12海道测量数据管理（第十二章）

第十二章 数据管理与分析

海图是海道测量的主要产品，海道测量数据是海图制图的主要数据来源。随着卫星定位、多波束测深仪、机载激光测深系统等数字化测深设备的不断涌现，海洋测绘已经完成由模拟技术体系到数字技术体系的转变，传统的海图制图理论与技术已不适应现代数字化制图的发展需要。海图制图已经经过计算机地图制图逐渐向地理信息系统的方向发展。海图制图和地理信息系统的基础是描述空间特征的空间数据，本章主要介绍空间数据处理与分析的有关问题。

12.1 空间数据结构

12.1.1 概述

一、信息与数据

信息是现实世界在人们头脑中的反映。可以用数字、文字、符号、语言、图形、图像、声音等把它记录下来。一般信息具有四个方面的特点：

1. 客观性：任何信息都是客观事物的反映；

2. 适用性：信息可以作为各种工作的依据，具有广泛的适用性；

3. 传输性：信息可以在发送者和传递者之间进行传输，并保持意义不变； 4. 共享性：信息可以被许多用户使用，信息共享是现代信息社会最基本的特点。 对计算机而言，数据是指输入到计算机并能被计算机进行处理的一切现象，包括数字、文字、符号、声音和图像等，在计算机环境中，数据是描述事物的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才能变为信息。

信息与数据是不可分离的，有着十分密切的联系，即信息是数据的内涵，是数据的内容和解释，而数据是信息的表达，也就是说数据是信息的载体，只有理解了数据的含义，对数据作出正确的解释，才能得到数据中所包含的信息。通常情况下，对信息和数据可不进行严格区分，在不引起误解的情况下可以通用，如“数据处理”与“信息处理”在一般情况下有相同的含义。 二、空间数据

空间数据是以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。一般可以从三个方面进行描述：位置信息、属性信息和时间信息。

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1. 位置信息：用定位数据（亦称几何数据）来记录，它反映自然现象的地理分布，具有定位的性质。比如点位坐标。

2. 属性信息：描述自然现象、物体的质量和数量等特征。比如水深点、底质点等。 3. 时间信息：时间是空间物体存在的形式之一，空间和时间相互联系而不能分割，时间信息反映空间物体的时序变化及发展过程与规律，无论是几何数据还是属性数据，都是在某一时刻采集的空间信息，时间信息也可隐含在属性数据中。

空间数据的表示方法很多。空间信息的载体可以用数字形式记录在磁盘上，也可以表示成记录在纸上的地图。表示空间数据最常用的形式是采用点、线、面等地图元素组成的地图。地图是表示客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型，是反映空间实体的图形，是对地理实体的简化和再现。它不仅能反映客观事物的瞬时存在，而且能反映自然界的动态变化；不仅能反映某事物独立存在的属性，而且能反映诸事物的空间分布、组合和相互联系及其在时间上的变化。

地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。从地理数据到地理信息的发展，是人类认识地理事物的一次飞跃。地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等是最大的地理信息源。海道测量的成果信息属于地理信息的范畴。

地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息最显著的标志。地理信息的定位特征是通过经纬网或公里网的地理坐标来实现空间位置的识别。

12.1.2 数据结构

一、概述

空间数据结构是指空间数据的编排方式和组织关系。空间数据编码是空间数据结构的实现，目的是将图形数据、影像数据、统计数据等资料，按一定的数据结构转换为适用于计算机存储和处理的形式。不同的数据源，其数据结构相差很大，同一数据源，可以用许多方式来组织数据，按不同的数据结构去处理，得到的内容也截然不同。

高效率的数据结构，应具备几方面的要求：

1. 组织的数据能够表示要素之间的层次关系，便于不同数据连接和覆盖； 2. 能正确反映地理实体的空间排列方式和各实体间相互关系； 3. 便于存取和检索；

4. 节省存储空间，减少数据冗余；

5. 存取速度快，在运算速度较慢的微机上能做到快速响应；

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6. 足够的灵活性，数据组织应具有插入新的数据、删除或修改部分数据的基本功能。 空间数据的主要结构有栅格数据结构和矢量数据结构两种形式。 二、栅格数据结构

将工作区域的平面表象，按一定分解力进行行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为像素（也称为像元），栅格数据结构实际上就是像元阵列，即像元按矩阵形式的集合，栅格中的每个像元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。由于栅格数据是按一定规则排列的，所以表示的实体位置关系是隐含在行号、列号之中的。网格中每个元素的代码代表了实体的属性或属性的编码，根据所表示实体的表象信息差异，各像元可用不同的“灰度值”来表示。若每个像元规定n比特(bit)，则其灰度值范围可在0～2\之间；把白到灰色再到黑色的连续变化量化成8比特，其灰度值范围就在0～255之间，共256级；若每个像元只规定1比特，则灰度值仅为0和1，这就是所谓二值图像，0代表背景，1代表前景。实体可分为点实体、线实体和面实体。点实体在栅格数据中表示为一个像元；线实体则表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合；面实体由聚集在一起的相邻像元集合表示。这种数据结构便于计算机对面状要素进行处理。

用栅格数据表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据，这意味着地表在一定面积内（像元地面分辩率范围内）地理数据的近似性，例如平均值、主成分值或按某种规则在像元内提取的值等。另一方面，栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。像元大小相对于所表示的面积较大时，对长度、面积等的度量有较大影响。这种影响除对像元的取舍外，还与计算长度、面积的方法有关。 三、矢量数据结构

矢量是具有一定大小和方向的量，数学上和物理上把它叫做向量。在纸上用笔画一条线段，绘图机在纸上画一条线段，计算机图形中一条有向线段，都是一个直观的矢量。线段长度表示大小，线段端点的顺序表示方向。有向线段用一系列有序特征点表示，有向线

