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范是最早開發(fā)的兩種產(chǎn)品規(guī)范，也是理論性研究階段獨(dú)有的兩個(gè)研究?jī)?nèi)容。

IHO S-100工作組在2011年首次公開發(fā)表文章對(duì)S-101電子海圖產(chǎn)品規(guī)范進(jìn)行全面介紹[23]。S-101實(shí)現(xiàn)了S-100中關(guān)于可交換的要素和圖示表達(dá)目錄、復(fù)雜屬性、富幾何類型、信息類型等新概念，支持動(dòng)態(tài)電子海圖內(nèi)容，通過與其他S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品的疊加顯示可在電子海圖顯示和信息系統(tǒng)(ECDIS)中實(shí)現(xiàn)智能綜合導(dǎo)航。文獻(xiàn)[24]介紹了當(dāng)時(shí)S-101的進(jìn)展情況；文獻(xiàn)[25—26]分析研究了S-101產(chǎn)品規(guī)范的構(gòu)成，剖析了S-101電子海圖的新特性；文獻(xiàn)[27—29]詳盡地對(duì)比了S-101與S-57要素、屬性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的差異，為S-57數(shù)據(jù)字典到S-101要素目錄的轉(zhuǎn)換提供了參考；文獻(xiàn)[30]根據(jù)S-101最新的數(shù)據(jù)集加載和比例尺控制顯示規(guī)則提出了全球多尺度電子航海圖的調(diào)顯方法。

S-102水深表面是基于S-100開發(fā)的網(wǎng)格類型數(shù)據(jù)產(chǎn)品,它提供了特定水域內(nèi)連續(xù)覆蓋的水深演變信息，可與S-101電子海圖進(jìn)行疊加顯示，也可獨(dú)立使用，主要用于支持海上的安全航行。S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范于2012年發(fā)布1.0.0版本[31]，當(dāng)前版本為2.0.0[32](尚未正式發(fā)布)，兩者在體例和內(nèi)容上均發(fā)生了較大變化，確立了以HDF-5作為S-102的編碼格式。當(dāng)前文獻(xiàn)均是以前一版本內(nèi)容開展相關(guān)研究。文獻(xiàn)[33]認(rèn)為網(wǎng)格水深可被視為是一種航行表面或規(guī)則正方形的海底數(shù)字地形模型(DTM)，并介紹了S-102的由來和發(fā)展趨勢(shì)，最后使用CARIS的BDB軟件生成S-102數(shù)據(jù)集原型并于電子海圖(S-57)進(jìn)行疊加測(cè)試；文獻(xiàn)[34—36]等介紹了S-102的總體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)保護(hù)與維護(hù)及編碼方面的內(nèi)容。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品依賴于數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范，數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范依賴于S-100數(shù)據(jù)模型。隨著S-100數(shù)據(jù)模型趨于穩(wěn)定，目前S-99中的域管理者已注冊(cè)和正著手開發(fā)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范超過20個(gè)，見表1[9]。各個(gè)域的數(shù)據(jù)產(chǎn)品基本涵蓋了海上航行所需的絕大部分安全信息。數(shù)字化數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有紙質(zhì)產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)勢(shì)，如時(shí)效性更高、直觀性更強(qiáng)、方便更新、不占用船艙空間等。通過與S-101電子海圖疊加，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的安全導(dǎo)助航功能，這也是S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品的主要應(yīng)用方式[37]。

表1 S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品(規(guī)范)

盡管理論性研究尚未涉及除S-101和S-102以外的其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但提供了基本的研究方法和研究思路，明確了S-100的相關(guān)概念、目的和應(yīng)用方式，為應(yīng)用性研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用性研究階段

S-100的設(shè)計(jì)初衷決定了它是一種以應(yīng)用為目的的數(shù)據(jù)模型，因此應(yīng)用性研究是S-100研究的重點(diǎn)。在應(yīng)用性研究階段，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注如下兩個(gè)問題：①S-100關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)；②S-100在e-Navigation中的應(yīng)用。

