CN106019338B - 一种船舶轨迹的实时化简方法 - Google Patents

Abstract

船舶在航行时存在通信设备的干扰，信号衰减等因素，因此来自海上航行船舶的GPS定位数据可能存在信号失真等情况。船舶的航行状态较为稳定，航向是通过缓慢的累计发生改变的，因此其带宽度肥大，曲度平缓。结合以上实际，本文以实时化简为背景，以一种简单的(只要求移动对象的位置信息)新的实时轨迹化简方法为核心，建立一种船舶轨迹的实时化简机制。在坐标下对船舶的位置信息点进行计算，确定需要保留的点，减小了网络通信量和存储空间。

Description

一种船舶轨迹的实时化简方法

技术领域：

本发明涉及船舶轨迹跟踪定位，具体涉及一种船舶轨迹的实时化简方法。

背景技术：

随着社会进步和科技进步，物流产业也得到了飞速的发展。船舶是其中的一种重要的载体。在船舶的正常行驶过程中，其位置信息会不断的更替。大量的数据一方面造成了传输和处理的压力，增大了开销。另一方面可能造成数据的冗余。虽然目前有较多的移动对象轨迹化简方法，但一方面轨迹的实时化简算法较少，另一方面针对船舶航迹特点的也很少。本文在此背景下提出一种针对船舶的轨迹实时化简方法。

移动对象轨迹化简问题是当下比较热点的问题之一，移动对象本质上是随时间而变化的几何实体。移动对象轨迹具有不确定性,这包括时态不确定性和区域不确定性。在处理这类问题时，我们可以为原始轨迹设置一个阈值th，这时我们可以得到一个围绕轨迹的三维圆柱形缓冲区域。假设移动对象的实际位置偏离了预计位置的距离达到或者超过了th，移动对象将更新数据库服务器。

船舶在航行时存在通信设备的干扰，信号衰减等因素，因此来自海上航行船舶的GPS定位数据可能存在信号失真等情况，因此可对船舶轨迹进行压缩化简。就船舶而言，其航行状态较为稳定，航向是通过缓慢的累计发生改变的，因此其带宽度肥大，曲度平缓。结合以上实际，本文以实时化简为背景，以一种简单的(只要求移动对象的位置信息)新的实时轨迹化简方法为核心，建立一种船舶轨迹的实时化简方法。在坐标下对船舶的位置信息点进行计算，确定需要保留的点，减小了网络通信量和存储空间。

发明内容：

船舶轨迹化简可认为是对散列的轨迹点进行线性近似。在本方法中选取扇形来匹配扇形的运动轨迹，并考虑到实际场景中GPS本身存在的定位误差。设计了一种针对船舶轨迹的实时化简方法。具体如下：

一种船舶轨迹的实时化简方法，船舶的位置点信息由GPS定位得到，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、打开GPS开始定位，得到前两个位置点信息o₁,o₂；视o₁为不可化简的点，发送其位置信息到数据库，并以o₁为极点，过o₁,o₂的直线为极轴建立极坐标系；

步骤2、根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步；否则等待下一个位置点信息o₃的到来，构造最小边界扇形，确定顶角θ的大小，计算s_sec和s_max的大小，s_max为最大扇形面积；如果s_sec＞s_max，则跳至第4步，否则继续等待新的位置点信息；

步骤3、根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步，否则等待下一位置点o_i(i≥4)信息的到来，重新构造最小边界扇形，计算扇形的实际面积s_sec；接着判断顶角θ的大小是否改变，若改变则重新计算s_max，当顶角θ不变时s_max不变；如果s_sec＞s_max，则跳至第4步，否则继续等待新的位置点信息；其中，结合给定阈值st_error能计算出θ和st_error下的最大扇形面积s_max，具体为：以扇形的一条边和角平分线为另一条边的等腰三角形的底长为d；在顶点为o₁，顶角为θ的所有扇形中，选取d＝st_error的扇形，并根据扇形面积公式计算其面积为

步骤4、当前条件已满足向服务器更新条件，在当前构造的扇形中若某点o_i(3≤i≤n)满足其前2个或超过2个的点位于扇形角平分线的一侧或角平分线上，而o_i位于角平分的另一侧或角平分线上，则将这些点发送到服务器端；最近接受的点o_k为不可化简的点发送到服务器端，跳至第5步；

步骤5、根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步，否则以o_k为新的扇形顶点，继续接收新的位置点信息o_k+1，o_k+2；构造最小边界扇形，确定顶角θ的大小，计算s_max的大小；跳至第3步；

