海洋测绘地理空间数据模型(S-100)综述

洛佳男，万晓霞，孙东礼，邬 金，徐卫国，刘莉雯，段 晶

(1. 武汉大学印刷与包装系，湖北 武汉 430079； 2. 交通运输部东海航海保障中心，上海 200086；3. 交通运输部南海航海保障中心，广东 广州 510235； 4. 上海海图中心，上海 200090)

海洋测绘地理信息空间数据模型(以下简称S-100)，即通用海道测量数据模型，是国际海道测量组织(IHO)于2005年提出、2010年开发制定的新一代海洋地理信息数据模型。开发该模型的主要目的是为了解决数字海道测量传输标准(代号为S-57)存在的局限性[1-2]，更重要的是为今后海上地理信息建模、编码、可视化、交换，以及导航和非导航数据产品和服务的生产和交付提供统一的理论和应用框架，将海洋地理信息融入全球地理信息系统标准体系之中[3]。

尽管S-100从开发制定至今已有8年，历经3次更新与完善[4-6]，但仍存在缺陷和不足。基于S-100的数据产品和服务也尚处于进行时，距离全面应用仍需一段较长的过渡期[7]。纵观S-100相关文献，2015年以前，国内外学者主要以S-100的进展、概念、构成、与S-57的对比分析、产品规范介绍等概念性和理论性研究为主，2015年以后则侧重于S-100工具开发、新型航海数据产品和服务、数据可视化、与e-Navigation[8]的结合等应用性研究。这也意味着S-100逐渐从理论走向实践，处于优化到实践再到优化的良性迭代过程中。2018年IHO发布了S-100的更新周期，计划2019年更新至4.0.0版，并在之后每3年更新一次[9]。随着S-100数据模型的稳定和完善，S-100的下一步研究也将从应用性研究向创新性研究阶段转变，如图1所示。

本文通过搜集、整理国内外文献和相关技术资料，研究分析了当前S-100的进展和存在的主要问题，根据S-100设计目标和目的，结合应用发展趋势，提出了S-100的研究重点，为下一步研究工作指明方向。

1 理论性研究阶段

1.1 S-100数据模型理论性研究

相比于陆上，GIS理论和技术在海洋测绘乃至整个海洋地理信息领域起步和应用均明显滞后。S-100的概念、目标、构成、参考的国际地理信息标准(国际标准化组织19100系列标准)及应用模式等在海洋测绘领域均属新兴事物。因此，在此阶段，国内外学者也主要围绕这些概念性内容开展研究工作。

2007—2008年，IHO机构内部专家和学者首次公开发表关于S-100的研究成果[1,3,10]，明确了如下几个基本问题：①S-100的概念和由来；②S-100的目标和目的；③S-100的优势；④S-100与19100标准的关系；⑤S-100框架和构成。

根据上述文献，S-57存在的缺陷造成海道测量数据仅用于电子海图编绘生产，极大偏离了S-57的设计初衷。为了改变这一情况，IHO决定开发制定新的海道测量数据模型，并将其命名为“IHO海道测量地理空间数据和信息标准(IHO hydrographic geospatial standard for marine data and information)”，后更名为通用海道测量数据模型(universal hydrographic data model)，代号为S-100。S-100的目标和目的是为了支持更广泛的海道测量相关的数据源、产品和用户，包括但不局限于影像和网格数据、三维和时变数据，以及超出传统海道测量范围的新型应用，如海上空间数据基础设设施(MSDI)等。除图示表达、编码及维护机制外，S-100各个部分均参考19100标准制定，是19100标准的专用标准。因此，S-100数据具有标准地理信息的全部特征，这就为海洋地理信息与陆上地理信息的交换和互操作、多源异构数据融合和处理、海上地理信息综合导航服务等应用提供了基本条件。

S-100由概念模式语言、注册机制、通用要素模型(GFM)、要素目录和应用模式规则、元数据、影像和网格数据、坐标参考系统、空间模式、图示表达、编码及产品规范构成[11]，同时也是理论性研究阶段的主要研究内容。通过学术文献搜索引擎结果分析，我国在此阶段的研究成果数量最多，而外文文献寥寥无几。文献[12]参考国际标准地理信息惯用术语，探讨了我国在翻译S-100内容时应注意的关键问题；文献[13—14]从整体上介绍了S-100体系架构和若干重要概念；文献[15]探讨了S-100中概念模式语言的应用，分析了其在未来数字海图生产与信息标准化中的应用前景；文献[16]用实例说明了S-100复合坐标参考系统的应用方式；文献[17—18]运用S-100中注册机制、概念模式语言、空间模式探索构建海图要素建模方法；文献[19]分析了S-100的空间模式，对比了与S-57空间几何的差别；文献[20]介绍了S-100的图示表达机制。

