新一代ENC數據標準S—101與S—57的對比分析

劉力　程為平　馮新強　朱瑋瑋

摘 要：S-101是基于通用海道測量數據模型（S-100）建立的新一代電子海圖產品規范，遵循了S-100規定的產品規范建立原則和方法，實現了對電子海圖（ENC）特定應用的準確技術描述。在分析了當前ENC數據標準S-57存在的不足的基礎之上，從數據結構、空間模式以及數據內容三個方面闡述了新一代ENC標準S-101的優點，并與S-57進行了深度對比分析。

關鍵詞：電子海圖 ENC S-101 S-57 S-100

中圖分類號：P201 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0034-04

Abstract：S-101 is a new ENC product specification based on the S-100 universal hydrographic data model， which followed the establishment principles and methods specified by S-100_Part 11 Product Specification and realized an precise technical description for the specific application.In this article，a comprehensive analyze of the advantages of this new product specification standard have been discussed from three aspects such as data structure，spatial schema and data content with a comparison of the disadvantages of S-57.

Key Words：Electronic Navigational Charts；ENC；S–101；S-57；S-100

根據國際海道測量組織（IHO）公開發布的信息，隨著全球海洋開發的發展，S-57標準已不再適合當前的多種業務需求。2010年1月，國際海道測量組織發布了《S-100通用海道測量數據模型》，各國官方海道測量產品開始由海道測量信息時代進入地理信息時代，S-100的發布標志海道測量數據可以與傳統的地理信息以統一的模式和方法表達、存儲、發現和使用[1]。但S-100僅提供了一個模型框架，不涉及具體的數據產品規范，IHO將基于S-100的數字海道產品標準編號S-10X系列，如ENC產品規范S-101，水深表面產品規范S-102等。

S-101最終將成為基于S-100的ECDIS系統中的導航層，并能夠與其他以S-100為基礎的S-10X產品相結合，為航行決策提供更好的信息保障。國內學者對S-100展開了一定研究，但對于具體的S-10X產品規范還未深入探索，深入分析S-101產品規范。此處從數據內容、空間模式以及結構與S-57進行對比分析，從而為新一代電子海圖產品制作提供幫助。

1 ENC數據標準S-57的發展與不足

S-57標準是電子海圖的格式標準，是IHO需要維護的主要標準之一，目前發展到S-57 Edition 3.1版本[2]。S-57標準分別在2007年1月、2009年6月和2014年3月發布了三個增補版，增補版增加了群島航道和群島航道軸線兩個物標類，并修改了部分要素屬性值。

隨著全球海洋開發的發展，S-57標準因不再適合當前的多種業務需求，而被IHO凍結。其不足包括：（1）維護機制不靈活。在S-57中增加任何新要素與屬性都必須經過系統管理者、數據提供者、電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）設備制造商以及數據用戶等角色的嚴格討論。（2）數據交換的靈活性與可用性較低。數據模型以文件格式封裝，雖然保持了數據模型的結構和內容，但很大程度上限制了數據交換的靈活性與可用性。（3）S-57的數據結構，無法支持未來發展需求，特別是無法滿足ECDIS中的數據融合與集成的需求。（4）S-57數據模型僅限于ENC數據的生產與交換，與國際主流地理信息標準不符，不利于全球地理空間數據共享。

為解決上述問題，IHO于2000年批準修訂S-57標準，于2010年形成了一個新的地理空間框架標準S-100通用海道數據模型。

2 S-100通用海道數據模型建立及意義

S-100是全新的海道地理空間數據標準，主要目標是支持與各種海道相關的更加多樣化的數據源、產品和服務。它完全符合國際主流地理信息標準，特別是ISO19000系列地理標準，從而使地理空間應用程序集成海道測量數據更容易[3]。S-100不是S-57標準的升級版，而是一套全新的標準體系，不僅擴展了現有的S-57海道測量傳輸標準的范圍，本質上比S-57更靈活，還規定支持大量海道測量相關數據源、產品及用戶需求（如圖1所示），其中包括矩陣和光柵數據、三維和時變數據（X、Y、Z和T），以及超越傳統海道測量范圍的新應用（高密度水深測量、海床分類、海洋GIS等）。

S-100提供了更加靈活的動態維護機制，通過IHO專用網站實現對要素實體及屬性和圖示目錄的在線注冊[4]。S-100是基于ISO19000系列標準設計，這些標準也是現代地理空間標準制定的基礎，且密切與其他標準如開放地理空間聯盟（OGC）的發展計劃相一致。

S-100最重要的意義是它提供了新一代ENC產品及其他與航海相關的數字產品的發展框架，為建立規范性產品規范提供了必要的機制，使各種數字海道信息和海洋地理空間信息能夠進行廣泛交流。但S-100僅僅是提供了一個模型框架，不涉及具體的數據產品規范，IHO將基于S-100的數字海道產品標準編號為S-10X系列，如ENC產品規范S-101，水深表面產品規范S-102等[5]。endprint

