1、第一章 電子海圖與電子海圖系統第一節 電子海圖與標準電子海圖隨著計算機技術與航海技術的不斷發展，產生了以數字形式表示的海圖以及各種電子海圖應運系統。它們的出現是水道測量領域的一場新技術革命，使海圖研究，生產以及使用跨入了一個新的紀元，也促使航海自動化邁上新的臺階。所謂的電子海圖（Electronic chart, EC）是在顯示器上顯示出海圖信息和其他航海信息，所以也稱“屏幕海圖”。電子海圖及其應用環境組成電子海圖系統。一、 電子海圖電子海圖是描述海域地理信息和航海信息的數字化產品，主要涉及海洋及其毗鄰的陸地。詳細的描述了岸形、島嶼、礁石、淺灘、沉船、水深、地質、助航標志、潮流、海流等航海所需

2、的資料。電子海圖按照制作方法可分為矢量電子海圖和光柵電子海圖兩大類。（一） 矢量電子海圖 （Vector Charts） 以矢量形式表示的數字海圖。海圖中的每個要素是以點、線、面等幾何圖形的形式存儲在電子海圖數據文件中、具有存儲小、顯示速度快、精度高、支持智能化航海等優點。用戶查詢電子海圖中任意圖標的細節（如燈標、顏色、周期）可根據需要有選擇的顯示不同的層次信息（如只顯示小于10M的水深點）。矢量電子海圖與其他的船舶系統相結合，能提供警戒區、危險區等自動報警功能。矢量電子海圖被稱為“智能電子海圖”。（二） 光柵電子海圖（Raster Charts）以光柵形式表示的數字海圖,通過對紙質的海圖的一

3、次性掃描，形成單一的數字信息文件；以像素的排列反映海圖中的要素，依靠眼睛識別航海要素。因此，光柵電子海圖被認為是紙質海圖的復制品，它包含的信息（如岸線、水深等）如紙質海圖一一對應。光柵電子海圖也可與定位傳感器（如GPS）連接，但由于光柵電子海圖制作原理上的局限性，光柵電子海圖不能夠提供選擇性的查詢和顯示功能（如查詢某一海圖要素特征，或隱去某類海圖要素特征等）。光柵電子海圖被稱為“非智能電子海圖”。 目前，電子海圖以矢量電子海圖為主，光柵電子海圖是在沒有矢量電子海圖的海域作為補充使用。二、 標準的電子海圖隨著電子海圖的發展，相關國際組織通過制定標準規范和統一的電子海圖的數據格式，隨之產生了標準的

4、光柵電子海圖和矢量電子海圖，即光柵掃描航海圖和電子航海圖。（一） 光柵掃描航海圖（Raster Navigational Chart, RNC）符合國際水道測量組織（IHO）光柵海圖產品規范S-61的光柵電子海圖，是通過國家水道部或國家水道部授權出版的海圖數字掃描而成，并與顯示系統結合提供連續的自動定位功能的電子海圖。 RNC具有以下屬性：（1） 由官方紙質海圖復制而成；（2） 根據國家標準制作；（3） 內容的保證由發行數據的水道測量局負責；（4） 根據數字化分發的官方改正數據進行定期改正。RNC通常用于單一的海圖或海圖集的一些標準中。目前世界上主要的光柵掃描航海圖產品有英國水道測量局（UKH

5、O）生產的ARCS和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）生產的RNC等。（二） 電子航海圖（Electronic Navigational Chart , ENC）ENC是完全符合相關國家標準的，由政府或授權的航道測量機構或相關政府機構發布的與ECDIS一起使用的數據庫，具有標準化的內容，結構和格式。ENC包含安全航行所需的所以海圖信息，并可包含如航路指南等紙質海圖上沒有但安全航行所需的補充信息。 ENC具有以下屬性：(1) 內容基于主管水道測量局的原始數據或官方海圖；(2) 根據國際標準進行編碼和編制；(3) 基于WGS84坐標系；(4) 內容的保證由發行數據的水道測量局負責；(5) 由主管

