新一代ENC数据标准S—101与S—57的对比分析

刘力　程为平　冯新强　朱玮玮

摘 要：S-101是基于通用海道测量数据模型（S-100）建立的新一代电子海图产品规范，遵循了S-100规定的产品规范建立原则和方法，实现了对电子海图（ENC）特定应用的准确技术描述。在分析了当前ENC数据标准S-57存在的不足的基础之上，从数据结构、空间模式以及数据内容三个方面阐述了新一代ENC标准S-101的优点，并与S-57进行了深度对比分析。

关键词：电子海图 ENC S-101 S-57 S-100

中图分类号：P201 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0034-04

Abstract：S-101 is a new ENC product specification based on the S-100 universal hydrographic data model， which followed the establishment principles and methods specified by S-100_Part 11 Product Specification and realized an precise technical description for the specific application.In this article，a comprehensive analyze of the advantages of this new product specification standard have been discussed from three aspects such as data structure，spatial schema and data content with a comparison of the disadvantages of S-57.

Key Words：Electronic Navigational Charts；ENC；S–101；S-57；S-100

根据国际海道测量组织（IHO）公开发布的信息，随着全球海洋开发的发展，S-57标准已不再适合当前的多种业务需求。2010年1月，国际海道测量组织发布了《S-100通用海道测量数据模型》，各国官方海道测量产品开始由海道测量信息时代进入地理信息时代，S-100的发布标志海道测量数据可以与传统的地理信息以统一的模式和方法表达、存储、发现和使用[1]。但S-100仅提供了一个模型框架，不涉及具体的数据产品规范，IHO将基于S-100的数字海道产品标准编号S-10X系列，如ENC产品规范S-101，水深表面产品规范S-102等。

S-101最终将成为基于S-100的ECDIS系统中的导航层，并能够与其他以S-100为基础的S-10X产品相结合，为航行决策提供更好的信息保障。国内学者对S-100展开了一定研究，但对于具体的S-10X产品规范还未深入探索，深入分析S-101产品规范。此处从数据内容、空间模式以及结构与S-57进行对比分析，从而为新一代电子海图产品制作提供帮助。

1 ENC数据标准S-57的发展与不足

S-57标准是电子海图的格式标准，是IHO需要维护的主要标准之一，目前发展到S-57 Edition 3.1版本[2]。S-57标准分别在2007年1月、2009年6月和2014年3月发布了三个增补版，增补版增加了群岛航道和群岛航道轴线两个物标类，并修改了部分要素属性值。

随着全球海洋开发的发展，S-57标准因不再适合当前的多种业务需求，而被IHO冻结。其不足包括：（1）维护机制不灵活。在S-57中增加任何新要素与属性都必须经过系统管理者、数据提供者、电子海图显示与信息系统（ECDIS）设备制造商以及数据用户等角色的严格讨论。（2）数据交换的灵活性与可用性较低。数据模型以文件格式封装，虽然保持了数据模型的结构和内容，但很大程度上限制了数据交换的灵活性与可用性。（3）S-57的数据结构，无法支持未来发展需求，特别是无法满足ECDIS中的数据融合与集成的需求。（4）S-57数据模型仅限于ENC数据的生产与交换，与国际主流地理信息标准不符，不利于全球地理空间数据共享。

为解决上述问题，IHO于2000年批准修订S-57标准，于2010年形成了一个新的地理空间框架标准S-100通用海道数据模型。

2 S-100通用海道数据模型建立及意义

S-100是全新的海道地理空间数据标准，主要目标是支持与各种海道相关的更加多样化的数据源、产品和服务。它完全符合国际主流地理信息标准，特别是ISO19000系列地理标准，从而使地理空间应用程序集成海道测量数据更容易[3]。S-100不是S-57标准的升级版，而是一套全新的标准体系，不仅扩展了现有的S-57海道测量传输标准的范围，本质上比S-57更灵活，还规定支持大量海道测量相关数据源、产品及用户需求（如图1所示），其中包括矩阵和光栅数据、三维和时变数据（X、Y、Z和T），以及超越传统海道测量范围的新应用（高密度水深测量、海床分类、海洋GIS等）。

