海图论坛▏美国《国家海图制图计划》研究

夏启兵等溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、前言

美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）成立于1970年，由海岸测量处、气象局、渔业局等机构合并组建而成。作为美国历史最悠久的综合性科研机构之一，其历史最早可追溯到1807年。NOAA组织机构非常庞大，职责范围涉及气象服务、海洋管理与测绘、大地测量、渔业管理、卫星服务等多个领域。在美国，NOAA是权威官方海道测绘机构，负责覆盖美国沿海和湖泊340万平方海里海域、95000英里海岸线的海道测绘工作。

由于海上导航技术、海图制作技术的快速发展，为NOAA提供了改进海图内容和效能的基础。2017年2月NOAA发布美国《国家海图制图计划》（National Charting Plan）草案，面向社会公众征求意见，2017年7月征求意见截止，来自专业航海人员、游艇、即需即印海图发行商、第三方数据提供商、软件开发人员等各类NOAA海图用户提出了不同意见建议。2017年12月1日，计划正式发布。

图1 美国《国家海图制图计划》

总体上说，《国家海图制图计划》是一项改善NOAA海图覆盖率、海图产品和海图发布的战略。该计划介绍了NOAA海上导航和海图生产的发展现状，提出了一些举措来为用户提供更实用、更及时、更安全的系列化产品。

二、NOAA海图生产和应用现状

从地理空间覆盖范围上看，NOAA生产的海图覆盖美国95,000英里海岸线及340万平方海里水域，涵盖美国沿海及五大湖区域。从图幅数量上看，NOAA海图系列超过1000幅，系列化海图较为完备。从海图产品形式上看，NOAA海图产品包括传统纸海图、即需即印海图、PDF版海图、栅格海图（NOAA RNC）、电子海图（NOAA ENC）和海图册等，形式较为丰富多样。从遵循标准体系上看，NOAA海道测量产品符合IHO相关海图制作和更新要求。

除了传统交付式产品，NOAA 还比较重视信息化产品服务。NOAA提供3种在线海图浏览器，分别是：ENC Viewer、RNC Viewer、Nautical Chart Viewer。其中，ENC Viewer和RNC Viewer分别提供全部NOAA矢量电子海图和栅格电子海图的无缝漫游、自适应比例尺显示功能，Nautical Chart Viewer提供单幅纸海图显示、标注功能。值得注意的是，NOAA所有海图产品的电子版本在www.nauticalcharts.noaa.gov网站都提供免费的自由下载。为帮助用户找到并下载需要的单幅海图，NOAA还专门提供了海图定位软件。而NOAA海图产品的纸质版本则可以从任何一个NOAA认证的海图代理商处购买。NOAA 电子海图ENC除了从NOAA自身海图网站下载，还可以从其他NOAA认证的发行者下载。ECS供应商、第三方数据提供商和其他用户也可以从NOAA RNC 瓦片服务下载免费更新的瓦片海图，这降低了用户需要此类服务时的技术门槛。NOAA每周更新这些瓦片覆盖的海图对应范围信息。

三、NOAA数据来源和海图更新

用于编辑和更新海图的数据来自多种来源。NOAA 国家大地测量处（NGS）提供水平和垂直方向控制数据，为摄影测量、雷达岸线测量以及海道测量提供控制基础。海岸测量处（HSD）负责水深，以及沉船、岩石和浅滩等危险物测量。商业调查公司和其他政府机构也向HSD提供海道测量数据，HSD负责对这些数据进行加工。NOAA 海洋学产品与服务中心（CO-OPS）提供潮汐和其他水位信息，以帮助确定岸线在海图参考基准上的位置。美国陆军工程兵部队（USACE）提供1500条以上联邦政府维护航道的深度和界线数据，以及其他港口完善工程信息，如鱼类避风港、倾倒区、弃置区、弃土区、禁区、管道区和架空电缆净空高等。美国海岸警卫队（USCG）为其九个海岸警备区各自出版一套航标表，包含所有美国海岸警卫队维护浮标、灯塔、灯浮标及一些私人航标的位置和属性。NOAA使用这些信息以及USCG当地航海通告来对海图进行每周更新。值得注意的是，当前非传统来源或众包测量的信息来源在不断增加。

