Эта великолепная по краткости и емкости формулировка легендарного капитана Врунгеля в полном объеме раскрывает задачи, решаемые судоводителями с помощью навигации в плаваниях, вне зависимости от того, где они проходят, - на озере, в море или в океане.

На протяжении нескольких тысячелетий основными инструментами навигации были компас, карта и секстант. Достигнув в ходе развития совершенства, эти три кита, на которых покоилось судовождение, стали, тем не менее, преградой на пути технического прогресса в судовождении. Возросшие размеры и скорости судов, повышение интенсивности судоходства потребовали внедрения новых навигационных технологий, автоматизации судовождения, повышения безопасности судов. Традиционные орудия судоволителя не могли обеспечить выполнение этих требований.

Для того чтобы преодолеть тупик, требовался качественный скачок в картографии - и он произошел в конце прошедшего столетия. Новые высокопроизводительные компьютеры дали возможность переводить бумажные карты в цифровую форму, хранить их, записывать на компактные носители, передавать по линиям связи и вновь восстанавливать на дисплеях компьютеров.

Вершиной современных навигационных и компьютерных технологий стало создание мозга современного судна - электронной картографической информационной системы ECDIS, осуществляющей отображение карт и места судна, прокладку трассы движения и контроль отклонений от заданного маршрута, вычисление безопасных курсов, предупреждение судоводителя об опасности, ведение судового журнала, управление автопилотом и т.п.

Современная электронно-картографическая система состоит из трех основных элементов - цифровых карт, записанных на каких-либо носителях (в основном на компакт-дисках), приемника GPS и компьютера с соответствующим программным обеспечением. Такая система применяется на больших судах профессионального флота, но на малых судах - катерах, моторных и парусных яхтах, небольших рыболовных ботах - ее использование связано с большими трудностями, как правило из-за недостатка места и необходимости защиты компьютера от воды, влаги, морской соли. Поэтому для малого флота были созданы специальные приборы, имеющие разные названия, - картплоттеры, навигационно-картографические системы, навигационные центры, содержащие в своем герметичном корпусе приемник GPS, компьютер с установленной на заводе программой и миниатюрный носитель картографической информации (картридж).

Рассмотрим отдельные элементы навигационно-картографической системы малого судна.

Носителями картографической информации для навигационных систем малых судов (картплоттеров) являются мини-картриджи. Если на лазерных компакт-дисках обычно записывается мировая база электронных карт, то на мини-картриджах записывается набор карт различного масштаба отдельных районов. Количество записываемых карт зависит от емкости картриджа. Так, например, один картридж C-Map NT+ может содержать комплект карт Азовского и Черного морей.

Существует несколько электронно-картографических систем, используемых для записи карт на картриджи: С-Мар NT+, Navionics Nav-Charts™, Furuno MiniChart и некоторые другие. Наибольшим покрытием Мирового океана обладает коллекция картриджей С-Map NT+, и, что самое важное, в ее состав входят электронные карты отечественных регионов: Ладожского и Онежского озер, Финского залива, Баренцева, Белого, Азовского, Черного и Каспийского морей, акваторий, прилегающих к дальневосточному побережью России. Поэтому в дальнейшем разговор у нас пойдет об аппаратуре, работающей с электронными картами в формате C-Map NT+. Картриджи C-Map NT+ производятся международной компанией С-МАР, представителем которой в России является фирма «C-МАР Россия».

Существуют картриджи, удобные для коротких «прогулочных» рейсов (Local), есть такие, которые используются для переходов на средние расстояния (Standard), и имеются картриджи, предназначенные для длительных путешествий (Wide). Например, если на одном картридже S (Standard) размещаются карты Онежского или Ладожского озер, то в состав картриджа

W (Wide) входят одновременно карты обоих озер и восточного участка Финского залива. Специально для рыбаков выпущены картриджи, включающие в себя батиметрические данные. Большинство картриджей С-МАР NT+ содержат портовую информацию и информацию о приливах и отливах, которая может быть выведена пользователем на дисплей плоттера. В состав одного картриджа может входить более 150 электронных навигационных карт и планов портов различных масштабов от 1:1500000 до 1:1500.

Специальный пользовательский картридж (USER C-Card) позволит записать координаты любых точек, которые могут понадобиться в следующем походе, будь то ресторан на берегу или место для подводного плавания.

Если хочется поработать над пройденным путем или спланировать будущий маршрут, находясь дома, то можно использовать РС Planner NT. Этот прибор разработан для того, чтобы использовать персональный компьютер (ПК) в качестве инструмента для навигационного планирования. На экране дисплея ПК отображаются имеющиеся электронные карты с помощью картриджей C-MAP NТ+, которые используются непосредственно на борту судна. Функции PC Planer NT - это просмотр карт, масштабирование, создание пользовательских отметок, планирование маршрута, просмотр пройденного пути. Каждая функция планирования на картографическом плоттере может быть так же легко реализована на домашнем компьютере.

Источниками данных электронных карт С-МАР являются официальные карты, производимые гидрографическими службами, собственное производство данных по договорам с гидрографическими службами, оцифровка материалов съемки малых гаваней при отсутствии официальных бумажных карт (по заказу местных властей).

Картографическая база данных NT подвергантся регулярной корректировке по извещениям мореплавателей. Новые выпуски базы данных NT производятся трижды в год. Пользователь может обменять старый картридж на откорректированный (впрочем, как и приобрести новый), просто обратившись в офис «С-МАР Россия» или к одному из дилеров.

