S-102水深表面產品規范分析*

徐 進 李 穎 陳 澎 劉丙新 崔 璨 周 穎

S-102水深表面產品規范分析*

徐 進 李 穎 陳 澎 劉丙新 崔 璨 周 穎

從S-102標準規定的數據結構、數據組織、數據維護等方面入手，基于S-100標準的結構體系，介紹水深數據網格數據內容，基于航海安全用途的跟蹤列表機制、航海表面規范的數字認證模塊和可擴展的模板應用模式，深入分析離散四邊形網格和離散點集的兩種覆蓋類型、索引關系、必須明確的切片方案等內容，并對S-102標準四種重要類型的元數據、基于“層次數據格式”第五版（HDF5）的數據編碼方式以及水深覆蓋和網格覆蓋的重要實現類等方面進行進一步研究，為S-102標準的應用提供一定的理論基礎。

S-102標準；S-100標準；電子海圖；海事測量數據

OI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.12.006

一、引言

2010年1月，國際海道測量組織（International

ydrographic Organization，縮寫IHO）公開表示《S-7數字海道測量數據傳輸標準》已不再適合目前海道測量數據應用的現實需求，同時發布了《S-100通用海道測量數據模型》。[1-2]S-100標準的建立是基于地理信息系統標準，采用面向對象的組織方式，[3]對數據進行表達、存儲與應用。但是S-100標準中的內容主要是標準體系和部分案例說明，尚未涉及具體的產品。[4-6]2012年4月，IHO公開發布了《S-102水深表面產品規范》的正式版本。

二、S-102標準概述

S-100標準區別于《S-57數字海道測量數據傳輸標準》，而采用全新模式制定的《通用海道測量數據模型》。S-100標準內容共分12個部分，分別為：概念模式語言、IHO地理空間信息注冊表體系結構、通用要素模型與開發應用模式、元數據、要素目錄、坐標參考系統、要素編輯空間模式、影像與格網數據、要素圖形表征方式、編碼格式、海道測量數據產品規范及其要素完整描述、更新與出版相關產品的程序。

S-102標準是基于S-100標準體系和ISO TC211標準建立的具體到水深數據層面的產品技術規范，屬于S-100標準體系結構中的一個子集。[7]S-102標準中的產品模式與S-100標準中的第8部分內容影像與格網數據保持一致。[8-9]S-102標準指出，水深表面產品的首要目的是支持安全航行，第二目的則是作為一個獨立的水深信息數據，用于其他用途。S-102標準中定義了用于共享水深覆蓋區域數據的內容模式和交換文件格式，其水深表面數據可以獨立應用，同時也可以作為ENC數據的一層或與其他S-100標準的數據結合使用。

S-102標準中的水深表面數據產品提及了“航海表面（Navigation Surface，簡稱NS）”概念?！昂胶１砻妗笔侵缚梢员Ｕ虾胶：叫邪踩暮Ｑ蟊砻?，包括水深實測值和不確定水深估計值，以這兩種水深值替換，由航道測量師憑借經驗判斷得到的水深值，從而最大限度地保障航海安全。[10]這就意味著，除了水深實測值和不確定水深估計值以外，它還包括由“航道測量特權”的測量師重寫的水深值。從本質上講，在航道測量的重要領域，這是一個能夠直接區分水深值是否由人為估計的有效手段。此外，在S-102標準中，由航道測量師估計的水深值依然會被保留在跟蹤列表中，可以根據需要隨時調出。

三、S-102標準數據結構的特征

S-102標準中的水深表面數據產品由水深屬性網格數據（Bathymetric Attributed Grid，BAG）和數字認證模塊（Digital Certification Block，DCB）組成，如圖1所示。

圖1 S-102標準中水深表面產品數據結構

從時空域的角度考慮，水深表面數據產品的空間域是世界范圍的，但是其時間域卻是無限的。水深表面數據產品的生產商（例如國家航道測量局）可以自定義開始和結束使用某個產品的時間。