6、的水道局負責發行；(6) 根據數據化分發的官方改正數據進行定期的改正。通常所說的標準電子海圖就是指ENC。不符合的標準的電子海圖，以及由非官方機構自己數據格式制作的電子海圖屬于非標準的電子海圖。相對于標準的電子海圖（ENC）非標準電子海圖存在如下缺點，給用戶帶來航行安全隱患。（1） 不是官方水道測量機構制作，不能保證數據的權威；（2） 不直接從事水道測量，不能保持數據的實時更新；（3） 通用性較差。目前，航海上通常用的非標準電子海圖主要是羅威C-Map公司的CM93數據、英國商船（Transan）公司的TX97數據和美國國家地理空間站情報局(NGA)生產的數字航海圖（Digital Nauti

7、cal chart, DNC）.美國標準的ENC主要由另一家官方水道測量機構-美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）生產制作。第二節 電子海圖應用系統電子海圖，無論是矢量電子海圖還是光柵電子海圖，都只是將海上空間信息按照數據的方式進行組織和存儲而形成的數據文件，無法單獨使用。電子海圖需要與電子計算機、通導設備、應用系統軟件等相結合，實行信息顯示、船位標繪、船位標繪、航線設計等導航功能。電子海圖應用系統是指接受并顯示電子海圖數據，提供一定功能的軟件或設備（包括軟件和硬件）。電子海圖應用系統種類很多，目前主要是有電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）、電子海圖系統（ECS）光柵海圖顯示系統（RCDS）

8、一、電子海圖顯示與信息系統 電子海圖顯示與信息系統 （Electronic Chart Display and Information System, ECDIS）是指一種有足夠備用裝置，符合經修正的1974年SOLAS公約第V/19條和第V/27條要求的最新航行信息系統，可有選擇的顯示系統電子海圖（SENC）信息及航行傳感器的位置信息，幫助用戶進行航線設計和航行監控，及顯示其他相關航行信息。二、系統電子航海圖快速顯示ENC，將ENC及其更新數據無損的轉換成制造商內部ECDIS格式后形成的數據庫。如圖所示。在ECDIS中將ENC進行格式轉換，并綜合用戶手動改正信息和其它來源信息,形成SENC,

9、顯示設備直接讀取和顯示SENC. 電子海圖顯示設備 電子航海圖 轉化 系統電子海圖 改正信息 ENC SENC 其它信息 ECDIS 三、電子海圖系統 電子海圖系統（Electronic Chart System ,ECS）是指用于顯示官方或非管方矢量電子海圖或光柵電子海圖數據庫，但不符合ECDIS相關國際標準的電子海圖顯示系統。ECS也可具有各種導航應用功能。ECS和ECDIS之間并沒有明顯的區界限，就顯示界面而言，一個性能完善的ECS與ECDIS無本質區別。對ECS的相關要求略低于ECDIS，ECDIS中某些必備功能（如臨時標繪）在ECS中并不強制要求。ECS可以使用非官方、非S-57格式

10、的海圖數據庫，而ECDIS必須使用官方電子航海圖（ENC）四、光柵海圖顯示系統光柵海圖顯示系統（Raster Chart Display System, RCDS）是一種航行信息系統，可顯示航行傳感器提供的位置信息來幫助用戶計劃航線和監控航線，也可顯示其他相關信息。與ECS相似，為了快速顯示海圖數據和實現其它導航功能。RCDS先對RNC及更新數據進行格式轉化，再生成新的數據庫，即系統光柵海圖（System Raster Navigational Chart, SRNC）。 RCDS有以下局限性：（1）光柵掃描海圖為邊界海圖，如同紙質海圖；（2）光柵掃描海圖不能啟動諸如防止擱淺的自動報警功能，但