3 新一代電子海圖標準S-101分析

3.1 S-101與S-100的關系對比

S-101是一部具體到海道測量產品規范層面的基于S-100體系的技術規范，S-101是按照S-100確立的基本結構和要求建立，與其它基于S-100的海道測量產品規范采用相同的框架，保證了海道測量不同產品規范可以通過一個清晰并且相似的結構來維護[6]。S-101部分詳細內容遵循了S-100第4章到第10章的規定，部分內容如數據獲取和分類、數據維護、數據產品分發等在S-100中沒有具體的描述，與S-57基本相同。S-101與S-100的相互關系框架如圖2所示。

3.2 S-101與S-57的差異性分析

3.2.1 結構對比

S-101作為一種新的電子海圖產品規范，依然保持了基本的電子海圖功能，因此大多數的S-57電子海圖的特點被保留[7]。另外，為克服S-57已知的編碼缺點，如危險區域要素編碼的濫用問題，提高數據的效率，改善用戶體驗，S-101制定了許多新概念和結構。如更豐富的幾何模型、信息類型和復雜屬性，可交換的動態要素與圖示目錄等。改進的功能將實現更有效的數據處理和在ECDIS設備中更好的定義圖示符號，以消除或減少一些條件可視化規則與程序。

（1）XML化動態化ENC目錄及規范化圖示表達。

目前，基于S-57數據標準的圖示表達是建立在S-52標準基礎之上的，一個完整的ECDIS系統至少需要解決這兩個標準。與S-57 ENC產品規范相比，S-101顯著優點在于采用XML化與動態化要素目錄與圖示目錄。XML化是指S-101目錄標準是以機器可讀的XML方式進行存儲的，以便于標準內容的升級以及與其他領域的交互。動態化是指S-101數據結構不是固定不變的，它能夠根據需要進行累積性的改進且不影響現有用戶。

S-101將要素、屬性及其枚舉值之間的關系定義在單一的要素目錄中。要素目錄的構建是基于注冊集的方式，注冊集中對數據內容給出了定義，并以機器可讀的XML形式進行存儲，允許ECDIS通過XML文件，很容易升級現有的船上系統。在S-100框架下，注冊內容可以被連續的改變，S-101的要素與圖示目錄可以不斷更新版本，且不會改變目錄標準的XML結構，這使得IHO既能夠利用動態注冊方式的優勢，又能夠使更新在一個受控的進程中進行，保護最終用戶的利益[8]。

（2）信息類型和復雜屬性的加入。

S-101的一個重要改進是使用“信息類型”。信息類型是一個可識別的可在附加要素屬性中體現相關信息的沒有幾何屬性的要素類型。當有更多補充信息與某信息類型相關時，該信息類型也可以附加其他信息類型，如圖3所示。例如在S-57中，為表示一個浮標的說明信息，通常被編碼到警告區要素。電子海圖中包含的許多這種說明信息，通常采用警告區要素來表示。然而，該信息并不需要觸發報警。然而，S-101的信息類型將有助減少警告區要素的濫用，克服現行S-57標準中類似的編碼局限問題。

S-101另一個重要改進是使用“復雜屬性”。復雜屬性可以簡化要素的編碼及其描述，提高數據的編碼和可視化效率。例如使用復雜屬性的海床要素，如圖4所示。S-57對較為復雜的屬性類型描述往往比較冗長、累贅，其一般采用ASCII字符串的屬性類來表示，并對字符串格式進行一些規定，在一個字符串屬性無法表達完整時，采用多個字符串屬性進行表達，即造成復雜方案的累贅描述。例如體現潮汐流儀表數據的物標TS_PAD，利用TS_TSP屬性字段的字符串來表示，字符串格式規定為：“港口識別碼，港口名稱，高潮HW或低潮LW，潮流方向，潮流速度”。（3）S-101獨立化不依比例尺數據集。

研究表明，實際航海要素有部分要素是不依比例尺更新存儲，例如雷達站要素。在S-57數據標準中對于這些要素是否依于比例尺并沒有做出明確的規定，這也導致在同一區域的要素信息將被存儲到不同比例尺數據集時，造成數據的重復采集，增加數據的不一致性。然而在S-101標準中已將不依比例尺的要素獨立出來，目前IHO已審核通過54種不依比例尺數據類型，并以附錄的形式作為S-101的一部分[9]，表1所示為部分列舉。

同一地理區域包含有依比例尺與不依比例尺兩種數據集。通常不依比例尺的數據集與依比例尺數據集之間的關系是一對多的關系。不依比例尺要素集的顯示將由要素屬性中給定的比例尺范圍進行控制。S-101中對不依比例尺的數據集有四點規定：（1）每個數據集僅能體現一個區域范圍，不同數據集之間不能有重疊；（2）數據集中的要素不允許出現在依比例尺數據集中；（3）要素的最大最小比例尺可被要素屬性重新定義，但應該在數據集顯示比例范圍之內；（4）數據集最小顯示比例尺必須設置為1∶3000000，數據集最大顯示比例尺必須設置為1∶4000。