1.水深屬性網格

S-57標準中，水深數據屬于電子海圖航海物標數據中的一種，未被單獨列出，且均采用矢量數據方式進行管理。而S-100標準支持的數據模式包含幾何空間模式和覆蓋空間模式，[11]S-102標準中的水深表面數據被單獨列為一個子產品，屬于覆蓋空間模式，采用柵格數據方式進行管理。水深表面產品的數據類型是一個帶有元數據的四邊形網格狀覆蓋區域柵格數據，用以表示海域、湖泊、河流或其他通航水道的水深模型，即水深屬性網格。[12]一個獨立的水深屬性網格覆蓋對象雖然只能表示地球表面單分辨率的一個連續區域，但卻能表示數據從原始網格到最終產品的整個環節。需要注意的是，水深屬性網格數據集之間可以形成無縫連接的連續覆蓋。

水深屬性網格數據包括版本標簽（Version Tag）、元數據（Metadata）、可估測水深覆蓋（Estimated Elevation Coverage）、不確定水深覆蓋（Uncertainty Coverage）、選擇性覆蓋（Optional Coverage）和跟蹤列表（Tracking List）等信息。其中，跟蹤列表是提供重寫水深值的離散覆蓋。它包含水深表面產品任意一個結點的水深值和不確定水深值的簡單列表，可以根據跟蹤列表數據集和元數據中存儲的相關信息，查找人工干預變化的相關記錄。為了保障安全航行，跟蹤列表中特定的水深值，可以用于估計和校正水深值數據。

2.數字認證模塊

“航海表面”規定中特別指出，只有經過認證的最終水深屬性網格產品才能用于航海用途。為了提供水深網格產品的認證機制，S-100標準突破了S-57標準中的尚無認證措施的現狀，在S-102中標準引入了數字認證模塊。如果水深表面數據產品的目的是用于航海用途，則該產品必須包含數字認證模塊，[13]這樣用戶就可以追查到應用的數據是否已被注冊認證。

在傳統的航道測量數據處理流程中，對于航海用途的所有測量數據，都有一個嚴格的監管鏈機制。在監管鏈中的每一個階段，都有一個責任權威機構檢查數據和應用數據的程序，并授權數據適用于預期的用途。[14]這種機制能夠更好地使數據用于最終繪制，保證測量數據能與其他數據進行融合編譯，或者用于輔助安全導航設備的研制。通常來講，這種機制都會以在測量數據報告或者公文中進行物理簽名或蓋章作為認證方式。然而，對于一個全數字化的產品，為數據對象進行物理簽名或者蓋章是不可能的。此外，對于水深表面產品這樣密集的電子數據，在數據傳輸過程中，因為某個單體數據發生錯誤導致航行重大變化的不可測性會大大增加。因此，S-102標準中全新設計了一種數字簽名方案（Digital Signature Scheme，簡稱DSS），旨在為航道測量師提供一種等效于物理簽名或蓋章的數字化工具，確保對數據的任何修改，無論是正確或者錯誤的行為，都會很容易地被檢測出來。

DSS的基本單位是數字簽名（Digital Signature，S）。DS是由S-102標準數據集的內容（例如編碼數據文件的內容）和密鑰（Secret Key，SK）的原理計算出來的一個多字節數字序列。這種DS屬于個人或者單位簽署的水深表面產品，就被稱為簽名授權（Signature Authority，SA）。SK僅在SA中進行注冊。如果水深表面產品經過了SA，該產品對應的SK原理就會進行保密設置。DS值針對水深內容（Bathymetric Content）和SK來說是唯一的。在這個意義上，用一個特定的SK，沒有兩個BAG會生成相同的DS。同時針對相同的水深內容，沒有兩個K會生成相同的DS。

對應SK，一個公共密鑰（Public Key，PK）可以自由分發。即使使用PK，也沒有辦法計算出DS值。然而，如果給定一個水深內容和一個由SK構建的DS，就很容易驗證水深內容是否經過改編，或者驗證另一個SK是否創建新的認證。