11、可以由用戶加入信息的方式產生某些報警功能（如船舶的安全等深線、孤立危險物等）;（3）海圖基準面和投影可能與NEC不同；（4）海圖上的特征不能被簡化或移除以滿足某些特定航行要求，如雷達信息的疊加;(5) 光柵掃描海圖應以其紙質海圖的比例尺顯示，過分的放大或縮小會嚴重降低RCDS的性能；（6）RCDS的海圖變向顯示會影響海圖資料的讀取；（7）不能對海圖物標的附加信息進行選擇性查詢；（8）不能設置和高亮顯示安全等深線或水深點；(9)基于光柵掃描海圖，不同的顏色可能用于顯示類似的海圖信息，也可能出現白天和夜間顏色的不同。 第三節 電子海圖系統相關標準一、 ECDIS相關國標標準目前，ECDIS相關國標

12、標準主要有五個：IMO ECDIS性能標準：IHO S-52，即ECDIS的海圖內容和顯示規范：IHO S-57，即數字化水道測量數據傳輸標準；IHO S-63，即數據保護方案；國際電工委員會（International Electrotechnical Commission,IEC）的IEC 61174，即ECDIS硬件設備性能和測試標準。此外，IHO也制定了一些關于電子海圖其他方面的配套標準。（一）IMO ECDIS性能標準1995年11月，IMO第19屆大會正式通過A.817（19）號決議“IMO ECDIS性能標準”（Performance Standard for Electroni

13、c Chart and Display System ,ECDIS）此后在1996年11月海安會通過MSC.64（67）決議增加了性能標準附件6“ECDIS 備用裝置要求”1998年MSC.86(70)決議增加了附件7“RCDS操作模式”。2006年12月通過了MSC.232(82),對標準進行了全面的修訂，使之成為現行的“IMO ECDIS性能標準”，俗稱為IMO PS。 IMO ECDIS性能標準給出了ECDIS的定義、適用范圍、提供和更新海圖信息、操作和功能要求、比例尺、其他航行信息顯示、顯示模式和鄰近區域的生成、顏色和符合、顯示要求、航線設計、航路監控和航程記錄、計算和精度、性能試驗、

14、故障報警指示、備用裝備、與其他設備連接。電源等內容。 該標準有7 個附件； 附件1：制定標準時所參考的其他標準； 附件2：ECDIS在航線設計和航路監控過程中可顯示的海圖信息分類； 附件3：ECDIS中所使用的航行要素和參數術語及其縮寫； 附件4：ECDIS在航線設計和航路監控過程中自動檢測到的特殊地理區域； 附件5：ECDIS的報警指示的形式和內容； 附件6：ECIDS 備用裝置的要求； 附件7：RCDS操作模式的相關要求。 MSC.232(82) 建議各國政府確保： （1）在2009年1月1日及以后安裝的ECDIS設備，符合不低于本決議附件所規定的性能標準；（2）在1996年1月1日之20

15、09年1月1日期間安裝的ECDIS設備，符合不低于MSC.64(67) & MSC.86(70)決議修正的A.817(19)決議附件所規定的性能標準。（二）IHO關于ECDIS的相關標準 IHO一直致力有關海圖與航海出版物規范、海圖符號規格及其顯示等方面的標準化工作。目前IHO制定的關于ECDIS的標準主要包括：1.IHO S-52IHO S-52是IHO 關于電子海圖的內容和ECDIS顯示方面的標準（IHO Specifications for Chart Content and Display Aspects of ECDIS）,現行版為2010年3月第6版。該標準規范了ECDIS顯示EN

16、C信息時的方式，包括顏色、符號樣式、線型等一系列問題，保證了不同廠商生產的ECDIS顯示海圖信息的方式、基本海圖功能都一致的，有利于用戶識讀。該標準有三個附件和一個附錄。 附件A：IHO ECDIS 表示庫； 附件B: 顏色顯示初始校準程序； 附件C: 顯示標準的維護程序； 附錄1：電子海圖更新指南。2. IHO S-57IHO S-57是IHO關于數字化水道測量數據即電子海圖數據的傳輸標準（IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data）現行版為2000年11月第3.1版。 該標準描述了用于各國航道部門之間的數字化水道測量數據交換以及向

