国际海道测量组织水深表面产品规范研究
邢伟坡++夏启兵
摘要：水深表面产品规范是IHO基于S -100 《通用海道测量数据模型》建立的关于水深表面数据产品的规范。本文研究了IHO S-102《水深表面产品规范》的主要内容和结构、维护与编码，探讨了产品生产技术和未来应用。
关键词：海道测量 水深 表面 规范
0 引言
随着船舶向大型化和高速化发展，船舶安全航行对高精度的、详细的水深数据需求越来越多，尤其在浅水水域。然而传统的纸海图、电子海图由于图幅限制所表示的水深数据有限，并且在系统地融合潮位等时序数据和便于电子海图系统智能调整等深线间距方面存在一定的困难。而水深格网数据恰恰能够弥补纸海图、电子海图的这些缺陷。为了满足船舶安全航行、科学研究等方面对水深格网数据的需求，IHO（国际海道测量组织）在S-100《通用海道测量数据模型》的基础上制定并于2012年4月正式发布了S-102《IHO水深表面产品规范》。
1 内容与结构
S-102 [1]总体上由版本标记、元数据、水深估计覆盖（Estimated Elevation Coverage）、水深不确定性覆盖（Uncertainty Coverage）、跟踪列表、可选覆盖层、数字签名模块七部分组成。
1.1 元数据
S-102中大部分元数据元素来自于S-100、ISO 19115《地理信息-元数据》和ISO 19115-2《地理信息-元数据 第二部分：影像和栅格数据扩展》，非强制性的其他元数据来源于 ISO 19130 和 ISO 19130-2，特别是与声呐设备相关的元数据。
根据应用目的不同，S-102中元数据分为四类：发现元数据、结构元数据、质量元数据和采集元数据。发现元数据用于识别和发现数据。S-102中，发现元数据应用于数据集（Dataset）和数据集合（Data Collection）两个层级，即整个数据集和由多个切片组成的数据集都有相应的发现元数据，并且对于每一个切片文件也有相应的发现元数据。结构元数据用来描述数据集合的结构，包括了网格空间表达、水平与垂直参考系统、法律和安全限制、切片组成等方面的信息。质量元数据描述了数据来源、数据处理等有关数据质量的信息。采集元数据在S-102中是可选的，数据生产机构可自主选择添加数据采集元数据，例如所采用的测量设备信息。
1.2 覆盖
覆盖是水深表面产品的主要组成部分。每一个水深表面产品中应至少包含水深估计覆盖和水深不确定性覆盖，每一种覆盖均是经地理校正的格网。水深估计覆盖和水深不确定性覆盖是地理相关的，采用相同的坐标参考系，它们都包含起始于最西南角、按行存储的二维矩阵。
水深估计覆盖的格网值是一组有序的水深估计值，水深单位是m。与纸海图、电子海图水深表示不同，水深值在垂直基准面以上为正、以下为负，因此水深表面产品中水深值均为负值。水深不确定性覆盖的格网值是一组有序的水深不确定性值，用于表示水深覆盖中水深值精度。水深不确定性值有多种计算方法，分别为原始数据标准差、CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator，水深不确定性和估计组合算法）标准差、NOAA（美国海洋与大气管理局）标准产品不确定性 1.0版（综合了CUBE不确定性算法和其他方法）和历史数据标准差等，这有利于将水深表面产品应用于数据生产的各个不同阶段和不同目的。
除水深估计覆盖和水深不确定性覆盖外，水深表面产品中还可包含若干可选择的覆盖，S-102本身并没有对这些覆盖做出规定，这需要在独立的S-10X标准中对这些覆盖做出具体规定。
1.3 跟踪列表
跟踪列表中包含了海道测量技术人员修改的任何格网节点的原始水深值和水深不确定性值。水深表面产品的原始水深数据和不确定性值是由计算机按照一定的算法自动计算得出，需要海道测量技术人员的审查和修改。跟踪列表提供了追踪海道测量技术人员修改原始数据情况的一种手段。
1.4 数字签名模块