КАРТПЛОТТЕРЫ

Картплоттер (или навигационный центр) - это функционально законченный прибор, содержащий в своем водонепроницаемом корпусе приемник GPS (в некоторых моделях приемник может быть и выносным), компьютер с заложенной на заводе-изготовителе программой, монохромный или цветной дисплей, клавиатуру для управления и слот для ввода картриджа. В некоторых моделях приемник GPS отсутствует, и информация о собственных координатах поступает от внешнего источника. Обязательным элементом является порт для ввода-вывода информации в международном морском формате NMEA 0183.

C работой и характерными особенностями картплоттеров познакомимся на примере популярной модели - Raychart 520 с монохромным дисплеем или его аналога Raychart 530 c цветным дисплеем производства известной английской компании Raymarine.

Оба картплоттера имеют 12-канальный параллельный приемник GPS, совмещенный с антенной. Приемник обладает всеми полагающимися функциями: определением координат и параметров движения, возможностями создания и хранения путевых точек и маршрутов движения по ним, графическими средствами отображения.

Для облегчения работы с картплоттерами в них на заводе предварительно устанавливается мировая карта с нанесенными всеми крупными портами и населенными пунктами. На ней нет присущей морской карте подробной информации, поэтому пользоваться ею можно лишь там, где заведомо известно об отсутствии навигационных опасностей.

Подробные карты какого-либо конкретного района (например, Oнежского озера, Черного моря) вводятся с картриджа, для чего картплоттер имеет один или два слота.

РАБОТА С КАРТПЛОТТЕРОМ

Нажатием клавиши POWER включаем приемник. Еще одно нажатие этой клавиши - и на экране появляются регуляторы яркости подсветки и контрастности изображения, позволя- ющие регулировать качество изображения.

Управление практически всеми картплоттерами осуществляется так же как в компьютере, через меню, или с помощью трекбола и функциональных клавиш. С помощью меню устанавливают необходимые настройки дисплея, трассы, единиц измерения, охранных зон и пр., выбирают различные функции, создают маршруты и путевые точки.

После включения прибора, как только его приемник GPS захватит сигналы спутников, на экране установится карта района нахождения судна, изображение которого будет располагаться в центре. Если на этот район есть картридж, то на экране появится подробная карта конкретного участка.

Движение судна отображается на дисплее одним из двух способов. В первом случае его отметка остается неподвижной в центре экрана на фоне движущейся карты, во втором случае отметка движется от центра к краю экрана и по достижении его возвращается назад одновременно со сдвигом карты. При необходимости может отображаться траектория движения судна и его текущие координаты.

Использование курсора

Важную роль в работе с картплоттером играет курсор. С его помощью решается множество задач: измерение азимута и дальности до объектов, определение их координат, создание путевых точек и маршрутов, получение информации и многое другое. Рассмотрим для примера несколько функций курсора.

Если в ходе плавания возникнет необходимость определения расстояния до какого-то объекта на карте (банки, вешки), достаточно навести перекрестие курсора на эту точку, и в информационном окне появятся ее координаты, а также дальность и направление относительно судна. Аналогичным образом с помощью курсора получают информацию об отмеченных на карте названиях островов, населенных пунктах, портах, о навигационной обстановке, глубинах и т.п.

Использование курсора значительно облегчает создание путевых точек и маршрутов. В отличие от приемника GPS, где эта задача решается с помощью бумажной карты с дальнейшим вводом полученных координат через меню, в картплоттере это просто и быстро осуществляется с помощью курсора: достаточно установить его на нужное место на электронной карте и нажать нужную клавишу. Полученную путевую точку затем можно легко отредактировать, присвоить ей какой-либо символ или имя, передвинуть на другое место или удалить.

Аналогичным образом создается маршрут: назначают его номер и на находящуюся на экране карту курсором последовательно наносят точки, определяющие трассу движения судна. Результаты прокладки останутся на карте в виде ломаной линии, которую можно при подготовке и в ходе плавания корректировать путем перемещения, добавления или удаления точек курсором.

Полученные маршруты и составляющие их точки размещаются на специальных страницах в виде таблиц с координатами. Их можно переименовывать, присваивать символы (например, якорь, крест, рыбка и т.п.), изменять координаты, удалять, причем делать это можно не только в плавании, но и дома, используя для этого режим симуляции.

Плавание по маршрутуПод «плаванием по маршруту» будем понимать последовательное движение от точки к точке заранее спланированного и хранящегося в памяти маршрута с использованием технических и программных возможностей приборов, позволяющих контролировать отклонения судна от заданного направления.

В современных картплоттерах при плавании по маршруту контроль отклонения осуществляется двумя способами: либо по положению отметки судна на проложенной трассе движения, либо с помощью специальных графических индикаторов, используемых обычно в приемниках GPS - «хайвей» («дорога»), «компас», «маршрут». Некоторые модели картплоттеров могут объединять на одном экране оба режима, что делает более удобным судовождение в сложной навигационной обстановке. Помимо этого, графические индикаторы позволяют пользоваться прибором как обычным приемником GPS в тех местах, карты C-Map NT которых отсутствуют.

Если маршрут создан заблаговременно и хранится в памяти прибора, то через меню входят в библиотеку маршрутов, находят нужный и активируют его одним из имеющихся способов, после чего на экране отобразится участок карты с проложенным маршрутом и картплоттер перейдет в режим навигации. При этом в окне данных появятся значения направления на первую путевую точку маршрута, дальность до нее, время в пути и время прибытия, а графические дисплеи будут показывать отклонения от истинного курса. По прибытии в первую точку прибор автоматически перейдет в режим движения к следующей точке и т.д., вплоть до прибытия к конечному пункту плавания. Приближение к точке на определенное расстояние может по желанию сопровождаться звуковым сигналом одновременно с появлением сообщения в информационном окне на экране.

