Электронные навигационные карты: новый стандарт морской навигации. Электронные навигационные карты (ЭНК) – это цифровая революция в мире мореплавания. Они представляют собой детальные и точные изображения морских акваторий, адаптированные для отображения на экранах электронных устройств. В отличие от традиционных бумажных карт, электронные навигационные карты обладают рядом неоспоримых преимуществ, делающих их незаменимым инструментом для современных судов.
- Электронные навигационные карты и планирование рейса: неразрывная связь
- Виды морских электронных навигационных карт
- Растровые и векторные карты
- Официальные и неофициальные карты
- Базовые и системные ЭК
- Упрощенные ЭК
- Элементы и характеристики морских электронных карт
- Основные виды данных и составные части карт
- Геодезические датумы карт
- Форматы данных электронных карт
Электронные навигационные карты отображаются на специальных устройствах – электронных картографических навигационно-информационных системах (ЭКНИС). Эти системы получают данные от различных датчиков судна, и в реальном времени отображают положение судна на карте. Моряк может видеть не только свою позицию, но и информацию о глубине воды, наличии препятствий, а также другие суда, находящиеся вблизи.
Технологии, лежащие в основе ЭНК, например, электронная картография – наука и технология создания, хранения, обработки и визуализации географической информации в цифровом формате, постоянно развиваются. Современные электронные навигационные карты обладают все большим функционалом и возможностями. В будущем можно ожидать появления еще более совершенных систем, которые сделают навигацию еще более безопасной и эффективной.
Электронные навигационные карты – это не просто новый инструмент, а настоящая революция в сфере мореплавания. Они делают мореплавание более безопасным, эффективным и удобным. Постоянное развитие технологий и расширение функциональных возможностей ЭНК позволяют с уверенностью говорить о том, что будущее морской навигации лежит именно за цифровыми картами.
Электронные навигационные карты и планирование рейса: неразрывная связь
Электронные навигационные карты (ЭНК) произвели революцию в морской навигации, превратив процесс планирования рейса из рутинной задачи в интерактивное и точное искусство. Давайте рассмотрим подробнее, как эти цифровые инструменты связаны с планированием морских путешествий.
ЭНК – это цифровые аналоги традиционных бумажных карт, но с гораздо более широкими возможностями. Представьте себе морскую карту, которая постоянно обновляется, позволяет масштабировать изображение, добавлять различные слои информации (например, данные о погоде, течениях, судоходстве) и даже моделировать различные ситуации.
Использование электронных навигационных карт при планировании рейса. Вместо того чтобы прокладывать маршрут на бумажной карте, моряк может выполнить построение маршрутов на электронных картах для визуального анализа различных вариантов. Система позволяет учитывать глубины, препятствия, метеоусловия и другие факторы, помогая выбрать самый безопасный и экономичный путь. ЭНК позволяют детально изучить потенциальные опасности на маршруте: мели, рифы, зоны с интенсивным судоходством, а также создание пользовательских точек и маршрутов на ЭНК дает возможность прокладывать индивидуальные курсы, учитывая специфику судна, предпочтения экипажа и особенности акватории. Моделирование различных сценариев помогает оценить риски и разработать планы действий в случае непредвиденных ситуаций.
Также необходимо отметить, что маршрутизация является неотъемлемой частью в планировании рейса и играет важную роль в обеспечении безопасности и эффективности судоходства. Маршрутизация в мореплавании – процесс планирования и выбора оптимального пути для судна между двумя точками в акватории, обеспечивающая оптимизацию расхода топлива и минимизацию времени в пути. Современные ГИС-технологии позволяют создавать все более совершенные системы планирования маршрутов, что способствует развитию морской отрасли в целом.
Благодаря интеграции с другими навигационными системами, такими как радары и GPS, электронные навигационные карты отображают текущее положение судна и окружающих объектов. Это позволяет отслеживать изменения в навигационной обстановке и оперативно корректировать курс. Все действия, связанные с планированием и выполнением рейса, сохраняются в электронном виде. Это упрощает подготовку отчетности и анализ эффективности плавания.
Преимущества использования ЭНК. Электронные навигационные карты существенно повышают безопасность мореплавания. Благодаря точной и актуальной информации о глубинах, препятствиях, судоходных путях и других важных данных, капитаны могут более уверенно принимать решения и избегать опасных ситуаций. Кроме того, внедрение электронных навигационных карт в судоходство позволяет оптимизировать маршруты и снизить расход топлива. Интуитивно понятный интерфейс и широкие функциональные возможности делают работу с ЭНК простой и удобной даже для неподготовленного пользователя. Использование ЭНК также является важным фактором для повышения конкурентоспособности судов, поскольку многие современные требования к безопасности судоходства предполагают обязательное наличие на борту электронных навигационных систем.
Выбор системы электронных навигационных карт – это серьезное решение, которое требует тщательного анализа. Необходимо учитывать такие факторы, как размер судна, тип перевозимых грузов, район плавания и бюджет. Кроме того, важно обеспечить качественную интеграцию ЭНК с другими системами на судне.
Разнообразие электронных навигационных карт. ЭНК делятся на несколько основных типов, каждый из которых имеет свои особенности и сферу применения:
- Растровые карты (RNC): представляют собой сканированные копии бумажных карт, переведенные в цифровой формат. Они просты в создании, но имеют ограниченные возможности для редактирования и обновления.
- Векторные карты (ENC): состоят из отдельных графических элементов (векторов), которые описывают объекты на карте. Это позволяет легко обновлять и модифицировать данные, а также создавать различные тематические слои. Именно векторные карты являются наиболее распространенным типом ЭНК, используемым в навигационных системах.
Узнайте больше о типах морских ЭНК и их характеристиках, а также как создать пользовательский маршрут на электронной карте в данном материале ниже.
Стандарты для электронных навигационных карт. Для обеспечения совместимости различных навигационных систем и обмена данными между ними были разработаны международные стандарты. Одним из наиболее важных стандартов для ЭНК является S-57.