在传统的水深处理中，通常采用直接在归档文件上物理签名的方式来保证数据的质量。但是对于完全数字化的产品，不可能在数据产品上进行物理签名。此外，对于诸如水深表面产品等高密度的数据产品，在传输过程中发生传输错误的概率会明显增加。因此，S-102根据公钥/私钥理论设计了一种数字签名模式，为海道测量技术人员提供了一种与物理签名等效的认证方式，确保了易于发现对数据的任何修改（如操作错误或恶意行为）。
数字签名模块的基本实体是数字签名。数字签名是签名机构根据数字表面产品数据集内容利用密钥计算得到的多字节数字序列。密钥只属于签名机构，签名机构负责密钥文件的保密。通常每一个数字表面产品的数字签名是唯一的，很少会出现两个产品的数字签名相同。与密钥相反，公钥可以自由分发，可以使用公钥确认“水深内容”是否曾经修改过。
除了数字签名，数字签名模块还包含一个32位整型数字，用来指向元数据数据志（描述数据来源、处理等方面信息）部分描述认证原因的实体。其目的是签名机构可以灵活地描述数据认证的原因或认证后数据预期用途。
1.5 切片模式
切片技术是一种将较大区域数据分割成更易于管理的较小数据块儿的技术。S-102采用了切片技术将覆盖数据切割成一系列切片进行组织和管理。产品中每一个切片都是一个完整的水深格网，包括水深估计覆盖、水深不确定性覆盖、可选的跟踪列表和元数据。S-102中定义了三种切片模式：一致的多边形格网、四叉树和其他。
2 数据编码与维护
S-100标准[2]的一个重要思想是“数据内容”和“数据载体”分离。S-102遵循了S-100标准，采用了UML概念模型定义产品内容和采用HDF 5（分层数据格式第5版）进行编码。HDF是美国国家高级计算应用中心为了满足各种领域研究需求而研制的一种能高效存储和分发科学数据的新型数据格式。
与S-101《电子海图产品规范》中矢量数据按增量更新的方式不同，水深表面产品中的全部数据或数据集内的切片及其相关元数据都可以作为一个单元来替换。覆盖数据应至少在切片级别下作为一个单元来更新。此外，每个更新的切片数据或数据集必须有其自己的数字授权。
3 生产技术
S-102标准未对产品生产流程和技术方法做出具体规定。2011年，加拿大海道测量局根据S-102标准草案使用CARIS软件生产了86幅覆盖加拿大魁北克市和蒙特利尔港口间圣劳伦斯河的水深表面产品，提出了一套生产S-102产品的技术流程[3]，见图1。
图 1 S-102产品生产流程
（1）分幅和切片模式设计。主要是设计产品覆盖范围和切片模式。加拿大海道测量局设计了3级分辨率的切片方案，每个切片由1000X1000个格网单元组成。第一级（港口）0.02°X0.02°，第二级（沿岸）0.1°X0.1°，第三级（总图）1°X1°，切片的北方向指向子午线方向。
（2）数据搜集和评价。为了增强ENC单元中已经包含的信息，加拿大海道测量局搜集了各种数据，包括稀疏的水深数据点、高分辨的水深格网数据、ENC导出的高潮线等，所有这些数据都进行了质量评价以用于数据生产。此外，还利用CARIS S-57 Composer和BASE Editor两个软件模块创建了辅助层（例如切片方案、覆盖、分界线等）和将所有数据源切割成切片。
（3）点数据处理。主要内容包括构建TIN模型（不规则三角网）、插值得到初级的水深表面产品。
（4）将其他高分辨率水深表面产品和上一步生成的表面产品合并，并利用BASE Editor软件中基于规则的冲突检测工具处理数据冲突部分。
（5）提取和导出水深表面产品数据。利用CARIS BASE Editor导出HDF5格式水深表面产品。
通常，根据水深点数据生成格网水深的方法有两种：直接法和间接法。直接法是直接通过采样水深点插值生成格网水深。间接法是首先根据点数据建立TIN，然后插值得到格网水深。加拿大海道测量局采用了间接法生成格网水深，但这种方法有可能丢失格网节点周围的浅点水深。如果水深表面产品应用于船舶航行，还需对上述流程中水深点数据生成格网的算法进一步优化。
4 应用