（x，y）段集合就构成了图形。矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标的有序集

合，矢量数据结构是一种最常见的图形数据结构，主要用于表示地图图形元素几何数据之间及其与属性数据之间的相互关系。通过记录坐标方式，尽可能精确无误地表现点、线、面的地理实体。其坐标空间假定为连续空间，不必像栅格数据结构那样进行量化处理，因此矢量数据更能精确地确定实体的空间位置。 四、栅格数据与矢量数据结构比较

栅格结构和矢量结构都有一定的局限性。矢量数据结构是人们最熟悉的图形表达形式，

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对于线画地图来说，用矢量数据来记录往往比用栅格数据节省存储空间。相互连接的线网络或多边形网络则只有矢量数据结构模式才能做到，因此矢量结构更有利于网络分析和制图应用。矢量数据表示的数据精度高，并易于附加上对制图物体的属性所进行的分门别类的描述。矢量数据只能在矢量式数据绘图机上输出。目前解析几何被频繁地应用于矢量数据的处理中，对于一些直接与点位有关的处理以及有现成数学公式可循的针对个别符号的操作计算，用矢量数据有其独到的便利之处。矢量数据便于产生各个独立的制图物体，并便于存储各图形元素间的关系信息。

栅格数据结构是一种影像数据结构，适用于图像的处理。它与制图物体的空间分布特征有着简单、直观而严格的对应关系，对制图物体空间位置的可探性强，并为应用机器视觉提供了可能性，对于探测物体之间的位置关系，栅格数据最为便捷。多边形数据结构的计算方法中常常采用栅格方案，而且在许多情况下，栅格方案还更有效。例如，多边形周长、面积、总和、平均值的计算以及从一点出发的半径等在栅格数据结构中都减化为简单的计数操作。又因为栅格坐标是规则的，删除和提取数据都可按位置确定窗口来实现，因此比矢量数据结构方便得多。最近以矢量数据结构为基础发展起来的栅格算法表明，有着一种比以前想像中更为有效的方法去解决某些栅格结构曾经存在的问题。例如，栅格结构的数据存储量过大的问题而采用的压缩方法。栅格数据结构与矢量数据结构的比较见表12—1。

栅格数据结构与矢量数据结构的比较 表12—1

矢量数据结构 数据存储量小 空间位置精度高 用网络连接法能完整描述拓扑关系 输出简单容易，绘图细腻、精确、美观 可对图形及其属性进行检索、更新和综合 数据结构复杂 获取数据慢 数学模拟困难 多种地图叠合分析困难 不能直接处理数字图像信息 空间分析不容易实现 边界复杂和模糊的事物难以描述 数据输出的费用较高

栅格数据结构 数据存储量大 空间位置精度低 难于建立网络连接关系 输出速度快，但绘图粗糙、不美观 便于面状数据处理 数据结构简单 可快速获取大量数据 数学模拟方便 多种地图叠合分析方便 能直接处理数字图像信息 空间分析易于进行 容易描述边界复杂和模糊的事物 技术开发费用低 276

上述栅格数据结构与矢量数据结构的比较的优缺点是相对的、暂时的，将随着计算机等新技术的发展变化而变化。上述传统的技术观点已正在变化。 五、栅格数据与矢量数据结构的转换

目前正在积极研究这两类数据结构的相互转换技术，而且已开发出栅格数据结构和矢量数据结构相互转换的软件。矢量到栅格的转换是简单的，有很多著名的程序可以完成这种转换，而且有许多显示屏幕中可以自动完成转换工作。栅格到矢量的转换也很容易理解，但具体算法要复杂得多。

实现两种数据结构的相互转换，可大大提高测量数据的使用性和通用性。近年来，也有人在试验用一个软件同时实现栅格数据和矢量数据两种模型，即混合栅格/矢量数据，以方便用户使用。

12.2 水深测量元数据与数据质量

12.2.1 空间数据的元数据

一、概述

信息社会的发展，导致社会各行各业对详实、准确的各种数据的需求量迅速增加以及数据库的大量出现。用户对不同类型数据的需求，要求数据库的内容、格式、说明等符合一定的规范和标准，以利于数据的交换、更新、检索、数据库集成以及数据的二次开发利用等，而这一切都离不开元数据（Metadata）。对空间数据的有效生产和利用，要求空间数据的规范化和标准化。应用于地学领域的数据库不但要提供空间和属性数据，还应该包括大量的引导信息以及由纯数据得到的推理、分析和总结等，这些都是由空间数据的元数据系统实现的。 二、元数据概念与分类

（一）元数据概念

\是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述，即关于数据的数据。到目前为止，科学界仍没有关于元数据的确切公认的定义。但从各专家的定义中可以发现如下共同点：

1. 元数据的目的：元数据的根本目的是促进数据集的高效利用，另一个目的是为计算机辅助软件工程(CASE)服务。

2. 元数据的内容：包括对数据集的描述；对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）等的说明；对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻

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辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等；对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；对数据转换方法的描述；对数据库的更新、集成方法等的说明。

3. 元数据的性质：元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。

4. 元数据的作用：通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。

（二）元数据的类型

进行元数据分类研究的目的在于充分了解和更好地使用元数据。分类的原则不同，元数据的分类体系和内容将会有很大的差异。下面列出了几种不同的分类体系。

1. 根据元数据的内容分类

造成元数据内容差异的主要原因有两个：其一，不同性质、不同领域的数据所需要的元数据内容有差异；其二，为不同应用目的而建设的数据库，其元数据内容会有很大的差异。根据这两个原因，可将元数据化分为三种类型：

