唐經(jīng)宇，劉東峰，孫粵輝，程 昱，仝國(guó)明

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州，510006）

1 引言

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS（Electronic Chart Display and Information System）是以數(shù)字形式儲(chǔ)存的海圖及其相關(guān)數(shù)據(jù)與多種傳感設(shè)備、圖形顯示終端、計(jì)算機(jī)軟硬件等高度融合的船舶航行多參數(shù)電子綜合信息處理系統(tǒng)。隨著信息化在航海領(lǐng)域的不斷深入，ECDIS的普及是必然趨勢(shì)，國(guó)際海事組織IMO 已開始討論ECDIS的強(qiáng)制安裝。目前全球電子海圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以國(guó)際海道測(cè)量組織IHO 的系列標(biāo)準(zhǔn)為主。

IHO S-52“電子海圖現(xiàn)實(shí)與信息系統(tǒng)內(nèi)容與顯示規(guī)范”[1]規(guī)定：ECDIS必須以電子航海圖ENC（Electronic Nautical／Navigational Chart）為數(shù)據(jù)來源，ENC 必須符合IHO S-57“數(shù)字海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)”[2]。S-57 實(shí)質(zhì)為針對(duì)數(shù)據(jù)傳遞和交換的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，由于效率原因它不能作為ECDIS的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。S-52標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ECDIS必須設(shè)計(jì)高效的系統(tǒng)電子航海圖SENC 的用戶格式，將S-57文件的海圖數(shù)據(jù)和改正數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SENC 中。S-57數(shù)據(jù)集文件的讀取、數(shù)據(jù)改正和物標(biāo)信息解析處理是構(gòu)建ECDIS的三個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

目前，成熟的S-57電子海圖開發(fā)工具主要為商業(yè)軟件，由于價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍較小?，F(xiàn)有的通用GIS軟件對(duì)S-57格式的支持都較有限。林志輝[3]用GIS開源庫(kù)OGR 實(shí)現(xiàn)S-57數(shù)據(jù)導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫(kù)，但OGR 不支持S-57目錄文件，它在S-57數(shù)據(jù)集的整體處理上功能有限。近年來國(guó)內(nèi)一些高校的科研人員在各自的電子海圖軟件中實(shí)現(xiàn)了S-57文件處理模塊[4～9]，它們都能對(duì)S-57數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解包讀取，但都沒有同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)改正和物標(biāo)信息解析這兩項(xiàng)功能。而且它們都是面向自定義的用戶數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)的，通用性上存在不足。我國(guó)電子海圖研究開發(fā)需要功能豐富、通用性好的S-57海圖文件處理軟件。

本文在分析S-57標(biāo)準(zhǔn)的理論數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品規(guī)范的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套S-57海圖文件基礎(chǔ)處理庫(kù)，具備對(duì)S-57數(shù)據(jù)集文件進(jìn)行讀取、數(shù)據(jù)改正和物標(biāo)信息解析三項(xiàng)基礎(chǔ)處理功能。該庫(kù)用C＋＋編寫，與具體的用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式無(wú)關(guān)，以較通用的方式提供處理功能。該庫(kù)可應(yīng)用于S-57電子海圖研究和相關(guān)軟件開發(fā)。

2 S-57標(biāo)準(zhǔn)分析

S-57即《IHO 數(shù)字海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》，目前為2000年11月修訂的第3.1版。該規(guī)范由三部分組成，下含兩個(gè)附錄：第一部分“引言”；第二部分“理論數(shù)據(jù)模型”；第三部分“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”；附錄A“IHO 物標(biāo)類目”；附錄B“ENC產(chǎn)品規(guī)范”。