S-102标准的制定，使海道测量领域具有了适合本行业的数字高程模型（DEM）标准，丰富了海道测量产品种类，拓展了海道测量数据应用范围。作为一种不同于电子海图、传统纸海图的新产品，S-102产品有诸多优点，将会在船舶航行、水文动力模拟、空间数据分析等方面获得广泛应用。
4.1 船舶航行
相比电子海图，水深表面产品用于船舶航行具有以下优势：水深信息更加丰富、更新更加方便（只需替换需要更新的切片）、能够快速准确生成安全等深线、更易于和潮汐等时序数据叠加计算富余水深等。将水深表面产品作为背景与电子海图数据叠加应用于航行是一种可行的、有效的应用方式，如图2。
图 2 S-102产品和电子海图叠加显示
航道工程
可利用GIS空间分析技术基于水深表面产品计算航道疏浚土石方量、航道边坡比（航道是否稳定的指标）等数据，作为竣工验收的依据。
4.2 科学研究
水文动力模型、大气-水文模型等数值计算模型都需要格网型海底地形数据。S-102产品能够方便地应用于水文动力模型、大气-水文模型中，满足科学研究的需求。
5 结束语
目前，美国、加拿大等国家的海道测量机构已经开始生产并发布S-102产品，一些ECDIS设备生产商也正在升级软件支持S-102产品的显示和应用。而我国尚未开展S-102产品的生产，应加强S-102规范的研究和加快产品的生产。一旦S-102产品得到广泛生产和应用，由于其编绘简单、更新便捷，将会大大缩短新测水深应用于船舶航行的周期，提高船舶航行安全。
参考文献
[1] IHO. S -102 bathymetric surface product specification，e-dition1.0.0[s].Monaco： International Hydrographic Bureau，2012.
[2] IHO.S-100 通用海道测量数据模型[M]. 中华人民共和国海事局译. 天津： 天津科学技术出版社，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.
摘要：水深表面产品规范是IHO基于S -100 《通用海道测量数据模型》建立的关于水深表面数据产品的规范。本文研究了IHO S-102《水深表面产品规范》的主要内容和结构、维护与编码，探讨了产品生产技术和未来应用。
关键词：海道测量 水深 表面 规范
0 引言
随着船舶向大型化和高速化发展，船舶安全航行对高精度的、详细的水深数据需求越来越多，尤其在浅水水域。然而传统的纸海图、电子海图由于图幅限制所表示的水深数据有限，并且在系统地融合潮位等时序数据和便于电子海图系统智能调整等深线间距方面存在一定的困难。而水深格网数据恰恰能够弥补纸海图、电子海图的这些缺陷。为了满足船舶安全航行、科学研究等方面对水深格网数据的需求，IHO（国际海道测量组织）在S-100《通用海道测量数据模型》的基础上制定并于2012年4月正式发布了S-102《IHO水深表面产品规范》。
1 内容与结构
S-102 [1]总体上由版本标记、元数据、水深估计覆盖（Estimated Elevation Coverage）、水深不确定性覆盖（Uncertainty Coverage）、跟踪列表、可选覆盖层、数字签名模块七部分组成。
1.1 元数据
S-102中大部分元数据元素来自于S-100、ISO 19115《地理信息-元数据》和ISO 19115-2《地理信息-元数据 第二部分：影像和栅格数据扩展》，非强制性的其他元数据来源于 ISO 19130 和 ISO 19130-2，特别是与声呐设备相关的元数据。
根据应用目的不同，S-102中元数据分为四类：发现元数据、结构元数据、质量元数据和采集元数据。发现元数据用于识别和发现数据。S-102中，发现元数据应用于数据集（Dataset）和数据集合（Data Collection）两个层级，即整个数据集和由多个切片组成的数据集都有相应的发现元数据，并且对于每一个切片文件也有相应的发现元数据。结构元数据用来描述数据集合的结构，包括了网格空间表达、水平与垂直参考系统、法律和安全限制、切片组成等方面的信息。质量元数据描述了数据来源、数据处理等有关数据质量的信息。采集元数据在S-102中是可选的，数据生产机构可自主选择添加数据采集元数据，例如所采用的测量设备信息。