Плавание по путевым точкам

Навигация по путевым точкам является частным случаем плавания по маршруту, поэтому принципы использования картплоттера и судовождения одни и те же.

Путевые точки могут создаваться заблаговременно и храниться в памяти прибора, откуда они могут извлекаться, активироваться с помощью функции «GO TO» и использоваться для навигации. Создание путевых точек в ходе плавания очень эффективно осуществляется с помощью курсора: для этого достаточно навести его перекрестие на нужное место и нажать клавишу «GO TO» - и картплоттер перейдет к навигации на выбранную точку.

СЕРВИСНЫЕ ФУНКЦИИ

База информационных данных

Каждый картплоттер содержит набор информационных данных, объем и содержание которого могут быть различными в разных моделях. Часть информационной базы вводится при производстве приборов, а основная часть поступает вместе с электронной картой района.

Основную часть базы данных составляет навигационная информация, обязательно присутствующая в каждом картплоттере. Сюда входят сведения о глубинах, навигационных опасностях, навигационной обстановке, названия островов, заливов, портов и т.п. Такие данные обычно выводятся автоматически в информационное окно при наложении курсора на данный объект или, в некоторых моделях, при попадании отметки судна в установленную область около объекта. При желании можно получить более подробную информацию об отмеченном объекте: высоту, цвет и характеристики огней маяков и буев, вешек, характеристики районов плавания, сведения о наличии запретов на плавание и рыбную ловлю и т.п.

Второй блок данных может содержать список портов и укрытий для данной карты с расстояниями до судна и направлениями на них, их характеристики (наличие телефона и телеграфа, больницы, нефтебазы, особенности акватории). Нередко список портов выстраивается по возрастанию расстояний до судна, что позволяет в случае необходимости быстро выбрать ближайшее укрытие.

Пользовательские функции

Под этим не очень корректным названием будем понимать набор самых разнообразных функций, облегчающих пользователю работу с картплоттером. В каждой модели прибора имеется свой набор функций, поэтому остановимся только на наиболее распространенных.

МОВ («Человек за бортом»)

Это одна из важнейших функций, позволяющая одним нажатием клавиши запомнить место упавшего за борт человека и перевести картплоттер в режим навигации на точку падения.

Функция «Возврат к судну»

При прокладке маршрута или при просмотре карты с помощью курсора можно «потерять» отметку судна. Для быстрого возврата на место судна существует функция, которая может называться в разных моделях «НОМЕ», «Find ship», «Ship» или еще как-нибудь. Нажатием данной функциональной клавиши на экран быстро выводится участок карты, в центре которого находится судно и курсор.

Запись трасс

При движении судна любой картплоттер обязательно записывает и сохраняет пройденную трассу. Наиболее сложные и дорогие приборы могут хранить несколько трасс вместе с их характерными особенностями и при необходимости воспроизводить их, корректировать и использовать для судовождения.

Навигационные алармы

Эта функция позволяет вырабатывать сигналы тревоги (предупреждений) в случаях вхождения в установленную зону, при подходе к путевой точке маршрута, к навигационной опасности, при прохождении над местом, где глубина меньше заданной, при дрейфе судна на якоре.

Каталоги карт

Некоторые дорогие картплоттеры нередко содержат в себе каталоги карт, позволяющие в плавании легко найти нужный картридж или заказать его. Каталог карт может быть как для района, так и всемирный.

«Эхолот»

Эта функция, имеющаяся в некоторых картплоттерах, позволяет считывать с карты текущие значения глубины и отображать их одновременно с картой на экране в цифровой либо в графической форме.

Современный рынок предлагает большой выбор картплоттеров производства различных фирм, с разными размерами экранов, цветных и монохромных, носимых и стационарных. В приложении приводятся характеристики некоторых наиболее распространенных приборов, использующих картографию С-Map NT и C-Map NT+. В заключение о бумажной карте. Картплоттер, несомненно, удобнее бумажной карты, он не мнется, не рвется, не намокает, им легко пользоваться, у него более богатые информационные возможности. Однако бумажная карта остается по настоящий день, наряду с вахтенным журналом, основным документом мореплавателя, по которым, в случае аварии будут разбираться компетентные органы.

Помните об этом!

ECDIS - Electronic Chart Display & Information System - основаны на использовании и отображении цифровой картографи­ческой и навигационно-гидрографической информации в виде электронных карт. Они представляют собой перспективные интегрированные информационные системы, предназначенные для решения комплекса задач судовождения, автоматизации работы судоводителя и повышения навигационной безопасности мореплавания.

Интегрированность ECDIS подразумевает, что они объединяют информацию о местоположении судна на основании счисления ко­ординат по данным лага и гирокомпаса, обсерваций по спутнико­вым навигационным системам, в совокупности с картографической и радиолокационной информацией о навигационной обстановке.

Информационное назначение ECDIS определяется ее способностью представлять судоводителю параметры картографических объектов (ориентиров, опасностей, фарватеров, глубин и др.) и данные об условиях плавания по всему маршруту перехода.

Навигационное назначение определяется решением как тради­ционных задач (счисление, прокладка, введение поправок в счисли- мые координаты, помощь в удержании судна на заданном курсе и др.), так и новых задач по оценке навигационной безопасности плавания, выработке рекомендаций по безопасному маневрированию, автоматизации процессов и процедур с электронной картой (ЭК) и ее использованию для мореплавания.

Электронные навигационные карты разделяются на растровые и векторные. Растровые карты нашли более широкое применение в видеопрокладчиках различных фирм для обеспечения нужд море­плавания. Сегодня национальные гидрографические службы про­изводят такие системы и подтверждают возможность их использо­вания.