1.2 S-100数据产品理论性研究

基于S-100制定的数据产品规范称为S-10X系列标准[21]。但由于S-100在海洋领域的不断应用和扩展，S-100注册系统(S-99)[22]中的域不再局限于海道测量，同时对航标、天气和气象、内河等海洋相关领域开放，S-10X系列标准逐渐向S-XXX系列标准转变。为此，IHO为每个域划定了数据产品的编号段，如S-1XX为海道测量域、S-2XX为国家航标协会(IALA)的导助航信息域等。

基于S-XXX系列标准的开发数据产品称为S-100数据产品。S-100数据产品需要对S-100数据模型中各部分的抽象模型进行实例化，建立自己的要素目录、图示表达符号库和规则库(图示表达目录)，确定数据结构、数据编码格式及元数据信息等。在表1中，S-101电子海图规范和S-102水深表面产品规范是最早开发的两种产品规范，也是理论性研究阶段独有的两个研究内容。

IHO S-100工作组在2011年首次公开发表文章对S-101电子海图产品规范进行全面介绍[23]。S-101实现了S-100中关于可交换的要素和图示表达目录、复杂属性、富几何类型、信息类型等新概念，支持动态电子海图内容，通过与其他S-100数据产品的叠加显示可在电子海图显示和信息系统(ECDIS)中实现智能综合导航。文献[24]介绍了当时S-101的进展情况；文献[25—26]分析研究了S-101产品规范的构成，剖析了S-101电子海图的新特性；文献[27—29]详尽地对比了S-101与S-57要素、属性和复杂结构之间的差异，为S-57数据字典到S-101要素目录的转换提供了参考；文献[30]根据S-101最新的数据集加载和比例尺控制显示规则提出了全球多尺度电子航海图的调显方法。

S-102水深表面是基于S-100开发的网格类型数据产品,它提供了特定水域内连续覆盖的水深演变信息，可与S-101电子海图进行叠加显示，也可独立使用，主要用于支持海上的安全航行。S-102水深表面产品规范于2012年发布1.0.0版本[31]，当前版本为2.0.0[32](尚未正式发布)，两者在体例和内容上均发生了较大变化，确立了以HDF-5作为S-102的编码格式。当前文献均是以前一版本内容开展相关研究。文献[33]认为网格水深可被视为是一种航行表面或规则正方形的海底数字地形模型(DTM)，并介绍了S-102的由来和发展趋势，最后使用CARIS的BDB软件生成S-102数据集原型并于电子海图(S-57)进行叠加测试；文献[34—36]等介绍了S-102的总体结构、数据组织、数据保护与维护及编码方面的内容。

数据产品依赖于数据产品规范，数据产品规范依赖于S-100数据模型。随着S-100数据模型趋于稳定，目前S-99中的域管理者已注册和正着手开发的数据产品规范超过20个，见表1[9]。各个域的数据产品基本涵盖了海上航行所需的绝大部分安全信息。数字化数据产品具有纸质产品无法比拟的优势，如时效性更高、直观性更强、方便更新、不占用船舱空间等。通过与S-101电子海图叠加，可以实现更加复杂的安全导助航功能，这也是S-100数据产品的主要应用方式[37]。

表1 S-100数据产品(规范)

尽管理论性研究尚未涉及除S-101和S-102以外的其他数据产品，但提供了基本的研究方法和研究思路，明确了S-100的相关概念、目的和应用方式，为应用性研究奠定了坚实的理论基础。

2 应用性研究阶段

S-100的设计初衷决定了它是一种以应用为目的的数据模型，因此应用性研究是S-100研究的重点。在应用性研究阶段，国内外学者主要关注如下两个问题：①S-100关键技术实现；②S-100在e-Navigation中的应用。

2.1 S-100关键技术实现

S-100关键技术是指构成S-100数据模型的GFM、要素目录和应用模式、数据结构、空间模式、图示表达目录、编码、元数据和产品规范等内容。关键技术的实现是S-100从理论走向实践的必由之路。

