MVCF标准到S―57标准海图的转换方法研究

【摘要】深入研究MVCF和S-57数字海图传输标准的数据模型、数据结构和数据存储，并分析对比两套标准的差异。在此基础上提出了MVCF标准海图向S-57标准海图转换的三个核心问题――BJ-54大地坐标到WGS-84大地坐标转换、空间矢量数据拓扑重构和地理物标匹配，以这三个核心问题为关键环节设计了从MVCF标准到S-57标准海图的总体转换模型，并提出相应的解决方案和实现方法，为实现从MVCF标准到S-57标准海图的转换提供了重要理论基础。

【关键词】数字海图;MVCF标准;S-57标准;数据转换

Research of Chart Data Conversing From MVCF to S-57 Format

Automation College Harbin Engineering University ZHAO Yu-xin ZHOU Wei-min

Abstract：Research data model，data structure and data storage of the MVCF and S-57 digital chart transfering standard.Analyze the differences of two suits of standards.Summarize three kernel problems in the data conversing from MVCF chart to S-57 chart，that is coordinating conversing from BJ-54 coordinating to WGS-84 coordinating，topological establishment of spatial vector data and automatic matching of geographic objects.Base on the three kernel problems designed model of the data conversing from MVCF to S-57 standard.Bring forward solutions and realization methods of the three kernel problems.These solutions and methods provide theory foundation for data conversing from MVCF to S-57 Format.

Keywords：digital chart;MVCF standard;S-57 standard;data conversion

MVCF（military vector chart format）是我国军用电子海图系统使用的海图格式。S-57是国际海道测量组织推出的数字海图传输标准。近年来推广应用S-57标准已成为国际共识[1]，我国相关科研院所也正在研制S-57标准电子海图系统。在MVCF标准到S-57标准的过渡期内，MVCF海图仍是主要的矢量海图数据源，因此如何解决S-57标准电子海图系统兼容MVCF海图已成为S-57电子海图系统研制的一个技术难点。目前解决GIS空间数据共享最直接、最有效的方式就是格式转换[2]，因此解决S-57标准电子海图系统兼容 MVCF海图的最佳可行方案就是将MVCF海图转换成S-57海图。本文通过分析MVCF标准与S-57标准之间的差异，提出MVCF海图到S-57海图的转换模型，并讨论了转换中的核心问题，为实现MVCF海图到S-57海图的转换提供了重要的理论基础。

1.MVCF与S-57标准差异分析

1.1 MVCF标准数据模型分析

MVCF标准数据模型把地理实体抽象地用点、线和面（多边形）三个基本几何特征形态来表示。每个地理实体类型用空间信息和属性信息的组合来描述[3]。MVCF标准将所有海图要素按类型分成29层。

该模型中空间信息采用无拓扑的矢量数据结构存储，其数据结构简单，数据冗余度大。

该模型对地理实体的抽象层次是首先将海图要素分成29层，然后又在每层中按点类、线类和面类进行划分，最终将所有海图要素划分为600类。

同层要素的属性信息由相同的属性项组成，其中最重要的一个属性项是“编码”属性项，该属性值是要素编码，用于标识MVCF模型中的要素具体类型。

1.2 S-57标准数据模型分析

S-57标准数据模型将地理实体定义为特征物标和空间物标的组合。特征物标由它与一个或多个空间物标的关系定位，可以不参照空间物标存在，但每个空间物标必须参照一个特征物标[4]。特征物标之间也可有相互参照关系，以指示它们之间的相互联系[4]。

该模型将空间物标分为点、线和面（多边形）三类，并采用链节点级拓扑矢量数据结构存储。由于存储拓扑关系，使其矢量数据结构相对复杂，但空间数据冗余度小[5]。

该模型定义了元物标、制图物标、地理物标和集合物标四类特征物标，其中元物标12种，制图物标5种，集合物标13种，地理物标159种。它的物标又由S-57物标属性集组合而成，S-57标准定义各类物标属性共198种。

1.3 MVCF与S-57标准差异对比

MVCF标准和S-57标准在元数据、数据模型、数据结构和数据存储上都存在差异，而最重要的差异体现在元数据、地理实体抽象，矢量数据结构和数据存储组织四个方面。这四方面的差异也是实现从MVCF海图到S-57海图转换的难点。