17、用戶、ECDIS的生產商發布此類數據的標準。該標準是具有法律效力的矢量形式電子航海圖的數據交換和傳輸標準。該標準內容主要包括三部分以及兩個附件： 第一部分：一般性的介紹； 第二部分：理論數據模型；第三部分：數據結構（電子航海圖的數據模式）；附件A：IHO 物標目錄（物標分類和編碼系統）附件B：產品規范（電子航海圖產品規范、IHO物標目錄數據字典產品規范）。3. IHO S-63IHO S-63是關于數據保護方案的標準（IHO Data Protection Scheme）, 現行版為2008年3月第1.1版。該標準主要用于規范了電子海圖數據的分發與服務，包括防盜版、防偽造、選擇性存取、數據制作

18、者一致性和原始設備制造商（OEM）一致性等條款，是安全結構與操作規程的推薦性標準，使用對象是數據發行機構（如國家水道測量部門）、ECDIS/ECS設備制造廠商和最終用戶。4.IHO 其他標準除了上述標準外，IHO還制定通過了其他與電子海圖數據或應用系統有關的標準：S-58ENC有效性檢驗推薦標準（Recommended ENC Validation checks）:ENC 生產中質量控制的參考標準，現在版為2011年2月4.2.0版）S-60 WGS84坐標系變換用戶手冊：介紹了各坐標系的轉換到WGS-84修正值和公式，現在版為2003年7月第三版），在2008年8月做出修正。S-61光柵航海

19、圖產品規范：是RNC制作的主要的標準，現行版為1999年1月第1版）。S-62ENC生產商代碼：給出了全球官方的ENC生產商，現行版為2009年12月第2.5版）。 S-64IHO ECDIS測試數據集：用于ECDIS測試，現行版為2008年12月第1.1版）。S-65ENC生產指導：用于ENC生產，現行版為2009年10月第1.2版）。S-66電子海圖及配備要求：介紹了關于電子海圖的基本知識和配備要求，現行版為2010年1月第1.0.0版）。（三）IEC 61174 國際電工協會發布的IEC 61174 海上導航和無線電通信設備及系統電子海圖顯示與信息系統操作要求和性能要求，測試方法和要求，

20、現在標準是2008年9月發布的第3.0版。該標準描述了ECDIS的性能測試方法和要求的測試結果。任何廠商生產的ECDIS系統必須按該標準經嚴格測試并達到標準要求的結果，才能被官方認可投入市場。因此通過該標準的測試是ECDIS合法成為船上設備的基礎。符合該標準的ECDIS得到了類型認可（Type-Approved）后。才可合法的成為船用設備。（四）ECDIS標準之間關系 為了讓ECDIS的功能滿足IMO ECDIS的性能標準MSC232.(82)的要求。所使用的海圖信息由官方水道測量部門提供的符合IHO-57標準的經過改正后最新的信息，ECDIS中電子海圖的具體內容、顯示方式、顏色和符號的使用等

21、符合IHO S-52規范，電子海圖的信息保護標準要符合IHO S-63規范。ECDIS的硬件設備要通過IEC61174的性能測試。第四節 電子海圖顯示與信息系統電子海圖顯示與信息系統的組成包括硬件和軟件兩個部分。一、系統硬件組成ECDIS 實質是以一個具有高性能的內，外部接口符合IHO S-52標準要求的船用計算機系統。系統的中心是高速中央處理器和大容量的內部和外部存儲器。外部存儲器的容量應保證容納整個ENC、ENC更新數據和SENC. 中央處理器、內存和顯存容量應保證顯示一幅電子海圖所需的時間為5秒。當然，由于計算機硬件技術的發展，加上對SENC的合理設計，目前各廠商都能實現1秒完成一幅電子