2.1 理論數(shù)據(jù)模型

在S-57標(biāo)準(zhǔn)的“模型概述”部分中，真實(shí)世界的實(shí)體被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(shí)的信息，由特征物標(biāo)和空間物標(biāo)組合而成。特征物標(biāo)含有描述信息但不帶幾何信息，空間物標(biāo)必須有幾何信息同時(shí)可能帶描述信息。特征物標(biāo)可以不參照空間物標(biāo)而存在，前者由與一個(gè)或多個(gè)空間物標(biāo)的關(guān)系定位?？臻g物標(biāo)必須參照特征物標(biāo)而存在。關(guān)系模型如圖1所示。

“模型實(shí)現(xiàn)”定義了四類特征物標(biāo)：元物標(biāo)、制圖物標(biāo)、地理物標(biāo)、集合物標(biāo)；定義了三類空間物標(biāo)：矢量型、光柵型和矩陣型。目前S-57標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際只使用矢量型空間物標(biāo)，其幾何圖元分為點(diǎn)、邊和面三種。當(dāng)前S-57 產(chǎn)品規(guī)范強(qiáng)制使用“鏈-結(jié)點(diǎn)”拓?fù)涞燃?jí)，該等級(jí)下矢量由一組結(jié)點(diǎn)和邊表示：點(diǎn)被編碼成孤立結(jié)點(diǎn)或連結(jié)點(diǎn)；線被編碼成一組邊和連結(jié)點(diǎn)，邊必須以連結(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)和終點(diǎn)；面被編碼成一組邊的閉合環(huán)，其起點(diǎn)和終點(diǎn)為同一連結(jié)點(diǎn)。

2.2 文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

S-57數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中最基本的單位是子字段，一個(gè)或多個(gè)子字段組成字段；一個(gè)或多個(gè)字段組成記錄；一個(gè)或多個(gè)記錄構(gòu)成文件；一個(gè)交換集由一個(gè)或多個(gè)文件組成。記錄分為五種：數(shù)據(jù)集描述記錄、目次記錄、特征記錄、空間記錄、數(shù)據(jù)字典記錄。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(shí)共同作為記錄的標(biāo)識(shí)。

Figure 1 S-57Theoretical data model diagram圖1 S-57理論數(shù)據(jù)模型示意圖

S-57文件使用ISO／IEC 8211 作為物理封裝標(biāo)準(zhǔn)，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。

2.3 海圖改正機(jī)制

S-57定義了電子航海圖數(shù)據(jù)改正機(jī)制，規(guī)定了EN（基本電子航海圖數(shù)據(jù)）和ER（電子航海圖修正數(shù)據(jù)）兩種應(yīng)用簡(jiǎn)檔。ER 中改正記錄采用了與原版海圖數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在特征記錄和空間記錄中加入了特殊的字段用于改正。改正操作通過將改正記錄作用于目標(biāo)記錄而完成。S-57改正機(jī)制可改正已發(fā)行的數(shù)據(jù)，而不必重新發(fā)布整個(gè)數(shù)據(jù)集。

Figure 2 S-57data update process圖2 S-57數(shù)據(jù)改正流程

2.4 產(chǎn)品規(guī)范

附錄B“產(chǎn)品規(guī)范”的第二章規(guī)定ENC 數(shù)據(jù)必須采用“鏈-結(jié)點(diǎn)”拓?fù)潢P(guān)系編碼。第三章給出了ENC中允許的物標(biāo)和屬性。第四章對(duì)ENC 進(jìn)行了制圖方面的限定，要求所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)不能使用浮點(diǎn)數(shù)而必須用乘數(shù)因子轉(zhuǎn)換為整數(shù)。第五章規(guī)定了S-57交換集的內(nèi)容和形式：一個(gè)ENC交換集必須由一個(gè)目錄文件和至少一個(gè)數(shù)據(jù)集文件組成，目錄文件記錄了交換集中所有文件的路徑；初始版數(shù)據(jù)文件擴(kuò)展名為000，之后的改正文件擴(kuò)展名依次為001至999，每一新版加1。第六章規(guī)定了交換集中數(shù)據(jù)集文件和目錄文件的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容。

3 總體設(shè)計(jì)

