CN104794267B - 一种基于ecdis的水深信息显示及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ECDIS的水深信息显示及应用方法，包括以下步骤：提取海图水深点的位置和深度，并获取海图及潮汐基准面的信息；获取各水点潮高随时间变化的信息；计算各水深点的实际水深；将各水深点实际水深信息转换为可在ECDIS标准底图上表示的水深点图形标识数据；在ECDIS中加入一个选择显示的实际水深图层；在新图层根据计算机时间的变化实时显示各水深点实际水深；根据实际水深进行应用计算。本发明结合潮汐信息计算船舶所处位置的实际水深，通过在各水深点的计算中加入潮高因素进行计算，消除海图水深与实际水深之间由潮高引起的误差，并根据需要进行计算并在ECIDS显示，为航海人员的决策提供参考依据。

Description

一种基于ECDIS的水深信息显示及应用方法

技术领域

本发明涉及一种海洋助航技术，特别是一种基于ECDIS的水深信息显示及应用方法。

背景技术

电子海图显示及信息系统(以下简称ECIDS)是目前常用的助航仪器。作为一种常用的信息，水深点位置及其水深值可根据需要进行显示。目前ECIDS海图水深沿用了航用海图上通用的水深表示方法。所采用的基准面为水深基准面，取为天文最低潮面或理论最低潮面。ECDIS中显示的水深即为从水深基准面至海底的垂向距离。

而船舶所处位置从海平面到海底的实际水深在数值上等于海图水深与潮高之和。如海图基准面和潮高基准面不一致，则还需进行海图基准面和潮高基准面差值的修正，如图1所示。

图中，CD和TD的数值分别为潮高基准面和潮高基准面至平均海面的垂向距离。潮高为海平面与潮高基准面之间的垂向距离。所以，船舶所处位置的实际水深应为：

实际水深＝海图水深+潮高+(CD-TD)

由于ECDIS上显示的水深通常小于实际水深，所以船舶根据该显示水深设计的航线更偏于安全。但在一些需要对水深进行精确计算的情况，航海人员需要了解船舶所处位置和所处水域更为准确的水深。这些情况包括：①由于港口水深限制，船舶需要利用潮高进出港口，需要计算船舶最低位置与海底之间的垂向距离，并确定船舶可进出港的时间段；②船舶通过桥梁或架空电缆等架空障碍物时，需要计算船舶最高位置与桥梁最低点之间的垂向距离，并确定船舶可通过桥梁的时间段；③需要计算船舶泊位所处位置的实际水深，以确定船舶最大载货量；④船舶在水深较浅的水域进行紧急避让，需要确定船舶附近水域的水深以确定避让方案，以避免船舶搁浅或触底。

在上述情况下，航海人员需要根据船舶所处位置和所处水域的实际水深确定船舶的装载计划、航行计划和操纵避让方案。所以需要根据海图水深和实时的潮高，以及海图基准面和潮高基准面的关系进行精确计算。而目前作为主要助航仪器的ECDIS没有计算船舶所处位置和水域实际水深的功能，导致无法充分利用港口水深资源，以及导致船舶航行的危险。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种精度更高的基于ECDIS的水深信息显示及应用方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于ECDIS的水深信息显示及应用方法，包括以下步骤：

A、提取海图水深点的位置和深度，并获取海图及潮汐基准面的信息：

提取海图水深点的位置和深度值，获取海图基准面相对于平均海面的深度CD和潮汐基准面相对于平均海面的深度TD。

B、获取各水点潮高随时间变化的信息：

从两种途径获取潮高变化信息，一种是港口当局发布的实时潮汐信息及潮汐预报信息，另一种是根据调和分析法计算实时潮汐信息及潮汐预报信息。此两种途径中，以港口当局实时发布的潮汐和潮汐预报信息为优先，如港口当局未提供该信息，则利用调和分析法进行潮汐计算。如利用调和分析法的计算，某海域在t时刻的潮高y(t)表示为:

其中a₀为平均海面高度，n为分潮的个数；h_i、ω_i和φ_i分别为第i个分潮的幅值、频率和相位。n取值为37个，各个分潮的幅值、频率和相位根据当地海洋或港口机关发布的调和常数资料确定。

C、计算各水深点的实际水深：

根据步骤A中提供的水深点的深度、海图基准面、潮汐基准面信息以及步骤B中提供的潮高信息，计算得到对应于每个水深点的实际水深：

实际水深＝海图水深+潮高+(CD-TD)

D、将各水深点实际水深信息转换为可在ECDIS标准底图上表示的水深点图形标识数据：

将各水深点实际水深信息转换为可在ECDIS标准底图上表示的图形标识数据。其中各水深点图形标识的位置为ECDIS原图上原水深点的位置，水深数值为按照步骤C计算的实际水深。