（1）元数据差异

元数据差异主要就是空间矢量数据使用的大地坐标系和海图投影不同。

MVCF标准空间矢量数据使用BJ-54坐标系和墨卡托投影，坐标单位为毫米。

S-57标准空间矢量数据使用WGS-84坐标系，并且不使用投影，坐标单位为弧度。

（2）地理实体抽象差异

MVCF标准对地理实体的抽象是简单地对纸制海图符号的一一映射[1]，所以MVCF海图要素的类型主要由要素编码属性项决定，海图要素的其它可选属性项较少，这也导致MVCF海图要素的编码多达600多个。

S-57标准对地理实体抽象是面向对象的。模型首先对地理实体粗粒度地抽象出159种地理物标类，地理物标类的细化由物标的属性组合表达。S-57物标属性定义总共约有198种。

MVCF标准与S-57标准对地理实体的抽象差异如表1所示。

表1 地理实体的抽象差异

Table 1 Difference of geographic object abstract

MVCF标准 S-57标准

设计思想 符号映射 面向对象

是否分层 分层 不分层

实体类别 细粒度 粗粒度

类别数量 600 159

实体属性 粗粒度 细粒度

属性数量 4～5 10～20

（3）空间数据结构差异

MVCF标准采用无拓扑的矢量数据结构，而S-57标准采用链节点级拓扑矢量数据结构。拓扑矢量数据结构比无拓扑矢量数据结构相对复杂[5]。

（4）数据存储组织差异

MVCF标准与S-57标准采用完全不同数据存储组织方式，具体差异如表2所示。

表2 数据存储组织差异

Table 2 Difference of data storage

MVCF标准 S-57标准

基本单元 空间记录

属性记录 空间物标

特征物标

元数据 控制文件 制图物标

属性数据 独立存储 合并存储

空间数据 独立存储 合并存储

索引文件 有 无

属性与空间记录关联方式 按记录序号对应

关联 文件内部指针关联

要素索引方式 按空间记录索引 按特征物标索引

海图文件 多个、分层 1个

2.数据转换模型

数据格式转换模式是传统GIS数据集成方法，在这种模式下，其它数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后，复制到当前系统中的数据库或文件中[2]。这是目前GIS系统数据集成的主要办法[2]，它是在GIS系统外部进行的转换，所以这种模式可以在不改变原系统的基础上共享新的数据源。

数据格式转换模式主要存在的问题是：由于缺乏对空间对象统一的描述方法，从而使得不同数据格式描述空间对象时采用的数据模型不同，这将导致转换后不能完全准确表达源数据的信息[6]。

MVCF和S-57两种数字海图标准虽然在地理实体模型、矢量数据结构、数据存储方式上存在很大差异，但它们描述的对象都是与水文相关的真实世界实体，所以两种标准的转换理论上是可行的。

通过研究分析MVCF和S-57两套标准差异得出将MVCF海图转换成S-57海图主要解决以下三个核心问题：

（1）MVCF标准使用的BJ-54坐标系到S-57标准使用的GWS-84坐标系的转换;

（2）MVCF标准的无拓扑矢量数据到S-57标准链节点级拓扑矢量数据结构的拓扑重构;

（3）MVCF要素到S-57物标的匹配。

上述三个问题是实现MVCF海图到S-57海图转换的三个核心环节。基于大地坐标系变换、链节点级拓扑重构和地理要素匹配三个核心环节，本文提出了MVCF标准到S-57标准海图的转换模型，如图1所示。

图1 MVCF到S-57海图转换模型

Fig.1 Model of conversing from MVCF to S-57

3.数据转换核心问题的解决方案

3.1 BJ-54到WGS-84坐标变换

BJ-54大地坐标到WGS-84大地坐标的转换流程如图2所示。大地坐标与空间直角坐标的相互转换有严密的数学转换模型，理论上不会影响转换精度[7]。BJ-54空间直角坐标到WGS-84空间直角坐标的转换比较复杂，也是影响转换精度的主要环节，一般都采用七参数模型。

图2 BJ-54到WGS-84坐标转换流程

Fig.2 flow of conversing from BJ54 to WGS84

典型的七参数模型是布尔沙-沃尔夫模型（B模型），模型描述如下：

设两空间直角坐标系为和。为相对于的位置向量，为三个轴不平行而产生的尤拉角，称为旋转参数。为尺度不一致而产生的改正。

（1）

式中为三个坐标轴的旋转矩阵。其中：

由于一般都很小，故可以展开后取一次项，则上式可简化为：

（2）

式（2）就是布尔沙模型。该模型认为任意一点的坐标都受平移参数，旋转参数和尺度参数的影响[7]。

七参数的获取途径主要是查取。由于转换参数精度取决于两套己知坐标本身的精度和确定转换参数的方程系数阵的逆阵，即公共点的几何分布。对于一个小区域，各公共点分布相对于地球半径和地球本身来说，是很靠近的。因此该方法要求公共点的分布范围较大、较广，一般适合国家或较大区域的坐标转换。目前，国家高精度A、B级GPS网成果己计算出我国不同地区的北京54、西安80坐标系统与WGS-84系统的转换[8]。所以，转换参数可在各地测绘部门查取。

