1、电子海图与电子海图系统第一章 电子海图与电子海图系统第一节 电子海图与标准电子海图随着计算机技术与航海技术的不断发展，产生了以数字形式表示的海图以及各种电子海图应运系统。它们的出现是水道测量领域的一场新技术革命，使海图研究，生产以及使用跨入了一个新的纪元，也促使航海自动化迈上新的台阶。所谓的电子海图（Electronic chart, EC）是在显示器上显示出海图信息和其他航海信息，所以也称“屏幕海图”。电子海图及其应用环境组成电子海图系统。一、 电子海图电子海图是描述海域地理信息和航海信息的数字化产品，主要涉及海洋及其毗邻的陆地。详细的描述了岸形、岛屿、礁石、浅滩、沉船、水深、地质、助航标志
2、、潮流、海流等航海所需的资料。电子海图按照制作方法可分为矢量电子海图和光栅电子海图两大类。（一） 矢量电子海图 （Vector Charts） 以矢量形式表示的数字海图。海图中的每个要素是以点、线、面等几何图形的形式存储在电子海图数据文件中、具有存储小、显示速度快、精度高、支持智能化航海等优点。用户查询电子海图中任意图标的细节（如灯标、颜色、周期）可根据需要有选择的显示不同的层次信息（如只显示小于10M的水深点）。矢量电子海图与其他的船舶系统相结合，能提供警戒区、危险区等自动报警功能。矢量电子海图被称为“智能电子海图”。（二） 光栅电子海图（Raster Charts）以光栅形式表示的数字海图
3、,通过对纸质的海图的一次性扫描，形成单一的数字信息文件；以像素的排列反映海图中的要素，依靠眼睛识别航海要素。因此，光栅电子海图被认为是纸质海图的复制品，它包含的信息（如岸线、水深等）如纸质海图一一对应。光栅电子海图也可与定位传感器（如GPS）连接，但由于光栅电子海图制作原理上的局限性，光栅电子海图不能够提供选择性的查询和显示功能（如查询某一海图要素特征，或隐去某类海图要素特征等）。光栅电子海图被称为“非智能电子海图”。 目前，电子海图以矢量电子海图为主，光栅电子海图是在没有矢量电子海图的海域作为补充使用。二、 标准的电子海图随着电子海图的发展，相关国际组织通过制定标准规范和统一的电子海图的数据
4、格式，随之产生了标准的光栅电子海图和矢量电子海图，即光栅扫描航海图和电子航海图。（一） 光栅扫描航海图（Raster Navigational Chart, RNC）符合国际水道测量组织（IHO）光栅海图产品规范S-61的光栅电子海图，是通过国家水道部或国家水道部授权出版的海图数字扫描而成，并与显示系统结合提供连续的自动定位功能的电子海图。 RNC具有以下属性：（1） 由官方纸质海图复制而成；（2） 根据国家标准制作；（3） 内容的保证由发行数据的水道测量局负责；（4） 根据数字化分发的官方改正数据进行定期改正。RNC通常用于单一的海图或海图集的一些标准中。目前世界上主要的光栅扫描航海图产品有
5、英国水道测量局（UKHO）生产的ARCS和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）生产的RNC等。（二） 电子航海图（Electronic Navigational Chart , ENC）ENC是完全符合相关国家标准的，由政府或授权的航道测量机构或相关政府机构发布的与ECDIS一起使用的数据库，具有标准化的内容，结构和格式。ENC包含安全航行所需的所以海图信息，并可包含如航路指南等纸质海图上没有但安全航行所需的补充信息。 ENC具有以下属性：(1) 内容基于主管水道测量局的原始数据或官方海图；(2) 根据国际标准进行编码和编制；(3) 基于WGS84坐标系；(4) 内容的保证由发行数据的水道测量
6、局负责；(5) 由主管的水道局负责发行；(6) 根据数据化分发的官方改正数据进行定期的改正。通常所说的标准电子海图就是指ENC。不符合的标准的电子海图，以及由非官方机构自己数据格式制作的电子海图属于非标准的电子海图。相对于标准的电子海图（ENC）非标准电子海图存在如下缺点，给用户带来航行安全隐患。（1） 不是官方水道测量机构制作，不能保证数据的权威；（2） 不直接从事水道测量，不能保持数据的实时更新；（3） 通用性较差。目前，航海上通常用的非标准电子海图主要是罗威C-Map公司的CM93数据、英国商船（Transan）公司的TX97数据和美国国家地理空间站情报局(NGA)生产的数字航海图（Di
