國(guó)際海道測(cè)量組織水深表面產(chǎn)品規(guī)范研究

邢偉坡++夏啟兵

摘要：水深表面產(chǎn)品規(guī)范是IHO基于S -100 《通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》建立的關(guān)于水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的規(guī)范。本文研究了IHO S-102《水深表面產(chǎn)品規(guī)范》的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)、維護(hù)與編碼，探討了產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)和未來(lái)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海道測(cè)量 水深 表面 規(guī)范

0 引言

隨著船舶向大型化和高速化發(fā)展，船舶安全航行對(duì)高精度的、詳細(xì)的水深數(shù)據(jù)需求越來(lái)越多，尤其在淺水水域。然而傳統(tǒng)的紙海圖、電子海圖由于圖幅限制所表示的水深數(shù)據(jù)有限，并且在系統(tǒng)地融合潮位等時(shí)序數(shù)據(jù)和便于電子海圖系統(tǒng)智能調(diào)整等深線間距方面存在一定的困難。而水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)恰恰能夠彌補(bǔ)紙海圖、電子海圖的這些缺陷。為了滿足船舶安全航行、科學(xué)研究等方面對(duì)水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)的需求，IHO（國(guó)際海道測(cè)量組織）在S-100《通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》的基礎(chǔ)上制定并于2012年4月正式發(fā)布了S-102《IHO水深表面產(chǎn)品規(guī)范》。

1 內(nèi)容與結(jié)構(gòu)

S-102 [1]總體上由版本標(biāo)記、元數(shù)據(jù)、水深估計(jì)覆蓋（Estimated Elevation Coverage）、水深不確定性覆蓋（Uncertainty Coverage）、跟蹤列表、可選覆蓋層、數(shù)字簽名模塊七部分組成。

1.1 元數(shù)據(jù)

S-102中大部分元數(shù)據(jù)元素來(lái)自于S-100、ISO 19115《地理信息-元數(shù)據(jù)》和ISO 19115-2《地理信息-元數(shù)據(jù) 第二部分：影像和柵格數(shù)據(jù)擴(kuò)展》，非強(qiáng)制性的其他元數(shù)據(jù)來(lái)源于 ISO 19130 和 ISO 19130-2，特別是與聲吶設(shè)備相關(guān)的元數(shù)據(jù)。

根據(jù)應(yīng)用目的不同，S-102中元數(shù)據(jù)分為四類：發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)、質(zhì)量元數(shù)據(jù)和采集元數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)用于識(shí)別和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)。S-102中，發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)集（Dataset）和數(shù)據(jù)集合（Data Collection）兩個(gè)層級(jí)，即整個(gè)數(shù)據(jù)集和由多個(gè)切片組成的數(shù)據(jù)集都有相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)，并且對(duì)于每一個(gè)切片文件也有相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)用來(lái)描述數(shù)據(jù)集合的結(jié)構(gòu)，包括了網(wǎng)格空間表達(dá)、水平與垂直參考系統(tǒng)、法律和安全限制、切片組成等方面的信息。質(zhì)量元數(shù)據(jù)描述了數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)處理等有關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量的信息。采集元數(shù)據(jù)在S-102中是可選的，數(shù)據(jù)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)可自主選擇添加數(shù)據(jù)采集元數(shù)據(jù)，例如所采用的測(cè)量設(shè)備信息。

1.2 覆蓋

覆蓋是水深表面產(chǎn)品的主要組成部分。每一個(gè)水深表面產(chǎn)品中應(yīng)至少包含水深估計(jì)覆蓋和水深不確定性覆蓋，每一種覆蓋均是經(jīng)地理校正的格網(wǎng)。水深估計(jì)覆蓋和水深不確定性覆蓋是地理相關(guān)的，采用相同的坐標(biāo)參考系，它們都包含起始于最西南角、按行存儲(chǔ)的二維矩陣。

水深估計(jì)覆蓋的格網(wǎng)值是一組有序的水深估計(jì)值，水深單位是m。與紙海圖、電子海圖水深表示不同，水深值在垂直基準(zhǔn)面以上為正、以下為負(fù)，因此水深表面產(chǎn)品中水深值均為負(fù)值。水深不確定性覆蓋的格網(wǎng)值是一組有序的水深不確定性值，用于表示水深覆蓋中水深值精度。水深不確定性值有多種計(jì)算方法，分別為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差、CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator，水深不確定性和估計(jì)組合算法）標(biāo)準(zhǔn)差、NOAA（美國(guó)海洋與大氣管理局）標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不確定性 1.0版（綜合了CUBE不確定性算法和其他方法）和歷史數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差等，這有利于將水深表面產(chǎn)品應(yīng)用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)的各個(gè)不同階段和不同目的。

除水深估計(jì)覆蓋和水深不確定性覆蓋外，水深表面產(chǎn)品中還可包含若干可選擇的覆蓋，S-102本身并沒(méi)有對(duì)這些覆蓋做出規(guī)定，這需要在獨(dú)立的S-10X標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這些覆蓋做出具體規(guī)定。