NOAA每年更新海图超过20000次。新版本的电子海图、RNC、NOAA纸海图根据图幅自身情况每2-10年更新一次，较小比例尺海图和变化较少区域通常更新频次较低，但所有海图更新都是每周发布一次。过去，新版海图和海图更新之间存在重要差异，但海图制作、发行方法和导航技术的进步正在缩小这些差异。

建立新版海图源数据优先级策略，将海道测量新数据分为关键或常规两种优先级。关键数据包括可能对航行造成危险的任何变动数据，并应尽快通知海员。包括但不限于：航标位置或特征改变（浮标、灯塔、航标灯），新发现岩石、沉船、浅滩、或其他危险障碍物，以及航道位置或最小深度变化等。所有其他数据都划为常规数据，包括常规海道测量和海岸线调查产生的数据。

在美国政府2014年停止纸海图印刷之前，出版新版海图的两个主要驱动因素是：新版本的待定修正（关键和常规）的数量以及仓库中可用海图库存数量。通常，每个新版都印刷数千册，当前版本库存充足且无须大量改动时发布新版本优先级较低。

新版 NOAA 海图更新网站提供了海图更新查看器（Chart Updates Viewer），帮助用户获知哪些区域进行了海图更新，以便他们决定购买新海图还是手动改正已有海图。NOAA 每周提供更新版本的电子海图和光栅海图产品，通过推广海图更新查看器和纸海图按需打印服务，新版纸海图变得不再那么迫切，而且从本质上讲，目前客户任何时候都可以获取“新版本”纸海图了。

四、海图内容优化

根据《国家海图制图计划》，NOAA将对其海图内容进行大量优化性调整，主要包括以下几个方面：

一是规范电子海图等深线的单位。NOAA 除了 RNC 海图都采用英尺或英寻作为深度单位。然而，IHO电子海图产品规格要求深度必须采用米作为单位，因此NOAA自上世纪90年代创建美国第一幅电子海图以及随后的电子海图数据库建立过程中，都是采用英尺或英寻深度转换为米为单位来解决的，这就导致电子海图上的等深区数值不能取整，给ECDIS显示和船员使用带来一些问题。2018年，NOAA计划解决该问题，采用米制整数来重新编辑ENC等深区。

二是减少不必要的 ECDIS 报警和孤立危险物符号化。NOAA 将致力于提高数据编码方式，来降低不必要的ECDIS警报和指示。当船舶驶向浅滩、岩石或沉船等危险物时，ECDIS 基于船舶吃水和“安全等深线”设置来启动警报和其他指示，相应地电子海图显示也会自动变化以突出显示相关要素，例如，浅于安全等深线的深度区将会突出显示。这种机制有时会导致电子海图显示混乱，甚至引发不必要的警报。因此，NOAA 将对一些要素进行重新编码以解决该问题，例如，对深度未知的非危险沉船进行编码优化。

三是提高航道表信息及时性。目前，最小航道水深信息来源于美国陆军工程兵部队（USACE），这些信息通常以表格的形式显示在海图上，列出联邦维护航道各区段的最小深度。此外，相关信息也在USACE网站进行发布，但目前二者数据同步解决的不好。数据一致性和可用性的需求，导致USACE实施了全程航道数据报告程序“eHydro”，使用单一门户即可访问不同区域和项目的数据，促进航道表信息时效性提升。

四是优化海图上的报告、疑存和概位危险物表达。NOAA 海图上关于航行存在危险的大多数沉船、岩石、浅滩和其他危险物已经过精确测量和定位。然而，数千个未经核实或概位危险物仍然标注为“据报”、“疑存”或“概位”。虽然NOAA一直致力于调查清楚这些要素，但其中许多已经在海图上表达了几十年，要回溯相关信息需要一个过程。目前，NOAA 正在重新部署测绘资源，以优先调查和解决高密度交通海域的这些不确定要素问题。