S-100关键技术的实现主要体现为S-100数据或S-100数据产品数据集的生成、转换、存储和显示。文献[38]根据S-100要素目录的创建规则，开发了一个可与S-99注册系统连接的要素目录生成器，数据产品规范开发者可以利用该工具自动化构建数据产品的要素目录；文献[39]基于要素目录和图示表达目录之间的映射原理，设计和实现了用于验证两种目录是否匹配的检查工具；文献[40]通过分析S-57电子海图编码结构、空间几何与S-101的区别，初步实现了S-57数据结构到S-101数据结构的转换；文献[41]设计实现了基于S-101的可视化模块；文献[42]提出了一种基于GML的S-101电子海图编码方法，给出了S-57和S-101之间数据记录和空间记录的描述方法；文献[43]重点研究了S-102数据组织和空间模式，基于代码编程实现了S-102 BAG(水深属性网格)数据的读取及显示；文献[44]基于S-100设计了海上气象信息数据模型，分析了海上气象信息的类型和特点和应用方法。

相比于学术领域，地理信息工业界和海道测量机构在S-100关键技术方面的研究更为深入，它们是S-100和相关产品规范的制定者、参与者，同时也是最终的S-100工具生产者。美国Esri公司和美国海军分别开发了S-57到S-101的转换软件及S-100数据浏览器，用于S-101电子海图测试，已发布在S-100测试平台大本营[45]；挪威PRIMAR机构制作了S-102数据，并与S-101数据进行叠加显示测试[46]，如图2所示。

2.2 S-100在e-Navigation中的应用

e-Navigation是在现代化信息技术条件推动下由国际海事组织(IMO)于2006年提出的新型数字化航海的概念，它被定义为“通过电子方式综合采集、整合、交换、描述船舶和岸上的海事信息，以提升由泊位到泊位航行及相关的服务的能力，达到海上安全、保安和海上环境保护的目的”[47]。e-Navigation由7大支柱构成[48]，分别为架构、岸基系统、通信、PNT(定位、导航和授时)、船载设备、通用海上数据模型(UMDM或CMDS，通用海上数据结构)及海事服务集(MSP)。UMDM是整个e-Navigation中岸船数据、MSP数据集交换、存储和显示基本数据结构，贯穿于整个e-Navigation数据流通体系中。2011年，IMO决定将S-100作为UMDM的基础模型。文献[49—50]于2010年和2011年两次阐述了UMDM在e-Navigation中的重要作用，并建议将S-100作为e-Navigation的基础数据模型；文献[51]认为e-Navigation中不仅包含了地理空间数据，还有很多其他类型的数据，包括操作方面的数据信息，建议将ISO和国际电工协会(IEC)的信息模型纳入到S-100，从而满足更多的需求。

S-100数据产品和服务是e-Navigation实现数字化、智能化导航的核心内容。文献[52]设计和实现了一种基于S-100的地理空间和海上信息服务叠加显示系统，这种应用方式与S-100和e-Navigation的地理信息服务理念是一致的；文献[53]介绍了S-57海洋信息叠加层(MIO)的历史，认为MIO与S-100数据产品和服务的概念一致，考虑将MIO转换为S-100叠加层使用，并提出相应的理论解决方法；文献[54—56]分别从数据管理系统、多域海洋数据利用结构、语法层的多域S-100数据集成与显示研究了S-100数据在e-Navigation中的应用方式。

在国内文献中，文献[57]介绍了e-Navigation的概念及其与S-100的关系，对我国如何开展基于S-100的e-Navigation建设提出了自己的想法；文献[58]通过分析S-100的新特性，认为新一代电子海图相比于S-57电子海图优势明显，尤其体现在数据装载及多元数据的融合显示方面，同时分析了船员对新型ECDIS的适应性问题；文献[59]将S-100与e-Navigation数据服务思想应用于我国内河，设计和开发了一套适用于内河的船岸数据服务交互系统，对于提高内河航行安全和数字化水平具有一定借鉴意义；文献[60]分析了利用S-100数据模型建立海上安全信息要素模型的理论方法，并使用Java语言对其进行实现；文献[61]利用S-100数据模型建立符合标准的e-Navigation MSP服务中的船舶交通信息服务，并予以验证和测试。