Растровые навигационные карты представляют собой точные копии бумажных карт. Они получаются путем сканирования с высоким разрешением бумажных карт или их пластиковых аналогов с последующей обработкой, включая уменьшение размеров файла с помощью методов сжатия информации, добавления данных для его описания, проекции и т. п.

Последующая обработка позволяет современному программно­му обеспечению производить автоматическую прокладку, планировать маршрут перехода, обеспечивать автоматизированную сигнализацию для привлечения внимания судоводителя при отклонении от запланированного пути или контролировать место судна. При воспроизведении растровой карты можно изменять ее расположение в различных вариантах: ориентация «Север», «Курс» или любое другое по желанию судоводителя. При изменении ориентации карты все надписи поворачиваются вместе с изображением. Данная особенность сторонников векторных карт трактуется не как недостаток, а скорее как достоинство, позволяющее избежать возможной ошибки оператора, естественным образом напоминая ему о том, что карта расположена нестандартно. В то же время осуществление разворота обеспечивает возможность совмещения карты с радиолокационным изображением.

Все надписи на растровых картах увеличиваются или уменьша­ются пропорционально увеличению или уменьшению размера вос­производимой карты. В случае, когда воспроизводится значитель­ный участок, он может выглядеть переполненным пояснительными надписями, которые будут затруднять чтение. При уменьшении размеров воспроизводимого района, пояснительные надписи увеличиваются, приобретая чрезмерный размер, также мешают чтению карты. Поэтому при выполнении предварительной прокладки на ECDIS рекомендуется уменьшить нагрузку карты (например, отменить изображение всех глубин, кроме минимально допустимых).

Значительное преимущество растровых систем перед бумажными картами - это возможность ведения автоматической прокладки, отображение положения судна относительно окружающей обстановки в режиме реального времени. Существующее навигационное программное обеспечение сопрягается с системами определения места судна.

Производство векторных карт наиболее трудоемко. Оно заклю­чается в первоначальном сканировании карты, а затем векторизации этой карты, т.е. перевода различных линейных, площадных и точечных объектов в цифровой код. Такими предметами являются: берега, осушки, изобаты, изолированные опасности (подводные, надводные, осыхающие скалы, затонувшие суда), буи, маяки, различные ограждающие линии и т. д.

Некоторые фирмы применяют смешанную технологию цифро­вания: наиболее сложные объекты сканируют, а затем векторизуют, а точечные объекты цифруют одновременно с векторизацией.

При работе с такой картой в ECDIS имеется возможность реагировать на любой объект, так как он имеет свой код. Это позволяет судоводителю разгружать карту, т. е. удалять с экрана дополнительную и не имеющую особого значения информацию. Например, для судна с осадкой 10 метров можно убрать все глубины более 20 м.

Очевидно, что по информативности векторные карты лучше растровых и позволяют решать более широкий круг задач, связан­ных с безопасностью судовождения.

Основная концепция ECDIS состоит в том, что точность и пол­нота ЭК должны быть эквивалентны (или не менее) точности и полноте бумажной карты.

Процедура планирования перехода судна на ECDIS, в общем, ничем не отличается от ее выполнения без применения цифровых технологий, но прежде, чем приступать к работе с ECDIS, необхо­димо ознакомиться с ее функциональными возможностями и огра­ничениями.

Основные функциональные возможности ECDIS сводятся к следующим возможностям:

- Работа с ЭК:

- автоматические:

* изменение масштаба,

* выполнение корректуры;

Возможность изменения состава отображаемой картографи­ческой информации;

Получение дополнительной справочной информации о кар­тографических объектах;

Планирование и выполнение предварительной прокладки маршрута перехода с проверкой на наличие навигационных опасностей в полосе заданного движения судна и проведением расчетов скорости, расстояний, времени плавания и т. п.

Контроль за местоположением судна:

Отображение обсервованных (счислимых) географических координат места судна;

Автоматическое ведение счисления и текущей прокладки с отображением траектории судна;

Измерение пеленгов и дистанций как от местоположения собственного судна до любого объекта, так и от любого местоположения на карте до любого объекта;

Отображение векторов движения судна относительно грунта и относительно воды (по данным гирокомпаса и лага);

Автоматическая оценка навигационной безопасности плава­ния на основе использования цифровой модели навигационно-гидрографической обстановки в ЭК и сигнализации об опасных собы­тиях;

Совмещение радиолокационной и навигационно-гидрогра- фической информации;

Обеспечение проигрывания маневра для безопасного расхождения с другими судами (при сопряжении с САРП);

Введение поправок в счислимые координаты места судна по данным обсерваций, полученным традиционными методами;

Автоматическое ведение судового журнала.

Оценка информации по району плавания:

Получение информации

* по портам,

* по приливам,

* по течениям;

* климатических данных;

Расчет направления и скорости истинного ветра;

Расчет остаточной скорости при движении по маршруту пе­рехода;

Просмотр архивных данных.

Указанные функциональные возможности ECDIS определяют следующие преимущества перед бумажной картой:

Обеспечение судоводителя интегральной навигационной об­становкой на основе объединения информации от различных технических средств навигации (РЛС, САРП, СНС и др.);

Уменьшение искажений масштаба и направлений на сис­темной электронной навигационной карте (SENC) путем автома­тического размещения главной параллели карты в середине экрана;

Повышение навигационной безопасности на основе более подробного учета гидрографической обстановки по цифровой модели карты и ее оценки по результатам совмещения радиолокационной и картографической обстановки;

Автоматическая корректура ЭК.