Стандарт S-57, разработанный Международной гидрографической организацией (МГО), является международным стандартом для представления данных об электронных навигационных картах. Он определяет структуру данных, кодировку и формат представления информации о навигационных объектах. Благодаря этому стандарту, ЭНК, созданные различными производителями, могут быть использованы в единой навигационной системе.
Перспективы развития электронных навигационных систем. Морская навигация стремительно меняется благодаря бурному развитию технологий. Электронные навигационные карты уже стали неотъемлемой частью современного судовождения, но их потенциал далеко не исчерпан.
Одной из ключевых тенденций является все более глубокая интеграция ЭНК с другими судовыми системами. Современные суда оснащены множеством датчиков и устройств, собирающих огромные объемы данных об окружающей среде и состоянии судна. Интеграция ЭНК с радарами, системами автоматической идентификации судов (AIS), электронными картами морских информационных систем (ЭКНИС) и другими системами позволит создавать на мостике единую информационную среду. Судоводители получат возможность видеть на экране не только статическую карту, но и динамическую картину навигационной обстановки в реальном времени, включая движение других судов, метеоусловия, глубины и опасные зоны.
Искусственный интеллект (ИИ) привносит в морскую навигацию новые возможности. Алгоритмы машинного обучения способны анализировать огромные массивы данных, выявлять скрытые закономерности и принимать решения на основе полученной информации.
Технологии дополненной реальности (AR) позволят вывести взаимодействие с ЭНК на качественно новый уровень. Представьте, что на ветровом стекле судна проецируется виртуальное изображение карты, на котором отображаются все необходимые данные о навигационной обстановке. Судоводитель сможет видеть не только статическую карту, но и динамические объекты, такие как другие суда, буи и опасные зоны. Это значительно упростит ориентацию на местности и позволит принимать более информированные решения.
Переход к облачным технологиям позволит хранить и обрабатывать большие объемы данных о навигационной обстановке в едином центре. Это обеспечит доступ к актуальной информации в любой точке мира, а также позволит создавать глобальные навигационные базы данных. Кроме того, облачные технологии позволят организовать удаленный мониторинг состояния судна и его систем, что повысит эффективность технического обслуживания.
Перспективы развития электронных навигационных систем открывают новые возможности для повышения безопасности и эффективности морских перевозок. Комбинируя преимущества различных технологий, можно создать интеллектуальные навигационные судовые системы, которые помогут сделать морские путешествия еще более безопасными, удобными и экологичными.
Виды морских электронных навигационных карт
Морская навигационная карта – это специальная карта, созданная для безопасного плавания судов. Она представляет собой уменьшенное и схематичное изображение морской поверхности и прибрежных районов. На карте показаны все важные для мореплавания объекты:
- глубины,
- отмели,
- скалы,
- маяки,
- буи и т. д.
Благодаря НК моряки могут определить местоположение судна, проложить безопасный маршрут и избежать опасных участков.
Морские навигационные карты бывают бумажными и электронными. Рассмотрим краткий анализ и сравнение электронных и бумажных карт, их преимущества и недостатки.
Бумажные карты предлагают визуальную наглядность и не зависят от электроники. Они доступны и просты в использовании, но ограничены в детализации и требуют регулярного обновления. Их большой размер и вес создают неудобства при хранении и переноске.
Электронные навигационные карты (ЭНК) обладают высокой детализацией, интерактивностью и возможностью регулярного обновления. Они компактны и удобны в использовании, а также могут интегрироваться с другими судовыми системами. Однако, ЭНК зависят от электроники, стоят дороже и требуют определенных навыков для работы.
Выбор между бумажными и электронными картами зависит от конкретных условий плавания и предпочтений судоводителя. Часто используется комбинированный подход, когда бумажные карты служат в качестве резерва, а электронные обеспечивают основную навигацию. Ниже уделено внимание только вторым картам.
Обычно под электронной картой (ЭК) понимается программно-управляемое картографическое изображение, визуализированное с использованием программных и технических средств в принятой для карт проекции и системе условных знаков. Определяют ЭК и как набор цифровых данных, из которых образуется изображение карты на экране.
Электронные навигационные карты в зависимости от:
- метода цифрового представления данных в памяти;
- юридического статуса;
- изготовителя и других факторов,
могут быть разных видов. Для обеспечения удобства оперирования в НИС электронные карты определенного вида объединяются в картографической базе данных (КБД). Картографическая база данных – это совокупность взаимосвязанных картографических данных на весь Мировой океан или его часть, предназначенная для целей судовождения, и представленная в цифровой форме при соблюдении общих правил описания, хранения и манипулирования данными. КБД, содержащая картографическую информацию на весь Мировой Океан и океанотехника. Характеристики морских льдов, течений и волнМировой океан, называется всемирной, а КБД, включающая данные карт только части этого океана, – региональной.
Растровые и векторные карты
Какие бывают электронные навигационные карты? В зависимости от метода цифрового представления данных в памяти системы ЭК делят на растровые и векторные.
Растровые навигационные карты (RC). Для записи и хранения данных этих карт используются растровые форматы – метод цифровой записи изображения в виде матрицы точек (пикселей). При таком способе представления карты сведений об отдельных картографических объектах в памяти нет. Изображение RC отражается в памяти миллионами точек (пикселей). Каждый пиксель является мельчайшей компонентой изображения карты с определенным цветом. Растровые карты получаются сканированием цветного изображения бумажных навигационных карт (БНК) с добавлением основы для отсчета координат. Последняя операция представляет привязку пикселей к географическим координатам. Сканирование БНК выполняется с высоким разрешением, например, 254 пикселя на дюйм. Полученная RC является точной электронной копией БНК и наследует ее датумы. Все данные RC находятся в одном слое, и ее содержание не может быть изменено с целью приспособления к условиям и обстоятельствам плавания. В памяти при растровом хранении изображений представлены все точки поверхности карты, что изначально определяет большой объем файла RC.
Что такое датум?
Датум – это набор параметров, используемых для смещения и трансформации референц-эллипсоида в локальные географические координаты.
