通用海道测量数据模型（S-100）简介（一）

超级爸爸 · 发表于海洋技术发展 2022-12-18 00:56:17

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一方面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，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。

S-100官方宣传视频

S-100从开发制定至今已有12年，历经五次更新与完善，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过渡期。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，按计划2019年更新至4.0.0版，并在之后每3年更新一次，2022年12月计划更新至5.0.0版。

本文将S-100划分为五个阶段，对S-100的发展情况进行简要介绍：

S-100发展的六个阶段

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，地理信息系统（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。因而，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至2008年，Alexander、Ward（时任国际海道测量局IHB主席）、Mariano等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，明确了如下几个基本问题：

S-100的概念和由来S-100的目标和目的S-100的优势S-100与19100标准的关系S-100框架和构成

上述研究指出：由于S-57存在的缺陷，造成该标准仅用于电子海图编绘生产，极大偏离了S-57的设计初衷——数据交换。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施（MSDI）等。S-100各个部分均参考19100标准制定，是19100标准在海上地理信息系范畴扩展的专用标准（profile）。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、编码以及产品规范构成，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。谢志茹等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；陈长林等、王昭等从整体上介绍了S-100体系架构和若干重要概念；周晖等探讨了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；张岳用实例说明S-100复合坐标参考系统的应用方式；刘青春、窦红霞运用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；陈长林等分析了S-100的空间模式，对比了与S-57空间几何的差别；彭文等介绍了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。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）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、数据编码格式以及元数据信息等。在下表中，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工作组主席Powell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，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。王昭介绍了当时S-101的进展情况；徐进等、刘灿由等分析研究了S-101产品规范的构成，剖析了S-101电子海图的新特性；陈长林等详尽地对比了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；刘灿由等根据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，主要目的是为了用于支持海上的安全航行。S-102水深表面产品规范在2012年发布1.0.0版本，当前版本为2.0.0，两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。Kuwalek等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；张岳等、徐进等介绍了S-102的总体结构、数据组织、数据保护与维护以及编码方面的内容。

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，如下表所示。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。

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 测试开发与测试应用阶段

S-100的设计初衷决定了它是一种以应用为目的数据模型，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：

S-100关键技术实现S-100在e-Navigation中的应用

该阶段S-100的主要成熟度情况如下：

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；S-101产品规范1.0正式发布，内容相对稳定，可支持S-101电子海图的测试开发；S-100互操作产品规范（S-98）初步完成，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；S-102 2.0.0版本以及其他S-100数据产品规范陆续完成1.0.0版，为2020年S-100 ECDIS的官方测试和全面应用提供支撑等。

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。Park等根据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；Oh等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；胡维鑫通过分析S-57电子海图编码结构、空间几何和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；Park等设计和实现了基于S-101的可视化模块；Oh等提出了一种基于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；周颖重点研究了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；Oh等基于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的转换软件以及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；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，如图2所示。

图2 S-101与S-102叠加测试

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”。e-Navigation由七大支柱构成，分别是架构、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）以及海事服务集（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。Weintrit在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；Rodseth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。Min等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；Alexander等介绍了S-57海洋信息叠加层（MIO）的历史，认为MIO与S-100数据产品与服务的概念一致，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；Park等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，崔洪生等介绍了e-Navigation的概念以及与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；元建胜等通过分析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以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；李晓梦将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；宋志明分析了利用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；朱绍凡利用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。

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：

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；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。

下一篇将针对S-57与S-100双燃料过渡阶段以及2027年S-100的主要任务进行简要介绍。

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