应用于船舶三维导航的海底地形数据标准研究

王玉林

摘要：本文主要研究现行电子海图技术标准在三维表达方面存在的主要问题，分析了航海用户对三维表达方面的需求，建立了数字三维海底地形模型，提出了一种数字三维海底地形模型产品标准，探索了三维场景构建方法，并建立了相应的原型系统，在船舶三维导航的海底地形数据标准方面进行了有益的探索，为海道测绘生产部门拓展三维数据生产和航海用户拓展三维数据应用提供参考。

关键词：导航 海底地形 数据标准

1 三维地形数据发展现状

1.1 美国SRTM 90米分辨率原始高程数据

由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。2000年2月，美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统，共计进行了222小时23分钟的数据采集，获取北纬60。至南纬60。之间总面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。SRTM系统获取的雷达影像的数据量约9.8万亿字节，经过两年多的数据处理，制成了数字地形高程模型（DEM），即现在的SRTM地形产品数据。此数据产品2003年开始公开发布，经历多次修订，目前的数据修订版本为V4.1版本。SRTM地形数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，对应的分辨率精度为30米和90米数据（目前公开数据为90米分辨率的数据）。SRTM的数据组织方式为：每5度经纬度方格划分一个文件，共分为24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。

1.2 日本GDEM高程数据

2009年6月，日本经济产业省（METI）美国航天局（NASA）与共同推出了最新的地球电子地形数据ASTER GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型），该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星TERRA的详尽观测结果制作完成的。这一全新地球数字高程模型包含了先进星载热发射和反辐射计（ASTER）搜集的130万个立体图像。ASTER测绘数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，比以往任何地形图都要广得多，达到了地球陆地表面的99%。ASTER GDEM数据是世界上迄今为止可为用户提供的最完整的全球数字高程数据，它填补了航天飞机测绘数据中的许多空白。NASA目前正在对ASTER GDEM、SRTM两种数据和其他数据进行综合，以产生更为准确和完备的全球地形图。

1.3国家测绘局

“中国空间信息网”（nfgis.nsdi.gov.cn）网站上提供了下列空间数据产品：地形数据库、地名数据库、数字栅格地图数据库、数字正射影像数据库、数字高程模型（DEM）、重力数据库、大地数据库。数字高程模型（DEM）产品按比例尺分为：1：100万、1：25万、1：5万、1：1万。1：100万数字高程模型利用1万多幅1：5万和1：10万地形图，按照28".125X18".750（经差X纬差）的格网间隔，采集格网交叉点的高程值，经过编辑处理，以1：50万图幅为单位入库。原始数据的高程允许最大误差为10-20米。全国1：100万数字高程模型的总点数为2500万点。1：25万数字高程模型的格网间隔为100mX100m和3″×3″两种。陆地和岛屿上格网值代表地面高程，海洋区域格网值代表水深。另外，国家测绘局于1999年安排生产了七大江河区域范围的1：1万数字高程模型，其格网尺寸为12.5m X 12.5m。已完成13781幅，数据量达24GB。

1.4 中国科学院

中科院“国际科学数据服务平台”提供以下DEM数据产品：中国30米分辨率数字高程数据产品、中国30米分辨率坡度数据产品、中国90米分辨率数字高程数据产品、中国90米分辨率坡度数据产品、中国90米分辨率坡位数据产品、中国90米分辨率坡向数据产品。其中，中国30米分辨率数字高程数据产品利用ASTER GDEM第一版本的数据进行加工得来，是覆盖整个中国区域的空间分辨率为30米的数字高程数据产品。

2 现有二维电子海图标准不足

IHO特别出版物S-57是IHO数字海道测量数据传输标准。它主要目的是为不同海道测量组织之间交换数据、向航海设备生产厂商、航海者和其他用户发布数据用。S-57在1992年5月被第十四届国际海道测量大会正式批准为IHO的官方标准。它的发布确保了各类海道测量数据的转换具有统一和规范的格式。但是，在近几年的推广使用过程中，人们发现S-57标准存在很大限制，如标准维护缺乏弹性、不支持栅格、图像数据和时变数据格式等。现在的S-57 3.1版本已经“冻结”，换句话说，即标准内容已不再改变。这更难满足随时变化、日益增长的海洋测绘和航海保障的需求。

