航海图四面体模型和未来发展

王 昭 董 江 任 福

1 天津海事测绘中心，天津，300220 2 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，430079 3 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉，430079 4 自然资源部数字制图与国土信息应用重点实验室，湖北 武汉，430079

海图是以海洋及其毗邻的陆地为描绘对象的一类地图，是地图的一个比较特殊的分支。海图和地图既有许多共性，又存在不少差异，这些差异构成了海图独特的使用风格和应用价值。航海图是指供舰艇定制航行计划、选取锚地、航行中定位并标绘航线，以保证航行安全的标准化海图。在相当长的时间里，航海图与海图是同一概念，随着海图应用需求的不断拓展和海图种类的不断增加，航海图作为一种相对专门服务于航海活动的图种而逐渐独立出来，至今为止，也是出版数量最多、应用最广、最主要的海图类型。

航海是全球性的活动，是关乎海上人命安全的高危险作业，作为国际航海体系中最基础的国际公约《1974年国际海上人命安全公约》（International Convention for the Safety of Life at Sea 1974，SOLAS 1974）明确规定海图是海上航行的必备资料，并要求各缔约国政府应组织安排海道测量数据的收集和编制、出版，并更新海上安全航行所需的航海资料。20世纪80年代末，电子海图显示与信息系统（electronic chart display and information system，ECDIS）概念被首次提出并应用于航海后，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）的决议规定：ECDIS 可以作为SOLAS 1974 所要求的纸质海图的等价物。进入信息与通信技术（information and communications technology，ICT）时代后，ECDIS 和电子海图得到了迅猛发展，大有代替纸质海图的趋势，因此纸质海图的未来引起了航海界的广泛讨论［1］。

对纸质海图未来的讨论来源于国际海道测量组织（International Hydrographic Organization，IHO）2012年举办的海图标准化和纸质海图工作组第九次会议，会议呼吁编制一份远景性文件《纸质海图的未来》，探讨在电子海图时代纸质海图面临的一系列重大问题。这项任务在航海制图工作组的工作计划中被列为高度优先项目A16。后续，工作组主席和诸多专家联合撰写了一篇论文，并在2020年8月提交给IHO，形成最终报告［2］。

与纸质海图面临的挑战类似，在地图界也出现了由数字地图发展带动的技术和理念革命。为此，高俊［3，4］提出“地图四面体”观点：数字地图对地图学的影响不仅仅是地图生产过程的“全数字化”，地图学的研究领域发生了明显的变化，由“地图学三角形”变为“地图学四面体”，通过“实地-地图”“读者-地图”“读者-实地”“数字地图-地图”“数字地图-实地”“数字地图-读者”6 对关系，厘清了地图学的研究内容，通过大框架决定了地图学生存的相对稳定性，对理解地图学是十分重要的。

地图四面体的研究提升了人类对地图学这一古老学科的理解和认识，本文通过“实地-地图-数字地图-读者”框架模型，建立航海图四面体模型，并在此框架下，分析探讨航海图发展中关键技术，进一步探讨在ICT 时代航海图发展的未来。

1 海图和电子海图发展脉络

早在原始社会，人类在海洋上活动时就产生了对海图的需要，海图最初与区域/全球性地图结伴而行。欧洲文艺复兴以后，航海贸易迅速发展，以描绘航海相关信息及沿岸目标为主的航海图随之发展，并形成了现代航海图的雏型［5］，由此逐渐成为一个相对独立的图种。世界范围内现代航海图生产已有约200年的历史，航海图的内容不断完善，每一次革新都伴随着人类使用工具、认知自然的一次飞跃。1921年政府间组织——IHO 的成立，使得出版标准化的航海图成为国家义务，航海制图符号逐步系统化和标准化，生产具有高度权威性、统一性的纸质海图成为各国海道测量官方机构（Hydrographic Officers，HOs）的法定职责，通常都由政府或海军的专门机构承担。当前纸质海图生产标准是IHO 几十年合作标准化工作的结果，《IHO S-4 国际海图（INT海图）法规和海图规范》成为世界范围内认可的航海图编绘技术要求。在海图图式方面，INT 1 目前采用了德国联邦海事和海道测量局的Karte 1 标准作为示例，各国HOs 也开发了各自的海图图式，这些图式基本上遵循INT 1 的内容、结构、符号，甚至缩写。通过以上标准化进程，航海者可以通过较为一致的海图标准，准确地解释海图所要传达的各类信息。

