CN104156527A - 一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据合并方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据合并方法，包括以下步骤：对不同比例尺海图根据其航海用途和与参考点的距离进行筛选；此裁剪雷达模拟数据；裁剪后的海图按两种原则排序；按顺序对相邻海图间的叠幅区域的冗余数据进行筛选；对合并后的多边形填补空白形成矩形构造新的图幅；对合并后的雷达模拟数据中来自不同比例尺海图的岸线进行接边处理。由于本发明依据航行区域参考点和海图航海用途筛选了航行时涉及到的海图，在保证雷达模拟数据精度的前提下，大大减少了雷达模拟数据的数据量。由于本发明统计了雷达模拟数据中前向角度的特征规律，据此区分岸线和因海图分幅产生的分界线，消除了海图分幅制作对雷达模拟数据精度的影响。

Description

一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据合并方法

技术领域

本发明涉及计算机数据处理与航海仿真应用领域，具体涉及了一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据自动提取、处理与合并方法。

背景技术

国际海事组织(IMO)在其颁布的《1972年国际海上避碰规则》规定了正确使用雷达和进行雷达标绘的具体要求。在传统航海培训中，学员在校仅学习理论，实际动手经验只有通过随船实习时才能获得，这种培训方式周期长，费用高。近年来航海模拟器发展迅速，相比传统培训方式有很大的优势。IMO在《海员培训、发证和值班标准国际公约》马尼拉修正案中新增了对航海模拟器的具体要求：第B-I/12节要求对照其他航标对雷达精度进行核对，第B－I/12第17段中要求比较海图上的岸形和雷达显示的岸形，第B－I/12第34段中要求对关键回波准确识别。

随着航海仿真技术和计算机技术的发展，航海模拟器已经能够真实地模拟船用雷达图像。首先从S-57标准电子海图提取雷达模拟数据，包括岸线数据和灯浮数据，再由航海模拟器读取生成雷达模拟图像，但是在目前的实际应用中，航海模拟器一次只能读取一份雷达模拟数据，这就造成了以下两个问题：

1、模拟船位驶离当前读取的雷达模拟数据的海图范围，会失去雷达模拟图像。

2、如果读取一份范围较大的小比例尺海图中的雷达模拟数据，雷达模拟图像的精度不满足航行要求。

为了满足一次模拟航行的需求，需要对航行过程中涉及到的不同比例尺海图中的雷达模拟数据进行合并，相关学者在地理信息系统(GIS)领域对相同比例尺的数字地图中的等高线合并做了相关研究，但是并不适用于航海模拟器中来自不同比例尺的海图的雷达模拟数据合并，主要有以下问题：

1、船舶在航行时，在不同区域采用不同比例尺、不同航海用途的海图，由于原始数据量太大，需要对航行过程中涉及到的不同比例尺的海图进行筛选，保证雷达模拟数据的精度和范围。

2、相关领域的算法目前不能有效区分海图岸线和因海图分幅产生的边界线。

3、相关领域中对多幅海图合并时生成的多边形裁剪算法太复杂，进而影响下一幅海图与其合并。

4、海图一般按航线规划，自由分幅，相邻海图之间的叠幅区域中的岸线数据重复，且不同比例尺海图的精度不一致。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据合并方法，实现航海模拟器中雷达模拟数据的自动合并，在保证雷达模拟图像的精度的同时生成足够大小范围的雷达模拟数据。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据合并方法，包括以下步骤：

A、筛选

根据本次航行区域主要范围确定若干参考点，对航行时涉及到的不同比例尺海图根据其航海用途和与参考点的距离进行筛选。

B、分割

对每幅海图中的雷达模拟数据设置裁剪缓冲区，裁剪缓冲区的大小由海图内雷达模拟数据的分布范围确定，经过对多张海图中雷达模拟数据的前向角度统计，得到岸线和因海图分幅产生的边界线的不同的特征规律，据此裁剪雷达模拟数据。

C、排序

裁剪后的海图按以下两种原则排序：不同比例尺的海图按比例尺由小到大排序；相同比例尺的海图按海图图幅减去海图内裁剪缓冲区后的剩余图幅范围由小到大排序。

D、去重

按顺序对相邻海图间的叠幅区域的冗余数据进行筛选，只保留该位置最大比例尺的雷达模拟数据，删除其他小比例尺的雷达模拟数据。

E、合并

合并去重后的雷达模拟数据，并通过对海图空间拓扑关系的分析，对合并后的多边形填补空白形成矩形构造新的图幅。

F、接边

对合并后的雷达模拟数据中来自不同比例尺海图的岸线进行接边处理，若接边雷达模拟岸线和待接边雷达模拟岸线比例尺相同，使用直接接边法；若接边雷达模拟岸线和待接边雷达模拟岸线比例尺不相同，使用单侧衰减接边法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明依据航行区域参考点和海图航海用途筛选了航行时涉及到的海图，在保证雷达模拟数据精度的前提下，大大减少了雷达模拟数据的数据量。