五是进一步支撑海上界线管理方面的需求。1970年成立的美国基线委员会精确地界定了美国海岸线的位置和性质。该委员会采用NOAA海图的平均低低潮线(MLLW)来建立基线，进而确定其他各类海洋界线。NOAA 负责在海图上表达下列三种海洋边界：领海水域（12海里）、毗连区（24海里）和专属经济区（200海里）。未来，NOAA 将进一步提升工作效率，更及时在海图上反映岸线变化，更好支撑美国基线委员会相关工作。

五、海图图幅和海图比例尺重新设计优化

早在上世纪90年代初，美国就开始从纸海图数字化并创建第一幅NOAA电子海图内容。每幅电子海图图幅边界直接采用了对应纸海图的边界。这导致目前NOAA 电子海图集包含1226个形状不规则的单元，以及涉及131个不同比例尺。在过去，NOAA 每个ENC单元在其独立数据库内维护，使得ENC图幅重设计较为困难。然而，目前所有NOAA电子海图数据都采用一个统一、无缝的航海信息系统（NIS）进行管理，因此具备了重新设计优化的条件。

下一步，NOAA将计划采用具有标准比例尺和单元大小的格网系统对电子海图 ENC 图幅进行重新规划，不再采取和纸海图一致的方式定义图幅范围。NOAA计划2018年发布电子海图图幅重规划方案并将面向社会公众征求意见。

海图产品被设计为在特定的比例尺下使用，但当前NOAA 栅格海图和电子海图有131种比例尺之多，在下一步图幅重新优化调整过程中海图标准编辑比例尺数量将被控制在20种之内，这些比例尺的选择将符合 S-57和 S-101标准的推荐比例尺。

图2 当前海图分幅示例

图3 未来的海图分幅示例

六、相关启示

一是积极采取“众包”测量模式，将非传统“众包数据源”纳入海道测量数据源，有助于集约社会资源、扩展海道测绘覆盖范围，加快构建全域化海道测绘生产体系。当前，全球海道测量机构都在重新思考众包型测深模式，2014年10月NOAA带领美国代表团参加第5届IHO特别大会，会上美国与法国共同倡议海道测量业界正式认可众包型测深模式作为海图数据源，该倡议的结果之一就是IHO专门改组下设工作组，成立IHO众包测深工作组（IHO CSBWG），有针对性地研究众包测深原则、指南和经验。这些值得引起我国海道测量部门注意，并开展相关的跟踪和研究，结合我国具体情况开展相关政策法规研究、数据标准研究和生产装备研制。

二是NOAA的产品服务体系处处体现了以用户需求为中心的服务理念。比如，在工作计划调整、产品使用方式等各个方面都注重广泛征求用户意见，积极发动用户参与，更加贴近用户的真实需求。为此，甚至还专门研制推广用户意见采集系统。此外，不断从数据时效性、数据精细化、数据合理性、图幅设计等各个方面不断优化、打磨产品，体现了海图工匠精神。NOAA海图产品和服务体系的服务理念、具体举措以及某些技术细节处理，都值得我国海道测量部门借鉴和吸收，为海道测绘“供给侧”改革提供参考。

三是NOAA一直在不断拓展业务领域，提供相应产品和服务以支持非传统用户领域的需求。例如，为美国基线委员会提供海洋界线管理相关的支撑，为游艇和小船制作定制化海图，为岸基应用提供瓦片化海图服务等。这些也值得我国海道测量界借鉴，扩展民用海道测绘产品体系，丰富产品种类和应用模式。

【作者简介】文/夏启兵王玉林马敏，来自北海航海保障中心天津航测科技中心；第一作者夏启兵，男，1977年6月出生，北海航海保障中心天津航测科技中心通信技术室主任，主要从事航海保障国际履约、电子海图应用、e航海等方面的研究；本文来自《中国海事》（2018年3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文编发取得了作者授权。