E、在ECDIS中加入一个选择显示的实际水深图层：

在ECDIS中加入一个选择显示的实际水深图层，用户根据需要进行显示海图水深、显示实际水深或不显示水深信息。

F、在新图层根据计算机时间的变化实时显示各水深点实际水深：

基于港口当局发布的实时潮汐信息及潮汐预报信息或者根据调和分析法计算的潮汐，按照时间在ECDIS上显示各水深点位置对应的实际水深。

G、根据实际水深进行应用计算：

根据潮汐在航海上的应用，将应用计算分为四部分：

G1、由于港口水深限制，船舶需要利用潮高进出港口，需要计算船舶最低位置与海底之间的垂向距离，并确定船舶可进出港的时间段。为了使船舶安全通过浅水航段，潮高必须大于或等于最小安全潮高：

最小安全潮高＝船舶吃水+富余水深-海图水深-(CD-TD)

富余水深预设为1m，并根据船舶和海况的具体情况进行自行调整和设定。

最小安全潮高对应的时间点根据港口发布的潮汐信息或调和分析法的计算结果的基础上进行计算：

首先，确定船舶航行至浅水区域的时间是处于涨潮阶段还是落潮阶段，如处于涨潮阶段，根据船舶航行至浅水区域的时间之前相邻的低潮时间和低潮潮高进行计算：

t＝低潮时间+涨潮时间/180×arccos(1-2×(最小安全潮高-低潮潮高)/潮差)

其中涨潮时间为从船舶航行至浅水区域的时间前相邻的低潮时间至船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的高潮时间之间的时间间隔。潮差为船舶航行至浅水区域的时间前相邻的低潮潮高与船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的高潮潮高之间的高度差。如处于落潮阶段，根据船舶航行至浅水区域的时间之前相邻的高潮时间和高潮潮高进行计算：

t'＝高潮时间+落潮时间/180×arccos(1-2×(高潮潮高-最小安全潮高)/潮差)

其中落潮时间为从船舶航行至浅水区域的时间前相邻的高潮时间至船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的低潮时间之间的时间间隔。潮差为船舶航行至浅水区域的时间前相邻的高潮潮高与船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的低潮潮高之间的高度差。

根据最小安全潮高对应的时间点确定船舶可通过浅水区域的时间段，并在ECDIS中通过点击浅水区域显示船舶可安全通过该浅水区域的时间段。

G2、船舶通过桥梁时，需要计算船舶最高位置与桥梁或架空电缆最低点之间的垂向距离，并确定船舶可通过桥梁或架空电缆的时间段。为了使船舶安全通过桥梁或架空电缆等架空障碍物，潮高必须小于或等于最大安全潮高：

最大安全潮高＝大潮升+障碍物净空高度-水面至船舶最高位置的高度-安全余量

其中：大潮升为潮高基准面至平均大潮高潮面的高度，障碍物的净空高度为从平均大潮高潮面至该障碍物最低点的高度，水面至船舶最高位置的高度为从水面到船舶主桅顶端的高度，在数值上等于船舶从龙骨至船舶主桅顶端的高度减去船舶的吃水。安全余量预设为1m，并根据船舶和海况的具体情况进行自行调整和设定。

最大安全潮高对应的时间点的计算方法同步骤G1中最小安全潮高对应的时间点的计算方法，并在此基础上在ECDIS中通过点击对应的桥梁或架空电缆位置显示船舶可安全通过该桥梁或架空电缆的时间段。

G3、需要计算船舶泊位所处位置的实际水深，以确定船舶最大载货量；

如果船舶泊位所处位置有水深点，则直接应用该水深点实时显示的实际水深信息，通过点击该位置获取潮汐随时间变化的的预报信息。如果船舶泊位所处位置没有水深点，则利用相邻水深点的水深进行内插，计算得到该处的水深。

G4、船舶在水深较浅的水域进行紧急避让，需要确定船舶附近水域的水深以确定避让方案，以避免船舶搁浅或触底。

在该选择显示实际水深的图层中加入等深线显示，为给驾驶员操纵和避碰提供直观的参考依据，在该图层中显示20m等深线和10m等深线，并根据设定显示其他数值的等深线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

水深是与航运相关的重要因素。精确了解船舶所处位置的水深直接关系到航海安全与航运效率。首先，水深是一种资源，更深的水深说明着船舶可装载更多的货物，港口的货物周转量也会相应增加。而且，而且对水深的准确计算关系到船舶的航行安全，水深过高或过低易造成船舶的碰撞和搁浅事故；在船舶避让的过程中也需要了解船舶附近水域的水深。但是当前ECDIS中标注的水深为海图水深，没有考虑实际水深受到的潮汐的影响。

