船舶操纵模拟器的电子海图研究与开发

郑友赋 神和龙 陈 宏 唐寒秋

（1.福建船政交通职业学院船政学院，福建福州 350007 2.大连海事大学，辽宁大连 116043）

近年来，船舶操纵模拟器在港航工程设计论证、船舶操纵性能测试和港口航道与码头通航安全评估等方面起到非常重要的作用［1］。船舶操纵模拟器采用分布交互仿真（DIS：Distributed Interactive Simulation）和高层体系结构（HLA：High Level Architecture）的设计思想、可以和互联网方便相连的网络技术，将系统的各计算机相互连接。计算机成象技术、虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影等技术的应用，将数字化的港口及相关设施动态、逼真地展现在操作人员面前［2］。

电子海图是船舶操纵模拟器的关键模块，所有的模拟航行都在电子海图上进行，能提供水深、航标及航道等信息。本文研究电子海图子系统在船舶操纵模拟器中的作用，开发及注意事项。

1 电子海图的作用

电子海图在船舶操纵模拟器中的作用主要是能实时、直观、精确的显示模拟过程中本船与它船、本船与岸壁、本船与航道等的地理环境相对位置关系及本船的实际运动状态。在港航设计论证模拟中，由于航道或港池的水域范围都较小，要求电子海图具有很高的精度，最好能精确到米，这样才能提高港航设计论证模拟的精度。

2 电子海图的分类

计算机处理电子海图有两类：一类是纯光栅形式，即利用扫描仪将纸质海图扫描成光栅图象，转化成计算机可识别的文件格式，供计算机显示。这种电子海图能够逼真地显示纸质海图的原貌，但是不利于海图信息的提取。另一类是将纸质海图数字化，得到矢量形式的数据文件，使用时将数据文件转化成光栅格式显示。这种方式的优点能够充分利用纸质海图的各种信息，缺点是数字化存在误差，其数字化图象和原纸质海图有一定距离［3］。

3 电子海图的制作

目前，纸质海图数字化过程有两种：一种是利用数字化仪来数字化海图，获取原始数据，图点间距一般取0.1～0.5mm。这种方式优点是实现容易，缺点是劳动强度大，周期长，误差大小与海图的比例尺有关（海图比例尺越小，误差越大）。另一种是用扫描方式输入海图，利用图象处理技术和图象识别技术将海图转换成矢量形式。

3.1 电子海图的数据格式

经过数字化仪或扫描仪处理生成的文件，占据空间大，处理速度慢，必须进行矢量化处理，生成矢量化文件［4］。如图1所示，矢量化海图文件由文件头、图段和图元组成。文件头包含文件说明和文件基准信息，如比例尺、左上角参考点的经纬度等信息。图段是某种具有同一属性图元的集合，它完成对图元的管理、显示、填加、删除等操作。图元是图形文件中的最小记录单位，也是不可再分的最小存储单位。例如：一条线，一个圆等。

图1 矢量化海图文件数据格式

3.2 电子海图坐标系的建立

由于计算机默认的坐标系与墨卡托海图的坐标系不一致，因此在计算机生成电子海图前，应先建立与墨卡托海图一致的屏幕坐标系统［5］。新的计算机屏幕坐标仍然是平面直角坐标，以墨卡托海图的左下角为原点，以经度增加的方向为X轴正向，以纬度增加的方向为Y轴正向。这样墨卡托海图与生成的电子海图就建立了直接的对应关系，墨卡托海图的物标、航道等都可直接显示在电子海图上。