随着电子海图的出现，海图面临着最新一次的变革。最早的电子海图应用系统雏形是1967年出现的“视频航迹标绘仪”（ video track plotter，VTP）。它结合了定位仪与海图标绘功能，电子海图内容非常粗糙，仅是标绘航迹的背景。20世纪80年代中期，各种基于电子海图的集成式导航信息系统开始蓬勃发展，但这些设备很难得到官方承认，直到ECDIS 概念的出现，电子海图从设备到数据才逐步取得业界共识。在政策层面，1986年7月IMO 和IHO成立了ECDIS 协调小组，共同研究ECDIS 相关性能标 准。 1995年11月，IMO 第19 届 大 会 正 式 批 准“IMO ECDIS 性能标准”，并规定ECDIS 可以作为SOLAS 1974 所要求的纸质海图的等价物。在技术层面，1987年6月由挪威等北欧国家发起著名的北海工程实验，直接推动了两个标准的发展，一个是《IHO S-52 ECDIS 海图内容和显示规范》，侧重海图的内容、显示方法、改正实施以及ECDIS 性能；另一个是《IHO S-57 数字海道测量数据传输标准》，规定了电子海图具体的物标分类编码、数据交换格式等内容。此外，IHO 还发布了一些其他辅助性标准，如针对数据有效性检核的S-58、针对光栅海图的S-61、针对数据加密的S-63、针对电子海图生产的S-65等［6］。一般认为，ECDIS 包括两部分：电子海图数据及包括软件和硬件的应用系统。ECDIS 应用的数据是电子航海图（electronic navigational chart，ENC），ENC 必须由IHO 认可的各国HOs 生产，数据编码、物标/属性、数据结构、格式等必须符合S-57 标准，内容涵盖纸质海图上所有与航行有关的信息。

在生产ENC 的过程中，各国路线较为类似，形成了两种模式，如图1 所示。第一种模式在传统纸质海图生产基础上，引入计算机辅助制图（computer aided mapping，CAM）的相关技术，逐渐实现用计算机制图的方式生产数字海图，数字海图是ENC 产品生产的基础数据，按照S-57 标准对其进行格式转换、编码对照和加注属性，进行数据封装，从而形成ENC，这种模式可以称为“数字海图模式”。在数字海图时代，中国海事局采用CARIS+MapGIS（早期用于加注汉字注记）软件作为数字海图生产软件，中国人民解放军海军司令部航海保证部的数字海图生产软件为Arc/Info。第二种模式可以称为“电子海图模式”，由于具有易于分发、更新等优势，ENC 的需求稳步增长，一些HOs 逐渐过渡到通过海道测量产品数据库统一生产ENC 和纸质海图产品［7］。这些数据库通常采用S-57 标准作为编码基础，与ENC 具有天然的相近性，ENC 由原来生产流程的“后端”逐渐变为“前端”，并且在航海图书产品中逐渐代替纸质海图成为核心。

图1 ENC 生产模式的转变Fig.1 Change of Production Model for ENC

2 航海图四面体模型

传统地图学理论对海图发展有很好的借鉴作用，基于地图四面体模型，在ICT 时代发展形成航海图四面体模型，如图2 所示。四面体的每一个面涉及海图发展相关层面的具体问题，为梳理总结海图发展的相关问题提供了理论框架。

图2 航海图四面体模型Fig.2 Nautical Chart Tetrahedron Model

需要注意的是：①在航海图中，其他格式或者形式的数字海图由于缺乏稳定的数据来源，在航海空间信息服务领域没有得到广泛应用，因此本文不再采用比较广义的数字海图概念，而是采用更加具体的ENC 作为论述对象。②在计划航程和绘制航程时，航海者通常需要固定船位，并将其标绘在纸质海图上（ECDIS 也必须包含类似功能），因此，在本模型中用用图者概念代替读图者。③栅格电子海图（raster navigational chart，RNC）是以栅格形式（也就是通常所说的图像方式）表示的数字海图，通常由纸质海图扫描得到，虽然是以电子形式存在，但在本文中将其认为是纸质海图的翻版，而不是电子海图。