而潮汐影响下的实际水深为：实际水深＝海图水深+潮高+(CD-TD)。由此可知，ECDIS标注的海图水深与实际水深相比，误差为：潮高+(CD-TD)。潮高大小受引潮力、地形和其他条件的影响，随时间及地点而不同。潮高在数值上从零到几米不等，数值最大接近10米，引起海图水深与实际水深相比的误差也接近10米。如仅仅考虑船舶所处位置的海图水深大小，而不考虑潮汐的影响，会导致实际水深与ECDIS中标注的海图水深相差大，不利于航海人员根据船舶所处位置的实际水深进行船舶航行和作业的决策。尤其在以下情况中，需要结合潮汐信息对船舶所处位置和附近水域的水深进行精确计算：①由于港口水深限制，船舶需要利用潮高进出港口的情况；②船舶通过桥梁或架空电缆等架空障碍物，需要计算船舶最高位置与桥梁最低点的垂向距离；③需要根据船舶泊位所处位置的实际水深，计算船舶最大载货量的情况；④船舶在水深较小的水域进行紧急避让，需要确定附近水域的水深以确定避让方案的情况。

在这些情况下，结合潮汐信息计算船舶所处位置的实际水深：实际水深＝海图水深+潮高+(CD-TD)，通过在各水深点的计算中加入潮高因素进行计算，消除海图水深与实际水深之间由潮高引起的误差，并根据需要进行计算并在ECIDS显示，为航海人员的决策提供参考依据，保障航海安全，提高航运效率。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1是实际水深与海图水深关系示意图。

图2是本发明的流程示意图。

图3是2015年3月25日0点至3月30日0点该点潮汐变化的情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图2所示，本发明包括以下步骤：

(1)首先提取水深点的位置、深度，并获取海图和潮汐基准面的信息；

在ECDIS中一水深点作为示例进行计算，水深点的位置位于经度82°35′.5W，纬度27°44′.6N，显示海图深度为8.0m。潮高基准面和海图基准面重合，无海图基准面和潮高基准面之间的修正。

(2)获取各水深点潮高随时间变化的信息

利用潮汐分析法进行计算，该水深点在t时刻的潮高y(t)表示为:

利用上式计算得到潮高随时间的变化。其中2015年3月25日0点至3月30日0点该点潮汐变化的情况如图3所示。

(3)计算各水深点的实际水深

根据公式：实际水深＝海图水深+潮高+(CD-TD)，计算得到对应于该水深点的实际水深：

实际水深＝8.0+潮高(m)

此处潮高基准面与海图基准面重合，即CD＝TD，CD-TD＝0。该实际水深是受潮汐变化的影响而随时间变化的。

(4)将各水深点实际水深信息转换为可在ECDIS标准底图上表示的水深点图形标识数据

将该点的水深数值转化为可在ECDIS标准底图上表示的水深点图形标识数据。

(5)在ECDIS中加入一个可选择显示的实际水深图层

该图层可根据用户的需要进行显示或隐藏。

(6)在新图层根据计算机时间的变化实时显示各点实际水深

根据计算机时间实时显示该点的实际水深随时间的变化情况。

(7)根据实际水深进行应用计算

得到该水深点实际水深随时间的变化后，即可利用该水深信息进行应用计算。

Claims (1)

1.一种基于ECDIS的水深信息显示及应用方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、提取海图水深点的位置和深度，并获取海图及潮汐基准面的信息：

提取海图水深点的位置和深度值，获取海图基准面相对于平均海面的深度CD和潮汐基准面相对于平均海面的深度TD；

B、获取各水点潮高随时间变化的信息：

从两种途径获取潮高变化信息，一种是港口当局发布的实时潮汐信息及潮汐预报信息，另一种是根据调和分析法计算实时潮汐信息及潮汐预报信息；此两种途径中，以港口当局实时发布的潮汐和潮汐预报信息为优先，如港口当局未提供该信息，则利用调和分析法进行潮汐计算；如利用调和分析法的计算，某海域在t时刻的潮高y(t)表示为:

<mrow> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中a₀为平均海面高度，n为分潮的个数；h_i、ω_i和φ_i分别为第i个分潮的幅值、频率和相位；n取值为37个，各个分潮的幅值、频率和相位根据当地海洋或港口机关发布的调和常数资料确定；

C、计算各水深点的实际水深：

根据步骤A中提供的水深点的深度、海图基准面、潮汐基准面信息以及步骤B中提供的潮高信息，计算得到对应于每个水深点的实际水深：

实际水深＝海图水深+潮高+(CD-TD)