(a) 科研型元数据：其主要目标是帮助用户获取各种来源的数据及其相关信息，它不仅包括诸如数据源名称、作者、主体内容等传统的、图书管理式的元数据，还包括数据拓扑关系等。这类元数据的任务是帮助科研工作者高效获取所需数据。

(b) 评估型元数据：主要服务于数据利用的评价，内容包括数据最初收集情况、收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法、数据质量控制、采样方法、数据精度、数据的可信度、数据潜在应用领域等。

(c) 模型元数据：用于描述数据模型的元数据与描述数据的元数据在结构上大致相同，其内容包括：模型名称、模型类型、建模过程、模型参数、边界条件、作者、引用模型描述、建模使用软件、模型输出等。

2. 根据元数据描述对象分类

根据元数据描述对象分类，可将元数据划分为三种类型：

(a) 数据层元数据：指描述数据集中每个数据的元数据，内容包括：日期邮戳（指最近更新日期）、位置戳（指示实体的物理地址）、量纲、注释（如关于某项的说明见附录）、误差标识（可通过计算机消除）、缩略标识、存在问题标识（如数据缺失原因）、数据处理过程等。

(b) 属性元数据：是关于属性数据的元数据，内容包括为表达数据及其含义所建的数据字典、数据处理规则（协议），如采样说明、数据传输线路及代数编码等。

(c) 实体元数据：是描述整个数据集的元数据，内容包括：数据集区域采样原则、数

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据库的有效期、数据时间跨度等。

3. 根据元数据在系统中的作用分类

根据元数据在系统中所起的作用，可以将元数据分为两种：

(a) 系统级别(System-level)：元数据指用于实现文件系统特征或管理文件系统中数据的信息，例如访问数据的时间、数据的大小、在存储级别中的当前位置、如何存储数据块以保证服务控制质量等。

（b）应用层(Application-level)元数据：指有助于用户查找、评估、访问和管理数据等与数据用户有关的信息，如：文本文件内容的摘要信息、图形快照、描述与其它数据文件相关关系的信息。它往往用于高层次的数据管理，用户通过它可以快速获取合适的数据。

4. 根据元数据的作用分类

根据元数据的作用可以把元数据分为两种类型：

（a）说明元数据是专为用户使用数据服务的元数据，它一般用自然语言表达，如源数据覆盖的空间范围、源数据图的投影方式及比例尺的大小、数据集说明文件等，这类元数据多为描述性信息，侧重于数据库的说明。

（b）控制元数据是用于计算机操作流程控制的元数据，这类元数据由一定的关键词和特定的句法来实现。其内容包括：数据存贮和检索文件、检索中与目标匹配方法、目标的检索和显示、分析查询及查询结果排列显示、根据用户要求修改数据库中原有的内部顺序、数据转换方法、空间数据和属性数据的集成、根据索引项把数据绘制成图、数据模型的建设和利用等。这类元数据主要是与数据库操作有关的方法描述。 三、空间元数据的特点

1.完整性(Completeness)：空间元数据是把事物的有关数据都表示为类的形式，而这些类也包括类自身，即复杂的“类的类”结构。

2. 可扩展性(Extensibility)：有意地延伸一种计算机语言或者数据库特征的语义是很有用途的，如把跟踪或引擎信息的生成结果添加到操作请求中，通过动态改变元数据信息可以实现这种功能。

3. 特殊化(Specialization）：继承机制是靠动态连接操作请求和操作体来实现的，语言及数据库以结构化和语义信息的关联文件(Context)方式把操作请求传递给操作体，而这些信息可以通过元数据表达。

4. 安全性(Safety)：分类完好的语言和数据库都支持动态类型检测，类的信息表示为元数据，这样在系统运行时，可以被类检测者访问。

5. 查错功能(Debugging)：在查错时使用元数据信息，有助于检测可运行应用系统的解释和修改状态。

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6. 浏览功能(Browsing)：为数据的控制类开发浏览器时，为显示数据，要求能解译数据的结构，而这些信息是以元数据来表达的。

7. 程序生成(Program generation)：如果允许访问元数据，则可以利用关于结构的信息自动生成程序。如，数据库查询的优化处理和远程过程调用残体(Stub)生成。 四、空间元数据的获取

空间数据元数据的获取是个较复杂的过程，相对于基础数据(Primary Data)的形成时间，它的获取可分为三个阶段：数据收集前、数据收集中和数据收集后。对于模型元数据，这三个阶段分别是模型形成前、模型形成中和模型形成后。第一阶段的元数据是根据要建设的数据库的内容而设计的元数据，内容包括：①普通元数据，如：数据类型、数据覆盖范围、使用仪器描述、数据变量表达、数据收集方法等；②专指性元数据，即针对要收集的特定数据（如中国1950～1990年40年间的潮汐观测数据）的元数据，内容包括数据采样方法、数据覆盖的区域范围、数据表达的内容、数据时间、数据时间间隔、空间上数据的高度（或深度）、使用的仪器、数据潜在利用等。第二阶段的元数据随数据的形成同步产生，例如，在海道测量工作中，定位点的平面位置、深度、温度、盐度、流速、海流流向、表面风速、仪器设置等是同时得到的。第三阶段的元数据是在上述数据收集到以后，根据需要产生的，它们包括：数据处理过程描述、数据的利用情况、数据质量评估、浏览文件的形成、拓扑关系、影像数据的指示体及指标、数据集大小、数据存放路径等。

空间数据元数据的获取方法主要有五种：键盘输入、关联表、测量法、计算法和推理法。键盘输入一般工作量大且易出错，如有可能应尽量避免，但对某些元数据而言（如数据变量表达的内容）只能由键盘输入。关联表方法是通过公共项（字段）从已存在的元数据或数据中获取有关的元数据，例如，通过区域的名称从数据库中得到区域的空间位置坐标等，测量方法容易使用且出错较少，如用全球定位系统(GPS)测量数据空间点的位置等。计算方法指由其它元数据或数据计算得到的元数据，如海区面积量算等。推理方法指根据数据的特征获取元数据。