除了支持DSS所需的DS，數字認證模塊包含了一個訪問元數據認證事件的接口。這是為了確保用戶可以提供任何條件認證事件適當靈活的描述，或者提供驗證數據的預期用途?！昂灻麡俗R（Signature ID）”將是一個獨特的順序構造標識符。通過它，一個認證模塊可以明確地關聯到一個元數據認證事件。

3.模板應用模式

區別于S-57標準中，水深數據的定義已經做出了明確規范，在S-102標準中，水深數據的定義采用了模板應用模式（Template Application Schema，TAS），即它沒有在水深表面產品規范中規定所有的變量和屬性，同時支持其他方面的選擇和改變。例如國家海道測量局可以在遵循這個模板的基礎上，根據自己的額外需要，提出符合實際應用的模式，這些額外需求主要包括水深數據網格是否采用切片（Tiling）方案、如何選擇切片拼接方案、自定義數據范圍、分辨率和自定義其他符合自身特殊情況的參數。[15]但是它們都要遵循S-100標準中的規定和結構，并且支持S-102標準中的模板應用模式，這樣就能保證其他部門或機構能夠通過S-102標準的模板應用模式和數據配置文件來實現水深產品數據的應用共享。

4.覆蓋類型

在S-102標準中，覆蓋（Coverage）作為一種要素類型被定義。其覆蓋類型有兩種，如圖2所示。

圖2 覆蓋區域類型結構圖

第1種是一組離散的四邊形網格覆蓋類型，包括S-102水深覆蓋（S102_DepthCoverage）、-102不確定水深覆蓋（S102_UncertaintyCoverage）和S-1 0 2選擇性水深表面覆蓋（S102_OptionalSurfaceCoverage）。這種覆蓋類型的劃分是繼承于S-1 0 0標準中的網格覆蓋（S100_GridCoverage）。在《S-102水深表面產品規范》中，這覆蓋類型的大多數參數都已經被定義和描述。

第2種覆蓋類型是離散點集覆蓋，包括S-102校正覆蓋（S102_CorrectionCoverage）和S-102跟蹤列表覆蓋（S102_TrackingListCoverage）。S-102跟蹤列表覆蓋包括一組已經校正、重新應用的位置相關離散點集。為了確保航海安全，一個航道覆蓋區域必須明確地顯示出已經糾正準確的特定點集水深值。而S-102校正覆蓋區域正好用來提供糾正的背景數據。確定水深的覆蓋函數將運行于覆蓋產生的合并連續數學表面。這種生成合并連續數學表面的方法會替換經過矯正重寫的S-102標準水深值網格矩陣。

值得注意的是，水深表面產品針對的是混合的覆蓋數據。S-102標準中規定水深表面產品至少包含兩種離散網格覆蓋區域，即水深覆蓋區域和不確定水深覆蓋區域，這兩種覆蓋區域在實際應用中是相互依存的。

5.切片方案

與S-57標準中不同，在S-100標準中，水深數據采用柵格格式進行管理，由于其數據量過大，在S-102標準中，明確規定了水深數據管理引入切片技術。水深覆蓋切片是將一個感興趣的區域分解劃分為更小、更容易管理的數據塊或者分區的技術。每一個切片方案都是S-102標準水深數據產品中一個含有水深區域、不確定區域、跟蹤列表、邊緣匹配元數據等完整的水深網格數據。切片方案是一個離散網格覆蓋的技術方案，因此需要完整網格覆蓋的描述。但這并不是意味著切片方案要把數據集所有的信息表述出來，而是要把切片方案中的數據集索引關系表述清楚，使其切片能夠被快速索引或查詢。