S-100提供了更加灵活的动态维护机制，通过IHO专用网站实现对要素实体及属性和图示目录的在线注册[4]。S-100是基于ISO19000系列标准设计，这些标准也是现代地理空间标准制定的基础，且密切与其他标准如开放地理空间联盟（OGC）的发展计划相一致。

S-100最重要的意义是它提供了新一代ENC产品及其他与航海相关的数字产品的发展框架，为建立规范性产品规范提供了必要的机制，使各种数字海道信息和海洋地理空间信息能够进行广泛交流。但S-100仅仅是提供了一个模型框架，不涉及具体的数据产品规范，IHO将基于S-100的数字海道产品标准编号为S-10X系列，如ENC产品规范S-101，水深表面产品规范S-102等[5]。endprint

3 新一代电子海图标准S-101分析

3.1 S-101与S-100的关系对比

S-101是一部具体到海道测量产品规范层面的基于S-100体系的技术规范，S-101是按照S-100确立的基本结构和要求建立，与其它基于S-100的海道测量产品规范采用相同的框架，保证了海道测量不同产品规范可以通过一个清晰并且相似的结构来维护[6]。S-101部分详细内容遵循了S-100第4章到第10章的规定，部分内容如数据获取和分类、数据维护、数据产品分发等在S-100中没有具体的描述，与S-57基本相同。S-101与S-100的相互关系框架如图2所示。

3.2 S-101与S-57的差异性分析

3.2.1 结构对比

S-101作为一种新的电子海图产品规范，依然保持了基本的电子海图功能，因此大多数的S-57电子海图的特点被保留[7]。另外，为克服S-57已知的编码缺点，如危险区域要素编码的滥用问题，提高数据的效率，改善用户体验，S-101制定了许多新概念和结构。如更丰富的几何模型、信息类型和复杂属性，可交换的动态要素与图示目录等。改进的功能将实现更有效的数据处理和在ECDIS设备中更好的定义图示符号，以消除或减少一些条件可视化规则与程序。

（1）XML化动态化ENC目录及规范化图示表达。

目前，基于S-57数据标准的图示表达是建立在S-52标准基础之上的，一个完整的ECDIS系统至少需要解决这两个标准。与S-57 ENC产品规范相比，S-101显著优点在于采用XML化与动态化要素目录与图示目录。XML化是指S-101目录标准是以机器可读的XML方式进行存储的，以便于标准内容的升级以及与其他领域的交互。动态化是指S-101数据结构不是固定不变的，它能够根据需要进行累积性的改进且不影响现有用户。

S-101将要素、属性及其枚举值之间的关系定义在单一的要素目录中。要素目录的构建是基于注册集的方式，注册集中对数据内容给出了定义，并以机器可读的XML形式进行存储，允许ECDIS通过XML文件，很容易升级现有的船上系统。在S-100框架下，注册内容可以被连续的改变，S-101的要素与图示目录可以不断更新版本，且不会改变目录标准的XML结构，这使得IHO既能够利用动态注册方式的优势，又能够使更新在一个受控的进程中进行，保护最终用户的利益[8]。

（2）信息类型和复杂属性的加入。

S-101的一个重要改进是使用“信息类型”。信息类型是一个可识别的可在附加要素属性中体现相关信息的没有几何属性的要素类型。当有更多补充信息与某信息类型相关时，该信息类型也可以附加其他信息类型，如图3所示。例如在S-57中，为表示一个浮标的说明信息，通常被编码到警告区要素。电子海图中包含的许多这种说明信息，通常采用警告区要素来表示。然而，该信息并不需要触发报警。然而，S-101的信息类型将有助减少警告区要素的滥用，克服现行S-57标准中类似的编码局限问题。

S-101另一个重要改进是使用“复杂属性”。复杂属性可以简化要素的编码及其描述，提高数据的编码和可视化效率。例如使用复杂属性的海床要素，如图4所示。S-57对较为复杂的属性类型描述往往比较冗长、累赘，其一般采用ASCII字符串的属性类来表示，并对字符串格式进行一些规定，在一个字符串属性无法表达完整时，采用多个字符串属性进行表达，即造成复杂方案的累赘描述。例如体现潮汐流仪表数据的物标TS_PAD，利用TS_TSP属性字段的字符串来表示，字符串格式规定为：“港口识别码，港口名称，高潮HW或低潮LW，潮流方向，潮流速度”。（3）S-101独立化不依比例尺数据集。