在元数据获取的不同阶段，使用的方法也不同。在第一阶段只要是键入方法和关联方法；第二阶段主要采用测量方法；第三阶段只要方法是计算和参考方法。

12.2.2 水深测量元数据与质量分析

一、水深测量数据的元数据

随着海道测量数字化技术体系的建立，海道测量数据的规范化处理显得日益重要。特别是海道测量的数据除满足船只航行的航海保障之外，在海岸管理、环境监测、资源开发、

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法律和外交、海洋和气象模型、工程和建筑规划等其它众多领域也发挥着重要的作用。广泛的用户在提高数据的实用性、实效率、详尽性、可靠性和数字化方面提出了更高的要求。

满足各种用户对数据的需求不同，包括在测量数据在采集时还不了解其具体要求的用户来说，对测量数据进行整体综合评估，将数据进行整体记录和文件化处理，对测量数据的管理和开发利用非常重要。

一般将水深测量数据质量的文件化处理过程称为数据属性化。而包含数据质量信息的属性化数据称为水深测量的元数据。水深测量的元数据至少由下列信息组成：

1. 测量基本信息，例如，测量日期、海区、仪器设备、测船名称；

2. 采用的大地坐标系，即平面和垂直基准面，如果采用局部坐标系，还应包括与WGS

—84系统的联测数据；

3. 校准比对处理过程与结果； 4. 声速信息；

5. 潮汐基准面和水位改正； 6. 成果的准确度及其置信度。

元数据应当进行数字化，使测量数据成为一个整体记录，实现测量数据的数据库系统管理方式。如果无法实现，则文件化的测量数据应包含上述相类似的信息。

在数据的处理过程中应当系统地开发利用测量数据，实现信息数据的文件化和数据库系统管理。

二、水深测量数据质量分析

水深测量数据的质量分析就是对所有测深点的定位和测深数据进行置信度为95%的误差估计。虽然误差估计应对每个独立的测深点单独进行，但也可以通过一部分数据甚至整个测区数据进行估计，其差别甚小，可以忽略不计。

对于定位数据，应用地面定位系统可以通过多余观测，进行卫星系统可以通过整体监控进行误差估计。对于测深数据，可以通过分析多余水深，如检查线，进行误差估计。

众所周知，每一种传感器（如定位、测深、起伏、横摇、纵摇、航向、海底特性、海水参数、潮汐改正和数据处理模型等）具有特定的误差模型。每一个测量系统应当独立地进行分析以确定合适的空间数据统计特性。上述分析过程应当同样记录在测量数据中。

12.3 海道测量数据库与成果管理

数据库（Database）是统一存储和集中管理数据的基地。地理信息空间数据库是作为一种应用技术而诞生和发展起来的，其目的是为了使用户能够方便灵活地查询出所需的地理

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空间数据，同时能够进行有关地理空间数据的插入、删除、更新等操作。

数据库系统是运用计算机技术管理数据的系统。计算机数据管理经历了文件管理方式和数据库管理系统两个阶段。

下面以海军海洋测绘研究所研制的“海洋测量成果管理系统”为例，介绍海道测量成果管理系统的组成和主要功能。

“海洋测量成果管理系统”软件是由海军海洋测绘研究所牵头研制的“海洋测量信息处理工程”系统软件的子系统。系统利用先进的计算机客户/服务器技术和先进的软件编程方法，实现了海洋测量成果图数据（成果图的概括信息，并非详细信息）、控制点数据和验潮站数据（计算数据）的统一的管理与使用，实现了数据录入、报表输出、数据查询、统计分析等几大功能，并使各部分有机地结合在一起，极大的方便了管理人员对测量数据的管理和查询。数据库采用Sybase Adaptive SQL Anywhere 6.0，管理系统软件开发平台采用Sybase Powerbuilder 7.0和 Visual Basic 6.0开发软件，软件界面友好，操作方便，使管理人员易于上手使用。由于采用Sybase Adaptive SQL Anywhere 6.0数据库管理系统，所以本软件是基于有限支持的客户/服务器数据管理软件，不适用于多用户同时工作的客户/服务器模式。