7、gital Nautical chart, DNC）.美国标准的ENC主要由另一家官方水道测量机构-美国国家海洋和大气管理局（NOAA）生产制作。第二节 电子海图应用系统电子海图，无论是矢量电子海图还是光栅电子海图，都只是将海上空间信息按照数据的方式进行组织和存储而形成的数据文件，无法单独使用。电子海图需要与电子计算机、通导设备、应用系统软件等相结合，实行信息显示、船位标绘、船位标绘、航线设计等导航功能。电子海图应用系统是指接受并显示电子海图数据，提供一定功能的软件或设备（包括软件和硬件）。电子海图应用系统种类很多，目前主要是有电子海图显示与信息系统 （ECDIS）、电子海图系统（ECS）光栅
8、海图显示系统（RCDS）一、电子海图显示与信息系统 电子海图显示与信息系统 （Electronic Chart Display and Information System, ECDIS）是指一种有足够备用装置，符合经修正的1974年SOLAS公约第V/19条和第V/27条要求的最新航行信息系统，可有选择的显示系统电子海图（SENC）信息及航行传感器的位置信息，帮助用户进行航线设计和航行监控，及显示其他相关航行信息。二、系统电子航海图快速显示ENC，将ENC及其更新数据无损的转换成制造商内部ECDIS格式后形成的数据库。如图所示。在ECDIS中将ENC进行格式转换，并综合用户手动改正信息和其它
9、来源信息,形成SENC,显示设备直接读取和显示SENC. 电子海图显示设备 电子航海图 转化 系统电子海图 改正信息 ENC SENC 其它信息 ECDIS 三、电子海图系统 电子海图系统（Electronic Chart System ,ECS）是指用于显示官方或非管方矢量电子海图或光栅电子海图数据库，但不符合ECDIS相关国际标准的电子海图显示系统。ECS也可具有各种导航应用功能。ECS和ECDIS之间并没有明显的区界限，就显示界面而言，一个性能完善的ECS与ECDIS无本质区别。对ECS的相关要求略低于ECDIS，ECDIS中某些必备功能（如临时标绘）在ECS中并不强制要求。ECS可以使
10、用非官方、非S-57格式的海图数据库，而ECDIS必须使用官方电子航海图（ENC）四、光栅海图显示系统光栅海图显示系统（Raster Chart Display System, RCDS）是一种航行信息系统，可显示航行传感器提供的位置信息来帮助用户计划航线和监控航线，也可显示其他相关信息。与ECS相似，为了快速显示海图数据和实现其它导航功能。RCDS先对RNC及更新数据进行格式转化，再生成新的数据库，即系统光栅海图（System Raster Navigational Chart, SRNC）。 RCDS有以下局限性：（1）光栅扫描海图为边界海图，如同纸质海图；（2）光栅扫描海图不能启动诸如防
11、止搁浅的自动报警功能，但可以由用户加入信息的方式产生某些报警功能（如船舶的安全等深线、孤立危险物等）;（3）海图基准面和投影可能与NEC不同；（4）海图上的特征不能被简化或移除以满足某些特定航行要求，如雷达信息的叠加;(5) 光栅扫描海图应以其纸质海图的比例尺显示，过分的放大或缩小会严重降低RCDS的性能；（6）RCDS的海图变向显示会影响海图资料的读取；（7）不能对海图物标的附加信息进行选择性查询；（8）不能设置和高亮显示安全等深线或水深点；(9)基于光栅扫描海图，不同的颜色可能用于显示类似的海图信息，也可能出现白天和夜间颜色的不同。 第三节 电子海图系统相关标准一、 ECDIS相关国标标准