研究表明，实际航海要素有部分要素是不依比例尺更新存储，例如雷达站要素。在S-57数据标准中对于这些要素是否依于比例尺并没有做出明确的规定，这也导致在同一区域的要素信息将被存储到不同比例尺数据集时，造成数据的重复采集，增加数据的不一致性。然而在S-101标准中已将不依比例尺的要素独立出来，目前IHO已审核通过54种不依比例尺数据类型，并以附录的形式作为S-101的一部分[9]，表1所示为部分列举。

同一地理区域包含有依比例尺与不依比例尺两种数据集。通常不依比例尺的数据集与依比例尺数据集之间的关系是一对多的关系。不依比例尺要素集的显示将由要素属性中给定的比例尺范围进行控制。S-101中对不依比例尺的数据集有四点规定：（1）每个数据集仅能体现一个区域范围，不同数据集之间不能有重叠；（2）数据集中的要素不允许出现在依比例尺数据集中；（3）要素的最大最小比例尺可被要素属性重新定义，但应该在数据集显示比例范围之内；（4）数据集最小显示比例尺必须设置为1∶3000000，数据集最大显示比例尺必须设置为1∶4000。

3.2.2 空间模式对比

S-57采用的空间模式包括5种几何类型：节点、孤立节点、连接节点、边和面。S-57与S-100几何类型对照如表2所示。

（1）S-57理论上支持4种拓扑级别的空间几何组织。

方式：无拓扑、链-节点、平面图、完全拓扑。但在S-57 ENC产品中，使用“链-节点”拓扑；而S-101使用的是几何单形对几何进行组织，两者本质上是一样的。

（2）面的边界应该是环，而不是普通的边。这一点在S-57中没有体现，而S-101则有。

（3）S-57缺少描述点群、线群、面群的几何类型，而S-101只缺少描述线群、面群的几何类型。

（4）S-57对边可以使用6种插值方法：线性插值、三点圆弧、椭圆弧、均匀样条曲线、分段贝塞尔以及不均匀比例样条。S-101可以使用4种插值方法：线性插值、大地曲线、三点圆弧以及等角线等。

3.2.3 数据内容对比endprint

S-101定义了四种要素类型：地理要素类型、聚合要素类型、制图要素类型、元要素类型。但是，制图要素类型目前没有被包含。此外，如各海道测量官方机构提供的潮流、风等航海出版物数据不包括在S-101中，而是作为航海信息覆盖图（NIO）另行建立标准。

新一代电子海图标准S-101与S-57对比，要素变化包括：新增要素17个，删除要素21个，拆分要素1个；并且S-101没有保留S-57中的制图要素，部分举例如表3所示。其中拆分的要素是将S-57中的M_NSYS拆分成航行标志系统（Navigational system of marks）和局部浮标指向（Local direction of buoyage）；属性变化包括：对部分属性进行了删、改、增，如表4举例所示。

4 结语

基于S-100框架建立的S-101标准是新一代电子海图产品规范，是真正符合航海需要，并与主流地理信息产品兼容的产品规范。本文在深入分析IHO相关会议报告和最新S-101工作版的基础上，阐述了S-101在数据结构、空间模式、以及数据内容等方面发生的新变化及其优势，为新一代ENC数据的标准的应用奠定了较好的理论基础，同时为我国海洋空间基础设施的建设和港口航道基础地理信息空间数据标准的建立提供有效参考。

参考文献

[1] 王昭，汪连贺，谢智茹.S-100的体系结构和若干重要概念[J].海洋测绘，2011，31（2）：76-79.

[2] IHO. IHO Transfer Standard for digital Hydrographic Data Edition 3.1[S].Monaco： International Hydrographic Bureau，2000.

[3] 陈长林，翟京生，陆毅.海洋测绘国际标准S-100的空间模式[J].测绘科学技术学报，2012，29（1）：61-65.

[4] 中华人民共和国海事局译.S-100通用海道测量数据模型[M].天津：天津科学技术出版社，2011.

[5] IHO.S-100 IHO Universal Hydrographic Data Mo- del，Edition1.0.0[S].Monaco： International Hydrographic Bureau，2010.