“海洋测量成果管理系统”软件分为五个模块，分别为数据录入、数据查询、统计分析、报表输出和系统设置五部分。 一、 数据录入

数据录入分为验潮站、成果图、控制点和测量单位录入四部分。 （一）验潮站数据录入

验潮站数据录入包括验潮站基本信息录入和水准点录入两部分。

验潮站基本信息包括站名、海区、地理坐标、验潮站类别、潮汐性质、观测时段、观测手段、各种基准面关系和各分潮调和常数等。验潮站基本信息录入界面如图12—1所示。

水准点包括编号、名称、地理坐标、高程和备注等信息。 （二）成果图数据录入

成果图数据录入包括成果图录入，测区录入，测区折点坐标录入，原始水深数据录入，改正后水深数据录入，成果文件数据录入六部分。成果图录入界面如图12—2所示。

（三）控制点数据录入：控制点数据录入包括控制点录入、相关点录入两部分。 （四）测量单位数据录入：测量单位数据录入为测量单位的基本信息数据录入。

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图12—1 验潮站基本信息录入 图12—2 成果图录入

二、数据查询

数据查询包括验潮站查询、水准点查询、控制点查询、成果图查询、测区折点坐标查询和测量单位信息浏览。 三、统计分析

统计分析包括验潮站分类统计、控制点分类统计、成果图分类统计、测量单位任务完成情况统计。 四、报表输出

验潮站报表、成果图报表、测区折点坐标报表、控制点报表、点之记报表、 五、系统设置

系统设置包括改变数据库连接、断开数据库连接、重新进行数据库连接、修改登录口令和登录权限、数据库备份、恢复备份的数据库 六、数据库结构设计

数据库的总体结构是围绕验潮站、控制点、成果图三个概念进行设计的，每个概念又细化分成若干个具体的概念，每个具体的概念形成了数据库中的一个数据表。系统流程图

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如图12—3所示。

控制点数据 成果图数据 验潮站数据 控制点略图 验潮站略图 文件录入 单位信息 原始水深数据 改正水深数据 测量成果数据 水准点数据 测区数据 测区折点坐标 文件录入 验潮站查询 水准点查询 控制点查询 成果图查询 单位查询 测区折点坐标查询 验潮站报表 控制点报表 点之记报表 成果图报表 单位报表 测区折点坐标报表 验潮站统计 成果图统计 测量单位完成情况统计 控制点统计 系统配置信息 自动完成 用户维护数据 数据修改记录 预定义错误信息 数据备份信息 图12—3 系统流程图

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12.4 海道测量产品

12.4.1 航海图书资料

一、航海图书目录

我国由海军航海保证部出版的《航海图书目录》，其内容包括中国海区（普通航海图）、国外海区（普通航海图）、专业用图和航海书，表（簿）四个部分。

每部分编排结构按惯例由海图顺号目录、海区分区编号说明、总索引图到分目录索引图组成。航海人员可以利用《航海图书目录》查找所需的海图及其他书、表等航行参考资料。

利用《航海图书目录》查找海图的方法比较简单，一是可根据航行海区和海图比例尺由“海区海图编号分区示意图”至“索引图”的顺序，查到所需海区某一比例尺的海图图号，二是可根据已知的海图图号按“海图顺号目录，查得该号海图的图名及比例尺。此外，在相应部分可分别查得所需专业用图和各种航海书、表（簿）等。

《航海图书目录》的改正，应及时根据我国海军航海保证部定期发布的《航海通告》来进行。 二、海图

作为一种类型的海图产品，最典型的仍然是纸质海图。与数字海图相比，纸质海图有其固有的不足，即受静态的和平面的局限。但是，它更适合人的视觉读图效果，携带与使用非常方便，所以，目前尚没有看到有被取代的可能性．相反，由于数字式的海图制图和电子出版系统其有很多常规海图生产中难以实现的图形、图像和色彩的处理能力，便于设计制作各类具有更好的视觉效果、更加新颖和实用的纸质海图新品种，所以，可以预料今后专题海图、彩色影像图及其它独具特色的纸质海图和海图集的设计与出版将会更加丰富多彩。 三、航路指南

我国出版的《中国航路指南》共分为三卷（另出版邻近国家《航路指南》十余卷）。这种资料是航用海图资料的重要补充，并载有航法等实际航行经验，资料详细，文字简洁，可作为拟定航线、沿岸及狭水道航行的重要参考。

《中国航路指南》所涉及的范围，按我国海区由北至南划分如下： 第一卷：自鸭绿江口至连云港；

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第二卷：自连云港至诏安湾；

第三卷：自诏安湾至北仑河口（包括南海诸岛）。

每卷《航路指南》的首页都附有前言和说明，其内容含本卷编写单位，资料来源以及有关所叙述到的方位、长度、深度、高度、风浪方向、航道左右侧划分等规定。侮卷正式内容分为若干章，第一章为总述，主安介绍本卷所包括海区的水文气象概况。从第二章开始顺岸分段说明航海资料，其内容有港湾（或列岛）的概况，水文气象、助航标志、潮汐潮流、水道、航法、锚地及对景图等。可根据目录按地区查阅有关资料内容。 四、其它图书资料

（一）航标表

我国出版的《中国沿海航标表》按海区分为黄渤海、东海西部、南海北部三卷（另出版《太平洋海区航标表》）。每卷《航标表》由航标表、测速场与罗经场表、无线电指向标表三部分组成，在这三部分之前列有：说明、航标灯质图解、《中国海区水上助航标志》国家标准简图及各分区航标索引图；卷尾还列有改正记录表。每卷三部分各包含下述内容。

第一部分—航标表：以编号、名称、位置、灯质、灯高、射程、构造、附记等八栏列出各航标的详细资料。

第二部分一测速场与罗经场表：以名称、位置、构造、附记等四栏列出各场详细资料，并在其前页附有布标示意图。

第三部分—无线电指向标表：在各标名称下列出位置、射程、周率、音周、工作种类、信号发射、工作时间、标组等内容，并在表首页附有该卷海区各标分布示意图。

《航标表》作为海图资料的补充，有助于航海人员更详细地了解有关航标、测速场及罗经场、无线电指向标的情况及分析其可靠程度，以便在航海工作中准确使用。

（二）里程表

我国出版的里程表有：《中国沿海航海里程表》和《世界主要港口里程表》。 以上两表分别记载了我国沿海港口及世界主要港口之间，或港口、岛屿、海峡、海角之间的航行里程，单位为海里。该里程是舰船常用的既经济又安全的航线里程，可供航海人员概略了解由某一地点到另一地点的航行里程和估算航行时间，并作为拟定与审查航海计划的参考数据。

（三）潮汐表

我国出版的年度《潮汐表》共四卷，包括我国沿海及邻近国外港口的潮汐及其他有关资料，具体情况在每卷卷首“说明”中介绍。各卷范围如下：

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第一卷 丹东至上海、佐世保； 第二卷 上海至东山、那坝； 第三卷 东山至永暑礁、新加坡； 第四卷 太平洋北西部。