S-102標準中，切片方案實現類之間的結構關系如圖3所示。這個結構源于S-100標準。針對切片方案，S-102標準僅是制定了一個框架，目的是為了兼容數據生產商或國家海道測量局之間不同的切片方案。目前S-102標準中的切片方案采用外部定義方式。但是，切片標識符必須包含在S102_Tile類重定義的XML元數據中。值得建議的是，S-102標準應在未來加強內部定義切片方案的能力，增加內部切片序列規范和單個切片方案中的數據集整合等內容規范。

圖3 S-102標準中切片方案實現類之間的結構

6.元數據

S-100標準中的元數據規范，相比S-57標準，不僅僅是單一的繼承關系，更是全面的更新升級，并提供了靈活的擴展空間。S-100標準中的元數據旨在通過元數據信息，獲取關于標識空間和時間范圍、質量、應用模式、空間參考系統，以及分發數字地理數據等信息。元數據同時適合于數據共享交換應用、地理與非地理資源完整描述的目錄編排。

S-102標準水深表面產品中的元數據信息大多數來自于S-100和ISO19115標準。其中，只有強制性的元數據、數據集的識別和譜系說明的元數據來自于ISO 19115元數據標準。S-100標準中，元數據標準提供了用于描述、驗證和交換海道組織生產的地理數據集元數據的規范。[16]選擇性增加的部分元數據來自ISO 19130標準，特別是關于獲取水深數據的聲吶設備方面的元數據。數據識別的最小量（Minimum Level）元數據是所有應用都必須獲取的，包括數據庫應用、Web應用和數據集產品。然而，S-102標準中需要特定的元數據屬性來定位數據集，同時需要譜系屬性來建立定義跟蹤列表的過程和建立數據的譜系關系。

元數據中的元素與其所在的元數據模式有關。元數據模式包括產品定義和產品擴展內容。這兩種模式都存在強制性和條件性元數據元素。只有一些元數據元素是強制性的，同時一些選擇性元數據元素中包含了一些條件性強制元數據。它們只有在某些說明，某些屬性或者要素是在有條件的情況下，才能被應用或建立。

S-102標準中用于表述地理信息數據集的核心元數據（包括強制性和選擇性）元素，由表1所示，其中M表示強制性的元數據元素，C表示條件性的元數據元素，O表示可選擇性的元數據元素。從表1中可以看出，核心元數據中，可選擇性元數據元素種類的數量是最多的。定義可選擇性元數據元素是為了滿足編碼人員完整記錄數據描述的需求。

表1 S-102標準中應用的核心元數據

S-102標準中，具體的元數據類型包含發現元數據（Discovery Metadata）、結構元數據（Structure etadata）、質量元數據（Quality Metadata）和獲取元數據（Acquisition Metadata）。發現元數據應用于數據集（S102_DataSet）水平與圖像和網格數據集（S102_IGCollection）水平。那就意味著，整個數據集都必須有發現元數據。如果是包含幾個切片的整合數據集，不僅是每個切片都有發現元數據，整合數據集本身也要有發現元數據。結構元數據是用來描述一個集合實例的結構，包括一個切片方案的所有相關說明信息。由于約束在不同的獨立文件（例如，來自不同法律來源的文件）中是不同的，或者安全約束是不同的，因此約束信息是結構元數據中的一個重要部分。其他的結構元數據是網格表示和參考系統信息。質量元數據是用來描述一個集合實例的數據質量。獲取元數據在S-102標準中是可選擇的。一個生產商或者國家海道測量局可以在水深表面產品文件中增加獲取元數據信息。獲取元數據的實現類來自ISO19115和ISO19130。SO19130-2的后續文件中包含了聲吶參數的描述。

四、S-102標準數據組織與維護

1.數據探測技術

水深探測技術有很多種，例如聲吶（SONAR）和激光雷達（LIDAR）技術。S-102水深表面產品元數據中可以包括數據獲取方面的信息，但不是必需的。S102_AcquisitionMetadata獲取元數據類雖然在S-102標準中已經被定義，但是國家級版本中，信息元素可以根據各國的需要，填充至元數據類中。