3.2 空间链节点拓扑重构

空间链节点级拓扑重构主要解决MVCF使用的无拓扑矢量数据结构到S-57使用的链节点级拓扑矢量数据结构的转换。

MVCF和S-57标准的矢量数据结构都分为点、线和面三类。MVCF标准的点类可以直接转换为S-57标准的孤立节点，不需要拓扑重构;MVCF标准的线类要素和面类要素需要拓扑重构成S-57标准的链接节点和弧段。

海图中有大量线类和面类要素，拓扑关系复杂，不容易实现拓扑关系的自动生成。考虑到无拓扑空间矢量数据的冗余主要是相邻要素边界数据的重复存储，所以我们可以忽略线与面要素的相交拓扑关系，以简化拓扑重构。基于上述原因我们只重构线与线的拓扑和面与面的拓扑关系，不重构线与面之间的拓扑关系。

结合海图要素之间语义关联的特点，链节点拓扑重构的基本思路如下：

（1）提取线要素两端点作为链接节点，以这两个链接节点为起点和终点，将无拓扑的线要素转化成拓扑弧段。

（2）提取面多边形任何一点作为链接节点，已该链节点作为起点和终点，将面多边形转化成单一拓扑弧段。

（3）遍历海图要素，依据海图要素属性识别岛多边形面，删除出岛多边形的重复弧段。

（4）遍历海图要素，依据海图要素属性识别相交线，打断相交线弧段。

（5）遍历海图要素，依据海图要素属性识别相交面，打断相交弧段。

（6）遍历海图要素，依据海图要素属性识别相邻面，打断相交弧段，删除重复弧段。

在拓扑重构过程中，单独从几何角度识别海图要素之间的关系是比较复杂的，不易实现自动拓扑重构，我们在上述拓扑重构方案中提出对海图要素属性参考，例如，与海岸相邻的多边形只能是浅水区或深水区等。通过参考要素属性可以大大提高拓扑重构的速度和正确率。

3.3 地理物标匹配

MVCF标准与S-57标准对地理实体的抽象是在不同时期和不同理念下实现的，相互之间存在多层面，多交叉的复杂关系，这就使得地理物标匹配中存在地理物标对应的复杂性和多样性[9]。

两套标准都是对与水文相关的地理实体的抽象，主要差别在于物标和属性的定义角度、细化程度和表达方式，所以两套标准的地理物标可以通过分类对比、同类分析、目标拆分和目标组合的方法进行匹配。本文在深入研究MVCF标准数据字典和S-57物标及属性的基础上，给出了“地理物标匹配表”，如表3所示为部分示例。

表3 地理物标匹配表

Table3 Geographic objects matching table

MVCF编码 S-57物标 S-57属性

571001灯塔 LIGHTS COLOUR

571001灯塔 LIGHTS HEIGHT

571001灯塔 LIGHTS LITCHR

571001灯塔 LIGHTS SIGPER

571001灯塔 LNDMAR COLOUR

571001灯塔 LNDMAR CATLMK

571001灯塔 LNDMAR CONRAD

571001灯塔 FOGSIG CATFOG

571001灯塔 RADSTA CATRAS

571001灯塔 RTPBCN CATRTB

563201干出滩 DEPARE DRVAL1

563201干出滩 DEPARE DRVAL2

563201干出滩 SBDARE NATSUR

563201干出滩 DEPARE NOBJNM

551108沙质岸 COALNE CATCOA

551109砾质岸 COALNE CATCOA

551111岩石岸 COALNE CATCOA

少部分MVCF要素无法通过直接关联进行匹配，例如“港界”，MVCF用线类型要素表达，而S-57用面物标表达。这种情况只能通过向S-57标准中添加用户自定义物标类来解决。

4.结束语

本文对MVCF和S-57两套数字海图传输标准进行了深入研究，并对两套标准之间的主要差异进行了分析。通过分析研究，本文提出了由MVCF海图到S-57海图转换的三个核心问题，并以这三个核心问题作为关键环节提出了数据转换模型。本文也对数据转换的三个核心问题提出了相应可行的解决方案的实现方法。本文的研究为实现MVCF海图到S-57海图的转换提供了重要的理论基础。

参考文献

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作者简介：王奎民（1971―），男，博士研究生。