D、将各水深点实际水深信息转换为可在ECDIS标准底图上表示的水深点图形标识数据：

将各水深点实际水深信息转换为可在ECDIS标准底图上表示的图形标识数据；其中各水深点图形标识的位置为ECDIS原图上原水深点的位置，水深数值为按照步骤C计算的实际水深；

E、在ECDIS中加入一个选择显示的实际水深图层：

在ECDIS中加入一个选择显示的实际水深图层，用户根据需要进行显示海图水深、显示实际水深或不显示水深信息；

F、在新图层根据计算机时间的变化实时显示各水深点实际水深：

基于港口当局发布的实时潮汐信息及潮汐预报信息或者根据调和分析法计算的潮汐，按照时间在ECDIS上显示各水深点位置对应的实际水深；

G、根据实际水深进行应用计算：

根据潮汐在航海上的应用，将应用计算分为四部分：

G1、由于港口水深限制，船舶需要利用潮高进出港口，需要计算船舶最低位置与海底之间的垂向距离，并确定船舶可进出港的时间段；为了使船舶安全通过浅水航段，潮高必须大于或等于最小安全潮高：

最小安全潮高＝船舶吃水+富余水深-海图水深-(CD-TD)

富余水深预设为1m，并根据船舶和海况的具体情况进行自行调整和设定；

最小安全潮高对应的时间点根据港口发布的潮汐信息或调和分析法的计算结果的基础上进行计算：

首先，确定船舶航行至浅水区域的时间是处于涨潮阶段还是落潮阶段，如处于涨潮阶段，根据船舶航行至浅水区域的时间之前相邻的低潮时间和低潮潮高进行计算：

t＝低潮时间+涨潮时间/180×arccos(1-2×(最小安全潮高-低潮潮高)/潮差)

其中涨潮时间为从船舶航行至浅水区域的时间前相邻的低潮时间至船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的高潮时间之间的时间间隔；潮差为船舶航行至浅水区域的时间前相邻的低潮潮高与船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的高潮潮高之间的高度差；如处于落潮阶段，根据船舶航行至浅水区域的时间之前相邻的高潮时间和高潮潮高进行计算：

t'＝高潮时间+落潮时间/180×arccos(1-2×(高潮潮高-最小安全潮高)/潮差)

其中落潮时间为从船舶航行至浅水区域的时间前相邻的高潮时间至船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的低潮时间之间的时间间隔；潮差为船舶航行至浅水区域的时间前相邻的高潮潮高与船舶航行至浅水区域的时间点后相邻的低潮潮高之间的高度差；

根据最小安全潮高对应的时间点确定船舶可通过浅水区域的时间段，并在ECDIS中通过点击浅水区域显示船舶可安全通过该浅水区域的时间段；

G2、船舶通过桥梁时，需要计算船舶最高位置与桥梁或架空电缆最低点之间的垂向距离，并确定船舶可通过桥梁或架空电缆的时间段；为了使船舶安全通过桥梁或架空电缆架空障碍物，潮高必须小于或等于最大安全潮高：

最大安全潮高＝大潮升+障碍物净空高度-水面至船舶最高位置的高度-安全余量

其中：大潮升为潮高基准面至平均大潮高潮面的高度，障碍物的净空高度为从平均大潮高潮面至该障碍物最低点的高度，水面至船舶最高位置的高度为从水面到船舶主桅顶端的高度，在数值上等于船舶从龙骨至船舶主桅顶端的高度减去船舶的吃水；安全余量预设为1m，并根据船舶和海况的具体情况进行自行调整和设定；

最大安全潮高对应的时间点的计算方法同步骤G1中最小安全潮高对应的时间点的计算方法，并在此基础上在ECDIS中通过点击对应的桥梁或架空电缆位置显示船舶可安全通过该桥梁或架空电缆的时间段；

G3、需要计算船舶泊位所处位置的实际水深，以确定船舶最大载货量；

如果船舶泊位所处位置有水深点，则直接应用该水深点实时显示的实际水深信息，通过点击该位置获取潮汐随时间变化的的预报信息；如果船舶泊位所处位置没有水深点，则利用相邻水深点的水深进行内插，计算得到该处的水深；

G4、船舶在水深较浅的水域进行紧急避让，需要确定船舶附近水域的水深以确定避让方案，以避免船舶搁浅或触底；

在该选择显示实际水深的图层中加入等深线显示，为给驾驶员操纵和避碰提供直观的参考依据，在该图层中显示20m等深线和10m等深线，并根据设定显示其他数值的等深线。