Основа для отсчета координат карты может наноситься вручную либо рассчитываться на компьютере. Благодаря ей на растровой карте может выполняться планирование пути с расчетом необходимых элементов, ведение исполнительной прокладки и получение географических координат любой точки карты. Отображение RC является простым воспроизведением на экране дисплея хранимых в памяти данных о ее точках. Вид растровой навигационной карты показан на рис. 1.
Хотя растровая карта и является точной копией бумажной, она имеет и отличия от нее. Цвет пикселей может быть изменен при выводе данных RC на экран. С этой целью при отображении карты по определенному правилу преобразуется числовая характеристика пикселей, которая описывает их цвет. В результате растровые карты могут отображаться разными палитрами цветов. Это позволяет приспособить RC к уровню освещенности на мостике (день, сумерки, ночь). На рис. 2 представлен вид RC для ночных условий.
Преимуществами растровых карт являются:
- высокопроизводительность сканерной технологии получения растровых карт, которая практически не включает ручного труда;
- дешевизна, легкость производства по сравнению с векторными картами;
- знакомые для пользователей цвета и символы;
- точность и достоверность, соответствующая БНК;
- возможность использования для решения навигационных задач, выполняемых с помощью БНК.
Векторные навигационные карты (VNC) хранятся в памяти в виде последовательности записей, характеризующих каждый имеемый на карте картографический объект (КО). По этим записям с помощью специальной программы НИС сама строит карту на экране дисплея. Вид векторной навигационной карты показан на рис. 3.
Обычно в начале файла VNC помещаются метаданные. Они содержат общие для карты сведения, описание характеристик, признаков текста, обеспечивающих быстрый поиск нужной информации в файле. В эти сведения входят:
- географический идентификатор (номер карты);
- название карты;
- единицы измерения (координат, высот и глубин);
- горизонтальный геодезический датум;
- вертикальные датумы;
- оригинальный масштаб VNC;
- минимальный и максимальный масштабы отображения VNC;
- дата издания карты, и др.
В описании характеристик и текста приводятся сведения о типах данных, о приоритетах их отображения и др.
Содержание VNC в файле обычно задано в виде совокупности записей переменной длины о картографических объектах. Среди КО различают:
- точечные (point);
- линейные (line);
- контурные и площадные (areal).
Запись КО в общем случае состоит из четырех основных частей (полей): I, T, M, S.
Первое поле отводится идентификатору I (имени) объекта. Во втором поле помещается признак Т типа КО, который определяет условное изображение объекта. В поле М (метрика) находятся значения координат, характеризующих пространственное положение КО на земной поверхности. В четвертом поле содержится семантическая характеристика S (атрибуты) объекта. Это поле может включать географическое название, дальность видимости и другие характеристики КО.
Читайте также: Плавание в открытом море и штурманская навигация
Все объекты VNC распределяются по слоям. Эти слои образуются обычно из классов объектов, а не из отдельных их видов. Количество слоев VNC может быть разным. Ими, например, могут быть:
- навигационные средства;
- глубины;
- искусственные объекты;
- качество данных и т. д.
Содержание VNC записывается либо в одном файле с указанием признаков данных различных слоев, либо в нескольких файлах (послойно). Разделение состава VNC на слои позволяет управлять их видимостью и приспособить нагрузку карты к обстоятельствам плавания и к решаемым задачам.
Технологии производства векторных карт. VNC до недавнего времени создавались по данным БНК с помощью дигитайзерных технологий. В этих технологиях значительное место занимает ручной труд, что являлось причиной невысокой скорости производства карт. VNC образуются с помощью более производительных сканерных технологий, автоматически выполняющих «векторизацию» БНК и контроль качества получаемых данных. Для создания VNC также могут использоваться данные географических информационных систем (ГИС), обеспечивающих:
- сбор,
- хранение,
- обработку,
- доступ,
- отображение и распространение картографических данных.
Векторные карты могут составляться и непосредственно по результатам геодезических съемок. Съемка местности может выполняться с помощью:
- DGPS;
- аэро и космической фотометрии районов Земли;
- вертолетных лазерных измерений и другими способами.
Использование результатов геодезических съемок для составления ЭК имеет большое значение по следующим причинам:
- обеспечивается более высокая точность электронных карт, так как исходные данные свободны от погрешностей графического их представления на БНК;
- не нужно ожидать, когда по результатам новых высокоточных съемок местности будут получены БНК.
Построение векторной карты на экране НИС выполняется с помощью специальной программы путем трансформации содержащихся в ее файле цифровых данных в графическое изображение. Эта процедура называется синтезом VNC или визуализацией ее данных. Синтез VNC включает в себя:
- вычисление размеров экранной области;
- формирование запросов к КБД и вывод из нее данных основной карты;
- определение номеров корректурных документов к основной карте и вывод их из памяти системы;
- селекцию КО;
- преобразование географических координат с учетом проекции карты в экранные координаты;
- генерализацию;
- отсечение картографических объектов;
- формирование дисплейного файла.
Программы, выполняющие задачу синтеза изображения ЭК, называются визуализаторами данных карт.
Можно отметить следующие достоинства векторных карт.
Для одного и того же района файл VNC меньше по объему файла RC, но в то же самое время данные первой карты более информативны.
Хранение информации VNC в виде записей о КО позволяет:
- выделять эти объекты на экране (например, опасную изобату);
- организовывать автоматическую сигнализацию о ситуациях, требующих внимания судоводителя;
- получать сведения об объектах путем указания на них курсором и выполнять ряд других полезных операций.
Хранение информации векторных карт послойно позволяет приспосабливать их изображение к обстоятельствам и условиям плавания.
Программный способ построения карты дает возможность представлять карту:
- в разных масштабах;
- с разной ориентацией;
- осуществлять вывод районов соседних карт без стыков;
- накладывать на карту дополнительные слои информации и т. д.