2.1 S-100關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

S-100關(guān)鍵技術(shù)是指構(gòu)成S-100數(shù)據(jù)模型的GFM、要素目錄和應(yīng)用模式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間模式、圖示表達(dá)目錄、編碼、元數(shù)據(jù)和產(chǎn)品規(guī)范等內(nèi)容。關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是S-100從理論走向?qū)嵺`的必由之路。

S-100關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)為S-100數(shù)據(jù)或S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的生成、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和顯示。文獻(xiàn)[38]根據(jù)S-100要素目錄的創(chuàng)建規(guī)則，開發(fā)了一個(gè)可與S-99注冊(cè)系統(tǒng)連接的要素目錄生成器，數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范開發(fā)者可以利用該工具自動(dòng)化構(gòu)建數(shù)據(jù)產(chǎn)品的要素目錄；文獻(xiàn)[39]基于要素目錄和圖示表達(dá)目錄之間的映射原理，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了用于驗(yàn)證兩種目錄是否匹配的檢查工具；文獻(xiàn)[40]通過分析S-57電子海圖編碼結(jié)構(gòu)、空間幾何與S-101的區(qū)別，初步實(shí)現(xiàn)了S-57數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到S-101數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換；文獻(xiàn)[41]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于S-101的可視化模塊；文獻(xiàn)[42]提出了一種基于GML的S-101電子海圖編碼方法，給出了S-57和S-101之間數(shù)據(jù)記錄和空間記錄的描述方法；文獻(xiàn)[43]重點(diǎn)研究了S-102數(shù)據(jù)組織和空間模式，基于代碼編程實(shí)現(xiàn)了S-102 BAG(水深屬性網(wǎng)格)數(shù)據(jù)的讀取及顯示；文獻(xiàn)[44]基于S-100設(shè)計(jì)了海上氣象信息數(shù)據(jù)模型，分析了海上氣象信息的類型和特點(diǎn)和應(yīng)用方法。

相比于學(xué)術(shù)領(lǐng)域，地理信息工業(yè)界和海道測(cè)量機(jī)構(gòu)在S-100關(guān)鍵技術(shù)方面的研究更為深入，它們是S-100和相關(guān)產(chǎn)品規(guī)范的制定者、參與者，同時(shí)也是最終的S-100工具生產(chǎn)者。美國Esri公司和美國海軍分別開發(fā)了S-57到S-101的轉(zhuǎn)換軟件及S-100數(shù)據(jù)瀏覽器，用于S-101電子海圖測(cè)試，已發(fā)布在S-100測(cè)試平臺(tái)大本營(yíng)[45]；挪威PRIMAR機(jī)構(gòu)制作了S-102數(shù)據(jù)，并與S-101數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加顯示測(cè)試[46]，如圖2所示。

2.2 S-100在e-Navigation中的應(yīng)用

e-Navigation是在現(xiàn)代化信息技術(shù)條件推動(dòng)下由國際海事組織(IMO)于2006年提出的新型數(shù)字化航海的概念，它被定義為“通過電子方式綜合采集、整合、交換、描述船舶和岸上的海事信息，以提升由泊位到泊位航行及相關(guān)的服務(wù)的能力，達(dá)到海上安全、保安和海上環(huán)境保護(hù)的目的”[47]。e-Navigation由7大支柱構(gòu)成[48]，分別為架構(gòu)、岸基系統(tǒng)、通信、PNT(定位、導(dǎo)航和授時(shí))、船載設(shè)備、通用海上數(shù)據(jù)模型(UMDM或CMDS，通用海上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))及海事服務(wù)集(MSP)。UMDM是整個(gè)e-Navigation中岸船數(shù)據(jù)、MSP數(shù)據(jù)集交換、存儲(chǔ)和顯示基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，貫穿于整個(gè)e-Navigation數(shù)據(jù)流通體系中。2011年，IMO決定將S-100作為UMDM的基礎(chǔ)模型。文獻(xiàn)[49—50]于2010年和2011年兩次闡述了UMDM在e-Navigation中的重要作用，并建議將S-100作為e-Navigation的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型；文獻(xiàn)[51]認(rèn)為e-Navigation中不僅包含了地理空間數(shù)據(jù)，還有很多其他類型的數(shù)據(jù)，包括操作方面的數(shù)據(jù)信息，建議將ISO和國際電工協(xié)會(huì)(IEC)的信息模型納入到S-100，從而滿足更多的需求。