步骤6、定位结束，最后一个点是不可化简的点，发送最后一个点的信息到数据库。

优选的，所述步骤1，2，3在极坐标系中以o₁为极点和扇形顶点构造扇形，在顶角θ确定时，结合给定阈值st_error能计算出θ和st_error下的最大扇形面积s_max，之后以扇形的实际面积s_sec与s_max的大小作为是否向服务器更新位置信息的判断依据；实际面积s_sec大于s_max，则认为要更新移动对象位置信息。

优选的，所述步骤4中在满足更新条件时，判断已接收的点是否满足其前2个或超过2个的点位于扇形角平分线的一侧或角平分线上，而改点本身位于角平分的另一侧或角平分线上；若满足则将该点位置信息发送到服务器端。

有益效果：

1.基于目前的轨迹化简算法的现状，以实时化简和船舶轨迹为背景，建立了一套船舶轨迹的实时化简机制，这套机制有较强的运用背景。

2.本方法对硬件设备要求低，仅要求船舶的基本位置信息，对船舶速度、方向等信息并无要求。是一种简单高效的轨迹化简方法。

3.本方法的计算量较小，在整体开销无明显增加的前提下，保留了更多、更关键的轨迹特征，提高了化简轨迹的还原度。

附图说明

图1为本发明一种船舶轨迹的实时化简方法的流程示意图。

具体实施方式

在本化简方法中，为了减小计算规模和总体开销。将GPS定位得到的船舶的位置信息(由经纬度表示)转换成极坐标系下的各个点，并以初始定位得到的点作为极坐标系的极点。该化简方法要求在化简开始之前手动输入误差阈值st_error，此处需要说明的是对于同一串船舶的轨迹信息，不同的st_error有不同的结果。船舶在开始定位得到自己的前两个初始位置o₁,o₂时，以o₁为极点建立极坐标系，并计算o₂与o₁的关系将o₂加入极坐标系。当接收到第三个位置点信息o₃时，以o₁为扇形顶点，过o₁,o₂和o₁,o₃的两条线段为边，并以两者中较长的一个作为半径构造最小边界扇形。此时的实际扇形面积记为s_sec，扇形的顶角记为θ。假设以扇形的一条边和角平分线为另一条边的等腰三角形的底长为d。在顶点为o₁，顶角为θ的所有扇形中，选取d＝st_error的扇形，并根据扇形面积公式计算其面积为判断s_sec和s_max的大小，若s_sec＞s_max，则向服务器更新该移动对象的位置信息，否则继续等待接受下一位置点信息。从接收到的第四个位置点o₄开始，首先重新构造最小边界扇形，判断扇形的顶角是否还是θ。在θ不变的情况下，若s_sec＞s_max，则向服务器更新该移动对象的位置信息，否则继续等待接受下一位置点信息。假设θ的大小发生变化，则重新计算s_max，再与s_sec比较大小。

本化简方法的具体实施步骤可表示如下：

输入：船舶实时定位得到的各位置点信息；

输出：筛选后将要发送到数据库的位置点信息；

预设值：距离误差st_error；

步骤1、打开GPS开始定位，得到前两个位置点信息o₁,o₂。视o₁为不可化简的点，发送其位置信息到数据库。并以o₁为极点，过o₁,o₂的直线为极轴建立极坐标系；

步骤2、根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步。否则等待下一个位置点信息o₃的到来，构造最小边界扇形，确定顶角θ的大小，计算s_sec和s_max的大小。如果s_sec＞s_max，则跳至第4步。否则继续等待新的位置点信息；

步骤3、根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步。否则等待下一位置点o_i(i≥4)信息的到来，重新构造最小边界扇形，计算扇形的实际面积s_sec；接着判断顶角θ的大小是否改变，若改变则重新计算s_max，当顶角θ不变时s_max不变。如果s_sec＞s_max，则跳至第4步。否则继续等待新的位置点信息；

步骤4、当前条件已满足向服务器更新条件，在当前构造的扇形中若某点o_i(3≤i≤n)满足其前2个或2个以上的点位于扇形角平分线的一侧或角平分线上，而o_i位于角平分的另一侧或角平分线上，则将这些点也发送到服务器端；最近接受的点o_k为不可化简的点发送到服务器端，调至第5步。

步骤5、根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步。否则以o_k为新的扇形顶点，继续接收新的位置点信息o_k+1，o_k+2。构造最小边界扇形，确定顶角θ的大小，计算s_max的大小。跳至第3步；