電子海圖數(shù)據(jù)從S-57文件導(dǎo)入到SENC需經(jīng)過三個(gè)環(huán)節(jié)：文件讀取、海圖改正處理和物標(biāo)解析，故本程序庫(kù)分為文件讀取、改正處理和物標(biāo)信息解析三個(gè)模塊。讀取模塊完整地保持文件的海圖數(shù)據(jù)，基本保持?jǐn)?shù)據(jù)的原始邏輯結(jié)構(gòu)。改正模塊在內(nèi)存中對(duì)海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行改正處理。物標(biāo)信息解析模塊可提取幾何信息、屬性／類目信息。各功能可按需選用，不面向具體的用戶格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)上采用面向?qū)ο蠓椒?，開發(fā)語(yǔ)言為C＋＋，廣泛應(yīng)用STL技術(shù)。讀取模塊可獨(dú)立工作，改正模塊與解析模塊互不依賴。本庫(kù)的UML類圖如圖3所示。

4 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 文件讀取模塊

ISO 8211Lib 是一款用C＋＋編寫的用于ISO／IEC 8211格式文件解包的開源庫(kù)。本文使用ISO 8211Lib，將其裝到ReadSubField類作為函數(shù)對(duì)象，用于S-57文件解包。

Figure 3 UML class diagram圖3 UML類圖

為產(chǎn)品規(guī)范的應(yīng)用簡(jiǎn)檔所規(guī)定的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各字段設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)體；各記錄設(shè)計(jì)為類，F(xiàn)eatureBaseCell類與FeatureRecUpdateCell類分別對(duì)應(yīng)EN 和ER 的特征記錄，VectorBaseCell類與VectorUpdateCell類分別對(duì)應(yīng)EN 和ER 的空間記錄；ChartBaseCell類、ChartUpdateCell類和Catalogue類分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件、改正數(shù)據(jù)文件和目錄文件。記錄類用STL容器和智能指針類模板auto＿ptr存放各字段對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，文件類用STL容器存放規(guī)定的記錄類，它們基本保持所對(duì)應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)的原始邏輯關(guān)系。

各字段結(jié)構(gòu)體中，整數(shù)型子字段用int型存儲(chǔ)，字符型子字段用STL的string類型存儲(chǔ)，外部指針子字段用unsigned char數(shù)組存儲(chǔ)。指針字段VRPT、FSPT、FFPT 的結(jié)構(gòu)體增設(shè)額外的成員變量以存儲(chǔ)解碼后的指針信息。VRPT 字段對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體的定義代碼如下所示，其指針原始數(shù)據(jù)存于name數(shù)組，解碼后的指針信息存于額外成員name＿rcnm 和name＿rcid：

ChartBaseCell類、ChartUpdateCell類和Catalogue類提供公有方法Load用于文件讀取，該方法的參數(shù)接受文件路徑，將文件各記錄、各字段的數(shù)據(jù)讀入對(duì)應(yīng)的類和結(jié)構(gòu)體。Catalogue類從目錄文件讀取所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件和改正文件的路徑。本庫(kù)實(shí)現(xiàn)FullPathDecomposor類提供路徑和文件名處理功能，供Catalogue類使用。Catalogue類提供公共方法進(jìn)行S-57標(biāo)準(zhǔn)要求的CRC（Cyclic Redundancy Check）文件校驗(yàn)。ChartBaseCell用三個(gè)map容器分別存儲(chǔ)孤立結(jié)點(diǎn)空間記錄、連結(jié)點(diǎn)空間記錄、邊空間記錄，map的key為空間記錄的RCID 值?；A(chǔ)數(shù)據(jù)文件讀取流程圖如圖4所示。

Figure 4 Basic data file read flow chart圖4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件讀取流程圖