2.1 实地-纸质海图-用图者

“实地-纸质海图-用图者”是传统海图一个完整的“生产-使用”链条，反映了传统纸质海图在信息传输和海图信息服务两个层面的问题。

海图是海洋空间信息的载体和传输工具，其制作过程可以理解为一个编码过程，使用过程可以理解为一个解码过程，海图作为信息传递的通道和载体，通过两个转换过程将海洋地理区域环境、海图、制图者和用图者联系起来，形成一个相互作用的完整体系，这是经典的地图传输理论在航海图传输中的一般映射。将海图视为信息传递的工具，针对满足全球航行的需求，在IHO 技术框架下，海图实现了高度的一致性和标准化，实现了不同语言、不同文化对世界范围内航海涉及的海洋空间信息比较一致的认知。

如果说过去100年，IHO 致力于海图信息传输的正确性、有效性，近20年，海道测量界越来越关注海图信息传输的效率和可获取性，随之产生了按需打印（print on demand ，POD）和网络海图服务。建立在海图出版数据分布式快速更新基础上的海图POD 技术，实现了纸质海图无库存按需打印的新方式［8］。航海图需要时刻保持最新，传统分发模式下，在一个海图版次周期内，一次性批量印刷海图，后续分发过程中，手工更新、改正信息，准确性和效率大打折扣。而POD 技术作为一种复制和分发纸质海图的新方式，复制通常由数字打印机或绘图仪进行，配送可由海图代理机构就近开展，从而消除改正信息更新和纸海图更新之间的时间延迟，满足了纸质海图及时更新的需求。当前网络海图服务虽然采用的是数字形式，但基本模式和纸质海图相似，还是通过网络媒介共享海图瓦片数据，从而为行业提供信息浏览、信息查询服务、实时动态标注以及数据自动同步和共享功能。

2.2 实地-纸质海图-电子海图

纸质海图和电子海图都是描述实地的模型，与载体形式的差异相比，其更本质的不同是两者数据组织模式的不同，因此“实地-纸质海图-电子海图”这一层面更加突出的矛盾是怎样利用模型描述实地，这一矛盾也深刻影响数字海图模式向电子海图模式转换的生产方式。

在传统的数字海图模式下，在电子海图与纸质海图之间建立海图图式与S-57 数据编码的对照关系，通过S-57 规定的几何图元、物标以及物标的属性、属性值来描述海图符号，在这个过程中还需要通过资料收集、数据分析和外业调绘等手段获取海图符号所不能表达的属性或属性值。在电子海图模式下，需要用一套源数据支持不同海道测量产品，真实世界的地理实体以对象（物标）的形式在数据库中以信息存储起来，数据库的目标是建立“无缝的”海道测量基础数据。在电子海图产品中，按照电子海图符号显示，属性信息可被查询，而对于纸质海图，则需要一个与之前模式相反的过程，即通过物标和属性，从海图图式选择一个合适的符号来进行可视化。从这个意义上讲，形式化地表达制图知识尤为重要，即通过大量丰富的要素数据确定各类要素采用的符号［9］。目前S-57 物标/属性和S-4 符号/图例之间还缺乏标准和完整的映射方法，上述两个方向的对照关系还不能自动建立，还需要更复杂的，通过统一建模语言（unified modeling language，UML）处理的过程，这也成为目前纸质海图和电子海图转换研究的热点。同时，在制图数据库建立、空间数据转换、要素符号化的基础上，还需要进行注记自动配置、海图要素关系处理以及地图整饰，这些都需要制图知识库的支持［10］，而海图制图知识库的形成也成为纸质海图生产的关键。

需要注意的是，这种“实地-纸质海图-电子海图”关系的变化，在未来将极大影响海道测量方式。一方面，从发展趋势上看，ICT 时代海图生产逐步与海道测量实现纵向分离：传统上，海图生产是海道测量的唯一目的，海道测量的测量需求、技术标准和方法手段都或多或少受到海图生产的制约；未来海道测量目的将转化为获取海洋相关信息，并将获取的信息进行有效管理，海图制图不再仅仅作为海道测量的后续工序，而是作为海洋相关信息的可视化表达手段，将综合更多、更广泛的信息，以更为快捷的方式进行生产。另一方面，海道测量的组织方式也将逐步转变。传统海图没有固定的比例尺划分（根据海图用途和制图区域而定）和分幅（主要沿海岸线和航线划分）［11］，海道测量按照图幅开展，因此，海域因图幅范围划分而成为具有不同密度的“块”，使得海图覆盖不连续、不均匀。而在电子地图模式下，要素按照实体/区域方式管理模式，对不同实体/区域采取相应的数据获取手段，要素的信息粒度只与实体/区域相关。因此，在国际范围内，一些国家采用了新的、规则的网格化ENC 单元分幅规则，并将取代原有的不规则的、基于纸海图的ENC 单元，这种变化将进一步影响纸质海图和电子海图生产模式。