除学术研究外，在欧美国家和韩国开展的e-Navigation工程中已经将S-100数据产品应用于数字导航，如在Efficiensea 2通过ECDIS接收S-124数字航行通告和警告信息[62]。

S-100应用性研究阶段可以被视为是在S-100和数据产品规范趋于完整、e-Navigation战略不断推进的背景下的一个S-100测试研究时期。通过S-100应用性研究，学术界和工业界达成如下共识：

(1) S-100可实现海洋地理空间数据建模、生成、显示、编码、交换，是基本标准。

(2) S-100与e-Navigation的应用理念相同，即通过数字化方式将数据产品和服务以一种协调的方式在ECDIS等设备上叠加显示，完成综合导助航服务。

3 创新性研究阶段

本文将创新性研究阶段划定在2019年，主要原因可归纳为如下几点：

(1) 届时S-100更新至4.0.0版本，模型更加稳定，且会有诸多的新特性加入，如基于LUA脚本的图示表达机制、在线数据交换、空间模式优化等。

(2) 届时S-101产品规范正式发布，S-101电子海图可实现编绘生产，创新性理论和应用研究呼之欲出。

(3) 届时S-100互操作产品规范(S-98)正式完成，为多元S-100数据产品和服务的叠加显示提供协调一致的处理方法[63]。

(4) 届时S-102 2.0.0版本及其他S-100数据产品规范都将陆续完成，为2020年S-100 ECDIS的官方测试和全面应用提供支撑等。

理论性研究、应用性研究和创新性研究是一个迭代反复的过程，只有在充分了解某一事物且建立在实践基础之上的创新性研究才具有价值。S-100和数据产品在更新过程中不断出现新的概念和新的问题，需要理论性和应用性研究去探索和解决这些问题。本文在此提出的创新性研究阶段是建立在现有的研究成果之上，根据IHO的S-100发展计划[7]和实际进展提出的。参考陆上GIS理论与应用发展情况，结合数字化航海和海上空间数据基础设施(MSDI)的需求，本文对S-100创新性研究阶段作如下展望：

(1) S-100数据模型优化研究。GFM和应用模式构成了S-100描述空间数据的通用数据模型，但S-100 GFM与图示表达、空间模式和编码之间的约束不足，数据实例的逻辑数据模型会隐式地扩展概念模型的实现方式，造成数据实例间无法直接识别、融合和交换，数据模型的使用具有二义性。这也就导致基于S-100数据产品间无法直接交互，无法建立一种通用的S-100数据处理系统，而是要分别对每一种数据单独开发处理，同时也需要借助互操作完成交换和可视化融合显示。因此，研究建立一种GFM与S-100其他模式之间约束性更强的通用数据模型，建立S-100逻辑数据模型，既可以在系统实现层面简化设计，同时也可以避免数据间的互操作问题。

(2) 互操作研究。S-100数据产品由不同的人或组织开发，同时S-99中没有建立有关要素重叠、属性重叠或不一致、空间几何和符号系统冲突的监测机制，因此，S-100数据产品中的数据在同一系统中处理显示时就难免产生冲突。如IALA的S-201航标信息与S-101电子海图中的航标要素结构不一致，S-122海洋保护区中的界限范围标识与电子海图中的海洋保护区或限制区符号不一致，S-104动态水位数据精度和时效性优于电子海图，却被电子海图符号所遮盖等，同时也包括比例尺、矢量与栅格叠加后的交换和查询问题等均会在数据产品的叠加显示过程中出现。传统的以图层开关或透明度等方法控制数据的可视化在海上导航系统中不再适用。因此，IHO提出了S-98产品规范，主要目的是协调各种产品数据之间的互操作问题。S-98提出了5级S-100互操作处理方式，即无互操作、要素交错、要素替换、要素融合和空间查询，但目前只规定了前3种互操作，对于后2种高级互操作方式尚无研究计划。另外，在互操作研究问题上仍存在很多应用层面的问题，如互操作是基于特定产品间的互操作，当新的产品进入时需要更新互操作规范，十分烦琐，又如S-57到S-101过渡期间的互操作问题、协调ECDIS生产者、产品规范制定者、数据生产者的互操作、船员对互操作的认知问题(是否可以正确选择所需的互操作级别)等，互操作问题将是创新性研究阶段的重点研究内容。