1.2 覆盖
覆盖是水深表面产品的主要组成部分。每一个水深表面产品中应至少包含水深估计覆盖和水深不确定性覆盖，每一种覆盖均是经地理校正的格网。水深估计覆盖和水深不确定性覆盖是地理相关的，采用相同的坐标参考系，它们都包含起始于最西南角、按行存储的二维矩阵。
水深估计覆盖的格网值是一组有序的水深估计值，水深单位是m。与纸海图、电子海图水深表示不同，水深值在垂直基准面以上为正、以下为负，因此水深表面产品中水深值均为负值。水深不确定性覆盖的格网值是一组有序的水深不确定性值，用于表示水深覆盖中水深值精度。水深不确定性值有多种计算方法，分别为原始数据标准差、CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator，水深不确定性和估计组合算法）标准差、NOAA（美国海洋与大气管理局）标准产品不确定性 1.0版（综合了CUBE不确定性算法和其他方法）和历史数据标准差等，这有利于将水深表面产品应用于数据生产的各个不同阶段和不同目的。
除水深估计覆盖和水深不确定性覆盖外，水深表面产品中还可包含若干可选择的覆盖，S-102本身并没有对这些覆盖做出规定，这需要在独立的S-10X标准中对这些覆盖做出具体规定。
1.3 跟踪列表
跟踪列表中包含了海道测量技术人员修改的任何格网节点的原始水深值和水深不确定性值。水深表面产品的原始水深数据和不确定性值是由计算机按照一定的算法自动计算得出，需要海道测量技术人员的审查和修改。跟踪列表提供了追踪海道测量技术人员修改原始数据情况的一种手段。
1.4 数字签名模块
在传统的水深处理中，通常采用直接在归档文件上物理签名的方式来保证数据的质量。但是对于完全数字化的产品，不可能在数据产品上进行物理签名。此外，对于诸如水深表面产品等高密度的数据产品，在传输过程中发生传输错误的概率会明显增加。因此，S-102根据公钥/私钥理论设计了一种数字签名模式，为海道测量技术人员提供了一种与物理签名等效的认证方式，确保了易于发现对数据的任何修改（如操作错误或恶意行为）。
数字签名模块的基本实体是数字签名。数字签名是签名机构根据数字表面产品数据集内容利用密钥计算得到的多字节数字序列。密钥只属于签名机构，签名机构负责密钥文件的保密。通常每一个数字表面产品的数字签名是唯一的，很少会出现两个产品的数字签名相同。与密钥相反，公钥可以自由分发，可以使用公钥确认“水深内容”是否曾经修改过。
除了数字签名，数字签名模块还包含一个32位整型数字，用来指向元数据数据志（描述数据来源、处理等方面信息）部分描述认证原因的实体。其目的是签名机构可以灵活地描述数据认证的原因或认证后数据预期用途。
1.5 切片模式
切片技术是一种将较大区域数据分割成更易于管理的较小数据块儿的技术。S-102采用了切片技术将覆盖数据切割成一系列切片进行组织和管理。产品中每一个切片都是一个完整的水深格网，包括水深估计覆盖、水深不确定性覆盖、可选的跟踪列表和元数据。S-102中定义了三种切片模式：一致的多边形格网、四叉树和其他。
2 数据编码与维护
S-100标准[2]的一个重要思想是“数据内容”和“数据载体”分离。S-102遵循了S-100标准，采用了UML概念模型定义产品内容和采用HDF 5（分层数据格式第5版）进行编码。HDF是美国国家高级计算应用中心为了满足各种领域研究需求而研制的一种能高效存储和分发科学数据的新型数据格式。
与S-101《电子海图产品规范》中矢量数据按增量更新的方式不同，水深表面产品中的全部数据或数据集内的切片及其相关元数据都可以作为一个单元来替换。覆盖数据应至少在切片级别下作为一个单元来更新。此外，每个更新的切片数据或数据集必须有其自己的数字授权。