4.2 改正模塊

改正UpdateProcessor類實(shí)現(xiàn)處理功能，它減小了ChartBaseCell類和ChartUpdateCell類的耦合。UpdateProcessor類提供公共方法Update執(zhí)行改正處理，原型如下：

int Update（ChartBaseCell ＆chart，const ChartUpdateCell ＆chart＿updt）；

Update方法將參數(shù)2中的改正數(shù)據(jù)應(yīng)用于參數(shù)1進(jìn)行更新處理，改正完成后的海圖數(shù)據(jù)仍保存于參數(shù)1。

改正記錄也分為特征記錄和空間記錄兩種，它們的改正操作分為插入、刪除、修改三類，記錄的標(biāo)識(shí)字段的RUIN 子字段指示要進(jìn)行何種操作。目標(biāo)記錄由改正記錄的標(biāo)識(shí)字段的子字段RCNM 和RCID 標(biāo)識(shí)。記錄的插入和刪除操作皆以記錄為整體進(jìn)行，而記錄修改則包括記錄內(nèi)字段的插入、刪除和修改三種操作。字段修改的實(shí)現(xiàn)方式又分為兩類，第一類以字段屬性是否在目標(biāo)記錄中出現(xiàn)過指示操作，第二類以專門的控制字段指示操作。FeatureBaseCell類與VectorBaseCell類實(shí)現(xiàn)了三種字段修改操作的接口函數(shù)，ChartBaseCell類實(shí)現(xiàn)了記錄改正操作的接口函數(shù)。UpdateProcessor的Update方法驗(yàn)證兩參數(shù)的升級(jí)信息匹配正確后，調(diào)用前述接口進(jìn)行改正處理。改正處理流程圖如圖5所示。

Figure 5 Update processing flow chart圖5 改正處理流程圖

4.3 物標(biāo)信息解析模塊

本庫(kù)物標(biāo)信息解析模塊分為幾何信息解析和屬性／類目信息解析兩個(gè)子模塊，前者實(shí)現(xiàn)為GeomProcessor類，后者實(shí)現(xiàn)為AttrObjClassInfo-Processor類，兩者互不依賴。

4.3.1 物標(biāo)幾何信息解析

物標(biāo)的幾何信息解析，即獲取物標(biāo)的幾何圖元類型（點(diǎn)、線、面）和完整的幾何坐標(biāo)。物標(biāo)的點(diǎn)、線、面圖元都以點(diǎn)為基礎(chǔ)。點(diǎn)分為二維點(diǎn)和三維點(diǎn)（后者只用于水深數(shù)據(jù)，第三維表示深度），前兩維表示經(jīng)緯度坐標(biāo)。S-57 文件中坐標(biāo)數(shù)據(jù)皆為整型，SG2D 和SG3D 字段對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體用于保存點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；GeomProcessor類將解析得到的物標(biāo)的整型坐標(biāo)數(shù)據(jù)用乘數(shù)因子轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型，為此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體PintFloat2D＿t和PintFloat3D＿t用于保存浮點(diǎn)型坐標(biāo)值。

SG2D 字段的結(jié)構(gòu)：

SG3D 字段的結(jié)構(gòu)：

物標(biāo)的幾何圖元類型由特征記錄FRID 字段的PRIM 子字段獲得。坐標(biāo)從特征記錄的FSPT（特征記錄到空間記錄指針）字段指向的各個(gè)空間記錄的坐標(biāo)字段中提取。流程如下：

（1）點(diǎn)物標(biāo)的坐標(biāo)解析。從相應(yīng)空間記錄的SG2D、SG3D 字段獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)；用STL的vector容器存儲(chǔ)。

（2）線物標(biāo)的坐標(biāo)解析。按空間物標(biāo)VRPT字段的ORNT 子字段指示的方向，先獲取起始連結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，再獲取邊的各孤立點(diǎn)坐標(biāo)，最后獲取終止連結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；用兩層嵌套的vector容器存儲(chǔ)，每個(gè)內(nèi)層vector容器存儲(chǔ)一條邊。