S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)是e-Navigation實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化導(dǎo)航的核心內(nèi)容。文獻(xiàn)[52]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于S-100的地理空間和海上信息服務(wù)疊加顯示系統(tǒng)，這種應(yīng)用方式與S-100和e-Navigation的地理信息服務(wù)理念是一致的；文獻(xiàn)[53]介紹了S-57海洋信息疊加層(MIO)的歷史，認(rèn)為MIO與S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)的概念一致，考慮將MIO轉(zhuǎn)換為S-100疊加層使用，并提出相應(yīng)的理論解決方法；文獻(xiàn)[54—56]分別從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、多域海洋數(shù)據(jù)利用結(jié)構(gòu)、語法層的多域S-100數(shù)據(jù)集成與顯示研究了S-100數(shù)據(jù)在e-Navigation中的應(yīng)用方式。

在國內(nèi)文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[57]介紹了e-Navigation的概念及其與S-100的關(guān)系，對(duì)我國如何開展基于S-100的e-Navigation建設(shè)提出了自己的想法；文獻(xiàn)[58]通過分析S-100的新特性，認(rèn)為新一代電子海圖相比于S-57電子海圖優(yōu)勢(shì)明顯，尤其體現(xiàn)在數(shù)據(jù)裝載及多元數(shù)據(jù)的融合顯示方面，同時(shí)分析了船員對(duì)新型ECDIS的適應(yīng)性問題；文獻(xiàn)[59]將S-100與e-Navigation數(shù)據(jù)服務(wù)思想應(yīng)用于我國內(nèi)河，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套適用于內(nèi)河的船岸數(shù)據(jù)服務(wù)交互系統(tǒng)，對(duì)于提高內(nèi)河航行安全和數(shù)字化水平具有一定借鑒意義；文獻(xiàn)[60]分析了利用S-100數(shù)據(jù)模型建立海上安全信息要素模型的理論方法，并使用Java語言對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[61]利用S-100數(shù)據(jù)模型建立符合標(biāo)準(zhǔn)的e-Navigation MSP服務(wù)中的船舶交通信息服務(wù)，并予以驗(yàn)證和測(cè)試。

除學(xué)術(shù)研究外，在歐美國家和韓國開展的e-Navigation工程中已經(jīng)將S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用于數(shù)字導(dǎo)航，如在Efficiensea 2通過ECDIS接收S-124數(shù)字航行通告和警告信息[62]。

S-100應(yīng)用性研究階段可以被視為是在S-100和數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范趨于完整、e-Navigation戰(zhàn)略不斷推進(jìn)的背景下的一個(gè)S-100測(cè)試研究時(shí)期。通過S-100應(yīng)用性研究，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界達(dá)成如下共識(shí)：

(1) S-100可實(shí)現(xiàn)海洋地理空間數(shù)據(jù)建模、生成、顯示、編碼、交換，是基本標(biāo)準(zhǔn)。

(2) S-100與e-Navigation的應(yīng)用理念相同，即通過數(shù)字化方式將數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)以一種協(xié)調(diào)的方式在ECDIS等設(shè)備上疊加顯示，完成綜合導(dǎo)助航服務(wù)。

3 創(chuàng)新性研究階段

本文將創(chuàng)新性研究階段劃定在2019年，主要原因可歸納為如下幾點(diǎn)：

(1) 屆時(shí)S-100更新至4.0.0版本，模型更加穩(wěn)定，且會(huì)有諸多的新特性加入，如基于LUA腳本的圖示表達(dá)機(jī)制、在線數(shù)據(jù)交換、空間模式優(yōu)化等。