12、目前，ECDIS相关国标标准主要有五个：IMO ECDIS性能标准：IHO S-52，即ECDIS的海图内容和显示规范：IHO S-57，即数字化水道测量数据传输标准；IHO S-63，即数据保护方案；国际电工委员会（International Electrotechnical Commission,IEC）的IEC 61174，即ECDIS硬件设备性能和测试标准。此外，IHO也制定了一些关于电子海图其他方面的配套标准。（一）IMO ECDIS性能标准1995年11月，IMO第19届大会正式通过A.817（19）号决议“IMO ECDIS性能标准”（Performance Standard f
13、or Electronic Chart and Display System ,ECDIS）此后在1996年11月海安会通过MSC.64（67）决议增加了性能标准附件6“ECDIS 备用装置要求”1998年MSC.86(70)决议增加了附件7“RCDS操作模式”。2006年12月通过了MSC.232(82),对标准进行了全面的修订，使之成为现行的“IMO ECDIS性能标准”，俗称为IMO PS。 IMO ECDIS性能标准给出了ECDIS的定义、适用范围、提供和更新海图信息、操作和功能要求、比例尺、其他航行信息显示、显示模式和邻近区域的生成、颜色和符合、显示要求、航线设计、航路监控和航程记录
14、、计算和精度、性能试验、故障报警指示、备用装备、与其他设备连接。电源等内容。 该标准有7 个附件； 附件1：制定标准时所参考的其他标准； 附件2：ECDIS在航线设计和航路监控过程中可显示的海图信息分类； 附件3：ECDIS中所使用的航行要素和参数术语及其缩写； 附件4：ECDIS在航线设计和航路监控过程中自动检测到的特殊地理区域； 附件5：ECDIS的报警指示的形式和内容； 附件6：ECIDS 备用装置的要求； 附件7：RCDS操作模式的相关要求。 MSC.232(82) 建议各国政府确保： （1）在2009年1月1日及以后安装的ECDIS设备，符合不低于本决议附件所规定的性能标准；（2）在
15、1996年1月1日之2009年1月1日期间安装的ECDIS设备，符合不低于MSC.64(67) & MSC.86(70)决议修正的A.817(19)决议附件所规定的性能标准。（二）IHO关于ECDIS的相关标准 IHO一直致力有关海图与航海出版物规范、海图符号规格及其显示等方面的标准化工作。目前IHO制定的关于ECDIS的标准主要包括：1.IHO S-52IHO S-52是IHO 关于电子海图的内容和ECDIS显示方面的标准（IHO Specifications for Chart Content and Display Aspects of ECDIS）,现行版为2010年3月第6版。该标准
16、规范了ECDIS显示ENC信息时的方式，包括颜色、符号样式、线型等一系列问题，保证了不同厂商生产的ECDIS显示海图信息的方式、基本海图功能都一致的，有利于用户识读。该标准有三个附件和一个附录。 附件A：IHO ECDIS 表示库； 附件B: 颜色显示初始校准程序； 附件C: 显示标准的维护程序； 附录1：电子海图更新指南。2. IHO S-57IHO S-57是IHO关于数字化水道测量数据即电子海图数据的传输标准（IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data）现行版为2000年11月第3.1版。 该标准描述了用于各国航道部门之间的数字
17、化水道测量数据交换以及向用户、ECDIS的生产商发布此类数据的标准。该标准是具有法律效力的矢量形式电子航海图的数据交换和传输标准。该标准内容主要包括三部分以及两个附件： 第一部分：一般性的介绍； 第二部分：理论数据模型；第三部分：数据结构（电子航海图的数据模式）；附件A：IHO 物标目录（物标分类和编码系统）附件B：产品规范（电子航海图产品规范、IHO物标目录数据字典产品规范）。3. IHO S-63IHO S-63是关于数据保护方案的标准（IHO Data Protection Scheme）, 现行版为2008年3月第1.1版。该标准主要用于规范了电子海图数据的分发与服务，包括防盗版、防伪