Главное же достоинство ECDIS заключается в повышении уровня автоматизации деятельности судоводителя, его обеспечение более надежной и достоверной непрерывной информацией о картографической и навигационной обстановке, местоположении судна, осуществление непрерывного ведения автоматической прокладки пути, уменьшение и исключение погрешностей при измерениях, опознании и расчетах.

Таким образом, применение ECDIS на судах дает возможность коренным образом улучшить организацию работы судоводителей и снизить навигационную аварийность.

Однако ECDIS свойственны определенные ограничения:

ЭК отображают на обычных дисплеях примерно 1/6 часть бумажной карты традиционных размеров при одинаковом масштабе.

Из-за этого требуется более частая смена изображения. Частичное устранение этого ограничения достигается применением двух дисплеев, на одном из которых отображается мелкомасштабная карта района, а на другом - карта части этого района, но в более крупном масштабе;

Из-за наличия в ECDIS электронного изменения масштаба возможно отображение карты в таком крупном масштабе, при котором не обеспечивается необходимая точность измерений и не поддерживается детальное содержание ЭК. В этом случае оператору ECDIS должно автоматически выдаваться соответствующее предупреждение об опасном масштабе карты;

При работе с дисплеями наблюдается повышенная утомляе­мость операторов;

Для работы с ECDIS необходима специальная подготовка судоводительского состава в целях ее эффективного использования и преодоления психологического барьера перед новыми нетрадиционными техническими средствами.

1. Основы электронной картографии

1.1. Основные понятия

Название данной дисциплины состоит из трех понятий; картография, электронная, основы. Картография - эта карта и все что с ней связано. Основы - это основные знания о электронной картографии. Понятие "электронная" трудно привязать к карте. Более проще понять когда карту назвать цифровой. Но так сложилось это понятие.

Основы электронной картографии - это основные знания об электронной картографии.

Структура электронной картографии приведена на рис.1.

Источники данных для электронных карт

Обработка данных для отображ.

Данные для отображе-

Системы отображения данных

Пользователь электронных карт

Нав.системы

GPS, ГЛОНАСС, АИС, наз. тр-т, др.

Системы обр. данных

Панорама,

Использова- ние : навигация морская и сухопутная,

обработка геоданных, наука, образование, различные области

Рис. 1. Структура электронной карты

В бумажной картографии символы наносятся на бумажную основу. При этом символы понятны человеку и соответствуют определенным требованиям. В электронной карте аналогично, только вместо бумажной основы - система отображения в виде дисплея.

Источники создания электронных карт те же что и у бумажных, плюс данные в цифровом виде. В процессе развития электронной картографии сложилось так, что данные в различных системах отображения имеют различные форматы, что затрудняет или вообще не позволяет использовать данные в других системах отображения.

Возникает необходимость в обработке данных перед их представлением в системе отображения.

Источники данных для электронной картографии, системы обработки данных, данные перед представлением в системе отображения, сами системы отображения и пользователь электронных карт должны удовлетворять соответствующим требованиям, определенных на основе нормативных документов и законодательных актов.

Кроме этого, для работы с электронной картографией необходимы знания о форматах данных, видах графики (векторная, растровая), устройстве систем отображения способах обработки и представления данных и другие знания, связанные с электронной картографией.

Для получения этих знаний курсантами определен перечень лекций и лабораторных работ, необходимых курсанту с освоением дисциплины "Основы электронной картографии"

Согласно ГОСТ 21667-76 Картография. Термины и определения,

Картография - это область науки, техники и производства, охватывающая изучение, создание и использование картографических произведений.

Исходный картографический материал - картографический материал, который используется для создания или обновления карты.

Карта - построенное в картографической проекции, уменьшенное, обобщенное изображение поверхности Земли, поверхности другого небесного тела или внеземного пространства, показывающее расположенные на них объекты в определенной системе условных знаков.

Согласно ГОСТ 28441-99 КАРТОГРАФИЯ ЦИФРОВАЯ, цифровая карта; ЦК: Цифровая картографическая модель, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба.

Более простым языком, карта - это бумажный носитель с нанесенным на нем условными обозначениями, согласно нормативных документов необходимый человеку для его деятельности.

Цифровая карта - информация, удовлетворяющая стандарту. S57,

В системе отображения ECDIS цифровая карта удовлетворяет стандарту S57 в части обмена данными между системами и определенному стандарту в самой системе.

Основная цель электронных карт и навигационных систем, построенных на их основе, - упрощение повседневного труда штурмана и повышение безопасности мореплавания.

Первые электронные карты появились в 90-х годах и представляли собой сканированные копии бумажных карт. Подобные карты принято называть растровыми электронными картами . Однако выяснилось, что простое сканирование бумажных карт, зачастую приводит к невозможности их использования совместно с современными навигационными устройствами. Кроме того, использование растровых электронных карт (RENC) затрудняет проведение автоматического анализа навигационной ситуации.

На основе тщательного изучения современных информационных технологий и их специфики в области морской навигации, Гармонизационной группой ИМО/МГО был разработан эксплутационный стандарт на систему отображения электронных карт и информации ECDIS , основывающийся на использовании векторных электронных карт формата S-57. Основное предназначение стандарта S-57 - стандартизация обмена гидрографическими данными между Гидрографическими Службами, Агентствами, производителями картографической продукции и ECDIS -систем.

Согласно S-57, гидрографическая информация структурируется в наборы данных, которые, в свою очередь, могут объединяться в наборы обмена. Набор данных S-57 может рассматриваться как объектно-ориентированная база данных, подчиняющаяся перечисленным в стандарте семантическим правилам (объекты, атрибуты, связи между ними и т.д.) и записанная (закодированная) в соответствии с описанным в стандарте синтаксисом.

