在地理信息领域，“图示表达”用于表示要素从数据变换为图形显示这一过程，涉及地理信息数据、地图符号以及两者之间的映射规则，即图示表达规则。数据的共享与互操作已经得到普遍认可^[1]；地图符号的共享与互操作目前得到了较多学者的重视，但还未形成统一认识。例如，文献[2-3]选用的是PostScript，文献[4-5]选用的是可缩放矢量图形（scalable vector graphics，SVG），文献[6]则选用TrueType，文献[7]分析比较了上述几种图形成像模型的优缺点，认为SVG最适宜作为地图符号的共享模型。目前，也有学者对图示表达规则开展了研究。例如，文献[8]对ISO 19117图示表达模型开展了分析研究，文献[9-11]构建了基于可扩展样式表转换语言（extensible stylesheet language transformation，XSLT）的图示表达规则。但总体上，图示表达规则还未引起足够重视，也未形成统一认识。

电子海图是广义地图中的一个分支，是一类非常基础的海洋地理信息产品，符合地图学基本理论，但是又独具特色^[12]。在网络发达的今天，电子地图呈现出丰富多彩的样式，但是，电子海图目前几乎只呈现出电子航海图（electronic navigational chart，ENC）这一单一样式，很难看到根据不同用户和不同用途设计的新样式。问题的根源在于：（1）现行电子海图显示标准S-52^[13]只面向ENC，缺乏一个面向海洋地理信息全域的显示标准，而且S-52过于复杂，实现标准化海图显示很困难；（2）海图数据和图示表达规则的耦合限制了电子海图不同样式的扩展。近几年，国际海道测量组织（International Hydrographic Organization，IHO）正在推动新一代海洋地理信息标准S-100^[14]的完善与落地，为实现电子海图的开放性改造提供了新思路。然而，实现S-52到S-100的转换并非易事，涉及到数据集、符号库、显示规则和调显引擎等重构难题。因此，美国、英国、韩国等国的国家海道测量局耗时多年，仍未彻底完成升级换代。中国未深度参与S-100的制定和试验，目前仅停留在跟踪分析阶段^[15-20]。

为了进一步推动S-100标准落地，本文将对IHO S-52标准中图示表达模型相关内容进行分析，并以IHO新一代海洋地理信息标准S-100为依据，提出并验证基于可扩展标记语言（extensive markup language，XML）的电子海图开放式图示表达方法。

1 S-52标准图示表达模型

ENC是一个国际化图种，遵照IHO制定的标准规范，例如现行的数据标准S-57与显示标准S-52。S-52标准是20世纪90年代制定的，在开放性和拓展性方面已显现不足。S-52标准并没有给出图示表达模型，但是其流程本质上可以抽象形成如图 1所示的模型。

S-52标准中图示表达规则分为基本符号化和条件符号化（conditional symbology procedure，CSP）两类，都存储在查找表中，前者为规则法，后者主要为程序法。因而S-52的图示表达规则是规则库和程序化的组合。

基本符号化是一系列较为简单的图示表达规则，每个规则包含7个字段，分别是“要素编码”“属性条件”“符号指令”“显示优先级”“雷达叠加标记”“显示分类”和“可选显示组”。其中，“符号指令”对应于图 1中的符号引用，其说明见表 1。对于符号的定义，S-52使用惠普图形语言（Hewlett-Packard graphic language，HPGL）进行描述，其语法见表 2。

条件符号化是一种针对多层次分支结构的图示表达规则，并且与环境参数相关，例如船舶安全水深、当前时间、不同要素之间的空间关系或者关联关系。S-52标准给出了流程图和相应的C语言代码框架，开发者据此可开发出符合标准的条件符号化程序。

2 S-100标准图示表达模型

S-100第9章专门描述图示表达，与S-52标准不同的是，S-100对图示表达的规定源于ISO 19117标准，具有通用性和灵活性。S-100中的图示表达模型如图 2所示，对图示表达各部分内容的构建方式并不作强制要求，但同时建议按照XML实现，例如要素集合以XML表示，图示表达规则以可扩展样式语言（extensible stylesheet language，XSL）表示，符号定义集合则以SVG构建点符号库，以SVG和XML参数文件共同构建线样式和面填充。S-100中第9章的大多数内容是图示表达中各类符号（点、线、面）样式的模型，该模型直接决定了图示表达规则的输出结构及符号引用的内容，进而影响着图示转换引擎和渲染引擎的构建。在S-52标准中，简单线符号仅可表达虚线、点线和点划线，且参数只有宽度和颜色，复杂线符号则以若干点符号作为参数构建循环段。相比之下，S-100中的符号表达能力要灵活强大得多，除具备S-52标准原有的符号表达能力外，还可实现偏移、旋转、缩放、循环段长度等参数控制。

以符号样式模型为基础，可构造基于XSL的图示表达规则。XSL支持“与”“或”“非”等基本逻辑运算及其组合，支持加、减、乘、除等代数运算，支持路径和正则表达式等查找运算，尤为重要的是支持模板（子过程）的定义与调用，因而完全可以表达S-52图示表达中的条件符号化。