同时，还出版了中国沿海《潮汐表》附表，可用来推算沿海各附港的潮汐，该表可长期使用。此外，另出版《永久性潮汐表》三册，各册范围分别为中、朝、越；日本沿岸；泰、马、新、菲。

（四）其它图表资料

除上述常用的航海图书资料外，下列资料也具有相当参考价值。

1．《港湾锚地图集》及有关参考资料：黄、渤海地区一册，东海、南海各二册。内容包括各港湾锚地的大比例尺附图，和有关码头、锚地、水文气象、助航标志、危险物、航行方法、规则和修理补给等详细资料。

2．《航保参考资料》：按渤海海峡、浙东海区、长江口至沙埕、福建沿海、台湾海峡、南海诸岛及某些国外海域（如菲律宾、马里亚纳群岛）等分为若干册。

3．《雷达导航图集》和《对景图》：含各海区海岸、岛屿和其他主要陆标的雷达显影图片、实景图片和笔绘的对景图。

此外，还有《指定航路》、《推荐航法》、各港口的《港口资料》、内河《航行图集》等等。 五、航海通告

我国现由海军航海保证部出版和发行《航海通告》，对外轮，则由中国航海图书出版社出版和发行，有中文版和英文版两种。《航海通告》每周出版一期，内容包括国际划分的NAVAREA Ⅺ区范围。我海军各舰队航海保证处和各大港口的安全监督部门也不定期地出版《航海通告》和《航行通告》。凡属“军密”航海通告，一般仅发给军用舰船。

1．我国《航海通告》的内容

(a) 索引分为“地区索引”和“关系海图索引”两部分。主要指明本期《航海通告》的内容所涉及到的国内外有关海区及需要改正的有关图书。

(b) 航海通告主要刊载了与航行安全有关的海区资料变化情况及新的航海图书资料出版的消息等内容。编排的顺序是先国内海区、后国外海区，国内又以渤海、黄海、东海、南海为序排列。该部分一般先刊印永久性通告，后刊印临时性通告和预告。

(c) 无线电航海警告内容分为两部分：前一部分是重申以前发布而至今仍然有效的航海警告的年份可号码，后一部分则刊载当前一段时期内国内外海区新的航海警告内容。

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(d) 《航标表》改正按照我国《航标表》的卷名、编号顺序编排，每个编号按八栏单面印出，便于贴改。

(e) 《航路指南》及《港口资料》改正刊印对我国《航路指南》及有关《港口资料》的改正内容。

(f) 其他资料凡是与航行有关而又不能包括在上述（b），（c），（d）各项中的内容，作为“其他资料”一栏专门列出，但并不是每期《航海通告》中都有这一栏的内容。

2．使用我国《航海通告》的注意事项

（a）《航海通告》中有的“项”所叙述的内容后面用括号加注（临时）、（预告）或（参考）等字样，表示该内容为临时性、预告性或参考性的，改正海图及航海书刊时，只须用铅笔标注，凡后面未加注上述字样者，为永久性内容，应用红墨水笔对书图进行改正。

(2）《航海通告》中给出的位置是以最大比例尺的最新版海图为准，用经纬度或方位、距离表示。如在位置数据后面用括号加注（概位）或（疑存）等字样，表示为概略位置或怀疑存在（危险物）。当用某物标作为方位、距离的起始点时，为便于寻找，有时在其后亦注明经纬度，但均为概位。

(3）《航海通告》中，在海图的编号后括号内的数字，为该海图上的一次小改正通告年份及“项”数。例如“海图12352[95-386]”即表示小改正截止到95年的《航海通告》第386项的改正内容。

12.4.2 电子海图

一、电子海图与电子海图系统

电子海图（Electronic Nautical Chart—ENC）是以数字形式表示的，描写海域地理信息和航海信息并由借助于计算机进行数据传输、转换和显示的屏幕海图。ENC是建立在计算机软、硬件基础之上的一种新型海图。

电子海图系统（ECS）是由计算机控制，能将海图信息、计划航线、实时船位和雷达影像等有选择地显示在屏幕上，并能自动记录航海日志的系统。电子海图以船载计算机为处理中心，以高分辨率彩色图像显示器、打印机、磁记录仪为终端，配有海图信息数据库，并有专门的接口与电子导航定位设备、雷达等相接。海图信息主要包括海岸线、水深、等深线、航标、显示目标及航行障碍物等，存储在数据库中。实时船位和雷达影像由电子导航定位设备和雷达提供，航海日志通过打印机和盒式磁带予以记录。

电子海图系统的雏形是1967年比利时推出的定位仪与海图标绘相结合的MANAV。日本约在70年代中期就有几个厂家生产ECS。初期形成的ECS是为渔船开发的船位显示装置，一般为黑白显示，而且只能显示航迹。随着图像处理技术、信息处理技术和导航设备的发

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展，ECS的功能日益完善，显示的色彩也越来越丰富多彩，因而除渔船外，还装备一些特殊的船舶和商船。1979年加拿大的OSL (Offshore System United)公司推出第一代商用产品PINS (Precise Navigation System)高精度导航系统，装在辅助船上。80年代初开始，国际海道测量组织（IHO）和国际海事组织（IMO）联合组织电子海图显示和信息系统（ECDIS）数据格式标准化的研究，才使得电子海图系统技术蓬勃发展起来。 二、电子海图显示和信息系统（ECDIS）

（一）概述

电子海图显示和信息系统（Electronic Chart Display and Information System—ECDIS）是集多学科、高技术于一体的综合系统，包括导航、雷达避碰、海洋测绘、计算机应用、图形图象处理、数据库管理、人工智能和无线电通信等多种技术。它是海图制图伴随各种高新技术发展的结果。