3.2.2 空間模式對比

S-57采用的空間模式包括5種幾何類型：節點、孤立節點、連接節點、邊和面。S-57與S-100幾何類型對照如表2所示。

（1）S-57理論上支持4種拓撲級別的空間幾何組織。

方式：無拓撲、鏈-節點、平面圖、完全拓撲。但在S-57 ENC產品中，使用“鏈-節點”拓撲；而S-101使用的是幾何單形對幾何進行組織，兩者本質上是一樣的。

（2）面的邊界應該是環，而不是普通的邊。這一點在S-57中沒有體現，而S-101則有。

（3）S-57缺少描述點群、線群、面群的幾何類型，而S-101只缺少描述線群、面群的幾何類型。

（4）S-57對邊可以使用6種插值方法：線性插值、三點圓弧、橢圓弧、均勻樣條曲線、分段貝塞爾以及不均勻比例樣條。S-101可以使用4種插值方法：線性插值、大地曲線、三點圓弧以及等角線等。

3.2.3 數據內容對比endprint

S-101定義了四種要素類型：地理要素類型、聚合要素類型、制圖要素類型、元要素類型。但是，制圖要素類型目前沒有被包含。此外，如各海道測量官方機構提供的潮流、風等航海出版物數據不包括在S-101中，而是作為航海信息覆蓋圖（NIO）另行建立標準。

新一代電子海圖標準S-101與S-57對比，要素變化包括：新增要素17個，刪除要素21個，拆分要素1個；并且S-101沒有保留S-57中的制圖要素，部分舉例如表3所示。其中拆分的要素是將S-57中的M_NSYS拆分成航行標志系統（Navigational system of marks）和局部浮標指向（Local direction of buoyage）；屬性變化包括：對部分屬性進行了刪、改、增，如表4舉例所示。

4 結語

基于S-100框架建立的S-101標準是新一代電子海圖產品規范，是真正符合航海需要，并與主流地理信息產品兼容的產品規范。本文在深入分析IHO相關會議報告和最新S-101工作版的基礎上，闡述了S-101在數據結構、空間模式、以及數據內容等方面發生的新變化及其優勢，為新一代ENC數據的標準的應用奠定了較好的理論基礎，同時為我國海洋空間基礎設施的建設和港口航道基礎地理信息空間數據標準的建立提供有效參考。

參考文獻

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S-101定義了四種要素類型：地理要素類型、聚合要素類型、制圖要素類型、元要素類型。但是，制圖要素類型目前沒有被包含。此外，如各海道測量官方機構提供的潮流、風等航海出版物數據不包括在S-101中，而是作為航海信息覆蓋圖（NIO）另行建立標準。

新一代電子海圖標準S-101與S-57對比，要素變化包括：新增要素17個，刪除要素21個，拆分要素1個；并且S-101沒有保留S-57中的制圖要素，部分舉例如表3所示。其中拆分的要素是將S-57中的M_NSYS拆分成航行標志系統（Navigational system of marks）和局部浮標指向（Local direction of buoyage）；屬性變化包括：對部分屬性進行了刪、改、增，如表4舉例所示。

4 結語

基于S-100框架建立的S-101標準是新一代電子海圖產品規范，是真正符合航海需要，并與主流地理信息產品兼容的產品規范。本文在深入分析IHO相關會議報告和最新S-101工作版的基礎上，闡述了S-101在數據結構、空間模式、以及數據內容等方面發生的新變化及其優勢，為新一代ENC數據的標準的應用奠定了較好的理論基礎，同時為我國海洋空間基礎設施的建設和港口航道基礎地理信息空間數據標準的建立提供有效參考。

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S-101定義了四種要素類型：地理要素類型、聚合要素類型、制圖要素類型、元要素類型。但是，制圖要素類型目前沒有被包含。此外，如各海道測量官方機構提供的潮流、風等航海出版物數據不包括在S-101中，而是作為航海信息覆蓋圖（NIO）另行建立標準。

新一代電子海圖標準S-101與S-57對比，要素變化包括：新增要素17個，刪除要素21個，拆分要素1個；并且S-101沒有保留S-57中的制圖要素，部分舉例如表3所示。其中拆分的要素是將S-57中的M_NSYS拆分成航行標志系統（Navigational system of marks）和局部浮標指向（Local direction of buoyage）；屬性變化包括：對部分屬性進行了刪、改、增，如表4舉例所示。

4 結語

基于S-100框架建立的S-101標準是新一代電子海圖產品規范，是真正符合航海需要，并與主流地理信息產品兼容的產品規范。本文在深入分析IHO相關會議報告和最新S-101工作版的基礎上，闡述了S-101在數據結構、空間模式、以及數據內容等方面發生的新變化及其優勢，為新一代ENC數據的標準的應用奠定了較好的理論基礎，同時為我國海洋空間基礎設施的建設和港口航道基礎地理信息空間數據標準的建立提供有效參考。

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