主要目的是将海洋及其毗邻陆地的自然和社会经济现象以图形图像方式模拟并传递给用图者。利用海上实测成果和其他制图资料,按照不同用户需求,制作成各种海图产品,为海上交通运输、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋工程建设、海洋环境保护、海上军事活动和海洋科学研究等提供海洋地理信息。
海图制图
研究绘制、出版、更新和应用海图的理论和技术。为海洋测绘学的分支。
- 英文名称
- marine cartography
- 所属学科
- 测绘学
现存最早的直接为海上活动服务的海图是1300年前后制作的地中海区域的波托兰(Portolan)海图。这种海图主要是为了满足航海的需要,图上详细标注出了海岸各要素,包括岛屿、岬角、港湾、浅滩等位置。波托兰海图的出现,标志着海图作为一个独立的地图种类的诞生。1405~1433年,中国明代航海家郑和(1371~1435)7次率船队通使西洋时,利用沿途水深测量和底质探测资料绘制了世界上现存最早的系统航海图集——《郑和航海图》。15~16世纪航海、探险事业的活跃,促进了海洋测绘技术的发展。1504年葡萄牙在编制海图时采用逐点注记的方法表示水深,这是现代航海图表示海底地貌基本方法的开端。1569年,荷兰地图制图学家墨卡托创立了等角正圆柱投影方法,被各国在海图编制中沿用至今。17世纪以后,海图覆盖的地理范围日益扩大,内容不断增加。从18世纪起,法国、丹麦、英国、西班牙、美国、俄国、日本、意大利、荷兰、巴西和阿根廷等国家先后成立了海道测量机构,开始对本国沿岸海区进行系统的海道测量和航海图编制出版工作。这一时期还出现了以等深线表示海底地貌的海图。19世纪,海洋测绘从沿岸海区向大洋发展,大洋测量资料不断增加,为编制世界大洋水深图提供了条件。1899年,在柏林召开的第7届国际地理学大会上决定出版《大洋地势图》,并于1903年出版了第一版。1921年,国际海道测量局成立后,在修订出版了新版《大洋地势图》的同时,还陆续出版了国际航海使用的国际海图(INT海图),并颁布了一系列相关国际标准,促进了全球海图制图事业的发展。
海图载体从羊皮纸、普通纸到专用海图纸和其他特种介质,其发展经历了几个世纪。绘图工具虽也有进步,且在20世纪50年代起采用刻图的方法制作海图,明显缩短了成图周期,但仍然没有摆脱手工作业。同时期,美国、德国等一些国家着手研究制图自动化方法,并在60年代取得了进展。70年代起,一些发达国家已开始采用机助制图方法编制海图。中国在80年代末用机助制图方法绘出了第一幅实用的航海图。机助制图技术研究成功是海图制图技术发展史上的一个里程碑,它标志着海图制图技术从此由模拟阶段逐步跨入数字化阶段。自80年代起,国内外海图制图技术已全面进入数字化阶段,海图产品也摆脱了以单一纸质海图为主的形式,出现了数字海图和纸质海图并重发展的新局面。21世纪起,海图制图向着信息化阶段迈进,海洋地理信息服务的能力和水平将得到极大提升。
主要包括海图发展史、海图分类、海图内容、海图编制、海图出版、海图更新、海图应用和海图标准化等。从国内外发展趋势看,航海书表编制、出版和更新也已纳入海图制图范畴。另外,作为贯穿海图制图全过程的海图质量控制,日益受到重视,已成为海图制图的一项重要内容。
分为世界海图发展史和中国海图发展史两大部分。世界海图发展史可细分为古典文化时期海图、中世纪海图、地理大发现时期海图、自由资本主义时期海图和现代海图等部分。中国海图发展史可分为早期海图、明代海图、清代海图、民国时期海图和中华人民共和国成立后海图的发展等部分。各部分的内容可做进一步的划分。例如,世界海图发展史中,古典文化时期海图部分可包括海图的起源、原始阶段的海图,以及古希腊和罗马时期的海图等内容。中国海图发展史中,中国早期海图部分可包括产生海图的前提、早期有关海图的记载和现存最早的古海图等内容。