22、海圖的顯示。 圖形顯示器用于顯示電子海圖，其尺寸、顏色和分辨率應符合IHO S-52的最低要求，即有效畫面尺寸應為成350mm x 270mm ,不少于64種顏色，像素尺寸小于0.3mm。在進行航路監視時顯示海圖的有效尺寸至少為270mm x270mm. 文本顯示器用于顯示航行警告、航路指南、航標表等航海咨詢信息，其尺寸應不小于14英寸，支持24x 80字符顯示。事實上，當前的ECDIS大多采用在圖形顯示器上以開窗方式顯示相關文本信息。 內部接口應包括圖形卡、語音卡、硬盤和光盤控制卡等。以光盤或軟盤為載體的ENC及其他改正數據，以及用于測試ECDIS性能的測試數據集可通過內部接口直接錄入硬盤，

23、船舶駕駛員在電子海圖上所進行的一些手工標繪、注記、以及電子海圖手工改正數據的輸入等可通過鍵盤和鼠標實現。同喇叭相連的聲卡，用于實現語音報警。 利用打字機可實現電子海圖和航行狀態硬拷貝，以便事后分析。VDR按照國際海事組織的要求記錄航行數據。 外部接口一般是含有CPU的智能接口，保證從外部傳感器（GPS、羅經、雷達/ARPA、AIS、計程儀、測深儀、風速風向儀、自動舵等設備）接收信息，并按照一定的調度相主機發送信息。 通過船用通信設備不僅自動接收ENC的改正數據，實現了電子海圖的自動改正，而且還可以接收諸如氣象預報數據等信息。 二、系統軟件組成 1.海圖信息處理軟件 由NEC向SENC轉換的軟件

24、，電子海圖自動和手動改正軟件，海圖符號庫的管理軟件，航海咨詢信息的管理軟件、電子還圖庫的管理軟件、海圖要素分類及編碼系統的管理軟件，用戶數據管理軟件等。2.電子海圖顯示系統軟件 電子海圖合成軟件、電子海圖顯示軟件（根據圖形文件調用符號在屏幕上繪制海圖）、電子海圖上要素搜索軟件、航海咨詢信息的顯示軟件。3.計劃航線設計軟件 在電子海圖上手工繪制和修改計劃航線、計劃航線有效性檢查、經驗（推薦）航線庫的管理、航行計劃列表的生成（每段航線的距離、航速、航向、航行時間等） 4.傳感器接口模塊與外部設備的接口軟件（如：GPS、羅經、雷達/ARPA、AIS、計程儀、測深儀、風速風向儀、自動舵等設備），以及從

25、這些傳感器所讀取的信息的調度和綜合處理軟件。5航線監控軟件計算船舶偏離計劃航線的距離、檢測航行前方危險物和淺水域、危險指示和報警等。6.航行記錄模塊 用過記錄船舶航行過程中所使用的海圖詳細信息以及航行要素。7.航海問題的求解軟件船位推算、恒向線、大圓航法計算、距離方位計算、陸標定位計算、大地問題正反解計算、不同大地坐標系之間的換算、船舶避碰要素（CPA、TCPA）計算等。三、ECDIS 替代紙質海圖的條件 （一）SOLAS 公約關于海圖配備要求 國際海上人命安全公約-SOLAS 公約第V章第2條規定海圖或者航海出版物系指專用的圖或書，或支持這種圖或書的經特殊編輯的數據庫，由政府主管當局，經授權的水文局或其他相關的政府機構正式頒布，以滿足航海要求。 1.SOLAS 公約第V章第18條 SOLAS 公約第V章第18條關于航行系統和設備以及航行數據記錄儀的認可、檢驗和性能標準中規定：（1）需滿足本章第19條和第20條的要求系統和設備應為主管機關認可的形式。（2）2002年7月1日及以后安裝，適用于第19條和第20條的功能要求系統和設備，包相關的備用設備，其性能標準不低于本組織通過