以S-57标准为基础的二维电子海图在航海领域已得到了广泛的应用，然而它与其他的二维海图一样，本质上都是基于抽象符号的系统，不能直观还原自然界的真实面貌且易形成抽象多义化，给使用者的辨识和符号意义还原带来困难。另外随着应用的逐步深入，三维高程、水下海岸等信息越来越重要，迫切需要真三维这种表现方式的出现。目前二维电子海图导航技术也一直在采取各种措施来弥补二维固有的缺陷，例如对于航标、重要建筑物、关键地形，通过提供图片链接，使驾驶员得到相应物标的直观图像信息，利用各种动画图片来表征灯标的灯质等，但这些手段是远远不够的，我们需要建立真三维的航行环境，为二维平台引入三维这一直观、形象辅助手段，进一步提高船舶航行的安全性。ECDIS系统作为地理信息系统在航海领域的特殊应用，结合陆上地理信息系统的发展趋势，我们可以预测三维电子海图导航技术将成为电子海图技术的重要发展方向之一。

另外，ENC数据单元的数据大小不超过5兆，因此，海事测绘发布的图幅ENC数据在原始测量数据的基础上进行了大规模的抽稀和压缩，这样原始测量获取的高密度多波束水深点数据未得到有效的应用，造成了这些数据资源的浪费。未来若发布不同密度的海底数字地面高程模型数据，则可以充分发挥测量数据的效益，满足不同用户的不同需求。

当前，S-100系列标准是IHO正致力于重点发展的海道测量最新标准，它将支持多种数据格式，如图像和栅格数据、3D、随时间变化的数据 （X， Y， Z和时间），以及超出传统海道测量范围的新应用，例如，高密度水深、海底分类和海洋地理信息系统。它也将能够使用获取、处理、分析，访问和提交数据这些基于Web的服务。重要的是要认识到S-100不是一个S-57标准的修订版本。S-100是一个新的标准，其中包括更多的内容并支持新的数据传输格式。它将成为新的可界定的最广泛的各种应用和利用的水文数据基础标准。S-100将按照IHO网站上的ISO合格注册进行汇编和管理，并将成为地理信息ISO 19100系列标准的一部分—目前，有超过40个标准列入ISO 19100系列。这些已经包括国际标准（包括已实施的和草案）的时空架构、数据、图像和栅格数据、资料、描述和编码。

在S-100的第8 部分“影像和栅格数据”中定义“影像”为一种特殊类型的栅格数据结构。并指出：海道水深就其性质而言是一组测量数据点。这些数据点可以采用不同方式的格网结构进行表示，包括使用一个规则格网间距的高程模型，以及用单元大小可变的不规则格网。它们也可以用不规则三角网或者点集表示。

3 数字三维海底地形模型产品标准研究

虽然，目前S-100对三维数据交换标准的规定还不是十分细化，但是S-100的基本原则就是要与S9001等通用测绘标准相一致，网格时变数据在S-100的标准中明确表示将支持NetCDF格式，可以预期的是在未来S-100标准框架下，NetCDF一定是其中重要的标准格式。基于以上提出问题，本文研究在现行S-57电子海图数据标准的基础上参考新版海道测量数据地理空间标准S-100中的数据模型，定义了海事测绘三维航道数据的交换标准，同时参考目前成熟的三维GIS建模技术及三维场景重建和可视化技术提出了三维航道模型的建立与实现的关键技术。

3.1 NetCDF标准的介绍

NetCDF（network Common Data Form）网络通用数据格式是由美国大学大气研究协会的Unidata项目科学家针对科学数据的特点开发的，是一种面向数组型并适于网络共享的数据的描述和编码标准。利用NetCDF可以对网格数据进行高效地存储、管理、获取和分发等操作。NetCDF文件开始的目的是用于存储气象科学中的数据，现在已经成为许多数据采集软件的生成文件的格式。NetCDF提供一组针对阵列数据访问的接口，一个可自由分发的数据访问库（包），支持C、Fortran、C++、Java、R以及其他的一些语言。NetCDF数据具有下列特性：自我描述、可携带和可移动性、可伸缩性、可追加性、可共享性、可存档行。由于NetCDF是一种灵活的、自描述的，并能表达大量数组数据的格式，因此NetCDF在地球、海洋、大气科学中得到了广泛的应用，许多国家的组织和科学机构都采用NetCDF作为一个表示科学数据的标准方式。例如，NCEP（美国国家环境预报中心）发布的再分析资料，NOAA的CDC（气候数据中心）发布的海洋与大气综合数据集（COADS）均采用NetCDF作为标准。

支持NetCDF的软件和系统有许多，除了ArcGIS，还有Matlab、Ferret、GrADS、PanoplyWin等。

3.2 数字三维海底地形模型产品标准

不同于现有的陆地数字地形模型采用纯二进制或文本文件的表示方法，本文提出的数字三维海底地形模型采用NetCDF作为数据存取的手段，这样保证格式具有足够的开放性，能够被现有大量的软件支持，同时适应S-100未来的发展。数字三维海底地形模型产品的数据来源主要有两大方面：一是原始测量产生的多波束、单波束水深数据，二是制作完成的电子海图ENC数据。与数字海图类似，海底地形数字模型产品也是海道测绘测绘数字化保障的一个产品形式，可用于海底电缆、管道等海上工程、海洋石油、海上交通运输、海洋环境保护、海上航行安全等海洋综合开发、利用和管理。它按照固定大小的格网间隔，表示了海底地形的深度。