早期的海图种类比较单一,随着海图制图事业的发展,海图的种类得到了极大的丰富,并形成了不同的分类方案。①按用途分成航海图、通用海图和专用海图。其中,由于航海图在所有海图中处于优势地位,因而对其所进行的分类研究也最为深入。例如,国际海道测量组织(IHO)在相关电子航海图标准中,将航海图按用途进一步划分为总图、通用图、沿岸图、进港图、港图和泊位图等类别。中国海图出版部门将航海图划分为基本类型和其他类型两大类。其中,基本类型再划分为海区总图、航行图和港湾图。而航行图又进一步划分为远洋航行图、近海航行图、沿岸航行图、狭水道航行图和江河航行图。其他类型包括大圆航线图、空白定位图和参考海图。②按内容分成普通海图和专题海图。③按比例尺分成大比例尺海图、中比例尺海图和小比例尺海图。④按地域分成世界大洋全图、大洋图、海区图、水道图和港湾图。⑤按投影分成墨卡托投影海图、高斯-克吕格投影海图、日晷投影海图和其他投影海图。⑥按介质类型分成纸质海图和数字海图等。⑦按使用对象分成军用海图、民用海图等。⑧按印色数分成单色海图、多色海图或彩色海图。⑨按使用方式分成桌面用海图、挂图和屏幕海图。
一般分为数学基础、地理要素和辅助要素等三大类。①数学基础。海图投影及与之有关的坐标网、基准面、比例尺、大地控制网等要素。其中,与地图相比,海图的数学基础在以下两方面存在显著的差别:一是与地图在基准面上仅有高程基准不同,海图上通常同时存在高程基准和深度基准;二是在投影选择上,大多数海图均采用将等角航线描绘为直线的墨卡托投影。②地理要素。海图描述的对象,包括自然要素及社会经济要素,但不同种类的海图其内容有较大区别。例如,航海图着重表示与航海有关的各种要素,如海岸,海底地貌,天然和人工障碍物,助航设备,海洋水文、气象,陆地地貌,人工地物和天然地物,水系及附属物,居民地,交通网及附属设施,区域界线和境界线等要素。海底地形图详细而全面地表示海陆各种地理信息,包括海岸,海域的干出滩,海底地貌,礁石、沉船等海底地物,灯塔、浮标等航行标志,海流、潮汐等水文要素,海洋生物,各种管线和海洋区界等;还表示陆地的地貌、水系、居民地、道路网、土壤植被、境界线等。海洋专题图着重表示某种或某几种专题要素。③辅助要素。帮助读者读图和用图的要素,如图廓外的接图表、图例、图名、图号、出版单位、出版时间及图内的对景图、潮信表、潮流表、单位换算表、文字说明等。
海图制图的核心内容。包括设计和制作海图出版原图等。其作业过程通常分为编辑准备、原图编绘和出版准备三个阶段。
编辑准备阶段。主要任务是:①确定制图区域范围和数学基础。②确定海图的分幅、编号和图幅配置。③研究制图区域地理特点。④分析、评价和选择制图资料,确定制图资料的使用程度和处理方法。⑤确定海图内容选取指标、综合原则与表示方法。⑥制定原图编绘和出版准备工作的技术性指导文件。
原图编绘阶段。主要任务是进行新海图制作。具体内容包括:①投影计算、数学基础展绘,以及制图资料加工和处理。对于各种测量成果图件和海图等纸质制图资料,在对其进行扫描、配准、误差改正和矢量化等处理之后,还要根据制图资料的具体情况,进行坐标系换算、基准面转换、投影变换、拓扑关系生成和符号化等处理。而对于各种测量成果数据、数字海图数据等数字制图资料,除了要视情进行坐标系换算、基准面转换和投影变换等处理之外,还要进行数据格式转换、要素编码转换、拓扑关系生成(或重构)和符号化等处理。②海图制图综合处理。即对各要素内容进行选取、图形概括(综合)和关系协调处理。这是海图编制的核心内容,虽然总体上与地图制图综合基本一致,但对于航海图的编制,为确保船舶航行安全,在对相关要素进行制图综合处理时要遵循某些特定的制图综合原则。例如,在岸线综合时要遵循“扩陆缩海”的原则,在等深线综合时主要遵循“取浅舍深”的原则选取等深线和“扩浅缩深”的原则,在水深选取时主要遵循“取浅舍深”和“深浅兼顾”的原则等。③数字编绘原图的生成、校对和审查等。
