Картографы, работающие в гидрографических службах и редакторы электронных навигационных карт (ЭНК), несут ответственность за обработку батиметрических данных для создания ЭНК, соответствующих стандарту IHO S-57. Это трудоемкая и кропотливая работа, требующая определенных навыков и знаний. Сегодня эта экспертиза подвергается испытанию в связи с постоянным прогрессом в методах и оборудовании для сбора данных, что привело к значительному увеличению количества и объема батиметрических данных. Чтобы достичь этих целей, проект CARTONAUT был запущен картографами Shom в сотрудничестве с инженерами GEOMOD, работающими в области морской геоматики. Проект привел к созданию CALHYPSO — автоматизированного решения для обобщения батиметрических данных для производства электронных навигационных карт (ЭНК) по стандарту S-57. Эта статья описывает разработку CALHYPSO в рамках проекта CARTONAUT и предоставляет подробности о концепции и функциях инструмента.
Процесс обобщения: необходимость обеспечения безопасности
В гидрографических службах, как и в любых организациях, занимающихся редактированием электронных навигационных карт (ЭНК), картографы занимаются обработкой батиметрических данных, на основе которых формируется информация, отображаемая на ЭНК по стандарту S-57. Используя входные данные, картографы оценивают конфигурацию дна и создают соответствующие объекты, описывающие дно в соответствии со стандартом S-57. В процессе они применяют надежное упрощение информации, отображаемой на морской карте, — процесс, называемый генерализацией. Безопасность мореплавателей зависит от надежности и точности ЭНК, созданных в этом процессе, поэтому картографы придают большое значение выполнению актуальной генерализации. Эта задача точная, трудоемкая и требует специфических знаний в области навигации.
Бум в сборе батиметрических данных: большой вызов
В последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в стратегиях сбора данных и оборудовании. Эти улучшения привели к значительному шагу вперед в точности батиметрических исследований, что приводит к увеличению объемов данных. Количество источников, из которых можно извлекать надежные батиметрические данные, также растет. Поэтому для обработчиков данных становится проблемой справляться со сложностью этих данных, и картографам необходимо сохранять специфические знания в применении процесса генерализации, справляясь с увеличением плотности данных. Иными словами, сбор данных и их обработка должны соответствовать технологическим улучшениям.
Проект CARTONAUT: амбициозная и совместная работа
Учитывая эти цели, Shom решил в 2020 году совместно с GEOMOD улучшить картографические операции через амбициозный проект автоматизации под названием CARTONAUT. Основное внимание было уделено созданию программного обеспечения, которое осуществляет быструю и надежную выборку глубин и генерализацию. Это решение должно было эффективно обрабатывать плотные батиметрические данные (многолучевой эхолот, Лидар), выполнять надежный и автоматизированный процесс генерализации и предлагать специализированное решение, полностью основанное на практике картографов.
CALHYPSO: решение Chart Assistant для гидрографической обработки и упрощения операций
Два года спустя после запуска проекта CARTONAUT в октябре 2022 года была выпущена первая версия программного обеспечения CALHYPSO. Основная функция CALHYPSO сосредоточена на обработке входных батиметрических данных для создания электронных навигационных карт (ЭНК) по стандарту S-57. Пакет CALHYPSO включает три инструмента:
• Создание: производство электронных навигационных карт (ЭНК) по стандарту S-57 из входных батиметрических данных
• Контроль: выделение потенциальных проблем безопасности в созданных ЭНК
• Обнаружение: сравнение используемого ЭНК с актуальными батиметрическими данными для выявления изменений дна, угрожающих навигационной безопасности.
Предполагается, что исходные данные были собраны в соответствии со стандартами IHO для гидрографических исследований S-44, и основными входными даннымиявляется набор точек XYZ, сохраненный в форматах .lgz, .glz, .txt, .csv, .xyz, .asc, .dat или .pts. Пользователи могут установить требуемый масштаб и значения изобат, а программное обеспечение генерирует выходной ЭНК по стандарту S-57, включая батиметрические объекты, такие как изобаты, район и отметки глубин.
Более подробный выходной ЭНК можно получить, используя дополнительные входные данные. Дополнительные объекты, такие как участки суши, углубленные районы, подводные скалы, обломки и препятствия, можно загрузить в программное обеспечение в формате ЭНК (.000), и генерализация батиметрических данных будет скорректирована с учетом этих объектов.
CALHYPSO: основные этапы алгоритма генерализации
Этапы, охватываемые программным обеспечением, соответствуют ручному процессу, выполняемому картографами. Они описаны ниже.
Отбор и триангуляция
Первый этап направлен на уменьшение объема данных, чтобы сделать процесс генерализации как можно быстрее. Для этого, в рамках полной безопасности сохраняются более мелкие глубины и выполняется триангуляция до тех пор, пока разрешение не будет совместимо с указанным масштабом. Таким образом, данныемноголучевого эхолота и батиметрические данные Лидара можно уменьшить в среднем в десять раз.
Морфологический анализ
Триангуляция анализируется для получения морфологических объектов, таких как пики, линии гребней, проходы, тальвеги и впадины. Эти характерные глубины затем составляют выборку глубин.
Извлечение и упрощение изолиний
Часть изолиний извлекается из триангуляции, и операции упрощенияпоследовательно применяются для объединения близлежащих изолиний и получения более простые полилиний.
Выборка глубин и увеличение изолиний
Окончательные глубины, которые должны быть нанесены на карту, отбираются в соответствии с правилами генерализации глубина-расстояние. Как следствие,окрестность отметки глубины увеличена. Фактически, чтобы избежать наложения между текстом отметки глубины и кривой изолинии, близлежащие изолинии выдвигаются в море, обеспечивая как читаемость, так и безопасность навигации.
Несимметричное сглаживание
Для облегчения чтения карты применяется сглаживание полилиний для получения красивых кривых. Это сглаживание несимметрично, потому что изолиния систематически выдвигается в море.
Создание объектов по стандарту S-57
Наконец, изолинии преобразуются в стандартные изобаты и объекты районов S-57. CALHYPSO-Create экспортирует конечные данные S-57, состоящие из батиметрических объектов S-57, а также суши, углубленных районов или опасностей, если они введены в качестве опции.
Контроль и обнаружение: дополнительные инструменты для навигационной безопасности
Дополнительные инструменты предоставляются для помощи картографам в контроле качества (CALHYPSO-Control) и обновлении карт электронных навигационных карт (ЭНК) (CALHYPSO-Detect). CALHYPSO-Control направлен на обеспечение полного контроля безопасности. Картограф может сравнить исходные батиметрические данные и разработанную ЭНК, чтобы выявить и проверить любые погрешности. Фактически, там, где алгоритм применяет правило, картограф оценивает несколько конфигураций и определяет наиболее подходящую на основе своего опыта и знаний о привычках мореплавателей.
CALHYPSO-Detect сосредоточен на обновлении текущего каталога карт новыми данными исследований. Инструмент определяет, какая ЭНК пересекает данные, и выявляет новые опасности, которые могут представлять собой критическиеморские извещения.
Гидрографы могут быстро анализировать расхождения и предупреждать мореплавателей.
CALHYPSO — это программный пакет, предназначенный для картографов и редакторов электронных навигационных карт (ЭНК). Инструмент направлен на облегчение корректуры ЭНК для картографов, позволяя им сосредоточиться на других задачах, требующих их экспертизы. Инструмент был создан в результате надежного партнерства между картографами Shom и инженерами GEOMOD.