ECDIS的最早称谓见于1984年10月IHO北海分委员会第15次会议，此后官方组织与大的商用公司开展了一系列研究试验工作，使ECDIS研究步入正轨，健康发展，出现许多优秀产品。

（二）ECDIS的组成和功能

ECDIS主要由电子海图（ENC）数据库、ENC的显示装置和辅助传感器三部分组成。其

报警 电子海图 航海通告 显示设备 其它信息 无线电、卫星通信 传感器 ENC数据库 计算机 （GPS、罗经、雷达 改正数据 及记录仪 ARPA、气象仪、 计程仪、测深仪等） 图12—4 ECDIS的组成 具体组成如图12—4所示。

ECDIS的主要功能有电子海图的显示、各种传感器信息的叠加处理和各种海图作业等，具体包括：

1. 海图综合信息显示：海图、实时船位（航迹）、雷达目标、导航数据和最佳避碰方

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案等，显示方式有多层、多窗口和多比例尺等；

2. 信息叠加显示：对雷达、定位、罗经、计程仪、测深仪等传感器的信息在海图上进行叠加显示；

3. 海图作业：制订计划航线、海图量算、导航计算，并能对图上要素定时进行检查以防触礁或搁浅；

4. 导航控制：检查当前位置与计划航线的偏差，给出修正方案，保持计划航线； 5. 记录与回放：所有导航信息和船只操纵数据等信息进行12小时以上的航行记录，如有问题，如发生事故，可进行信息回放，提供有关人员分析。

6. 警告：当船只航行期间偏离计划航线、驶入危险海域、发现危险目标以及系统发生故障时，可以以语言、图形和文字等形式报警。

7. 海图改正：根据航海通告或无线电联网数据，更新电子海图数据，而不破坏原始数据。

（三）ECDIS数据格式的标准化

电子海图的发展趋势是代替纸质海图。按国际海事组织(IMO)要求，ECDIS应是纸质海图的等同物。纸质海图是具有法律性质的文件，ECDIS作为纸质海图的替代物，同样也必须具有法律效力。由于电子显示画面可以拉近放大或推远缩小，使得显示的海图的比例尺会与原先编制海图所采取的比例尺不同，过大会产生虚假的安全感，过小会丢失海图上的一些细目，从而带来影响。所以基于一种航行安全的考虑，必须使用标准化的电子海图。这就是ECDIS的标准化问题。很显然电子海图系统性能标准的研究工作属于国际性的。这项工作主要是由IMO和IHO联手合作进行。

ECDIS的标准化工作是由IMO与IHO分工合作进行的。IMO主要制定ECDIS本身的总体性能指标。IHO则是考虑ECDIS所使用的海图方面的技术要求和性能标准，主要涉及海图内容及其显示和数字数据的传输。

1. IMO制定的ECDIS标准

从确保ECDIS使用时的安全角度考虑，IMO从1985年开始对ECDIS标准进行研究。为便于与IHO合作协调，1987年1月的第33次导航会上设立了IMO/IHO ECDIS协调组。IMO初步编写的有关标准经协调组审定，于1989年1月第35次导航会议上正式提出ECDIS暂行标准，获得通过。四年之后的1993年4月，在第14次协调组会议上，形成了一个草案形式的标准方案，即ECDIS标准（草案）。同年9月，IMO导航安全分委员会通过该草案，1994年5月又得到海上安全委员会第63次会议批准认可，提交国际海事大会（1995年11月）正式批准通过。IMO制定的ECDIS标准主要内容有：

（a）ECDIS是符合1974年国际海上人命安全公约（SOLAS）第V章第20条所要求的最

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新海图的等同物。这实际上给予了ECDIS可以代替纸质海图的合法依据。

（b）ECDIS所使用的海图信息应当来源于政府指定的海道测量部门，并符合最新版本IHO标准要求的电子海图。

（c）ECDIS可以通过显示系统中电子海图的信息以及导航传感器的船位信息，帮助航海人员进行航行计划的制定和航行监视，如果需要，还可显示与导航有关的其它信息。显示的信息包括底图显示、标准显示和所有其它信息显示三类。底图显示是指任何时候、任何地区和任何环境都必须在显示器上显示的信息。标准显示是最初打开电子海图时显示的内容，可以为制订航行计划和实时导航监控提供支持。其它信息显示是航海人员为使画面简洁等需要所作的选定。

（d）雷达信息可以加到ECDIS上及相应的技术要求。这实际上意味着ECDIS与雷达/ARPA的组合性能．当ECDIS与雷达/ARPA综合成一个单一显示器，它们提供一个双重功能系统，既可用于航行，又可用于避碰。

2. IHO制定的ECDIS标准

IHO也十分重视标准化工作，它设有两个专门的委员会负责建立采用新技术方面的国际标准。其中一个是电子海图委员会（COE）；另一个是数字资料交换委员会（CEDD）。COE负责制定海图内容和图像显示的标准，于1988年4月发布《ECDIS海图内容与显示标准》（IHO第52号特别出版物，简称S-52）。CEDD负责制定数字海道数据的传送标准，于1991年发布《数字海道数据的传送标准》（IHO第57号特殊出版物，简称S-57）第一版。

（a）S-52的主要内容

S-52的主要内容包括ECDIS的概念、术语定义、IHO的责任、电子海图制作方法概要、ENC内容与显示的细目详情、ENC数据的构造与颜色、标记、媒体、修正的打印及方法、有关航道部门提供的ENC最低性能要求、ECDIS最低限度的硬件组成等等。S-52还包括《关于电子海图的更新方法／程序》、《颜色和符号的暂行标准》和《有关术语汇编》三个附录。