2、由于本发明统计了雷达模拟数据中前向角度的特征规律，据此区分岸线和因海图分幅产生的分界线，消除了海图分幅制作对雷达模拟数据精度的影响。

3、由于本发明对待合并的海图进行排序，优先保留叠幅区域中大比例尺雷达模拟数据，保证了雷达模拟数据的精度。

4、由于本发明通过对海图空间拓扑关系的分析，对合并后的多边形填补空白形成矩形构造新的图幅，大大简化了雷达模拟数据合并时对海图图幅的判断，节省了计算资源消耗。

5、由于本发明针对接边雷达模拟岸线和待接边雷达模拟岸线的比例尺是否相同，分别提出了直接接边法和单侧衰减接边法，在保证雷达模拟数据精度的同时，使得雷达模拟岸线基本上保持原有趋势，过渡的更平稳光滑。

附图说明

本发明共有附图13张，其中：

图1为某港附近水域全部海图(96n mile)。

图2为筛选后的某港附近水域海图。

图3为海图CN435111岸线、边界线、图廓线和裁剪缓冲区。

图4为分割后的海图CN435111。

图5为前向角度散点图。

图6为海图间位置关系。

图7为填补空白构造新图幅。

图8为叠幅区域中的数据对比。

图9为合并后的某港附近水域。

图10为某港附近水域电子海图。

图11为某港附近水域雷达模拟图像。

图12为某港港区内电子海图。

图13为某港港区内雷达模拟图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。本发明分成筛选、分割、排序、去重、合并、接边六个步骤，下面结合附图和附表以某港附近水域对本发明的具体实施进行说明：

根据IHO标准分级，S-57标准海图因不同的航海用途分为六类：综述(Overview)、一般(General)、沿海(Coastal)、近岸(Approach)、港口(Harbor)、码头泊位(Berthing)。一般在航海实践中利用雷达进行瞭望时，应选择适当的量程：大洋航行可用12～24n mile量程；沿岸航行可用6～12n mile量程；狭水道航行应远近量程兼用，以2～6n mile为主。如图1所示，以某港为参考点，在海图库中以96n mile(雷达的最大量程)的范围选取海图，共选取96张，然后根据表1筛选不同航海用途的海图。对于该港港区内水域，需要最精确的大比例尺岸线模拟数据；出港之后近岸航行可选择用于Approach的岸线模拟数据；与海岸距离更大一些可以选择用于Coastal、General的岸线模拟数据。筛选后的海图如图2所示，共14张，与图1相比，数据量大大减少且保证了该港附近水域的雷达精度要求。

表1雷达量程与S-57海图比例尺范围对照表

海图按航线规划，自由分幅的方式人为的割裂了完整连续的海洋地理环境，导致海图上陆地产生物理意义上的空间缝隙，从海图中提取到的岸线模拟数据表现为在靠近海图图廓线的区域会生成不必要的边界线，边界线(图3外圈实线)与海图图廓线(图3虚线)接近但不一定重合。

为了直观地判断边界线和海图图廓之间的距离，设比例α:

以该港附近水域的14张海图为例，各比例α见表2。

删除边界线的前提是有效区分边界线和海图岸线，现定义前向夹角：指当前数据点与下一数据点所形成的有向线段与x轴的夹角(0°～180°)。手动提取上述该港附近水域的14张海图中的所有边界线，计算其边界线各点之间的前向夹角并按由小到大排序做出散点图，见图5。经过统计，边界线上各点的前向夹角集中在0°、90°、180°三个特殊角度上，偏差不超过0.1°。这也与直观观察图3所得到的结论一致。为了快速删除边界线，同时不引起其它岸线数据的误删，可以设置一个裁剪缓冲区(图3点状线)，各海图裁剪缓冲区α大小见表2，删除边界线后的海图见图4。

表2某港附近水域海图比例

注：“-”表示在海图相应位置不存在边界线。

对于同一岸线，在小比例尺海图上的精细程度及复杂程度是小于它在大比例尺海图上的精细程度及复杂程度的。因此在对岸线模拟数据合并去重的过程中，需要保留大比例尺海图上的岸线数据，删除小比例尺海图上相应位置的岸线数据。因此对雷达模拟数据的合并顺序遵循以下两个原则：

不同比例尺的海图按比例尺由小到大排序；

相同比例尺的海图按海图图幅减去海图内裁剪缓冲区后的剩余图幅范围由小到大排序。

如图6所示，两张海图的空间拓扑关系可以分为三种：相离、包含、相交。在传统GIS相同比例尺数字地图接边时是不存在相离、包含两种情况的，对于相交又分为两种：边相交、角相交，GIS中每次合并得到新的数字地图时都要进行多边形裁剪，最终得到一个不规则的多边形。在航海模拟器中的雷达模拟数据合并时，不需要考虑最终生成的多边形形状，可以将其填补形成一个矩形(见图7)，海图按比例尺从小到大依次合并，对于填补的部分如果后续海图中存在相应位置的岸线模拟数据，直接合并覆盖空白部分，若没有新的岸线模拟数据覆盖，说明本次航行不涉及到这一地理位置，继续保持空白。这样大大简化了雷达模拟数据合并时对海图图幅的判断，对于上述海图间三种位置关系都可以直接按顺序合并。