Семантика стандарта опирается на то, что любой картографический объект обладает, как пространственно-геометрическими, так и функционально-описательными свойствами. В соответствии с этим карта S-57 состоит из двух типов объектов: пространственных (spatial) и описательных (feature). Spatial объекты (например, node - узел, edge - сегмент, face - площадь), характеризуются координатами, задающими их местоположение на поверхности Земли. Feature объекты, обладают определенным набором атрибутов и описывают некий естественный или искусственный предмет, например: LNDARE - область суши, DEPARE - область глубин, BOYCAR - кардинальный буй и т.д. Между объектами могут существовать связи различного типа, позволяющие смоделировать сколь угодно сложную сущность реального мира. Подробное описание стандарта находится в IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data Edition 3.0 -

В настоящий момент осуществляется переход от версии 2 стандарта S-57 (известного как DX90) к последнему изданию S-57 edition 3. Следует отметить, что из-за существенных изменений в семантической модели, конвертация данных из DX90 в S-57 ed. 3 является достаточно сложной задачей. Программы dKart Inspector и dKart Office позволяют автоматизировать процесс преобразования данных и создания цифровых наборов обмена, предоставляя средства для контроля качества изготавливаемой продукции.

Являясь стандартом обмена гидрографическими данными, S-57 не оптимален при прямом использовании в судовых навигационных системах. Навигационные электронно-картографические системы могут использовать внутренний формат представления данных - SENC (System ENC). Формат SENC более компактен и специально предназначен для представления картографической информации на экране монитора.

Одним из широко распространенных S-57 совместимых SENC-форматов является формат картографических данных CM93 фирмы C-Map.

Навигационные электронно-картографические системы dKart Navigator и dKart Explorer ориентированы на использование S-57 совместимых данных, в том числе CM93 и DCF.

По вопросам приобретения электронных навигационных карт CM93 обращайтесь к разделу электронные карты .

помимо данных, содержащихся на традиционных морских картах, электронные карты содержат данные и из других источников - книг огней и знаков, лоций и пр. - нет

По сравнению с традиционными бумажными картами и публикациями, электронные карты обладают рядом преимуществ, повышающих безопасность судовождения и облегчающих ориентацию в текущей навигационной ситуации:

помимо данных, содержащихся на традиционных морских картах, электронные карты содержат данные и из других источников - книг огней и знаков, лоций и пр. - нет необходимости искать навигационную информацию в разрозненных источниках - все данные сосредоточены в электронной карте;

векторная структура данных (являющаяся стандартной для электронных карт) позволяет проводить быстрый анализ навигационной ситуации, информируя судоводителя о возможных опасностях;

процедура корректуры электронной карты намного легче традиционной и может быть выполнена в течение минут, непосредственно в море. Используя электронные карты и цифровые корректуры, судоводитель получает уверенность в том, что имеющаяся у него картографическая информация отражает самые последние изменения;

совместно с внешними навигационными устройствами (GPS , САРП, АИС-транспондер ) электронные карты предоставляют возможности для отображения в реальном времени навигационной ситуации, включая собственное местоположение судна, положение радарных и АИС-целей.

Общие принципы построения систем отображения навигационной информации используемые в электронной картографии

Сейчас координаторскую деятельность по стандартизации электронных карт осуществляет IHO во содействии с IMO . Электронная карта. обхватывает как термин три понятия:

описание данных;

программное обеспечение для их обработки;

электронную систему отображения данных.

1.2. Область применения электронных карт

Область применения электронных карт: судоходство морское и речное, автомобильный транспорт, министерство обороны, различные области науки и техники

1.3. Пользователи электронных карт

Пользователи электронных карт; капитан, штурман (судоходство морское и речное); водители, диспетчера (наземный транспорт); капитан, штурман (воздушный транспорт; космонавты; геодезисты; географы; и т.д.

1.4. Контрольные вопросы

1. Что такое бумажная карта?

2. Что такое электронная карта?

3. Что такое картография?

4. Что такое электронная картография?

5. Каковы основные причины перехода с бумажных карт на электронные?

6. Какова область применения электронных карт?

7. Кто пользователи электронных карт?

При использовании судоводителями традиционных бумажных карт затраты времени для снятия координат с дисплея приемоиндикатора (ПИ) и нанесения их на карту, которая недостаточно точна, приводят к тому, что обсервация не является текущей, в нее вносятся дополнительные погрешности.

Кроме того, при плавании в стесненных условиях наносить координаты судна на карту просто некогда. В данном случае необходимо иметь отображение места судна в реальном масштабе времени, что возможно при использовании навигационной карты на электронном дисплее (электронной карты). Последнее десятилетие XX века характеризуется развитием морской электронной картографии. К настоящему времени это новое направление навигационной технологии приобрело реальность. Электронная картография позволяет коренным образом улучшить организацию работы судоводителей и облегчить ее, снизить навигационную аварийность.

Можно утверждать, что на наших глазах происходит техническая революция в судовождении. Необходимость обеспечить непрерывный и объективный контроль за местоположением и движением судна и наблюдаемых целей, автоматизировать измерения и их обработку, представлять наглядную и достоверную информацию в виде, пригодном для немедленного использования, привела к разработке и использованию в радиолокации систем автоматической радиолокационной прокладки (САРП), а в радионавигации - автоматических приемоиндикаторов спутниковых радионавигационных систем и комплексных индикаторов навигационной обстановки с электронными картами.