出版准备阶段。对于不同形式的海图产品会有显著的差别。纸质海图出版准备阶段要完成的主要工作是利用海图制图软件将数字编绘原图复制加工成符合图式、规范、编图作业方案和印刷要求的纸质海图出版原图(即海图出版数据),以及制作供制版、印刷参考的分色样图和试印样图;数字海图出版准备阶段要完成的主要工作是按照给定数字海图产品标准规范的要求,利用海图制图软件对需要进行数据格式转换输出的数字编绘原图添加必要的元数据,如图名、图号、图幅范围、比例尺、投影、坐标单位、海图改正、生产单位等信息。
按承载海图介质的不同,海图出版可分为纸质海图出版和数字海图出版两种。纸质海图出版是指将数字海图出版原图经处理后转印到纸张上的过程与技术。一般分为海图制版、印刷和发行三阶段,包括分色、分版、制版、印刷和装帧等具体内容。20世纪末以来,建立在海图出版数据分布式快速更新基础上的海图按需印刷(POD)技术,实现了纸质航海图无库存按需保障的新方式,已先后在美国、英国和法国等国家的航海图生产与服务中得到应用。采用这一新技术输出的航海图可以及时更新,无须对纸质海图先作改正处理,再提供给用户使用,这样既保持了海图应有的清晰易读性,又显著降低了各种成本,并避免了因销毁过时库存海图而造成的不必要浪费。数字海图出版是指将海图出版原图数据转换成某种特定格式数字海图产品,并通过将其存储在可移动存储介质上或上传到网络上发布等方式提供用户使用的一种数字化出版技术,主要包括数据格式转换、产品封装和分发等具体技术内容。
按海区现实情况修正海图内容,以保持海图现势性的工作过程。主要针对航海图这一特殊用途的图种。海区各种自然现象和人文现象的不断变化,引起海图内容与现实情况不符。为保证海图现势性和航行安全,航海图出版后,必须不断更新。更新内容主要包括航道与水深变化,助航设备及航行障碍物的增加、减少或位置与灯质的变化,与航海有关的其他内容的变更等。更新的方法有海图改正和海图改版。海图改正包括小改正和大改正。海图改正的资料主要来源于定期编发的用于海图小改正的航海通告。海图改版的资料来源主要是海区全面重测或局部修测的测量资料。
对于纸质海图,小改正是指由海图使用者或保管者根据航海通告对航海图个别要素进行的改正。大改正是由海图出版部门对出版原图进行的改正。当航海图小改正过多而影响图的清晰度,或因航海图库存不足需要添印时,应进行大改正,然后重新制版、印刷。经大改正的海图发行后,原海图仍可继续使用。海图改版亦称海图再版。当海区有重大变化,航海图失去现势性且又不能用海图改正的方法进行更新时,海图出版部门根据新资料重新编制出版海图。其图号、图名、比例尺及范围一般不变。改版海图发行后,旧版海图即行作废。
数字海图的更新,主要是指符合S-57等国际标准的电子航海图(ENC)的更新,它通过IHO等国际组织建立的更新机制加以实现。在S-57标准中对ENC更新集、再版数据集和新版数据集进行了定义。其中,更新集是指ENC的小改正数据集,再版数据集是指ENC的大改正数据集,新版数据集是指ENC的改版数据集。这些数据集由海图出版部门负责按照S-57等标准要求进行制作和发布,由用户利用这些数据集对其所使用的ENC进行更新处理。