如图8所示，在海图叠幅区域中存在大量的冗余数据，大比例尺海图的雷达模拟数据的精确程度高于小比例尺海图的雷达模拟数据的精确程度，在对相邻海图叠幅区域的冗余数据处理时遵循保留来自大比例尺海图的雷达模拟数据、删除来自小比例尺海图的雷达模拟数据这一原则。例如一张经过多次合并拼接生成的海图A与海图B合并时，海图A中的雷达数据来自多个不同比例尺的海图，对于海图A中待删除的雷达模拟数据，只有原始比例尺大小可以作为筛选条件：

若待删除的雷达数据的原始比例尺与海图B的比例尺相等，删除该雷达岸线处于海图B图幅内的数据；

若待删除的雷达数据的原始比例尺小于海图B的比例尺，保留该雷达岸线进入海图B图幅内的第一个点和离开海图B图幅的前一个点，其余处在海图B图幅内的数据全部删除。

雷达模拟数据是按照“人沿岸线行走，陆地在人左手侧”的方向提取的，每一段未闭合的待接边雷达模拟岸线都是有向折线，一段雷达模拟岸线的终点只能与另一段雷达模拟岸线的起点接边。在两张海图拼接时，接边雷达模拟岸线和待接边雷达模拟岸线是一一对应的，两段雷达模拟岸线是否接边需要满足一定的空间条件，即待接边雷达模拟岸线起点(终点)与相应接边雷达模拟岸线的终点(起点)之间的距离小于接边阈值，接边阈值的大小由海图比例尺确定。针对去重过程中筛选得到的两种待接边雷达模拟岸线，分别提出两种接边算法：

直接接边法

待接边的两段雷达模拟岸线原始比例尺相等，可以认为两段雷达岸线模拟数据的精度相等，在海图选择的基本点一致，直接以折线连接两段雷达模拟岸线。

单侧衰减接边法

对于同一陆地，小比例尺海图雷达岸线模拟数据的基本点少于大比例尺海图雷达岸线模拟数据的基本点，但两者仍可以认为描述同一陆地。对于去重过程中保留的小比例尺雷达模拟岸线进入大比例尺海图图幅的第一个点和离开大比例尺海图图幅的前一个点，该基本点可以与对应待接边大比例尺海图雷达模拟岸线的待接点视为同一基本点，大比例尺海图雷达模拟岸线数据更精确，所以两者之间的误差按衰减系数分配给小比例尺海图雷达模拟岸线邻近点，使得雷达模拟岸线基本上保持原有趋势，过渡的更平稳光滑。具体算法如下：

小比例尺海图雷达模拟岸线待接点A(x_A,y_A)，大比例尺海图雷达模拟岸线待接点B(x_B,y_B)，两点之间的误差：

d_x＝x_B-x_A

d_y＝y_B-y_A

设衰减系数esp(0<esp<1)，衰减系数是指小比例尺海图雷达模拟岸线为了消除基本点选取误差做的一定摆动。对于小比例尺海图雷达模拟岸线待接点以后的n个基本点，做以下误差分配：

x_n＝x_n+(1-n×esp)×d_x

y_n＝y_n+(1-n×esp)×d_y

当n*esp＞1时停止误差分配。

如图9所示，多次合并后最终得到的该港附近水域雷达模拟数据。

如图10所示某港附近水域的电子海图，在航海模拟器中以48n mile档位生成的雷达模拟图像见图11，大范围的岸线基本上完整地还原出原形状。

如图12所示某港港区内电子海图，在航海模拟器中以6n mile档位生成的雷达模拟图像见图13，在小量程档位下，岸线位置准确，几何精度高，同时港区内部的灯浮全部显示出来。

Claims (1)

1.一种用于航海模拟器仿真的雷达模拟数据合并方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、筛选

根据本次航行区域主要范围确定若干参考点，对航行时涉及到的不用比例尺海图根据其航海用途和与参考点的距离进行筛选；

B、分割

对每幅海图中的雷达模拟数据设置裁剪缓冲区，裁剪缓冲区的大小由海图内雷达模拟数据的分布范围确定，经过对多张海图中雷达模拟数据的前向角度统计，得到岸线和因海图分幅产生的边界线的不同的特征规律，据此裁剪雷达模拟数据；

C、排序

裁剪后的海图按以下两种原则排序：不同比例尺的海图按比例尺由小到大排序；相同比例尺的海图按海图图幅减去海图内裁剪缓冲区后的剩余图幅范围由小到大排序；

D、去重

按顺序对相邻海图间的叠幅区域的冗余数据进行筛选，只保留该位置最大比例尺的雷达模拟数据，删除其他小比例尺的雷达模拟数据；

E、合并

合并去重后的雷达模拟数据，并通过对海图空间拓扑关系的分析，对合并后的多边形填补空白形成矩形构造新的图幅；

F、接边

对合并后的雷达模拟数据中来自不同比例尺海图的岸线进行接边处理，若接边雷达模拟岸线和待接边雷达模拟岸线比例尺相同，使用直接接边法；若接边雷达模拟岸线和待接边雷达模拟岸线比例尺不相同，使用单侧衰减接边法。