（3）面物標(biāo)的坐標(biāo)解析。先將構(gòu)成面的各邊解析出來；遍歷這些邊并判斷是否構(gòu)成閉環(huán)，若是，則獲得面的一個(gè)封閉輪廓；用兩層嵌套的vector容器存儲(chǔ)，每個(gè)內(nèi)層vector容器存儲(chǔ)一個(gè)封閉輪廓。

GeomProcessor類提供公有方法GenObjGeomInt，對(duì)ChartBaseCell對(duì)象的所有物標(biāo)進(jìn)行幾何解析，結(jié)果存儲(chǔ)于STL的map容器中，map的key為特征物標(biāo)的RCID 值，物標(biāo)的特征信息與幾何信息通過map容器的key-value映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。GeomProcessor類亦提供數(shù)個(gè)接口用于處理單個(gè)物標(biāo)。

4.3.2 物標(biāo)屬性／類目信息解析

物標(biāo)屬性信息解析，即根據(jù)物標(biāo)屬性字段的值獲得S-57規(guī)定的對(duì)應(yīng)屬性的信息，包括屬性名稱、縮略詞等。物標(biāo)類目信息解析，即根據(jù)文件物標(biāo)特征記錄FRID 字段的OBJL 子字段標(biāo)記的S-57物標(biāo)代碼獲得物標(biāo)類目的信息，包括物標(biāo)類名稱、縮略詞、相關(guān)屬性等。

本庫(kù)定義了兩個(gè)多維char＊型常量數(shù)組s57attributes[]和s57Classes[]，以字符串分別存儲(chǔ)S-57標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物標(biāo)屬性和物標(biāo)類目?jī)蓚€(gè)參考表的主要信息。AttrObjClassInfoProcessor類以這兩個(gè)數(shù)組為基礎(chǔ)，提供數(shù)種方法用于獲取物標(biāo)屬性／類目信息，以STL的string類返回。

5 功能演示與應(yīng)用

采用本庫(kù)在Windows XP 下編寫了一個(gè)功能演示程序，其對(duì)S-57海圖文件進(jìn)行處理并在命令行界面以文本形式輸出信息。圖6為演示程序的部分輸出結(jié)果，所讀取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件為US4NY24M.000（大小615KB），讀取的改正文件為 US4NY24M.001 （大小 26.6KB）和US4NY24M.002（大小2KB），讀取后進(jìn)行了數(shù)據(jù)改正和物標(biāo)信息解析處理。

Figure 6 Output of demo application processing S-57chart file data圖6 經(jīng)演示程序處理的S-57海圖文件數(shù)據(jù)輸出結(jié)果

圖6a顯示了一個(gè)類目名為“Compilation scale of data”的物標(biāo)，其第一個(gè)ATTF字段的屬性名為“Compilation scale”（倒數(shù)第二行）；圖6b第二行顯示物標(biāo)幾何類型為“面”，后續(xù)顯示各點(diǎn)未用乘數(shù)因子轉(zhuǎn)換的經(jīng)緯度原始值。

目前該庫(kù)在我們的項(xiàng)目《基于LINUX／GTK的嵌入式ECDIS軟件》中，應(yīng)用于S-57數(shù)據(jù)集文件讀取及用戶格式數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入底層模塊的開發(fā)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)的程序庫(kù)具備S-57電子海圖數(shù)據(jù)集文件讀取、改正處理和物標(biāo)信息解析功能。文件讀取模塊能夠讀取S-57數(shù)據(jù)集目錄文件、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件和改正文件，保證數(shù)據(jù)完整性，較好地保持了數(shù)據(jù)的原始邏輯結(jié)構(gòu)。改正模塊對(duì)讀取到內(nèi)存的海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行改正處理。物標(biāo)信息解析模塊可獲取物標(biāo)的幾何信息和屬性／類目信息。各功能模塊之間獨(dú)立性較好，與具體的用戶格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，具備一定的通用性。在當(dāng)前S-57海圖文件處理軟件數(shù)量和功能都不豐富的情況下，本庫(kù)對(duì)電子海圖研究和軟件開發(fā)具有一定實(shí)際意義。

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