1.3 跟蹤列表

跟蹤列表中包含了海道測(cè)量技術(shù)人員修改的任何格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的原始水深值和水深不確定性值。水深表面產(chǎn)品的原始水深數(shù)據(jù)和不確定性值是由計(jì)算機(jī)按照一定的算法自動(dòng)計(jì)算得出，需要海道測(cè)量技術(shù)人員的審查和修改。跟蹤列表提供了追蹤海道測(cè)量技術(shù)人員修改原始數(shù)據(jù)情況的一種手段。

1.4 數(shù)字簽名模塊

在傳統(tǒng)的水深處理中，通常采用直接在歸檔文件上物理簽名的方式來(lái)保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。但是對(duì)于完全數(shù)字化的產(chǎn)品，不可能在數(shù)據(jù)產(chǎn)品上進(jìn)行物理簽名。此外，對(duì)于諸如水深表面產(chǎn)品等高密度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在傳輸過(guò)程中發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的概率會(huì)明顯增加。因此，S-102根據(jù)公鑰/私鑰理論設(shè)計(jì)了一種數(shù)字簽名模式，為海道測(cè)量技術(shù)人員提供了一種與物理簽名等效的認(rèn)證方式，確保了易于發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的任何修改（如操作錯(cuò)誤或惡意行為）。

數(shù)字簽名模塊的基本實(shí)體是數(shù)字簽名。數(shù)字簽名是簽名機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)字表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)集內(nèi)容利用密鑰計(jì)算得到的多字節(jié)數(shù)字序列。密鑰只屬于簽名機(jī)構(gòu)，簽名機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)密鑰文件的保密。通常每一個(gè)數(shù)字表面產(chǎn)品的數(shù)字簽名是唯一的，很少會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)產(chǎn)品的數(shù)字簽名相同。與密鑰相反，公鑰可以自由分發(fā)，可以使用公鑰確認(rèn)“水深內(nèi)容”是否曾經(jīng)修改過(guò)。

除了數(shù)字簽名，數(shù)字簽名模塊還包含一個(gè)32位整型數(shù)字，用來(lái)指向元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)志（描述數(shù)據(jù)來(lái)源、處理等方面信息）部分描述認(rèn)證原因的實(shí)體。其目的是簽名機(jī)構(gòu)可以靈活地描述數(shù)據(jù)認(rèn)證的原因或認(rèn)證后數(shù)據(jù)預(yù)期用途。

1.5 切片模式

切片技術(shù)是一種將較大區(qū)域數(shù)據(jù)分割成更易于管理的較小數(shù)據(jù)塊兒的技術(shù)。S-102采用了切片技術(shù)將覆蓋數(shù)據(jù)切割成一系列切片進(jìn)行組織和管理。產(chǎn)品中每一個(gè)切片都是一個(gè)完整的水深格網(wǎng)，包括水深估計(jì)覆蓋、水深不確定性覆蓋、可選的跟蹤列表和元數(shù)據(jù)。S-102中定義了三種切片模式：一致的多邊形格網(wǎng)、四叉樹(shù)和其他。

2 數(shù)據(jù)編碼與維護(hù)

S-100標(biāo)準(zhǔn)[2]的一個(gè)重要思想是“數(shù)據(jù)內(nèi)容”和“數(shù)據(jù)載體”分離。S-102遵循了S-100標(biāo)準(zhǔn)，采用了UML概念模型定義產(chǎn)品內(nèi)容和采用HDF 5（分層數(shù)據(jù)格式第5版）進(jìn)行編碼。HDF是美國(guó)國(guó)家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心為了滿足各種領(lǐng)域研究需求而研制的一種能高效存儲(chǔ)和分發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)的新型數(shù)據(jù)格式。endprint

與S-101《電子海圖產(chǎn)品規(guī)范》中矢量數(shù)據(jù)按增量更新的方式不同，水深表面產(chǎn)品中的全部數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集內(nèi)的切片及其相關(guān)元數(shù)據(jù)都可以作為一個(gè)單元來(lái)替換。覆蓋數(shù)據(jù)應(yīng)至少在切片級(jí)別下作為一個(gè)單元來(lái)更新。此外，每個(gè)更新的切片數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集必須有其自己的數(shù)字授權(quán)。

3 生產(chǎn)技術(shù)

S-102標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)流程和技術(shù)方法做出具體規(guī)定。2011年，加拿大海道測(cè)量局根據(jù)S-102標(biāo)準(zhǔn)草案使用CARIS軟件生產(chǎn)了86幅覆蓋加拿大魁北克市和蒙特利爾港口間圣勞倫斯河的水深表面產(chǎn)品，提出了一套生產(chǎn)S-102產(chǎn)品的技術(shù)流程[3]，見(jiàn)圖1。

圖 1 S-102產(chǎn)品生產(chǎn)流程

（1）分幅和切片模式設(shè)計(jì)。主要是設(shè)計(jì)產(chǎn)品覆蓋范圍和切片模式。加拿大海道測(cè)量局設(shè)計(jì)了3級(jí)分辨率的切片方案，每個(gè)切片由1000X1000個(gè)格網(wǎng)單元組成。第一級(jí)（港口）0.02°X0.02°，第二級(jí)（沿岸）0.1°X0.1°，第三級(jí)（總圖）1°X1°，切片的北方向指向子午線方向。