3.3 元数据设计

元数据是描述数据的数据。数字三维海底地形模型产品的元数据需要包含以下信息：数据标准名称、数据标准版本、数据制作方、数据测量日期和时间、数据制作日期和时间、数据集名称、平面精度、深度精度、接边精度、等效比例尺分母、数据范围、采样间隔、平面坐标参照系、垂向坐标参照系、插值方法、维度、坐标轴名称、起始点位置、网格行数、网格列数、坐标单位。

网格值矩阵

一定海区内规则格网点的平面坐标与深度的数据集合。格网的遍历顺序按照ISO 19123附录C中定义的方式进行。可采用的遍历方式有：线性扫描（Linear Scan）；莫顿顺序（Morton Order）。下图表示了格网的线性扫描遍历以及一个莫顿顺序的遍历。莫顿排序容易适应不规则形状的格网以及格网大小可变的格网。莫顿顺序对应于一个二维的四叉树，并且可以扩展为更高维的。莫顿遍历顺序可以处理大小可变的单元。曼顿顺序是从左到右，从底到上，逐个单元、不考虑单元大小地遍历。它先增加X坐标，然后是Y坐标。这也可以扩展到多维的情况，先增加X坐标，然后Y坐标，再然后Z坐标，以此类推到更多的维度。

4 数据转换和试验系统

建立DEM的方法有多种。从数据源及采集方式讲有：直接从地面测量，例如用GPS、全站仪、野外测量等，从现有海图上采集、内插生成DEM等方法。DEM内插方法很多，主要有分块内插、部分内插和单点移面内插等几种。目前常用的算法是通过等深线和水深点建立不规则的三角网（TIN）。然后在TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM。主要的离散点网格生成算法应该有：移动平均插值法、距离平方倒数加权法、趋势面拟合技术、样条函数插值法、克立金法插值法。

本原型系统采用西戈公司的cgGlobe三维地理信息&虚拟现实软件平台作为底层三维开发支撑平台，用Microsoft Visual C++开发工具实现航道数据NetCDF 格式数据的访问接口，选用微软的WPF技术作为整个软件呈现界面功能。三维航道数据主要来源于多波束水下测量形成的水深文件和ENC电子海图中提取的水深数据等，本原形系统将这些不同种类的水深数据统一以三维航道数据交换标准（草案）中的网格覆盖数据标准的NetCDF数据格式。各类原始水深数据经提取后可以比较容易的生成XYZ格式的水深数据文件，再将其转换为符合三维航道数据交换标准中的网格覆盖数据标准的NetCDF数据格式，由NetCDF数据读取模块接入cgGlobe三维GIS平台，完成数据交换流程。

本系统采用经企业应用程序经典的三层结构，从下至上分别为：数据层、逻辑业务层和呈现层。分层设计通过把不同的逻辑封装在不同的软件开发层次上，来实现逻辑意义上的层次结构。逻辑上实现软件功能的封装性和相对独立性。数据层主要包括三维航道数据和其他GIS相关基础数据，为业务逻辑层提供数据支持，业务逻辑层则实现三维航道的数据的组织、三维建模、渲染和各查询功能接口，呈现层则将接受用户的输入并在三维渲染画面上叠加显示各查询结果信息。

5 结束语

下一步，将对标准继续完善，优化数据转换软件，开发数据质量检测软件，争取尽早纳入海事测绘产品体系。另外，将研究内容扩展到航标、地面建筑等其他目标的三维建模标准、数据生成算法、场景显示调度等方面，形成整个海洋的真实化三维场景，并开展相关的应用研究，争取尽早实现全要素的船舶三维导航的海洋环境数据生产、质检、发布、应用的全套体系。

参考文献

[1]袁洪满.论导航发展规律与发展趋势.天津航海.1982，第一期.

[2]梅雄，钟成雄，电子海图显示与信息系统简介.中国航海学会内河海事委员会2006会议论文集，2006

[3]李军，滕惠忠.海底三维可视化技术及应用[J].海洋测绘，2004，24（4）

[4]胡清华等.利用MB-System软件进行多波束测深数据处理的研究[J].海洋测绘，2006（5）

[5]周冠华等.南海海底地形可视化分析及其地质意义[J].海洋地质与第四纪地质，2006（2）

[6]贾俊涛等.基于NetCDF的海底地形网格数据模型创建与调度[J].海洋测绘，2007，27（5）