Элементы электронной картографии впервые начали использоваться в судовых системах автоматической радиолокационной прокладки и в береговых системах управления движением судов. Такие карты получили название упрощенных или стилизованных. Электронные карты нового поколения создаются в специальных центрах, имеющих лицензию национального гидрографического управления и отвечающих за полноту и правильность отображения навигационной обстановки. Картографические базы данных, используемые и при составлении обычных бумажных карт, преобразуются в цифровую форму, записываются на магнитные диски или иные типы носителей, затем на судне индицируются на экране дисплея (видеопрокладчика) с высокой разрешающей способностью.

История создания электронных карт имеет следующую хронологию:

В 1982 г. Международная морская организация (ИМО) опубликовала в предварительной версии стандарт, определяющий характеристики ECDIS (Electronic Chart Display and Information System). Существует также стандарт Международной гидрографической организации (МГО), устанавливающий требования к ECDIS.

В 1987 г. была утверждена координационная группа ИМО/МГО для разработки технико-эксплуатационных требований к судовой системе отображения электронных карт и информации. При этом имелось в виду, что в случае удовлетворения этих требований ECDIS будет признаваться законным эквивалентом бумажных карт.

Электронная карта должна отображать следующий минимум картографических данных: контур береговой линии, глубины и высоты, безопасные границы по глубине, подводные препятствия, стационарные и плавучие навигационные средства, морские пути (фарватеры, каналы, рекомендованные курсы, системы разделения движения судов), запретные и ограниченные для плавания районы, числовой и линейный масштабы отображаемой карты, значения ограничивающих карту координат и, как минимум, по одной промежуточной линии, обозначающей параллель и меридиан. Кроме того, по желанию судоводителя на экране могут отображаться другие картографические данные из перечня, определенного эксплуатационными требованиями ИМО к ECDIS, например, справочные данные о береговых и плавучих средствах навигационного обеспечения, правила плавания, различные предупреждения навигационного характера, пути движения паромов, подводные трассы кабелей и трубопроводов, геодезическая информация (геодезическая основа, дата создания и дата последней корректуры электронной карты) и пр.

Если ECDIS сопрягается с САРП, то на экране видеопрокладчика можно наблюдать движение других судов с соответствующими векторами их перемещений. На экране ECDIS в реальном масштабе времени отображается отметка собственного судна, перемещающаяся в соответствии с данными, полученными от GPS. Электронная карта воспроизводит морскую навигационную карту меркаторской проекции с ориентацией «Норд» и стабилизацией «Истинное движение», то есть символ судна перемещается по неподвижной электронной карте. Смена отображаемого участка карты на соседний участок осуществляется автоматически (при необходимости - вручную) при приближении судна на определенное расстояние к краю карты.

Видеопрокладчик должен иметь возможность отображать электронные карты в масштабах , адекватных масштабам стандартным морских навигационных карт. Предусматривается возможность изменения масштабов, как минимум в два раза, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Надо иметь в виду, что увеличение масштаба означает лишь увеличение изображения участка карты, но это увеличение не сопровождается большей детализацией участка побережья или местности. ECDIS имеет возможность записывать данные о перемещении судна в течение определенного времени (например, в течение 36 часов), то есть - вести «судовой журнал». Устройство носителя картографических данных должно исключить их стирание или изменение в судовых условиях. При этом должна обеспечиваться возможность корректуры электронных карт на судне как автоматически с использованием систем спутниковой связи, так и вручную путем внесения судоводителем дополнительных символов. По мере накопления корректуры пользователи периодически, например, ежеквартально, могут получать полную обновленную версию электронной карты. Работая с электронным каталогом, судоводитель может подобрать электронные карты всех необходимых масштабов на предстоящий переход. На этих картах выполняется предварительная электронная прокладка маршрута предстоящего перехода. Маршрутные точки могут наноситься либо по географическим координатам, либо с помощью специального маркера по пеленгу и дистанции относительно выбранного навигационного ориентира. Линии предварительной прокладки выделяются на экране особым цветом. Может быть выполнен «подъем» навигационной карты, для чего в любом месте экрана могут быть нанесены точки, сплошные и прерывистые линии, условные знаки, цифры и буквы. С учетом особенностей района плавания и характеристик судна в ECDIS могут быть введены допустимые значения отклонений судна от заданной линии пути, допустимые значения минимальных дистанций сближения с выделенными навигационными опасностями, а также дистанций срабатывания предупредительной сигнализации при подходе к точкам поворота.

Для текущего местоположения судна ECDIS должна рассчитывать и индицировать в буквенно-цифровой форме следующую текущую навигационную информацию:

Дату и время (гринвичское или поясное);

Географические координаты судна с обозначением способа их определения;

Боковое отклонение судна от заданной линии пути (СТЕ - cross track error) с указанием стороны (знака) отклонения

Дистанцию и пеленг на очередную маршрутную точку (DIST ТО WP, BRG ТО WP) и время плавания до нее (TIME ТО WP);

Географические координаты маркера («+»), который судоводитель может установить в любой точке экрана;

Пеленг на маркер и дистанцию до него (COURSOR IIG. COURSOR RNG).

Наблюдая за перемещением отметки собственного судна по экрану ECDIS, судоводитель может осуществлять глазомерную проводку судна по заданной линии пути, учитывая также объективную цифровую информацию. При наличии надежной и высокоточной системы определения места судна ECDIS становится важнейшим техническим средством навигации не только в прибрежных водах, но и в узкостях, так как обеспечивает мгновенный контроль за местоположением и движением судна, прогнозирование развития навигационной ситуации, оперативное планирование и контроль маневров, безошибочность опознавания навигационных ориентиров.