（2）數(shù)據(jù)搜集和評(píng)價(jià)。為了增強(qiáng)ENC單元中已經(jīng)包含的信息，加拿大海道測(cè)量局搜集了各種數(shù)據(jù)，包括稀疏的水深數(shù)據(jù)點(diǎn)、高分辨的水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)、ENC導(dǎo)出的高潮線等，所有這些數(shù)據(jù)都進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)以用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)。此外，還利用CARIS S-57 Composer和BASE Editor兩個(gè)軟件模塊創(chuàng)建了輔助層（例如切片方案、覆蓋、分界線等）和將所有數(shù)據(jù)源切割成切片。

（3）點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。主要內(nèi)容包括構(gòu)建TIN模型（不規(guī)則三角網(wǎng)）、插值得到初級(jí)的水深表面產(chǎn)品。

（4）將其他高分辨率水深表面產(chǎn)品和上一步生成的表面產(chǎn)品合并，并利用BASE Editor軟件中基于規(guī)則的沖突檢測(cè)工具處理數(shù)據(jù)沖突部分。

（5）提取和導(dǎo)出水深表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)。利用CARIS BASE Editor導(dǎo)出HDF5格式水深表面產(chǎn)品。

通常，根據(jù)水深點(diǎn)數(shù)據(jù)生成格網(wǎng)水深的方法有兩種：直接法和間接法。直接法是直接通過(guò)采樣水深點(diǎn)插值生成格網(wǎng)水深。間接法是首先根據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)建立TIN，然后插值得到格網(wǎng)水深。加拿大海道測(cè)量局采用了間接法生成格網(wǎng)水深，但這種方法有可能丟失格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周圍的淺點(diǎn)水深。如果水深表面產(chǎn)品應(yīng)用于船舶航行，還需對(duì)上述流程中水深點(diǎn)數(shù)據(jù)生成格網(wǎng)的算法進(jìn)一步優(yōu)化。

4 應(yīng)用

S-102標(biāo)準(zhǔn)的制定，使海道測(cè)量領(lǐng)域具有了適合本行業(yè)的數(shù)字高程模型（DEM）標(biāo)準(zhǔn)，豐富了海道測(cè)量產(chǎn)品種類，拓展了海道測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。作為一種不同于電子海圖、傳統(tǒng)紙海圖的新產(chǎn)品，S-102產(chǎn)品有諸多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在船舶航行、水文動(dòng)力模擬、空間數(shù)據(jù)分析等方面獲得廣泛應(yīng)用。

4.1 船舶航行

相比電子海圖，水深表面產(chǎn)品用于船舶航行具有以下優(yōu)勢(shì)：水深信息更加豐富、更新更加方便（只需替換需要更新的切片）、能夠快速準(zhǔn)確生成安全等深線、更易于和潮汐等時(shí)序數(shù)據(jù)疊加計(jì)算富余水深等。將水深表面產(chǎn)品作為背景與電子海圖數(shù)據(jù)疊加應(yīng)用于航行是一種可行的、有效的應(yīng)用方式，如圖2。

圖 2 S-102產(chǎn)品和電子海圖疊加顯示

航道工程

可利用GIS空間分析技術(shù)基于水深表面產(chǎn)品計(jì)算航道疏浚土石方量、航道邊坡比（航道是否穩(wěn)定的指標(biāo)）等數(shù)據(jù)，作為竣工驗(yàn)收的依據(jù)。

4.2 科學(xué)研究

水文動(dòng)力模型、大氣-水文模型等數(shù)值計(jì)算模型都需要格網(wǎng)型海底地形數(shù)據(jù)。S-102產(chǎn)品能夠方便地應(yīng)用于水文動(dòng)力模型、大氣-水文模型中，滿足科學(xué)研究的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，美國(guó)、加拿大等國(guó)家的海道測(cè)量機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)并發(fā)布S-102產(chǎn)品，一些ECDIS設(shè)備生產(chǎn)商也正在升級(jí)軟件支持S-102產(chǎn)品的顯示和應(yīng)用。而我國(guó)尚未開(kāi)展S-102產(chǎn)品的生產(chǎn)，應(yīng)加強(qiáng)S-102規(guī)范的研究和加快產(chǎn)品的生產(chǎn)。一旦S-102產(chǎn)品得到廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用，由于其編繪簡(jiǎn)單、更新便捷，將會(huì)大大縮短新測(cè)水深應(yīng)用于船舶航行的周期，提高船舶航行安全。

參考文獻(xiàn)

[1] IHO. S -102 bathymetric surface product specification，e-dition1.0.0[s].Monaco： International Hydrographic Bureau，2012.

[2] IHO.S-100 通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型[M]. 中華人民共和國(guó)海事局譯. 天津： 天津科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

[3] Ed Kuwalek etc. The New IHO S-102 Standard Charting a New Frontier For Bathymetry. The International Hydrographic Review. 2011 （2）：21-25.endprint