3 生产技术
S-102标准未对产品生产流程和技术方法做出具体规定。2011年，加拿大海道测量局根据S-102标准草案使用CARIS软件生产了86幅覆盖加拿大魁北克市和蒙特利尔港口间圣劳伦斯河的水深表面产品，提出了一套生产S-102产品的技术流程[3]，见图1。
图 1 S-102产品生产流程
（1）分幅和切片模式设计。主要是设计产品覆盖范围和切片模式。加拿大海道测量局设计了3级分辨率的切片方案，每个切片由1000X1000个格网单元组成。第一级（港口）0.02°X0.02°，第二级（沿岸）0.1°X0.1°，第三级（总图）1°X1°，切片的北方向指向子午线方向。
（2）数据搜集和评价。为了增强ENC单元中已经包含的信息，加拿大海道测量局搜集了各种数据，包括稀疏的水深数据点、高分辨的水深格网数据、ENC导出的高潮线等，所有这些数据都进行了质量评价以用于数据生产。此外，还利用CARIS S-57 Composer和BASE Editor两个软件模块创建了辅助层（例如切片方案、覆盖、分界线等）和将所有数据源切割成切片。
（3）点数据处理。主要内容包括构建TIN模型（不规则三角网）、插值得到初级的水深表面产品。
（4）将其他高分辨率水深表面产品和上一步生成的表面产品合并，并利用BASE Editor软件中基于规则的冲突检测工具处理数据冲突部分。
（5）提取和导出水深表面产品数据。利用CARIS BASE Editor导出HDF5格式水深表面产品。
通常，根据水深点数据生成格网水深的方法有两种：直接法和间接法。直接法是直接通过采样水深点插值生成格网水深。间接法是首先根据点数据建立TIN，然后插值得到格网水深。加拿大海道测量局采用了间接法生成格网水深，但这种方法有可能丢失格网节点周围的浅点水深。如果水深表面产品应用于船舶航行，还需对上述流程中水深点数据生成格网的算法进一步优化。
4 应用
S-102标准的制定，使海道测量领域具有了适合本行业的数字高程模型（DEM）标准，丰富了海道测量产品种类，拓展了海道测量数据应用范围。作为一种不同于电子海图、传统纸海图的新产品，S-102产品有诸多优点，将会在船舶航行、水文动力模拟、空间数据分析等方面获得广泛应用。
4.1 船舶航行
相比电子海图，水深表面产品用于船舶航行具有以下优势：水深信息更加丰富、更新更加方便（只需替换需要更新的切片）、能够快速准确生成安全等深线、更易于和潮汐等时序数据叠加计算富余水深等。将水深表面产品作为背景与电子海图数据叠加应用于航行是一种可行的、有效的应用方式，如图2。
图 2 S-102产品和电子海图叠加显示
航道工程
可利用GIS空间分析技术基于水深表面产品计算航道疏浚土石方量、航道边坡比（航道是否稳定的指标）等数据，作为竣工验收的依据。
4.2 科学研究
水文动力模型、大气-水文模型等数值计算模型都需要格网型海底地形数据。S-102产品能够方便地应用于水文动力模型、大气-水文模型中，满足科学研究的需求。
5 结束语
目前，美国、加拿大等国家的海道测量机构已经开始生产并发布S-102产品，一些ECDIS设备生产商也正在升级软件支持S-102产品的显示和应用。而我国尚未开展S-102产品的生产，应加强S-102规范的研究和加快产品的生产。一旦S-102产品得到广泛生产和应用，由于其编绘简单、更新便捷，将会大大缩短新测水深应用于船舶航行的周期，提高船舶航行安全。
参考文献
[1] IHO. S -102 bathymetric surface product specification，e-dition1.0.0[s].Monaco： International Hydrographic Bureau，2012.
[2] IHO.S-100 通用海道测量数据模型[M]. 中华人民共和国海事局译. 天津： 天津科学技术出版社，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.