Требования к электронным картам были разработаны в 1995 году 19-й Ассамблеей ИМО и оформлены Резолюцией А. 817(19), затем был разработан стандарт морских электронных карт № 1174 и начались разработки национальных стандартов. В требованиях ИМО к ECDIS отмечалось, что первичной функцией системы является обеспечение безопасности мореплавания. Система должна отображать всю картографическую информацию, необходимую для безопасного и эффективного судовождения. Такая информация должна официально гото-Виться и распространяться гидрографическими службами, уполномоченными правительствами стран. ECDIS должна обеспечивать надежность и доступность навигационной информации, предусматривать соответствующее резервирование и документирование данных рейса. Такие системы с 2001 года рассматриваются как легальный эквивалент бумажных навигационных карт. Вместе с тем, судоводитель должен реально оценивать и учитывать технические ограничения ECDIS, в том числе привязку к географическим координатам, а не к побережью, зависимость от точности навигационных датчиков и ограничений используемых СРНС, опасность использования неприемлемого масштаба электронной карты, возможную неполноту навигационной информации на этой карте и т. д. Даже кратковременная неисправность или отказ ECDIS может привести к полной потере контроля за обстановкой и своего места и, как следствие, к навигационной аварии.

Существует также проблема, связанная с системой координат. В международных стандартах на ECDIS определено, что используемая картографическая информация должна иметь американскую систему координат WGS-84. В этой системе функционирует и GPS (СРНС НАВСТАР). Однако российская СРНС ГЛОНАСС имеет собственную геодезическую основу ПЗ-90, а отечественные бумажные карты созданы по референц-эллипсоиду Красовского (иногда его называют «Пулково-42»). Несмотря на указанные ограничения и сложности уже сейчас на современных судах устанавливают по два дисплея ECDIS, каждый из которых имеет автономный источник электропитания. При этом дисплеи соединяют с основными техническими средствами навигации - гирокомпасом, лагом, приемоиндикатором СРНС GPS. В этом случае электронная карта превращается в навигационный автоматизированный комплекс, позволяющий решать различные задачи судовождения.

Понятно, что такой комплекс должен использоваться совместно с другими техническими средствами навигации, в частности, с судовой РЛС и эхолотом. Имеются возможности использования электронных карт и на яхтах. Примером может служить кругосветное плавание яхты «Апостол Андрей» под командованием заслуженного мастера спорта РФ Н.А. Литау в 1996-1999 годах (яхта обогнула земной шар, проследовав по всем четырем океанам, прошла впервые в истории Северным морским путем в западном направлении) на яхте использовались только электронные карты, для чего были установлены два дисплея. Несомненно, что со временем ECDIS полностью заменит бумажные карты и будет таким же обязательным навигационным средством , как сейчас гироскопический и магнитный компасы, лаг или судовая радиолокационная станция.

В отличие от бумажной карты, электронная карта, содержит скрытую информацию, которую можно использовать по мере необходимости. Эта информация представляется в виде слоев, которые называются тематическими, потому что каждый слой состоит из данных определенной тематики (рис. 1). Например, один слой электронной карты может содержать сведения о дорогах, второй - о проживающем населении, третий - о фирмах и организациях и т. д. Каждый слой можно просматривать по отдельности, совмещать сразу несколько слоев или выбирать отдельную информацию из различных слоев и выводить ее на карту.

Электронную карту можно легко масштабировать на экране компьютера, перемещать в разные стороны, рисовать и удалять объекты, печатать на принтере любые территории. Кроме того, компьютерная карта обладает и другими свойствами. Например, можно запрещать (или разрешать) отображать на экране определенные объекты. Выбрав объект с помощью мыши, можно запросить информацию о нем, например, высоту и площадь дома, название улиц и др.

Именно с появлением электронных карт появился и другой термин «геоинформационные системы» (ГИС). Существуют десятки определений геоинформационных систем (их еще называют и географическими информационными системами). Но большинство специалистов склоняются к тому, что определение ГИС должно базироваться на понятии СУБД. Поэтому можно сказать, что ГИС - это системы управления базами данных, предназначенные для работы с территориально-ориентированной информацией.

Рис. 1. Основу большинства современных ГИС-приложений составляют информационные слои

Важнейшей особенностью ГИС является способность связывать картографические объекты (т. е. объекты, имеющие форму и местоположение) с описательной, атрибутивной информацией, относящейся к этим объектам и описывающей их свойства (рис. 2).

Как было отмечено выше, в основе построения ГИС лежит СУБД. Однако, вследствие того, что пространственные данные и разнообразные связи между ними достаточно сложно описать реляционной моделью, полная модель данных в ГИС имеет смешанный характер. Пространственные данные специальным образом организованы, и эта организация не базируется на реляционной концепции. Напротив, атрибутивная информация объектов (семантические данные) вполне удачно может быть представлена реляционными таблицами и соответствующим образом обрабатываться.

Рис. 2. В электронных картах даже обычная точка может сопровождаться коллекцией фотографий, дающей представление об этой местности

Объединение моделей данных, лежащих в основе представления пространственной и семантической информации в ГИС, образует геореляционную модель.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам или ссылки на адрес, почтовый индекс, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и др. (рис. 3). При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения объекта применяется процедура геокодирования. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект.

Более перспективным является бесслоевой объектно-ориентированный подход к представлению объектов на цифровой карте. В соответствии с ним объекты входят в классификационные системы, которые отражают определенные логические отношения между объектами предметных областей. Группировка объектов разных классов для разных целей (отображения или анализа) производится более сложным способом, однако, объектно-ориентированный подход более близок к характеру человеческого мышления, чем послойный принцип.