2.數據編碼

S-102水深表面產品規范采用了“層次數據格式”第五版（Hierarchical Data Format Version 5，簡稱HDF5）進行數據編碼。HDF5是一種獨立架構的軟件庫和支持存儲檢索海量復雜數據集的文件格式。HDF5文件組織在一個分層（組群和數據集群）的結構中。一個HDF5組（Group）為水深表面產品的數據內容提供頂層結構。中間件采用HDF5定義的“數據集”類型或者是“屬性”類型。在每個數據集內，進一步進行結構劃分的依據是數據類型和存儲空間參數?！皩傩浴鳖愋椭羞€提供了數據集特定的元數據。

由于S-102標準中數據與編碼是相互獨立的，因此編碼格式并不局限于HDF5，同時可以轉換成GeoTIFF或者XML的編碼格式。

3.重要的實現類

S-102標準中重要的實現類共有15種，它們之間的關系如圖4所示。其中S102_BathymetryCoverage類是水深表面產品數據中最主要的類，由S102_BathymetryValues類、S102_UncertaintyValues類、S102_OptionalSurfaceValues類等三個類聚合而成，擁有最小水深值（minimumElevation）、最大水深值（maximumElevation）、矢量偏移（offsetVectors）等12個屬性值。DirectPosition類存儲了不同坐標參考系統中的不同坐標值。Vector是存儲了表示空間位置的坐標序列，擁有尺度（dimension）和坐標序列（coordinates）兩個屬性。CV_GridEnvelope類提供了網格邊界包絡中兩個極端的網格坐標，包括最小值（low）和最大值（high）兩個屬性。CV_GridCoordinate類是包含CV_GridPoint類網格坐標的數據類型，擁有坐標值（coordValues）一個屬性。CV_SequenceRule類包含要素屬性信息序列中用于制圖的網格坐標值。擁有類型（type）和掃描方向（scanDirection）兩個屬性。S102_TrackingListCoverage類是離散的點覆蓋，用于記錄S102_BathymetryCoverage類中被覆蓋的結點，這種覆蓋允許海道測量人員在航海安全的考慮下，設置一定的水深偏差，擁有設置范圍（domainExtent）屬性。S102_TrackingListValues類是在S102_BathymetryValues類中用于提供修改設定值的離散覆蓋，它擁有跟蹤編碼（trackCode）、列表系列（listSeries）、幾何圖形（geometry）和值（value）4個屬性。S102_SurfaceCorrectionCoverage類是離散的點覆蓋類，為數學或者地形表面提供S102_BathymetryCoverage類中結點的垂直偏移量，擁有設置范圍（domainExtent）和參數（parameter）等屬性。S102_SurfaceCorrectionValues類存儲離散覆蓋的糾正值，用于將水深覆蓋關聯到平均海平面、橢球體或者其他數據。EX_GeographicExtent類和EX_BoundingBox類都是來自ISO19115的元數據類，用于描述其他實現類要素或元素地理空間范圍和邊界，可以選擇性使用。

4.數據維護機制

S-102標準中的數據集維護采用替換覆蓋切片或者基礎數據集的方式。這就意味著，一個水深表面產品，或者含有覆蓋和其相關元數據的切片方案，會被作為一個單元進行替換。這點與同為S-100標準框架下的《S-101電子海圖產品規范》中矢量數據的增量更新模式是截然不同的。然而，在切片方案中，覆蓋數據必須被看作為一個單元，導致整個切片方案甚至是水深數據產品發生變化。如果跟蹤列表被某水深產品使用，則其替換的內容還包括其航行安全信息關聯的跟蹤列表。需要說明的是，每一個替換的切片方案或者數據集都必須有自己的數字簽名。