Официальные и неофициальные карты
В зависимости от юридического статуса ЭК подразделяются на официальные и неофициальные. Официальными картами считаются ЭК, изданные правительством или по его разрешению уполномоченной ГО или другими соответствующими государственными учреждениями. Электронные карты для морской навигации применяются в рамках Конвенции СОЛАС-74. Все другие карты являются неофициальнми. Официальные ЭК бывают:
- векторными (ENC);
- и растровыми (RNC).
Официальные векторные ЭК. Имеется только один вид официальных векторных карт, сокращенно обозначаемых ENC. В Эксплуатационных требованиях IMO к ECDIS дано следующее определение такой карты.
ENC означает базу данных, стандартизированную по содержанию, структуре и формату, выпускаемую для использования в ECDIS правительством или по его разрешению уполномоченными ГО или другими соответствующими правительственными учреждениями и отвечающую стандартам IHO. ENC содержит всю картографическую информацию, соответствующую официальной БНК, необходимую для Основы безопасности мореплаваниябезопасного мореплавания, и может включать дополнительные данные (например, из лоции и других пособий), которые можно использовать при решении навигационных задач.
ENC включает КО, представленные точками, линиями и площадными формами, и имеющими отдельные атрибуты. Характеристики объектов могут быть применены в ECDIS, чтобы отобразить все данные карты или выбранную их комбинацию. Опасности для судоходства или требующие внимания судоводителя ситуации, можно избежать, используя информацию ENC.
Координирующим органом по созданию Мировой коллекции ENC и решению проблем международного морского применения ECDIS является Комитет IHO WEND (Worldwide Electronic Navigational Chart Database). WEND представляет кооперацию отдельных государств-членов IHO.
ENC имеют следующие свойства:
- используют только официальные картографические данные последнего издания;
- по точности и полноте не уступают официальным БНК и могут, по сравнению с ними, включать дополнительные относящиеся к судовождению сведения;
- при разграфке учитывают требования IHO;
- производятся по стандартам IHO (S-57, S-63, S-100/S-101);
- компилируются, кодируются и отображаются в соответствии с международными стандартами;
- геодезической основой имеют WGS-84;
- вертикальными датумами ENC могут быть нули для глубин и высот, используемые на официальных БНК;
- издаются только государственной ГО на свои воды;
- регулярно обновляются официальной корректурной информацией, распространяемой в цифровом виде;
- за содержание ENC отвечает издающая ее ГО.
Классификация ENC по назначению. В зависимости от назначения (оригинального масштаба) ENC разделяются на:
- обзорные карты (Overview) – 1:2500001 и меньше;
- генеральные карты (General) – 1:300001-1:2500000;
- прибрежные карты (Coastal) – 1:80001-1:300000;
- подходные карты (Approach) – 1:40001-1:80000;
- гавани (Harbour) – 1:10001-1:40000;
- планы (Berthing) – 1:10000 и крупнее.
Официальные растровые карты (RNC) – это точно отражающие официальные БНК цифровые данные, которые создаются или распространяются уполномоченной правительством ГО и удовлетворяют стандарту IHO S-61 – «Product specification for raster navigational charts», 1999. Эти карты у разных государственных ГО наследуют отличия официальных бумажных карт по нарезке, символам, цветам и другим характеристикам, а также имеют разный формат.
RNC имеют следующие свойства:
- являются цифровыми копиями официальных БНК;
- выпускаются в соответствии с международными стандартами;
- регулярно обновляются официальной корректурной информацией, распространяемой в цифровом виде;
- за содержание RNC отвечает издающая ее ГО.
Информацию RNC разделяют на два вида:
- графическое изображение карты;
- основные характеристики карты и относящиеся к ней надписи на ее поле либо за ее рамкой, представленные в виде текста и таблиц с текстом.
Разрешающая способность цифрового изображения RNC (количество точек на дюйм) и любой метод, используемый для сжатия данных RNC или оперирования с ними, должны обеспечивать четкое отображение всей информации, которая находилась на исходной БНК. Точность цифровых данных RNC должна позволять показывать место судна на экране с точностью, по крайней мере, не худшей, чем при отметке его вручную на БНК. Как представлять изображение карты и ее метаданные (в одном или в нескольких файлах), какой использовать формат для данных карты, решает самостоятельно каждая национальная ГО.
Текстовые метаданные (общие сведения о карте) предписано вставлять во все RNC. Если изображение карты включает врезки, то и они дополняются метаданными. Любая RNC должна содержать следующие метаданные:
- идентификатор агентства, выпускающего карту;
- номер RNC;
- номер исходной БНК, если он отличен от номера RNC;
- дату издания RNC;
- дату последней корректуры или номер учтенного последнего NtMs;
- предыдущие корректуры или номера NtMs;
- масштаб карты;
- вид ориентации карты;
- тип проекции и соответствующие ей параметры;
- горизонтальный датум;
- поправки для приведения спутниковых определений к датуму карты, если он не совпадает с WGS-84 или ПЗ90;
- вертикальные датумы;
- единицы измерения высот и глубин;
- разрешающую способность изображения в пикселях на миллиметр или в пикселях на дюйм;
- палитры цветов для дня, сумерек и ночи.
Для дневной палитры RNC необходимо использовать такие же цвета, как и на исходной БНК. Цвета для сумерек и ночного времени должны быть настолько, насколько возможно, близки к цветам ENC.
Кроме перечисленной выше, любая другая относящаяся ко всей карте информация (заметки, диаграммы, таблицы, включая сведения о качестве карты), представляющая интерес для мореплавания, также должна быть записана в текстовом формате. Эти метаданные должны отображаться четко, просто и быстро даже в тех случаях, когда место на БНК, где расположены эти данные, не находится на отображаемой части RNC.
Британское адмиралтейство (БА) стала первой в мире государственной организацией, которая с 1993 г. стала снабжать Грузовые и грузопассажирские морские транспортные судаморские суда картами RNC. С весны 1994 г. оно ввело в свой состав новую службу – ARCS (Адмиралтейская служба растровых карт). Практически все адмиралтейские БНК представлены в растровом виде и доступны пользователям. RNC выпускаются ГО и ряда других стран (США, Канады, Австралии и др.).