(2) 屆時(shí)S-101產(chǎn)品規(guī)范正式發(fā)布，S-101電子海圖可實(shí)現(xiàn)編繪生產(chǎn)，創(chuàng)新性理論和應(yīng)用研究呼之欲出。

(3) 屆時(shí)S-100互操作產(chǎn)品規(guī)范(S-98)正式完成，為多元S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)的疊加顯示提供協(xié)調(diào)一致的處理方法[63]。

(4) 屆時(shí)S-102 2.0.0版本及其他S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范都將陸續(xù)完成，為2020年S-100 ECDIS的官方測(cè)試和全面應(yīng)用提供支撐等。

理論性研究、應(yīng)用性研究和創(chuàng)新性研究是一個(gè)迭代反復(fù)的過程，只有在充分了解某一事物且建立在實(shí)踐基礎(chǔ)之上的創(chuàng)新性研究才具有價(jià)值。S-100和數(shù)據(jù)產(chǎn)品在更新過程中不斷出現(xiàn)新的概念和新的問題，需要理論性和應(yīng)用性研究去探索和解決這些問題。本文在此提出的創(chuàng)新性研究階段是建立在現(xiàn)有的研究成果之上，根據(jù)IHO的S-100發(fā)展計(jì)劃[7]和實(shí)際進(jìn)展提出的。參考陸上GIS理論與應(yīng)用發(fā)展情況，結(jié)合數(shù)字化航海和海上空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(MSDI)的需求，本文對(duì)S-100創(chuàng)新性研究階段作如下展望：

(1) S-100數(shù)據(jù)模型優(yōu)化研究。GFM和應(yīng)用模式構(gòu)成了S-100描述空間數(shù)據(jù)的通用數(shù)據(jù)模型，但S-100 GFM與圖示表達(dá)、空間模式和編碼之間的約束不足，數(shù)據(jù)實(shí)例的邏輯數(shù)據(jù)模型會(huì)隱式地?cái)U(kuò)展概念模型的實(shí)現(xiàn)方式，造成數(shù)據(jù)實(shí)例間無法直接識(shí)別、融合和交換，數(shù)據(jù)模型的使用具有二義性。這也就導(dǎo)致基于S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品間無法直接交互，無法建立一種通用的S-100數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，而是要分別對(duì)每一種數(shù)據(jù)單獨(dú)開發(fā)處理，同時(shí)也需要借助互操作完成交換和可視化融合顯示。因此，研究建立一種GFM與S-100其他模式之間約束性更強(qiáng)的通用數(shù)據(jù)模型，建立S-100邏輯數(shù)據(jù)模型，既可以在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層面簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以避免數(shù)據(jù)間的互操作問題。