（b）S-57的主要内容

在S-57第一版中，明确规定了ECDIS数据的理论模型、物标类目和DX-90数据交换格式，通常表述为S-57/DX90矢量海图。1993年11月发布了S-57的第二版，目前已经发布S-57的第三版。由于S-57第三版规定的数据格式与DX-90不同，目前通常表述为S-57（第三版）矢量海图。凡是不符合S-52和S-57标准的电子海图，即使是政府指定的海道测量部门生产的海图，也不能用于ECDIS。 三、电子海图系统的发展现状

电子海图研制较早的国家有加拿大、美国和日本。以后是欧洲北海海道测量委员会成

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员国。加拿大和美国在航行于北美洲北极海域和五大湖上的一些破冰船、工作船上都普遍装备了电子海图。加拿大OSL公司的PINS型电子海图已经生产了第二代产品。一些国家和地区组织对ECDIS的更新、数据库的格式等实施了一些具有影响和有意义的试验项目。诸如，加拿大1984年推出了为电子海图的演示和各种试验服务的电子海图试验机（Tested）。在国际海事组织（IMO）电子海图委员会领导下，由北海海道测量委员会成员国于1987～1988年间实施了“北海计划(North Sea Project)”，对不同国家的6个电子海图系统进行了演示和评价，其结果以被用于制订ECDIS的国际标准。1990年实施的被称为“海上传输计划（Seatrans project）”，主要是对电子海图数据更新和传输进行试验，并分析和评价其工作效率和操作的安全性。

在ECDIS领域，加拿大、美国、日本等国比较领先，北欧的区域性合作开展得最好。 加拿大在70年代末推出了第一代商用电子海图，目前已将综合导航、水下测量、回声测深、浮标定位等与ECDIS一起组成组合系统。世界上装船最多的是加拿大的ECDIS产品。加拿大和美国对电子海图系统已有一定程度的普及，他们的成果为世界所瞩目。加拿大的代表产品有OSL的PINS，ECPLNS等。

美国在90年代初研制和开发ECDIS，并由美国国防部制图局建立了矢量海图数据库，计划1997年底，该数据库可以提供能覆盖全球的约4000幅海图。但由于该数据库原先是为军事目的设计的，目前正在考虑按IHO的标准转化到商业性应用上来。美国电子海图系统的主要产品有：美国航海科学协会的VIEWNAV系统；美国海岸警备队的指挥显示和控制系统；美国海军的水翼艇防碰与跟踪系统；美国几家大公司也在致力于电子海图系统的开发。美国沿岸测量处(OCS)对其1000幅海图都生产了栅格版，以CD-ROM的形式提供收费的栅格海图，并以电子邮件的形式进行海图更新。美国国家影像与制图局(NIMA)于2000年中期用DIGESTC—矢量生产格式完成了其约5000幅海图的图集。该图集可以满足美国海军全球范围内基本导航需要。

目前，美国、加拿大等国正致力于开发集导航、避碰、操舵于一体的高清晰度ECDIS。雷达今后的发展趋势是与ECDIS相连结的。GPS将内置于ECDIS中。

日本水路部自1992年开始开发ECDIS以来，1995年3月发行了严格按S-57标准编制和生产的第一幅电子海图。并且于1995年秋和1996年春出版了两套电子海图。另外，日本从1993年12月开始致力于沿海ERCS的研制，计划到1997年底出齐覆盖海上全部交通要道海区的ERCS。这种图的生产过程比ECDIS简单，软硬件及操作系统比较简单，价格便宜，性能指标要求严格。

英国船商公司推出最新产品Navi-Sailor2500，显示了其在船舶驾驶自动化方面的领先地位。Navi-Sailor2500可以兼容S-57第三版矢量电子海图以及英版ARCS、美国航道署NDI/BSB和澳大利亚生产的栅格海图。

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在ECDIS研制中，澳大利亚虽比日本和欧、美各国要晚，但有后来居上之势，如澳大利亚海洋测绘科学公司的CS 2000导航仪就符合S-57标准的先进的电子海图系统。

中国1988年由海军海洋测绘研究所研制的HDT-101ENC系统（栅格海图）是我国第一代电子海图系统，1990年分装在北海和南海3000吨级以上的辅助船上。随后，国内许多厂所院校，相继推出基于矢量图的应用系统，如大连舰艇学院研制的航海支持系统就是集航海功能与ECDIS为一体的综合系统。哈尔滨船舶工程学院、上海海运学院、大连海事大学等，也相继开展了电子海图应用系统的研制工作。但由于计算机的不断更新换代，图形加速卡功能的不断增强，软件水平的日益提高，因而各家研制的产品规格各异，格式也不统一。从整体上看，我国的ECDIS还没有形成系统化和商品化，但技术水平与发达国家相比没有明显差距。

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在ECDIS研制中，澳大利亚虽比日本和欧、美各国要晚，但有后来居上之势，如澳大利亚海洋测绘科学公司的CS 2000导航仪就符合S-57标准的先进的电子海图系统。

中国1988年由海军海洋测绘研究所研制的HDT-101ENC系统（栅格海图）是我国第一代电子海图系统，1990年分装在北海和南海3000吨级以上的辅助船上。随后，国内许多厂所院校，相继推出基于矢量图的应用系统，如大连舰艇学院研制的航海支持系统就是集航海功能与ECDIS为一体的综合系统。哈尔滨船舶工程学院、上海海运学院、大连海事大学等，也相继开展了电子海图应用系统的研制工作。但由于计算机的不断更新换代，图形加速卡功能的不断增强，软件水平的日益提高，因而各家研制的产品规格各异，格式也不统一。从整体上看，我国的ECDIS还没有形成系统化和商品化，但技术水平与发达国家相比没有明显差距。

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