18、造、选择性存取、数据制作者一致性和原始设备制造商（OEM）一致性等条款，是安全结构与操作规程的推荐性标准，使用对象是数据发行机构（如国家水道测量部门）、ECDIS/ECS设备制造厂商和最终用户。4.IHO 其他标准除了上述标准外，IHO还制定通过了其他与电子海图数据或应用系统有关的标准：S-58ENC有效性检验推荐标准（Recommended ENC Validation checks）:ENC 生产中质量控制的参考标准，现在版为2011年2月4.2.0版）S-60 WGS84坐标系变换用户手册：介绍了各坐标系的转换到WGS-84修正值和公式，现在版为2003年7月第三版），在2008年8月做
19、出修正。S-61光栅航海图产品规范：是RNC制作的主要的标准，现行版为1999年1月第1版）。S-62ENC生产商代码：给出了全球官方的ENC生产商，现行版为2009年12月第2.5版）。 S-64IHO ECDIS测试数据集：用于ECDIS测试，现行版为2008年12月第1.1版）。S-65ENC生产指导：用于ENC生产，现行版为2009年10月第1.2版）。S-66电子海图及配备要求：介绍了关于电子海图的基本知识和配备要求，现行版为2010年1月第1.0.0版）。（三）IEC 61174 国际电工协会发布的IEC 61174 海上导航和无线电通信设备及系统电子海图显示与信息系统操作要求和性
20、能要求，测试方法和要求，现在标准是2008年9月发布的第3.0版。该标准描述了ECDIS的性能测试方法和要求的测试结果。任何厂商生产的ECDIS系统必须按该标准经严格测试并达到标准要求的结果，才能被官方认可投入市场。因此通过该标准的测试是ECDIS合法成为船上设备的基础。符合该标准的ECDIS得到了类型认可（Type-Approved）后。才可合法的成为船用设备。（四）ECDIS标准之间关系 为了让ECDIS的功能满足IMO ECDIS的性能标准MSC232.(82)的要求。所使用的海图信息由官方水道测量部门提供的符合IHO-57标准的经过改正后最新的信息，ECDIS中电子海图的具体内容、显示
21、方式、颜色和符号的使用等符合IHO S-52规范，电子海图的信息保护标准要符合IHO S-63规范。ECDIS的硬件设备要通过IEC61174的性能测试。第四节 电子海图显示与信息系统电子海图显示与信息系统的组成包括硬件和软件两个部分。一、系统硬件组成ECDIS 实质是以一个具有高性能的内，外部接口符合IHO S-52标准要求的船用计算机系统。系统的中心是高速中央处理器和大容量的内部和外部存储器。外部存储器的容量应保证容纳整个ENC、ENC更新数据和SENC. 中央处理器、内存和显存容量应保证显示一幅电子海图所需的时间为5秒。当然，由于计算机硬件技术的发展，加上对SENC的合理设计，目前各厂商
22、都能实现1秒完成一幅电子海图的显示。 图形显示器用于显示电子海图，其尺寸、颜色和分辨率应符合IHO S-52的最低要求，即有效画面尺寸应为成350mm x 270mm ,不少于64种颜色，像素尺寸小于0.3mm。在进行航路监视时显示海图的有效尺寸至少为270mm x270mm. 文本显示器用于显示航行警告、航路指南、航标表等航海咨询信息，其尺寸应不小于14英寸，支持24x 80字符显示。事实上，当前的ECDIS大多采用在图形显示器上以开窗方式显示相关文本信息。 内部接口应包括图形卡、语音卡、硬盘和光盘控制卡等。以光盘或软盘为载体的ENC及其他改正数据，以及用于测试ECDIS性能的测试数据集可通
23、过内部接口直接录入硬盘，船舶驾驶员在电子海图上所进行的一些手工标绘、注记、以及电子海图手工改正数据的输入等可通过键盘和鼠标实现。同喇叭相连的声卡，用于实现语音报警。 利用打字机可实现电子海图和航行状态硬拷贝，以便事后分析。VDR按照国际海事组织的要求记录航行数据。 外部接口一般是含有CPU的智能接口，保证从外部传感器（GPS、罗经、雷达/ARPA、AIS、计程仪、测深仪、风速风向仪、自动舵等设备）接收信息，并按照一定的调度相主机发送信息。 通过船用通信设备不仅自动接收ENC的改正数据，实现了电子海图的自动改正，而且还可以接收诸如气象预报数据等信息。 二、系统软件组成 1.海图信息处理软件 由N