Подчеркнем основное отличие ENC от RNC:
- ENC обеспечивают большую глубину информации, содержат сведения о каждом объекте карты и позволяют выводить их по запросу, состоят из нескольких слоев, что позволяет подстраивать изображение карты к условиям плавания и решаемым задачам;
- RNC являются отсканированными изображениями БНК, они не могут предоставить информацию об объектах, так как не содержат ее, а также не позволяют целесообразным образом изменять изображение карты, так как их данные находятся в одном слое.
Неофициальные векторные карты. Векторные карты выпускаются также частными фирмами и другими организациями. Крупнейшим производителем VNC является компания «Transas». Коллекцией ее VNC охвачены все районы Мирового океана. Эти карты выпускаются, распространяются и используются внутри ECS в формате ТХ-97. Имеется программное обеспечение для конвертации данных из формата S57/3.1 в формат ТХ-97 и, наоборот, с соблюдением всех требований IHO.
Компания «Jeppesen Marine» (в прошлом «С-МАР») разработала коллекцию векторных карт, покрывающих воды всего Мирового океана. Ячейки VNC этой компании имеют размер 4° × 4° по широте и долготе. Данные этих карт представлены в формате СМ-93/3. Он является внутрисистемным и служит также форматом для передачи данных карт.
Картографическое агентство Департамента обороны США (NIMA) производит цифровые карты DNC – Digital Nautical Chart. Они базируются на содержании БНК, выпускаемых NIMA. DNC соответствуют стандартному формату Департамента Обороны – VPF (Vector Product Format), совместимому с принятым НАТО цифровым форматом для карт. Горизонтальным датумом всех карт является WGS-84. Используется три вертикальные датума. Высоты объектов отнесены к среднему уровню моря, береговая линия – к среднему уровню полных вод. Глубины отсчитываются от уровня, принятого за ноль глубин на бумажном прототипе ЭК. Данные DNC разделены на 12 слоев.
Бесшовную базу данных VNC со сплошным покрытием предоставляет и фирма «Navionics» (США). В этой базе картографические данные на все акватории Земного шара хранятся по слоям как логически неразрывные массивы, соответствующие ячейкам 5° × 5°.
Базовые и системные ЭК
В зависимости от характера использования в НИС различают исходные (основные, базовые) и системные ЭК.
Базовой картой является ENC или RNC или цифровые данные других карт, которые размещены в одном файле (или в нескольких), поставляемом государственной или частной организацией. Данные основной карты не могут быть изменены на судне.
Системная электронная карта – это набор данных для отображения откорректированной ЭК, представленный во внутреннем формате системы. Он является результатом преобразования системой содержания основной ЭК, корректур и данных, добавленных мореплавателем. Среди системных ЭК выделяют SENC и SRNC, полученные соответственно на основе преобразования ENC и RNC.
SENC означает БД во внутреннем формате производителя, полученную в результате преобразования всего содержания и корректуры ENC, при котором никакая информация не была утрачена. Именно эта БД используется в ECDIS для формирования отображения и для других навигационных функций, а также является равноценной информации, содержащейся в откорректированной БНК. SENC может также содержать информацию, добавленную мореплавателем или полученную из других источников. Более коротко SENC можно определить как совокупность данных, образованных в ECDIS из данных ENC, корректур, заметок судоводителя с целью отображения карты на экране дисплея.
Различают три категории нагрузки SENC:
- базовая,
- стандартная,
- полная.
Характеризуя эти категории, необходимо отметить следующее.
Базовая нагрузка – означает уровень информации карты, который не может быть удален с дисплея. Она содержит наиболее важную для безопасного плавания картографическую информацию, которая требуется всегда, во всех географических районах и при любых обстоятельствах. Базовая нагрузка включает:
- береговую черту (для полной воды);
- выбранную капитаном безопасную изобату;
- в ограниченной безопасной изобатой области отдельные подводные препятствия с глубинами, меньшими безопасной;
- в пределах этой же области отдельные опасности, такие как мосты, линии электропередач, включая буи и знаки, которые применяются или не используются как средства навигации;
- системы движения;
- масштаб;
- вид ориентации карты и режим дисплея;
- единицы глубин и высот.
Стандартная нагрузка – это набор данных, необходимых при навигационной прокладке и Планирование рейса суднапланировании пути. Она включает:
- базовую нагрузку;
- линии осыхания;
- стационарные и плавучие средства навигации;
- границы фарватеров, каналов;
- приметные визуальные и РЛ объекты;
- запретные и ограниченные районы, и некоторые другие сведения.
Эта нагрузка должна вызываться для отображения одним действием оператора.
Полная нагрузка представляет информацию обо всех объектах карты, имеемую в памяти. Она содержит стандартную нагрузку и другую информацию, включающую:
- значения глубин;
- подводные кабели и трубопроводы;
- маршруты паромов;
- элементы всех отдельных опасностей;
- детали навигационных средств;
- содержание предупреждений мореплавателям;
- дату издания ЭК;
- геодезические датумы, и т. д.
Названные компоненты карты могут быть распределены по классам объектов для возможности отображения этих классов в отдельности.
Для примера на рис. 4 представлены карты соответственно с базовой, стандартной и полной нагрузкой.
SRNC – это база данных, полученная в результате преобразования RNC и корректур к ней в RCDS с помощью соответствующих средств.
Упрощенные ЭК
Упрощенной ЭК обычно называется схематическое изображение на экране дисплея местности в определенной проекции, не эквивалентное официальной БНК и не удовлетворяющее требованиям к безопасности мореплавания. Упрощенные ЭК получаются разными способами, например, с помощью кодирующих планшетов – дигитайзеров (chart digitizer). Также для этой цели применяются программные средства для составления дополнительных слоев информации – карт и схем пользователя.