[6] IHO. S-101 Electronic Navigational Chart Product Specification Working Version[S].Monaco： International Hydrographic Bureau，2013.

[7] Dr.Lee Alexander. e-Navigation and Electronic cha- ting： Implications for Hydro- graphic Community[J].US Hydrographic Conference，2009，Norfolk VA，11-14 May 2009.

[8] S-101 Stakeholders Workshop. Summary Report and Outcomes of S-101 Stake- holders Workshop[EB/OL]. （2011-09-18） [2014-06-05].http：//www.ihoohi.net. net/mtg_docs/industry/s-101_workshop_08/S-101 Stakeholders Workshop_ Outcomes Summary.pdf.

[9] IHO TSMAD.S-101 Scale Independent Content [EB/OL].（2012-05-20）[2014-06-05].http：//www.Iho.int/mtg_docs/com_wg/TSMAD/TSMAD24TSMAD24IPWG4-10.2A_S-101_ScaleIndependentCo ntent_FINAL.pdf.endprint

S-101定义了四种要素类型：地理要素类型、聚合要素类型、制图要素类型、元要素类型。但是，制图要素类型目前没有被包含。此外，如各海道测量官方机构提供的潮流、风等航海出版物数据不包括在S-101中，而是作为航海信息覆盖图（NIO）另行建立标准。

新一代电子海图标准S-101与S-57对比，要素变化包括：新增要素17个，删除要素21个，拆分要素1个；并且S-101没有保留S-57中的制图要素，部分举例如表3所示。其中拆分的要素是将S-57中的M_NSYS拆分成航行标志系统（Navigational system of marks）和局部浮标指向（Local direction of buoyage）；属性变化包括：对部分属性进行了删、改、增，如表4举例所示。

4 结语

基于S-100框架建立的S-101标准是新一代电子海图产品规范，是真正符合航海需要，并与主流地理信息产品兼容的产品规范。本文在深入分析IHO相关会议报告和最新S-101工作版的基础上，阐述了S-101在数据结构、空间模式、以及数据内容等方面发生的新变化及其优势，为新一代ENC数据的标准的应用奠定了较好的理论基础，同时为我国海洋空间基础设施的建设和港口航道基础地理信息空间数据标准的建立提供有效参考。

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[9] IHO TSMAD.S-101 Scale Independent Content [EB/OL].（2012-05-20）[2014-06-05].http：//www.Iho.int/mtg_docs/com_wg/TSMAD/TSMAD24TSMAD24IPWG4-10.2A_S-101_ScaleIndependentCo ntent_FINAL.pdf.endprint

S-101定义了四种要素类型：地理要素类型、聚合要素类型、制图要素类型、元要素类型。但是，制图要素类型目前没有被包含。此外，如各海道测量官方机构提供的潮流、风等航海出版物数据不包括在S-101中，而是作为航海信息覆盖图（NIO）另行建立标准。

新一代电子海图标准S-101与S-57对比，要素变化包括：新增要素17个，删除要素21个，拆分要素1个；并且S-101没有保留S-57中的制图要素，部分举例如表3所示。其中拆分的要素是将S-57中的M_NSYS拆分成航行标志系统（Navigational system of marks）和局部浮标指向（Local direction of buoyage）；属性变化包括：对部分属性进行了删、改、增，如表4举例所示。

4 结语

基于S-100框架建立的S-101标准是新一代电子海图产品规范，是真正符合航海需要，并与主流地理信息产品兼容的产品规范。本文在深入分析IHO相关会议报告和最新S-101工作版的基础上，阐述了S-101在数据结构、空间模式、以及数据内容等方面发生的新变化及其优势，为新一代ENC数据的标准的应用奠定了较好的理论基础，同时为我国海洋空间基础设施的建设和港口航道基础地理信息空间数据标准的建立提供有效参考。

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[9] IHO TSMAD.S-101 Scale Independent Content [EB/OL].（2012-05-20）[2014-06-05].http：//www.Iho.int/mtg_docs/com_wg/TSMAD/TSMAD24TSMAD24IPWG4-10.2A_S-101_ScaleIndependentCo ntent_FINAL.pdf.endprint