3 电子海图图示表达模型实现

为了提高地理信息系统的灵活性和易用性，应当选用开放式的图示表达模型。S-100是从ISO/TC211标准体系衍生的专有标准，具有开放性和先进性，同时针对海洋地理信息具有可操作性，因而可按照S-100建立基于XML的开放式电子海图的图示表达模型，如图 3所示。图 3中的要素集合（XML）由S-57标准数据转换而来，符号定义集合（SVG+XML）和图示表达规则（XSL）需要由S-52标准中符号库转换而来，图示转换引擎和渲染引擎则需要编写相应软件模块。

3.1 电子海图要素集合

构建电子海图要素集合的关键步骤如下：

1）依托行业专家知识，建立S-57与S-101的分类编码对照表；

2）利用GDAL/ OGR开源GIS组件读取S-57数据；

3）进行分类编码的匹配与转换；

4）按照XML结构导出S-57数据。

电子海图通常使用ISO 8211作为数据编码格式，每一个要素信息包括要素类型、要素标识符、属性、空间坐标、关联要素、关联专题、是否屏蔽等字段，并使用二进制进行存储。按照S-100建议，应当采用XML构建电子海图要素集合，因此，可将ISO 8211形式的要素表达信息转换为具有嵌套层次的XML元素。

3.2 电子海图符号定义集合

电子海图符号定义集合的关键步骤如下：

1）建立S-52点符号与SVG符号两者坐标系的重构关系，实现坐标系的自动转换；

2）建立S-52点符号与SVG符号两者图元结构的重构关系，进行图元的自动转换；

3）按照S-100的线样式模型，构建线符号的XML参数文件；

4）按照S-100的面图案模型，构建面符号的XML参数文件。

通过HPGL到SVG的坐标系和图元坐标重构，可以实现基本点图元的重构；对于复杂线和复杂面符号，则依据S-100中的线样式和面图案模型构建XML参数文件。

3.3 电子海图图示表达规则

IHO S-52标准对于图示表达规则的定义分为基本符号化和条件符号化，后者由开发者根据S-52标准中给出的流程图，各自编程实现。

根据IHO S-100标准的建议，电子海图图示表达规则可采用XSL进行描述，构建方法如下：

1）依托行业专家知识，实现查找表基本符号化到XSL语法的转换；

2）对于条件符号化中的过程调用，建立XSL子模板。

3.4 实验与结论

为了验证S-100图示表达模型的可行性，本文按照前文所述实现方法，设计如下实验。

1）实验环境。CPU：Intel I5 M460；硬盘：Kinston SSD 256 GB；操作系统：Windows7 x64。

2）实验数据。IHO提供的S-57测试数据“GB5X01SE.000”。

3）实验内容。以海洋测绘界知名厂家Caris公司的EasyViewer软件（v4.0）作为参照，以C#开发语言编制测试软件PortrayalTester，借助开源地理空间数据引擎OGR实现S-57数据读取，利用C#内置库实现XML数据的构建及XSL模板的执行，利用GDI+实现图形绘制；从显示规范和执行效率两个方面，对实验数据进行加载测试与比较。

按照上述实验方法，可以分别得到EasyViewer（见图 4）和PortrayalTester（见图 5）的显示效果，两种方法的比较分析结果见表 3。实验结果表明，按照S-100中的图示表达模型和本文所述实现方法，可以实现航海图显示，但是由于EasyViewer使用了硬件加速，且基于规则解析的效率通常不如内嵌程序，以及C#程序运行效率不如C++等原因，导致目前的PortrayalTester执行效率方面与EasyViewer有些差距。另外，由于EasyViewer使用的S-52符号库为3.4版本，而PortrayalTester使用的是最新的4.0版本，两者所采用的颜色定义有所差别，导致图 4和图 5中显示样式有些差别。

本文实验验证了“水深”“航海标志”“海域”“磁差”等要素的基本符号化，以及“等深线”和“深度范围”两类要素的条件符号化，但是由于S-52符号化的复杂性，更多的图示表达XSL模板有待进一步构建和验证。

4 结语

本文针对现行电子航海图显示标准IHO S-52过于封闭的问题，分析总结了IHO S-52和IHO S-100标准中的图示表达模型，提出用XML构建电子海图要素集合、符号定义集合和图示表达规则的实现方法，并通过实验进行初步验证。

下一步将在两个方面开展工作：

1）本文针对电子航海图的图示表达开展了初步试验，后续将面向其他新型海洋地理信息产品，例如潮汐、天气、冰情等，构建相应的数据集、符号定义集合和图示表达规则。

2）本文采用XSL作为图示表达规则，执行效率并不高，因此可以考虑引入执行效率更高同时又具有开放特性的脚本语言（可动态即时编译）作为图示表达规则的构建方法，例如Lua或者Javascript。