(3) S-100数据内容与显示分离的特性研究。S-100数据集与可视化是分离的，数据集是特定编码的、保存空间与非空间数据的数据文件，而S-100可视化则由图示表达机制实现。内容与显示分离的特性可以实现一种数据集下的多种数据可视化表达效果。在专业导航应用中，这种特性可以保证数据集或图示表达的变化不会导致系统的编码更新，避免了S-57每次版本变化带来的系统更新升级问题。在非导航应用中，通过建立特定需求的符号系统，同一个数据集可以满足无限多的可视化要求，如在线地图、科普地图、生态环境图等，形成海洋测绘数据与多学科间的交叉应用。

(4) S-100数据保护方案研究。S-57电子海图使用S-63作为IHO、数据生产者、ECDIS OEM和终端用户之间的数据保护方案，但这种仅限于电子海图的数据保护方法在S-100中不再完全适用。一方面，S-100数据模型应建立一套通用的数据保护方案，提供数据保护的总体框架；另一方面，S-100数据产品应根据通用数据保护的总体框架建立自己的数据保护方案。这种方式应是IHO未来会执行的一种方案，但未免过于烦琐，IHO、数据生产者、ECDIS OEM和终端用户需要同时维护多个密钥。因此，提出一种更加简洁的、在所有个体之间均建立信任的保护机制同样是下一步的研究重点，如去中心化的区块链技术在数据保护方面的应用。

(5) 三维与时间维数据。S-100最初的设计目标是支持三维和时变数据的，但当前的数据模型对此仍无能为力。虽然S-102等网格数据可以通过DTM建立栅格化三维可视化效果，但这种三维是超出S-100数据模型范围的扩展性应用，不在S-100数据模型范围内。三维和时间维数据直观且具体，在海上导航、决策分析等方面具有重要研究价值，如三维虚拟现实导航、海洋通航环境或生态环境的演变分析等。因此，研究三维和时间维数据模型与S-100数据模型的结合，或建立基于S-100的三维和时间维数据产品也是下一步研究重点。

(6) 基于S-100的MSDI研究。S-100为海洋地理信息空间数据建立了统一框架，为推动MSDI建设，实现全球海洋地理信息的资源整合提供了数据标准。MSDI是空间数据基础设施(SDI)框架下，在政策、标准、技术、数据支持下，研究和建立海洋地理信息数据池及其应用体系的大数据解决方案。MSDI可以避免数据重复采集、冗余、浪费和数据孤岛等问题，建立数据与用户之间的一站式数据获取高速公路，是构建数字地球的重要组成部分。融合S-100与开放地理空间联盟(OGC)标准，如网络地图服务(WMS)、网络要素服务(WFS)等，在现有的技术条件和相对狭窄的海洋地理信息领域，完全可以实现一种相比于陆上SDI更加标准化、内容更加丰富化、受众更加明确化的数据采集、交换和应用体系。

(7) 与e-Navigation的深入结合。精确服务是S-100与e-Navigation深入结合研究的重点。精确服务表现为实时在线、基于位置、环境感知、按需供应。服务发布方和服务接收方(通常为岸船两端)按照特定的推送或订阅协议，利用S-100构建智能化海上安全信息(MSI)服务，如智能航线规划、实时天气与水文信息等，综合利用全球卫星导航系统(GNSS)、无线网络、AIS、北斗短消息、海事卫星等通信系统，完全可以实现精确服务。

另外S-100和e-Navigation的概念也不再局限于海洋，内河也越来越关注动态安全信息服务的重要性。相比海上，内河的通信手段更加多样化且带宽充足，不受数据体积的限制，可以扩展出更多的应用研究方向。

4 结 语

本文以全面了解当前S-100的发展现状、存在问题和下一步研究重点为目的，通过总结分析现有文献资料，将S-100研究划分为理论性研究、应用性研究和创新性研究3个阶段，分析阐述了当前S-100研究现状和未来发展趋势。通过论证，本文认为S-100的核心价值体现在航海与非航海标准化和丰富化的数据产品和服务应用过程中。我国对S-100理论性研究充分，但应用性研究不足，应予以加强。S-100体系内仍存在尚未解决的关键技术问题需要进一步开展研究。数据模型优化、S-100数据互操作、内容与可视化分离特性、三维和时间维数据模型扩展、与海洋空间数据基础设施、e-Navigation的深入结合等应用性和创新性研究应是今后的主要研究方向。