(2) 互操作研究。S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品由不同的人或組織開發(fā)，同時(shí)S-99中沒有建立有關(guān)要素重疊、屬性重疊或不一致、空間幾何和符號(hào)系統(tǒng)沖突的監(jiān)測(cè)機(jī)制，因此，S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)在同一系統(tǒng)中處理顯示時(shí)就難免產(chǎn)生沖突。如IALA的S-201航標(biāo)信息與S-101電子海圖中的航標(biāo)要素結(jié)構(gòu)不一致，S-122海洋保護(hù)區(qū)中的界限范圍標(biāo)識(shí)與電子海圖中的海洋保護(hù)區(qū)或限制區(qū)符號(hào)不一致，S-104動(dòng)態(tài)水位數(shù)據(jù)精度和時(shí)效性優(yōu)于電子海圖，卻被電子海圖符號(hào)所遮蓋等，同時(shí)也包括比例尺、矢量與柵格疊加后的交換和查詢問題等均會(huì)在數(shù)據(jù)產(chǎn)品的疊加顯示過程中出現(xiàn)。傳統(tǒng)的以圖層開關(guān)或透明度等方法控制數(shù)據(jù)的可視化在海上導(dǎo)航系統(tǒng)中不再適用。因此，IHO提出了S-98產(chǎn)品規(guī)范，主要目的是協(xié)調(diào)各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的互操作問題。S-98提出了5級(jí)S-100互操作處理方式，即無互操作、要素交錯(cuò)、要素替換、要素融合和空間查詢，但目前只規(guī)定了前3種互操作，對(duì)于后2種高級(jí)互操作方式尚無研究計(jì)劃。另外，在互操作研究問題上仍存在很多應(yīng)用層面的問題，如互操作是基于特定產(chǎn)品間的互操作，當(dāng)新的產(chǎn)品進(jìn)入時(shí)需要更新互操作規(guī)范，十分煩瑣，又如S-57到S-101過渡期間的互操作問題、協(xié)調(diào)ECDIS生產(chǎn)者、產(chǎn)品規(guī)范制定者、數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的互操作、船員對(duì)互操作的認(rèn)知問題(是否可以正確選擇所需的互操作級(jí)別)等，互操作問題將是創(chuàng)新性研究階段的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

(3) S-100數(shù)據(jù)內(nèi)容與顯示分離的特性研究。S-100數(shù)據(jù)集與可視化是分離的，數(shù)據(jù)集是特定編碼的、保存空間與非空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件，而S-100可視化則由圖示表達(dá)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容與顯示分離的特性可以實(shí)現(xiàn)一種數(shù)據(jù)集下的多種數(shù)據(jù)可視化表達(dá)效果。在專業(yè)導(dǎo)航應(yīng)用中，這種特性可以保證數(shù)據(jù)集或圖示表達(dá)的變化不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的編碼更新，避免了S-57每次版本變化帶來的系統(tǒng)更新升級(jí)問題。在非導(dǎo)航應(yīng)用中，通過建立特定需求的符號(hào)系統(tǒng)，同一個(gè)數(shù)據(jù)集可以滿足無限多的可視化要求，如在線地圖、科普地圖、生態(tài)環(huán)境圖等，形成海洋測(cè)繪數(shù)據(jù)與多學(xué)科間的交叉應(yīng)用。

(4) S-100數(shù)據(jù)保護(hù)方案研究。S-57電子海圖使用S-63作為IHO、數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、ECDIS OEM和終端用戶之間的數(shù)據(jù)保護(hù)方案，但這種僅限于電子海圖的數(shù)據(jù)保護(hù)方法在S-100中不再完全適用。一方面，S-100數(shù)據(jù)模型應(yīng)建立一套通用的數(shù)據(jù)保護(hù)方案，提供數(shù)據(jù)保護(hù)的總體框架；另一方面，S-100數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)通用數(shù)據(jù)保護(hù)的總體框架建立自己的數(shù)據(jù)保護(hù)方案。這種方式應(yīng)是IHO未來會(huì)執(zhí)行的一種方案，但未免過于煩瑣，IHO、數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、ECDIS OEM和終端用戶需要同時(shí)維護(hù)多個(gè)密鑰。因此，提出一種更加簡(jiǎn)潔的、在所有個(gè)體之間均建立信任的保護(hù)機(jī)制同樣是下一步的研究重點(diǎn)，如去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)保護(hù)方面的應(yīng)用。

(5) 三維與時(shí)間維數(shù)據(jù)。S-100最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是支持三維和時(shí)變數(shù)據(jù)的，但當(dāng)前的數(shù)據(jù)模型對(duì)此仍無能為力。雖然S-102等網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以通過DTM建立柵格化三維可視化效果，但這種三維是超出S-100數(shù)據(jù)模型范圍的擴(kuò)展性應(yīng)用，不在S-100數(shù)據(jù)模型范圍內(nèi)。三維和時(shí)間維數(shù)據(jù)直觀且具體，在海上導(dǎo)航、決策分析等方面具有重要研究?jī)r(jià)值，如三維虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航、海洋通航環(huán)境或生態(tài)環(huán)境的演變分析等。因此，研究三維和時(shí)間維數(shù)據(jù)模型與S-100數(shù)據(jù)模型的結(jié)合，或建立基于S-100的三維和時(shí)間維數(shù)據(jù)產(chǎn)品也是下一步研究重點(diǎn)。

