李 穎 劉志晨 蔡小華

1 大連海事大學航海學院，遼寧 大連，116026 2 大連海事大學環(huán)境信息研究所，遼寧 大連，116026

近年來，船舶的智能導航已成為航運界的發(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航的首要待突破問題。

目前，國內(nèi)外均有針對船舶導航數(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）上進行多源數(shù)據(jù)空間分析嘗試；意大利海洋科學院研究了船載雷達與多源傳感器的數(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。有學者從航海物標源數(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］；也有學者通過S-100 建?？蚣芗爱a(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)進行解析，并在此基礎(chǔ)上實現(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

物標信息是ENC 數(shù)據(jù)的重要組成，ENC 數(shù)據(jù)中的物標存儲結(jié)構(gòu)包括屬性、綜合、屬性驗證、表示驗證、編輯歷史等。其物標存儲結(jié)構(gòu)見圖2。ENC中的物標按照點、線、水深等進行存儲，采用的是非面向?qū)ο蟮姆绞健２煌腅NC 數(shù)據(jù)中，物標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出的ENC 數(shù)據(jù)進行保存。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)的完整物標內(nèi)容，物標中包含了完整的矢量信息，如坐標、屬性等。

按照ENC 專題數(shù)據(jù)模型，設(shè)計了ENC 數(shù)據(jù)的專題屬性表，進一步保存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、物標信息、數(shù)據(jù)拓撲線表和導出文件表，具體如表1 和表2 所示。

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

表2 ENC 導出文件與數(shù)據(jù)拓撲線段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ENC 數(shù)據(jù)的專題屬性表，在此基礎(chǔ)上實現(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。先讀取物標的空間信息，例如坐標系、比例尺、與線段的拓撲關(guān)系，再循環(huán)遍歷所有物標的屬性信息，達到讀取的目的。

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；然后導出數(shù)據(jù)結(jié)果，導出的結(jié)果包含4個文件，即ENC 版次文件、ENC 導出文件、拓撲線段輸出文件、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)束的為拓撲線段文件。

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 進行設(shè)計與轉(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、線、面、水深）進行解析，并讀取要素間的拓撲信息。循環(huán)遍歷ENC 中每個航海物標的坐標、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，這是因為大多數(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沉船，值為“2”則代表該沉船為危險沉船，在其附近航行時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行符號化顯示，包括點狀符號、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、燈標等點狀要素，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，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)模型進行了解析，研究了ENC 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了ENC 數(shù)據(jù)的標準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)。