主要研究海图选用,海图上定位、量读、量算,以及潮汐和潮流资料的使用方法等。海图选用是指按海图用途和质量确定所要选用的海图。海图上定位是指利用各种技术手段将目标位置准确标定在海图上。海图上量读是指在海图上读取点位的经纬度坐标、两点间的方位和距离。海图上量算是指对海图上线要素长度和面要素面积的量算。传统的图上定位、量读和量算方法比较复杂、低效,精度不高,自电子海图系统出现之后,这些方法已变得简单、快捷,精度也得到明显提高。另外,海图上潮汐和潮流资料的使用也是海图应用的一项重要内容。以航海图为例,可利用图上的海流符号和潮流符号获得相关地点的海流和潮流信息,利用图上所附的潮信表获得表列海域的潮汐信息。
海图从其出现之日起就带有鲜明的国际性和通用性等特点,随着全球范围海上交通运输业的飞速发展,这些特点变得愈加突出。为满足这些特点要求在海图制图中执行国际标准。另外,各国制定的标准也基本上与相应的国际标准一致。以《中国海图图式》和其他国家的《海图图式》为例,几乎都与国际海道测量组织(IHO)的《海图上使用的符号、缩写和术语》(INT1)完全一致,因而不同国家生产的纸质航海图也几乎完全一致。随着《IHO数字海道测量数据传输标准》(简称S-57标准)和《电子海图显示与信息系统海图内容与显示规范》(简称S-52标准)等IHO电子航海图相关标准的制定及其在生产中的普及应用,各国生产的电子航海图(ENC)已完全标准化,较好满足了不同用户对电子航海图的使用要求。
航海书表泛指供航海人员航海参考使用的各种文字资料和航海表簿,包括海区的航海参考资料、港口资料、水文气象资料等,是航海图的有效补充。其主要用途是为船舶航行提供依据,辅助海图使用,保证船舶航行安全,同时也为海洋资源开发和科学研究提供重要参考资料。事实上,航海书表是先于海图问世的助航工具书。
航海书表按编写内容不同分为三大类:①航海资料。以文字记述为主,主要介绍海区或港口的水文、气象、水道、锚地、航行障碍物、航线、靠泊设备和航行规定,以及收录国际海事组织等机构发布的与航海有关的公约和规则等资料,如《航路指南》等。②航海表簿。以表格形式为主,用于记载航路里程、潮汐预报、人工航标、天文定位查算等方面的信息,如《中国沿海航行里程表》等。③航海通告。发布航海图书改正信息和航行安全事项的定期出版物。
航海书表的编制通常需遵循固定的体例和规则。国际海道测量组织对《航路指南》等的编制做了规定。中国在航海书表编制方面制定了多项国家标准和军用标准,如《航海通告编写规范》等。
区别于普通书籍,航海书表需要不断更新。更新方式有:①小改正。由使用者或保管者根据航海通告对航海书表所做的改正。②补编。由出版部门将一册航海书表中需改动的内容汇编成册出版。③改版。由出版部门根据新资料重新编制出版航海书表。改版书表出版后,旧版书表即行作废。
随着现代科学技术的发展,海图制图进入了新的发展阶段,其主要发展趋势为:①一体化制图技术走向成熟并得到全面应用。针对海图制图中存在的海图产品一致性维护困难、生产周期长等问题,综合运用计算机制图技术、数据库技术、遥感制图技术及其他各种高新技术,建立一种可满足海图规模化生产的一体化制图新模式。②自动制图综合技术取得突破并走向实用化。研发符合海图制图综合原则和要求的实用综合模型和算法,有效解决制约海图制图中长期存在的单纯依靠手工方法进行制图综合的状况,进一步提高海图制图效率和海图产品质量。③海图制图产品的服务保障能力和水平得到显著提升。改变长期以来以航海图单一产品为主的观念,突出和重视海底地形图产品应有的基础地位,不断拓展和丰富海图品种,尤其是各种可满足不同用户个性化需要的专题海洋制图产品,显著提升海洋地理信息的服务保障能力和水平。
扩展阅读
- 楼锡淳,朱鉴秋.海图学概论.北京:测绘出版社,1993.
- 杜景海.海图编辑设计.北京:测绘出版社,1996.