Рекомендуется к прочтению: Современные технологии в навигации судов
Карты и схемы пользователя. Карта пользователя – это созданная самим судоводителем в виде независимого слоя картографических данных ЭК, предназначенная для применения при планировании и выполнении переходов. Схема пользователя представляет собой слой тех или иных элементов для наложения на ЭК с определенной целью. В качестве примера таких слоев можно назвать схемы объектов для ручной корректуры ENC, для подъема карт и другие. Строятся карты и схемы пользователя с помощью специального графического редактора и библиотек символов для них. Пользовательские слои не привязаны к конкретным картам. Их можно увидеть как отдельно, так и поверх любой карты, если координаты элементов этих слоев находятся на ней. Накладывать на карту одновременно можно и несколько слоев оператора.
При построении карт названный редактор обычно позволяет:
- выбрать слой для редактирования;
- создать новый, переименовать, удалить, импортировать, экспортировать слой;
- экспортировать несколько слоев;
- нанести символ, окружность (сектор), линию, район, текст;
- редактировать геометрию объекта;
- добавить, удалить, переместить, вставить точку (символ, окружность, вершину линии, района или базовой линии текста);
- замкнуть контур района, ввести внутренние контуры;
- отменить/повторить предыдущее действие.
Процедура создания карты пользователя состоит из четырех этапов:
- выбор категории и типа объекта;
- присвоение объекту атрибутов;
- нанесение объекта;
- сохранение карты.
Могут использоваться такие категории объектов как:
- символы (Symbols);
- линии (Lines);
- текст (Text);
- глубины (Depth);
- окружности (Circles);
- координаты (Coordinates).
Символы объектов содержатся в специальной библиотеке, показываемой на экране в виде таблицы. На рис. 5 приведен пример отображения части такой таблицы в ECDIS «NS4000». Для просмотра всей таблицы применяется прокрутка.
Атрибуты используются для выбора:
- шаблона,
- размеров,
- цвета,
- характеристик объекта.
В ECDIS объекту пользователя может присваиваться признак «Опасность». В процессе перехода при приближении к этому объекту вырабатывается соответствующее оповещение.
Линии могут выбираться различных видов:
- прямые,
- ломанные,
- криволинейные,
- разной толщины,
- непрерывные,
- штриховые,
- штрих-пунктирные.
Категория «Text» предназначена для занесения текстовой информации и заметок судоводителя, а категория «Depth» – для ввода значений глубины. Категория «Coordinates» служит для обеспечения табличного ввода координат объектов.
Созданная карта сохраняется в памяти с присвоением ей соответствующего названия. В системе может быть много слоев таких данных. Практически на экран одновременно более двух слоев не выводится. Объекты одного слоя данных при необходимости могут быть объединены с элементами другого слоя, и помещаться в файле с присвоенным новым именем. Карта пользователя может содержать и файлы с гиперссылками, включая фотографии и документы.
Графический редактор применяется и для модификации созданных карт пользователя.
Элементы и характеристики морских электронных карт
Основные виды данных и составные части карт
Морские навигационные карты включают разнообразные данные, которые обычно делят на три основных типа:
- пространственные,
- описательные,
- и метаданные.
Пространственные данные представляют положение и форму картографических объектов, и их связи. Описательные данные содержат сведения о свойствах, характеристиках картографических объектов, заметки для мореплавателей и т. д. Метаданные – это общие сведения о наборе пространственных и описательных данных карты или Навигационные карты и пособияколлекции карт. Метаданные карты могут включать:
- идентификатор выпускающего карту агентства;
- дату ее издания;
- масштаб;
- горизонтальный и вертикальные датумы;
- единицы измерения высот и глубин и т. д.
Различают следующие основные части навигационной карты:
- математическая основа;
- картографическое изображение;
- легенда карты.
Математическая основа карт – это математические правила, по которым строятся карты (масштаб и картографическая проекция).
Картографической проекцией называется математически определенный способ отображения поверхности земного эллипсоида на плоскости. Эта проекция устанавливает аналитическую зависимость между географическими координатами точек земного эллипсоида и прямоугольными координатами тех же точек на карте. При построении навигационных ЭК на экране ECDIS обычно используются проекции:
- нормальная Меркатора (НПМ) для широт в диапазоне 0-85°;
- поперечная Меркатора (ППМ) – 80-90°;
- стереографическая – 80-90°.
За главную параллель карты в НПМ обычно принимается параллель, проходящая через центр экрана. Выбираемый в НИС масштаб изображения определяет масштаб карты по этой параллели.
Масштаб. Подробность навигационных карт зависит от их масштаба. Масштаб, которому соответствует содержание ЭК, называется ее оригинальным масштабом. Масштаб, в котором карта показывается на экране дисплея, именуют масштабом ее отображения. Для удобства пользования ЭК отображается в масштабе, соответствующем преобладающим обстоятельствам и условиям плавания.
Представление на мониторе карты в более крупном масштабе, чем оригинальный, называется перемасштабированием (overscale). Следует иметь в виду, что при перемасштабировании карта может оказаться недогруженной, т. е. недостаточно подробной. Поэтому о случаях перемасштабирования системы с ЭК обычно сообщают индикацией. Районы с перемасштабированием на экране ECDIS могут быть выделены штриховкой вертикальными линиями (рис. 6).
Отображение на дисплее карты в масштабе меньшем оригинального называется недомасштабированием (underscale). Если не принимаются специальные меры, так называемая генерализация (обобщение), то при недомасштабировании векторная ЭК может стать перегруженной информацией.
Под генерализацией (Generalization) изображения VNC понимается процедура, с помощью которой при недомасштабировании отдельные КО показываются упрощенно, либо не отображаются, в соответствии с используемым масштабом, чтобы избежать перегруженности карты. Генерализация позволяет выделить главные объекты или их характеристики, которые должны быть помещены на карте, и отбросить второстепенные, мешающие восприятию главных. Основными методами генерализации являются:
- отбор изображаемых объектов;
- упрощение рисовки контуров;
- укрупнение характеристик объекта и др.