2.3 纸质海图-电子海图-用图者

从用图者的视角来看，由纸质海图变化到电子海图涉及两方面的重要因素：

1）从航行规则层面讲，SOLAS 1974 要求：所有船舶不论大小，均须备有海图和航海出版物，以规划和显示船舶预定航程的路线，并在整个航程中划定和监测位置。第一阶段，ECDIS 被接受为符合公约的海图配备要求。第二阶段，IMO 规定了国际航行船舶ECDIS 强制配备实施时间表（截至2018年7月，已完成向ECDIS 的过渡期），同时明确可将适当开本的纸质海图作为ECDIS 的备用，亦可接受其他类型ECDIS 作为备份。航行规则的要求导致纸质海图的销售量和使用量正在下降，而电子海图的使用量正在增加。

2）对用图者而言，ECDIS 虽然功能强大，但其系统本身的局限性和船员的不恰当使用也影响着航行安全［12］。一方面，IMO 要求船长和值班驾驶员要进行系统的ECDIS 操作培训，学习内容应经过船旗国批准，并获得相应证书，相对于传统纸质海图应用，ECDIS 提高了航海者的素质要求。另一方面，在ECDIS 中还有许多具体的技术细节也需要航海者以新的视角去考量和决策，例如过度缩放对安全航行的危害性：对纸质海图而言，比例尺与其预期航海用途之间存在特定关系，用点状符号表达的碍航物与实地大体相当；但对于ENC，在编辑比例尺（较小的比例尺）下的点状符号，如果经过“过度缩放”，由于点状符号尺寸没有变化，符号代表的尺寸可能小于或者大于要素实际尺寸，就会使得航海者错误估计碍航物到船舶的距离，进而导致事故。这些使用层面的变化都需要用图者更加充分地了解纸质海图与电子海图在应用中的区别。

2.4 实地-电子海图-读图者

“实地-电子海图-读图者”层面，以电子海图为中心连接实地和用图者两端，集中反映了在现代和未来航海中的电子海图以及ECDIS 体现的作用和应用趋势。电子海图是未来智能航海中各类参考信息显示的地理空间数据基础，随着智能船舶的快速发展，必将有更多创新的理念和技术不断影响电子海图导航系统的发展和应用形态［13］。

在IMO NAV53 会议上明确了e-Navigation 的定义：通过电子方式在船舶和岸上协调收集、集成、交换、显示和分析海事信息，以增强船舶从码头至码头之间的航行及相关服务，实现海上安全、保安和海上环境保护的目的，其基本架构如图3 所示。ECDIS 成为e-Navigation 中信息显示和控制的基础，是各类信息收集、处理、交换的中枢，ENC 成为各类信息整合和显示的平台和载体，是人机界面（信息显示和控制平台）中的主要内容，为实现航行安全、环境保护发挥着更大作用。IHO 制定发布了《IHO S-100通用海洋测绘数据模型》，为海洋测绘地理信息提供了一个统一的国际地理信息数据标准，保证海洋地理信息与其他标准地理信息的交换和共享，从应用角度构建了新一代电子海图及相关数字化海事产品和服务的基础框架，在新的框架下可以有效支持影像数据、网格数据、三维数据以及海上空间基础设施所涉及的更广泛的航海支撑数据和产品，并加载海事服务集服务。在这些产品和服务中，S-101 电子海图处于应用的核心地位，其他数据均会以一种叠加或融合（可视化互操作）的方式“覆盖”在电子海图之上，进行综合显示［14］。同时，将海图信息和航线和海上安全信息以一种协调的数字化方式叠加显示，利用实时采集的潮汐水位对海图进行更新，并为船舶提供实时的海上动态安全息，将大大提高船舶的航行安全性［15］。

图3 e-Navigation 架构Fig.3 Framework of e-Navigation

3 结束语

海图是当前最重要的海洋地理信息载体，当经典航海图遭遇电子信息时代，探讨航海图未来如何发展、演变和应用都需要借鉴深层次的地图学理论。本文通过建立航海图四面体模型，从四面体4个平面维度系统总结和梳理了航海图的关键技术和发展趋势，对这些问题的进一步探讨将有助于海图制作者、海图使用者更好地为未来工作做好准备。

本文仅从海图制图工作者视角介绍与纸质海图相关的重要问题，也期待其他利益相关者从不同视角对这些问题进行思考，开展更多的探索和实践。