圖4 實現類關系圖

五、擴展性

水深表面產品規范的整體框架結構具有很強的可擴展性，不僅在內容模型方面，甚至是支持內容模型的編碼方面都可以進行擴展。擴展的內容還包括是否采用可選擇性覆蓋、是否需要文件合格、兼容產品是否有效等方面。水深表面產品中水深范圍信息的其他層面規范尚未在標準中進行說明，預計在S-100標準框架下會在未來的S-10x產品規范中進行完善。

六、結論與展望

S-102標準在S-100通用海道測量數據模型標準的框架體系下，從數據結構、認證機制、應用模式、數據組織、數據維護等方面，對水深表面產品進行了規范設計，為水深數據在海事測繪、船舶通航、海上執法、海事評估等領域的數據應用與共享奠定了理論基礎。本文從水深網格屬性、數字認證模塊、模板應用模式、覆蓋類型、切片方案、元數據等方面為切入點，對比S-57標準，介紹了S-102標準的內容與特征，期望對新一代海事測繪數據的應用共享，具有一定的借鑒意義。

S-102標準中僅在BAG組成和擴展性內容中提到了選擇性水深覆蓋類型，但是未作詳細描述，這樣會給生產商在產品生產中造成一定困惑，期望在版本更新的過程中對“選擇性水深覆蓋”類型作進一步解釋。

[1]WARD R,ALEXANDER L,GREENSLADE B.IHO S-100:The new IHO hydrographic geospatial standard for marine data and information[J].International Hydrographic Review,2009(1):44-55.

[2]劉力,程為平,馮新強,等.新一代ENC數據標準S-101與S-57的對比分析[J].科技資訊,2014(17):34-37.

[3]王昭.新一代電子航海圖標準S-101的研究進展[J].海洋測繪,2013(1):72-75.

[4]ALEXANDER L,BROWN M,GREENSLADE B,etal. Development of IHO S-100 The New IHO Geospatial Standard for Hydrographic Data[J].International Hydrographic Review,2007 (1):56-67.

[5]ALEXANDER L,HUET M.Relationship of Marine Information Overlays (MIOs) to Current/Future IHO Standards [J].International Hydrographic Review,2007(2):80-82.

[6]劉燦由,翟京生,陸毅,等.新一代電子航海圖標準S-101結構分析[J].海洋測繪,2013(1):76-79.

[7]王昭,汪連賀,謝志茹.S-100的體系結構和若干重要概念[J].海洋測繪,2011(2):76-79.

[8]陳愛平,聶乾震,曾暉,等.S-100通用海道測量數據模型[M].天津:天津科學技術出版社,2011:137-173.

[9]王斌,吳禮龍,寧方輝,等.IHO S-100地理信息注冊器的結構與管理[J].海洋測繪,2011(3):70-72.

[10]BASE U C.Bathymetric Data Management for the Future[J]. Hydro international,2008,15:14-16.

[11]MALYANKAR R, HAUGE J J.The IHO S-100 Standard and e-Navigation Information[S].IALA e-Nav10/INF/7,2011.

[12]Open Navigation Surface Working Group. Description of Bathymetric Attributed Grid Object (BAG)[S].2006:3-4.

[13]張岳,張大萍.水深表面產品規范S-102分析[J].海洋測繪, 2014(1):80-82.

[14]張岳,曲萌,王榮林.水深表面產品規范S-102的研究[J].測繪與空間地理信息,2013(11):208-210.

[15]IHO.Bathymetric Surface Product Specification[S].International Hydrographic Bureau,2012:9-15.

[16]周暉,劉仲剛,賈建軍.IHOS-100中概念模式語言的應用[J].海洋測繪,2009(4):57-59.

徐進（1985—），男，大連海事大學航海學院，實驗師，博士

李穎（1968—），女，大連海事大學航海學院，教授，博士

陳澎（1982—），男，大連海事大學航海學院，講師，博士

劉丙新（1984—），男，大連海事大學航海學院，講師，博士

崔璨（1988—），男，大連海事大學航海學院，博士研究生

周穎（1991—），女，大連海事大學航海學院，碩士研究生

中央高校基本科研業務費專項（3132016003）