В НИС применяется автоматическая генерализация, называемая также алгоритмической. Она представляет собой формализованный отбор, сглаживание (упрощение) или фильтрацию изображения в соответствии с заданными алгоритмами и формальными критериями. Согласно стандарту IHO S-57 в ENC для возможности выполнения системой ECDIS генерализации обычно применяется атрибут SCAMIN (Scale Minimum – минимальный масштаб). Он добавляется в записи КО к их атрибутам. SCAMIN определяется производителем ENC. Объект или его характеристика показывается в ECDIS, когда масштаб отображения карты больше или равен SCAMIN. Некоторые пространственные объекты могут не включать атрибут SCAMIN. К ним относятся, например, элементы базовой нагрузки ENC. Применение характеристики SCAMIN позволяет требуемым образом уменьшать нагрузку карт при недомасштабировании и имеет существенное значение для обеспечения наглядности отображаемой карты.
С изменением масштаба ЭК связаны понятия наибольшего и наименьшего масштабов ее отображения. Наибольший (наименьший) масштаб ЭК – это значение самого крупного (мелкого) масштаба, в котором в системе может представляться определенная карта.
Что такое картографическое изображение?
Картографическое изображение – это условно-знаковое представление объектов и явлений района карты в выбранной проекции. Условные обозначения можно промотреть в ECDIS, вызвав на отображение Карту №1.
Она является частью S-52 Библиотеки презентации для ECDIS (БПДЭ) и распространяется в виде графиков и таблиц на бумаге, а также в виде цифровых файлов ENC 0.000. Меню, используемые для работы с картой №1 в ряде ECDIS, показаны на рис. 7.
Объекты, относящиеся к одному из разделов меню, представлены на рис. 8.
Легенда карты включает общую информацию, относящуюся к отображаемым на экране районам. Примеры легенды карт, вызываемых на отображение в ECDIS «FEA-2107» Морская навигация и подробные инструкции работы устройств EPIRB и Furuno GP-150компании Furuno, показаны на рис. 9.
Обычно легенда карты ENC включает в себя:
- единицы измерения глубин и высот;
- масштаб изображения;
- указание о достоверности данных;
- горизонтальный и вертикальные датумы карты;
- значения безопасной глубины и безопасной изобаты;
- величину магнитного склонения;
- дату и номер последнего из NtMs, относящегося к карте;
- дату издания ENC и ее номер;
- наименование проекции карты.
Геодезические датумы карт
Горизонтальные геодезические датумы карт. Для отсчета координат КО используется та или иная референцная система, основой которой является геодезический датум. Под датумом понимается совокупность параметров, которые характеризуют референц-эллипсоид и его расположение в теле Земли. Имеется три типа геодезических датумов:
- горизонтальный,
- вертикальный,
- и комбинированный (горизонтальный с вертикальным).
Горизонтальный датум представляется 8-ю параметрами:
- два из них описывают размеры референц-эллипсоида;
- три другие определяют позицию центра эллипсоида относительно выбранного центра Земли;
- остальные характеризуют ориентацию трех осей эллипсоида относительно выбранных осей Земли.
Широта и долгота объекта (в том числе и судна) на БНК или ЭК напрямую зависят от горизонтального датума этих карты. Одна и та же точка на Земной поверхности в разных датумах имеет неодинаковые координаты, причем отличие между ними может превышать сотни метров. На такую же величину может увеличиться погрешность в определяемом по GPS положении судна при нанесении его на карту, если не учитывать датум. Таким образом, неучет датума карты при определениях по GPS может привести к ошибке, превышающей 1 000 м.
Будет интересно: Судовые навигационные эхолоты
Чтобы избежать больших погрешностей определений, датум, в котором предоставляет координаты приемоиндикатор GPS, должен быть таким же, как и на карте. Для этого в приемоиндикаторе GPS обеспечивается возможность выдачи координат в разных датумах. Однако и здесь необходимо помнить, что представление в GPS данных в датуме, отличном от WGS-84, может увеличить погрешность определений на десятки метров из-за возможных ошибок пересчета координат из одного датума в другой.
Различают локальные, региональные и всемирные геодезические системы координат. Локальные датумы соответствуют небольшим участкам земной поверхности. В качестве примера можно привести датум «Bissau Base North West and Pillar». Региональные геодезические системы относятся к обширным районам Земли. Примерами таких систем являются:
- Советская 1942 года (Pulkovo 1942);
- Европейский датум 1950 года (ED50);
- Британская система 1936 г;
- Токийский датум;
- Индийский датум;
- Новый североамериканский датум 1983 г. (NAD83 – New North American Datum of 1983).
Горизонтальный датум, относящийся к территории государства, называется государственным или национальным. Всемирный (глобальный) датум определяет геодезическую систему координат для всего земного шара. Глобальными, например, являются американский датум WGS-84 и российский PE90 (по-русски – ПЗ90).
Преобразование координат КО из одного геодезического датума в другой называется конвертированием (трансформацией) датумов. Для такого преобразования созданы различные программные средства (например, MADTRAN и GEOTRANS-2). Для трансформации различных датумов в WGS-84 и обратно рекомендуется использовать публикацию IHO S60 – «User’s handbook on Datum transformations involving WGS-84», 3-е изд., 2003 г. Для пересчета широты, долготы и высоты над эллипсоидом из одного датума в другой нередко пользуются формулами профессора М. С. Молоденского.
Наличие большого количества горизонтальных датумов и возможные ошибки пересчета из одного датума в другой требуют применения в мире единой системы отсчета горизонтальных координат. В качестве такого датума выступает WGS-84.
Вертикальные геодезические датумы. Вертикальный датум – это уровенная поверхность, с которой соотносятся высоты и/или глубины и/или береговая черта на карте. На навигационной карте такой датум может быть один (общий для высот, глубин и береговой линии), два (отдельно для высот с береговой чертой и для глубин) либо три (отдельно для высот, для глубин, для береговой черты). Вертикальный датум для батиметрических данных называется нулем глубин карты.
Для отсчета высот топографических объектов обычно используется поверхность геоида, которая проходит через точку начала отсчета высот, закрепленную на высоте среднего уровня моря.
Для измерения глубин и высот осыхающих объектов применяются нули глубин карты, соответствующие тому или иному уровню моря (для морей с приливами – обычно уровни малых вод).