步骤6、定位结束，最后一个点是不可化简的点，发送最后一个点的信息到数据库。

本方法的的实现步骤可由以下伪代码表示，其中st_error表示用户输入的误差阈值，Traj表示原始数据集合；函数CalcMBS(buf,point)用于计算当前的最小边界扇形；其中buf表示存储历史轨迹点的集合，point表示最新得到的位置信息。函数area(newMBS)用于计算当前构造的扇形面积。newMBS表示当前扇形信息，函数CalcCen(newMBS)用于计算当前扇形的圆心角大小；Calcarea(θ,st_error)用于计算在给定阈值st_error和圆心角θ下的理论面积；函数keypoint(point)用于判断满足更新条件时，当前点是否要向服务器端更新。函数Boundinfof(newMBS)用于获取当前扇形的边界信息包括扇形中心点坐标，以及距离该坐标点的最大值和到中心点与X轴所成最大角、最小角四个数据。

如图1所示，以初始的位置点，作为极坐标系原点，建立极坐标系。坐标系中每个点代表一船舶一次定位得到的位置点。

开始定位，并接收前2点o₁，o₂的位置点信息，并以o₁为极点，过o₁，o₂的直线为极轴建立极坐标。向服务器更新o₁的位置点信息。接收o₃的信息后构造最小边界扇形，计算顶角θ和理论最大面积s_max以及扇形面积s_sec，此时s_sec＜s_max不满足更新条件。等待接收o₄的位置点信息，构造最小边界扇形顶角θ大小不变，计算得s_sec＜s_max不满足更新条件。等待接收o₅，构造最小边界扇形后发现θ大小改变，重新计算在新的顶角θ下的最大面积s_max，比较得s_sec＜s_max，继续接收o₆位置点信息。接收o₆后构造的扇形顶角θ不变，s_sec＜s_max，不更新位置点信息。接收o₇，新构造的扇形顶角仍不变，且s_sec＜s_max，不更新移动对象位置信息。接收o₈后构造的扇形顶角θ不变，但s_sec＞s_max。满足更新条件，判断发现o₅,o₇,o₈满足步骤4中描述的条件。因此向服务器发送点o₅,o₇,o₈的相关信息；此时的定位尚未结束。以o₈为定位起点和扇形的顶点，等待o₉,o₁₀的相关信息的到来，重新构造最小边界扇形，计算顶角θ的大小。计算s_max和s_sec的大小并进行比较。重复上述步骤至定位结束。

Claims (2)

1.一种船舶轨迹的实时化简方法，船舶的位置点信息由GPS定位得到，其特征在于包括如下步骤：

步骤1 打开GPS开始定位，得到前两个位置点信息o₁,o₂；视o₁为不可化简的点，发送其位置信息到数据库，并以o₁为极点，过o₁,o₂的直线为极轴建立极坐标系；

步骤2 根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步；否则等待下一个位置点信息o₃的到来，构造最小边界扇形，确定顶角θ的大小，计算s_sec和s_max的大小，s_max为最大扇形面积；如果s_sec＞s_max，则跳至第4步，否则继续等待新的位置点信息；

步骤3 根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步，否则等待下一位置点O_i信息的到来，其中，i≥4，重新构造最小边界扇形，计算扇形的实际面积s_sec；接着判断顶角θ的大小是否改变，若改变则重新计算s_max，当顶角θ不变时s_max不变；如果s_sec＞s_max，则跳至第4步，否则继续等待新的位置点信息；

步骤4 当前条件已满足向服务器更新条件，在当前构造的扇形中若某点O_i满足其前2个或超过2个的点位于扇形角平分线的一侧或角平分线上，其中，3≤i≤n，而o_i位于角平分的另一侧或角平分线上，则将这些点发送到服务器端；最近接受的点o_k为不可化简的点发送到服务器端，跳至第5步；

步骤5 根据GPS是否关闭判断定位是否结束，若定位结束跳至第6步，否则以o_k为新的扇形顶点，继续接收新的位置点信息o_k+1，o_k+2；构造最小边界扇形，确定顶角θ的大小，计算s_max的大小；跳至第3步；

步骤6 定位结束，最后一个点是不可化简的点，发送最后一个点的信息到数据库；

步骤1，2，3在极坐标系中以o₁为极点和扇形顶点构造扇形，在顶角θ确定时，结合给定阈值st_error能计算出θ和st_error下的最大扇形面积s_max，具体为：以扇形的一条边和角平分线为另一条边的等腰三角形的底长为d；在顶点为o₁，顶角为θ的所有扇形中，选取d＝st_error的扇形，并根据扇形面积公式计算其面积为s_max，其中，之后以扇形的实际面积s_sec与s_max的大小作为是否向服务器更新位置信息的判断依据；实际面积s_sec大于s_max，则认为要更新移动对象位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种船舶轨迹的实时化简方法，其特征是：步骤4中在满足更新条件时，判断已接收的点是否满足其前2个或超过2个的点位于扇形角平分线的一侧或角平分线上，而该点本身位于角平分的另一侧或角平分线上；若满足则将该点位置信息发送到服务器端。