(6) 基于S-100的MSDI研究。S-100為海洋地理信息空間數(shù)據(jù)建立了統(tǒng)一框架，為推動(dòng)MSDI建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全球海洋地理信息的資源整合提供了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。MSDI是空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(SDI)框架下，在政策、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、數(shù)據(jù)支持下，研究和建立海洋地理信息數(shù)據(jù)池及其應(yīng)用體系的大數(shù)據(jù)解決方案。MSDI可以避免數(shù)據(jù)重復(fù)采集、冗余、浪費(fèi)和數(shù)據(jù)孤島等問題，建立數(shù)據(jù)與用戶之間的一站式數(shù)據(jù)獲取高速公路，是構(gòu)建數(shù)字地球的重要組成部分。融合S-100與開放地理空間聯(lián)盟(OGC)標(biāo)準(zhǔn)，如網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(WMS)、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)(WFS)等，在現(xiàn)有的技術(shù)條件和相對(duì)狹窄的海洋地理信息領(lǐng)域，完全可以實(shí)現(xiàn)一種相比于陸上SDI更加標(biāo)準(zhǔn)化、內(nèi)容更加豐富化、受眾更加明確化的數(shù)據(jù)采集、交換和應(yīng)用體系。

(7) 與e-Navigation的深入結(jié)合。精確服務(wù)是S-100與e-Navigation深入結(jié)合研究的重點(diǎn)。精確服務(wù)表現(xiàn)為實(shí)時(shí)在線、基于位置、環(huán)境感知、按需供應(yīng)。服務(wù)發(fā)布方和服務(wù)接收方(通常為岸船兩端)按照特定的推送或訂閱協(xié)議，利用S-100構(gòu)建智能化海上安全信息(MSI)服務(wù)，如智能航線規(guī)劃、實(shí)時(shí)天氣與水文信息等，綜合利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、無線網(wǎng)絡(luò)、AIS、北斗短消息、海事衛(wèi)星等通信系統(tǒng)，完全可以實(shí)現(xiàn)精確服務(wù)。

另外S-100和e-Navigation的概念也不再局限于海洋，內(nèi)河也越來越關(guān)注動(dòng)態(tài)安全信息服務(wù)的重要性。相比海上，內(nèi)河的通信手段更加多樣化且?guī)挸渥悖皇軘?shù)據(jù)體積的限制，可以擴(kuò)展出更多的應(yīng)用研究方向。

4 結(jié) 語

本文以全面了解當(dāng)前S-100的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題和下一步研究重點(diǎn)為目的，通過總結(jié)分析現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，將S-100研究劃分為理論性研究、應(yīng)用性研究和創(chuàng)新性研究3個(gè)階段，分析闡述了當(dāng)前S-100研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)。通過論證，本文認(rèn)為S-100的核心價(jià)值體現(xiàn)在航海與非航海標(biāo)準(zhǔn)化和豐富化的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)應(yīng)用過程中。我國對(duì)S-100理論性研究充分，但應(yīng)用性研究不足，應(yīng)予以加強(qiáng)。S-100體系內(nèi)仍存在尚未解決的關(guān)鍵技術(shù)問題需要進(jìn)一步開展研究。數(shù)據(jù)模型優(yōu)化、S-100數(shù)據(jù)互操作、內(nèi)容與可視化分離特性、三維和時(shí)間維數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展、與海洋空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、e-Navigation的深入結(jié)合等應(yīng)用性和創(chuàng)新性研究應(yīng)是今后的主要研究方向。