3.3 经纬度坐标与屏幕坐标的换算

由于矢量化海图文件中的采集点是以经纬度数值的形式表示，而电子海图是以屏幕坐标数值的形式显示，因此，必须将采集点的经纬度数值换算成屏幕坐标。以海图上某点A为例。

设墨卡托海图上某点A的经纬度坐标为（λφ），屏幕坐标为（x，y），屏幕左下角和右上角的经 纬度坐标为（λ1φ1），（λ2φ2），屏幕坐标为（x1y1），（x2y2），求取 A 点的屏幕坐标。由墨卡托投影的特点可知，在墨卡托海图上，存在纬度渐长现象，即某点到赤道的长度与该点的纬度值不是线性关系，存在纬度渐长率（MP）。该点的MP用公式表示为：

上式中，e为地球椭圆体的偏心率。如果用和分别表示屏幕左下角和屏幕右上角两点的纬度渐长率，则有如下公式：

由于屏幕左下角的点，在屏幕坐标系中，x1y1＝0，则由公式（2）可得：

同理可得，经度差有如下等式：

一般情况下，计算机显示出的电子海图的坐标是屏幕坐标，但在进行模拟试验过程中，有时需要知道船舶或其它物标的准确经纬度数值。因此，有必要让电子海图直接输出船舶或物标的经纬度数值。在电子海图的制作过程中，将屏幕坐标转换成相应的经纬度坐标，这样，系统就会自动转换出该点的经纬度数值并在屏幕上显示出来。

3.4 电子海图的显示

通过编写专用的电子海图显示程序，就能从海图数据库中读取电子海图数据，并在屏幕上显示出来。如图2所示。同时，可以附加其他实用的功能，如海图放大／缩小、添加／删除图元等操作。

4 电子海图应用注意事项

电子海图在船舶操纵模拟器上已经得到广泛的应用，国内外所有的船舶操纵模拟器均配备有电子海图，不少国外的厂家甚至配备实船ECDIS，但价格昂贵。国内的模拟器厂家，如大连海事大学、上海海事大学开发的船舶操纵模拟器，还是以纸质海图数字化的电子海图为主。

图2 电子海图显示示意图

电子海图的制作和使用过程中，存在以下几个注意事项：

（1）海图数据的误差。由于电子海图是将纸质海图数字化而生成的，因此，纸质海图的数据是否精确直接影响到电子海图的精度。另外，纸质海图的数字化过程中，数字化图像和纸质海图存在着一定的误差。

（2）在使用过程中应避免误操作，重要信息不应被覆盖或者删除。例如，在选择操作菜单时，由于不仔细而选择了不应该选择的菜单；在选择显示分类时，没有将应该显示的物标类型选择为显示物标类。忽视海图超过比例尺显示。海图上物标之间的空间位置关系在编辑比例尺（原始比例尺）下是最可靠的。在编辑比例尺上放大或者缩小海图，称为超比例尺显示。相对编辑比例尺，超比例尺显示时，海图上物标之间的空间位置关系存在视觉误差。如果忽视了这种误差，使用者就会做出错误的判断。

（3）数字化的电子海图不是ECDIS，两者有本质的区别。

5 结 语

本文对电子海图从原理、结构、制作过程和使用注意事项等方面进行了深入研究。重点讨论了电子海图的开发过程，这个也是电子海图的核心技术。通常情况下，根据拟建项目试验水域现有码头、航道、习惯航路等通航资料，将其数字化，形成符合本模拟试验要求的数字化电子海图，用于显示模拟试验过程的模拟航行环境和模拟船舶。因此，电子海图是船舶操纵模拟器的核心部分，也是模拟试验前期准备工作中最重要的一环。

1 张秀凤，洪碧光，金一丞.船舶操纵模拟器在船舶通航安全评估中的应用［J］.中国航海，2003（3）

2 尹勇，任鸿翔等.航海仿真虚拟环境的视景生成技术［J］.中国系统仿真学会学术年会论文集，2001

3 赵玉新，叶华，李磊.电子海图矢量数据交换标准研究动态［J］.中国航海，2006（3）

4 赵德鹏，吴东力，孙文力.电子海图的生成与显示［J］.大连海运学院学报，1993（1）

5 陈宏.航海学［M］.大连海事大学出版社，2009