Характеризуя вертикальные датумы, следует отметить, что средние уровни моря в разных Характеристика планеты Земля: краткий обзор и влияние на навигациюместах Земли представляют поверхность геоида. Она имеет возвышения и понижения относительно референц-эллипсоида, величина которых может достигать 100 м. Поэтому единым на Земле вертикальным датумом рационально считать геоид. Однако, следует учитывать, что уровень моря подвержен постоянным колебаниям, вызванным приливами и отливами, атмосферным давлением, ветром и другими факторами.
Национальным картографическим агентством ВМС США (NIMA) были определены с точностью до 1 метра значения вертикальных отклонений геоида от эллипсоида WGS-84 с шагом 0,25° по широте и долготе, и получен первый основанный на геоиде (Earth Geoid Model – EGM) комбинированный датум – WGS84-EGM96 для отсчета горизонтальных и вертикальных координат. Важно отметить, что значения, полученные в рамках этой модели, представляют собой средние значения, не учитывающие краткосрочные колебания уровня моря. Приливы и отливы влияют на проведение гидрографических работ, определяющих точные высоты в прибрежных зонах.
Форматы данных электронных карт
Формат данных представляет собой набор правил, соглашений, стандартов для записи и хранения информации. Форматы, используемые для представления данных в файлах, делятся на:
- текстовые,
- графические,
- и комбинированные.
Для пространственных данных ЭК применяются графические форматы: растровые и векторные.
Растровый формат – это формат для записи и хранения графического изображения в виде матрицы точек (пикселей). Навигационные ЭК, для записи и хранения изображений которых использованы растровые форматы, получили название растровых навигационных карт. В файле такой карты вид района представлен в растровом виде, а надписи (метаданные), относящиеся ко всей карте, хранятся в символьном формате. Так, для растровых карт UKHO применило специальный формат ARCS. Он также обозначается HCRF (Hydrographic Chart Raster Format). Гидрографические службы США и Канады выпускают растровые карты в формате BSB. Формат австралийских RNC получил название Seafarer. Свои форматы имеют и растровые карты других ГО и частных организаций.
Векторный формат – формат для представления графического изображения в файле с помощью простых геометрических объектов (геометрических примитивов):
- точек,
- линий,
- площадных объектов.
Векторные форматы состоят либо из описаний примитивов, либо включают в себя набор инструкций, команд для их построения. ЭК, для записи и хранения пространственных данных которых применяются векторные форматы, именуют векторными картами. В файлах векторных карт довольно часто описательная информация тесно увязана с пространственными данными. Компания «Transas» использует для своих VNC формат ТХ-97. Компания «Jeppesen Marine» (в прошлом «С-МАР») представляет свои VNC в формате СМ-93/3. Различают векторные форматы для обмена картографической информацией и для использования внутри НИС.
Для обмена официальной векторной картографической информацией между ГО и для передачи таких данных изготовителям навигационных средств, морякам и другим пользователям основным форматом является S-57 версия 3.1. Однако данные ENC в этом формате легко могут подвергнуться несанкционированному изменению и копированию. Поэтому IHO определило схему защиты ENC шифрованием и формат S-63 для передачи этих карт в защищенном виде.
Формат S-57 имеет много хороших сторон, но в нем есть и ограничения, так как этот стандарт:
- разработан для удовлетворения требованиям IMO и IHO к ENC и ECDIS;
- не обладает гибкостью и открытостью;
- не способен поддерживать многие виды данных;
- не может использоваться в широком диапазоне приложений;
- сосредоточен исключительно на производстве и обмене данными ENC.
Морская отрасль начинает переходить на новый стандарт S-100 «IHO универсальная гидрографическая модель данных», который вошел в действие в 2010 году. Он расширяет функциональность стандарта S-57 путем создания более гибкой и богатой структуры данных. Для отдельных цифровых продуктов:
- IHO (от S-101 до S-199);
- IALA (от S-201 до S-299);
- IOC (от S-301 до S-399),
и другими организациями (от S-401 до …) разрабатываются конкретные спецификации, использующие модель данных S-100, например:
- IHO S-101 – электронных навигационных карт;
- IHO S-102 – батиметрических карт;
- IHO S-103 – подводной навигации;
- IALA S-201 – информации AtoN;
- IALA S-20x – между VTS формат обмена;
- IEHG S-401 – ENC внутренних водных путей;
- JCOMM S-411 – морского льда;
- JCOMM S-412 – океанских метеопрогнозов.
Спецификация S-101 была одобрена IHO в 2011 г. и стала доступной для применения в 2013 г. Первые ENC в формате S-100/S-101 появились в 2014 г.
Формат S-100/S-### поддерживает большое разнообразие видов информации:
- графические образы и сеточные данные;
- 3D изменяющиеся во времени данные и новые приложения, которые лежат вне области традиционной гидрографии.
Он допускает изменения, что позволит основному стандарту расширяться без введения его новых версий, а также дает возможность использования сетевых услуг (веб-сервисов) для:
- получения,
- обработки,
- анализа,
- доступа,
- и представления информации.
Следует отметить, что ENC в стандарте S-100/S-101 пока не заменят S-57 ENC, но будут дополнять их, по крайней мере, до 2020-2030 г. Ряд используемых для передачи данных ЭК форматов представлен на рис. 10, где Mapmedia – формат растровых карт фирмы «MapMedia».
Внутрисистемные форматы данных. Следует подчеркнуть, что формат S-57 создан специально для обмена цифровой картографической информацией, а не для целей синтеза карт в НИС. Ввиду определенных неудобств работы с форматом S-57 внутри ECDIS при выполнении ее операций, производители этих систем свободны, согласно публикации IHO S-52, создавать для данных SENC свои внутрисистемные форматы, соответствующие задачам, решаемым конкретной ECDIS. Внутрисистемные форматы называют также форматами SENC. Отметим, что IHO разрешило распространение данных ENC в формате SENC, используемом производителем ECDIS в своих системах.