24、EC向SENC转换的软件，电子海图自动和手动改正软件，海图符号库的管理软件，航海咨询信息的管理软件、电子还图库的管理软件、海图要素分类及编码系统的管理软件，用户数据管理软件等。2.电子海图显示系统软件 电子海图合成软件、电子海图显示软件（根据图形文件调用符号在屏幕上绘制海图）、电子海图上要素搜索软件、航海咨询信息的显示软件。3.计划航线设计软件 在电子海图上手工绘制和修改计划航线、计划航线有效性检查、经验（推荐）航线库的管理、航行计划列表的生成（每段航线的距离、航速、航向、航行时间等） 4.传感器接口模块与外部设备的接口软件（如：GPS、罗经、雷达/ARPA、AIS、计程仪、测深仪、风速风向仪
25、、自动舵等设备），以及从这些传感器所读取的信息的调度和综合处理软件。5航线监控软件计算船舶偏离计划航线的距离、检测航行前方危险物和浅水域、危险指示和报警等。6.航行记录模块 用过记录船舶航行过程中所使用的海图详细信息以及航行要素。7.航海问题的求解软件船位推算、恒向线、大圆航法计算、距离方位计算、陆标定位计算、大地问题正反解计算、不同大地坐标系之间的换算、船舶避碰要素（CPA、TCPA）计算等。三、ECDIS 替代纸质海图的条件 （一）SOLAS 公约关于海图配备要求 国际海上人命安全公约-SOLAS 公约第V章第2条规定海图或者航海出版物系指专用的图或书，或支持这种图或书的经特殊编辑的数据库
26、，由政府主管当局，经授权的水文局或其他相关的政府机构正式颁布，以满足航海要求。 1.SOLAS 公约第V章第18条 SOLAS 公约第V章第18条关于航行系统和设备以及航行数据记录仪的认可、检验和性能标准中规定：（1）需满足本章第19条和第20条的要求系统和设备应为主管机关认可的形式。（2）2002年7月1日及以后安装，适用于第19条和第20条的功能要求系统和设备，包相关的备用设备，其性能标准不低于本组织通过的性能标准。 （3）2002年7月1日以前建造的船舶上更换或增加系统设备时，其系统和设备应在合理和可行的范围内符合本条（2）的要求。 （4）在本组织通过相关性能标准之前安装的系统和设备，主
27、管机关在充分考虑了本组织通过的建议衡准后，可以对其免除安全符合这种标准的要求。但对于视为满足19.2.1.4条之海图配备要求的电子海图显示和信息系统（ECIDS）,该系统达到的相关性能标准应不低于本组织所通过且在其安装之日有效的性能标准，或者，对于1999年1月1日以前安装的系统，应不低于本组织在1995年11月23日通过的性能标准。2. SOLAS 公约第V章第19条SOLAS 公约第V章第19条关于船载航行系统和设备的配置要求规定所有船舶，不论其尺寸，均应设有：（1）海图和航海出版物，用于计划和显示船舶预定航程的航线以及标绘和监视整个航程的船位，电子海图显示和信息系统（ECDIS）可视为满
28、足本节海图配备要求；（2）满足上述功能要求的备用装置。若该功能全部或部分由电子装置完成。电子装置：合适的对纸质航海图可作为ECDIS的备用装置。可接受ECDIS的其他备用设备。3.SOLAS 公约第V章第27条 SOLAS 公约第V章第27条关于海图和航海出版物中规定海图和航海出版物，如航路指南、等标表、航海通告、潮汐表，以及预定航程所需的所有其他航海出版物均应充足并保持更新。（二） 电子海图取代纸质海图的条件 ECDIS的性能标准，海图显示规范、数据标准、硬件设备标准的建立为ECDIS的合法化和实用化铺平了道路，标志着ECDIS取代纸质海图的时代来临。如果ECDIS满足一下条件，可认为符合SOLAS公约第V章海图配备方面相关要求即可取代纸质海图。（1）ECDIS需要符合IEC61174标准，并通过有关机构的类型认可；（2）ECDIS需使用改正到最新的官方ENC（官方水道测量部门提供的符合IHO S-57标准，具体内容、显示方式，以及颜色符号的使用等要符合IHO S-52规范） （3）配备适当的备用设备。
