CN106289255A - 基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法 - Google Patents

Abstract

基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，属于轨迹分析技术领域。为了解决现有方法对大面积陆地及海量轨迹线校正效率低的问题，所述方法包括：步骤一：获取错误舰船轨迹线；步骤二：分析被跨陆地的缓冲范围，获得陆地缓冲区；步骤三：错误舰船轨迹线的错误线段将陆地缓冲区划分两部分，面积较小部分形成的多边形作为绕障多边形；步骤四：根据错误线段的起点和终点，结合绕障多边形，获得最短绕障路径，所述最短绕障路径为修正后的路径，将修正后的路径替换错误舰船轨迹线中的错误线段。

Description

基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法

技术领域

本发明涉及一种跨陆地舰船轨迹线校正方法，特别涉及一种基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，属于轨迹分析技术领域。

背景技术

舰船轨迹线是舰船航行过程中以一定时间间隔记录自己空间位置，然后按时间顺序连接而成的折线。舰船轨迹线的空间分布对掌握区域海上交通状况，监控船舶行为，保障海上交通安全等方面都有着重要的意义，轨迹线的正确与否关系重大。然而，由于舰船记录位置时间分辨率的限制，导致出现相邻两轨迹点跨越陆地的情况，有必要利用一定方法校正这些错误航线。如果提取跨越陆地的相邻两个轨迹点，则轨迹线的校正问题转换成为绕障路径规划问题。

绕障路径规划方法主要有走迷宫法和线搜索法，这两种方法在面对大面积陆地时效率很低，针对海量的轨迹线校正并不适用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种对海量的轨迹线合理校正路径，使轨迹线从水面行进的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法。

本发明的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，所述方法包括：

步骤一：获取错误舰船轨迹线；

步骤二：分析被跨陆地的缓冲范围，获得陆地缓冲区；

步骤三：错误舰船轨迹线的错误线段将陆地缓冲区划分两部分，面积较小部分形成的多边形作为绕障多边形；

步骤四：根据错误线段的起点和终点，结合绕障多边形，获得最短绕障路径，所述最短绕障路径为修正后的路径，将修正后的路径替换错误舰船轨迹线中的错误线段。

所述步骤四具体包括：

步骤四一：将错误线段的起点S分别与绕障多边形上的节点连线，找到第一个与绕障多边形相切连线对应的节点，作为校正路径上的首节点，加入到校正结点集Q中，并判断首节点与终点D的连线是否与绕障多边形相切，如果相切，则转到步骤四三，如果不相切，则转入步骤四二；

步骤四二：将校正结点集Q中的新加入的节点作为起点分别与之后的节点连线，找到第一个与绕障多边形相切连线对应的节点，作为校正路径上的校正节点，加入到校正结点集Q中，并判断该校正节点与终点D的连线是否与绕障多边形相切，如果相切，转入步骤四三，如果不相切，则重复步骤四二；

步骤四三：依次连接起点S、校正结点集Q中的节点和终点D，得到获得最短绕障路径，利用最短绕障路径替换错误舰船轨迹线中相应的错误线段SD，得到校正后的轨迹线。

所述步骤四中，连线是否与绕障多边形相切的判断方法包括：

b1、将两节点分别称为起点(x₁,y₁)与终点(x₂,y₂)，将现有xy坐标系通过移动和旋转变换为以起点为原点、以起点指向终点方向为x轴方向的新坐标系，建立现有坐标(x,y)到新坐标(x′,y′)的转换关系；

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=(x-x_1)cos\mathrm{\θ}+(y-y_1)sin\mathrm{\θ}\\ y^{\′}=(y-y_1)cos\mathrm{\θ}-(x-x_1)sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{x_2-x_1}{D};$

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{D};$

$D=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2};$

b2、依次取障碍多边形的节点，计算所取节点在新坐标系中的坐标；

b3、如果所取节点中存在相邻两个节点的纵坐标数值乘积为负，则连线与障碍多边形不相切，否则相切。

所述步骤一：获取错误舰船轨迹线的具体方法为：

将陆地图层与舰船轨迹线图层叠加，通过相交关系挑选出错误舰船轨迹线。

所述步骤一还包括：

对错误舰船轨迹线进行无损简化：

去除错误舰船轨迹线中直线段的中间点。

所述去除错误舰船轨迹线中直线段的中间点，具体包括：

a1：对每条错误舰船轨迹线，顺序获取组成轨迹线的点集；

a2：依次判断获取的点集中相邻3点是否在同一直线上，如果在，则将中间点从点集中移除；

a3：重复执行a2，直到无点可删除为止，确定简化后的错误舰船轨迹线；

a4：根据简化后的错误舰船轨迹线，重新存储错误舰船轨迹线。

所述步骤三中，错误舰船轨迹线的错误线段为通过寻找错误舰船轨迹线穿过陆地的相邻轨迹点，获得错误线段的起点和终点。

所述步骤二中，被跨陆地的缓冲范围为1～3海里。

本发明将跨越陆地的错误线段使用较为合理的从水面经过的校正线段替换。有益效果在于：

第一、用障碍多边形缓冲区方式确保校正的轨迹线不沿海岸线，而是有一定距离的平行线，增加了校正轨迹的合理性。

第二、通过面积计算选择障碍多边形，减少计算路径时的搜索节点数量50％以上，提高了计算的效率。

第三、用坐标转换的方式快速判断直线与障碍多边形的相切关系，减少了绕障路径的计算时间，提高了错误航线校正的效率。

综上，本发明解决了跨越陆地舰船轨迹线鲜有校正的问题，克服了冗余节点去除、大区域陆地节点数量庞大、直线相切判断等技术难点。应用本发明能够将横跨陆地的不合理的轨迹线校正到较为合理的路径，从而提高了舰船轨迹线的使用率，从而有助于掌握区域海上交通分布状况，监控舰船行为，保障海上交通安全，为海洋管理部门提供决策参考。

附图说明

图1为南海海域2014年部分横跨陆地的错误轨迹线示意图。

图2为具体实施方式中，步骤二对错误舰船轨迹线进行简化的原理示意图。

图3为具体实施方式中轨迹线校正方法的原理示意图。

图4为南海海域2014年部分横跨马来半岛的错误轨迹线采用具体实施方式中的校正方法校正后的轨迹线示意图。

具体实施方式

以南海海域为例，根据附图详细阐述本实施方式，使本实施方式的路线和操作步骤更加清晰。

本实施方式选择的实验区域为南海，经纬度范围：0°-23°N，99°E-124°E。实验数据为利用NOAA国家气候中心网站提供的2014年VOSCLIM数据生按时间先后将位置连接得到的存在跨陆地错误的舰船轨迹线。

本实施方式的轨迹线校正方法，通过分析被跨陆地的缓冲范围，获得陆地缓冲区；错误舰船轨迹线的错误线段将陆地缓冲区划分两部分，面积较小部分形成的多边形作为绕障多边形；根据错误线段的起点和终点，结合绕障多边形，获得最短绕障路径，所述最短绕障路径为修正后的路径，将修正后的路径替换错误舰船轨迹线中的错误线段。具体包括如下步骤：

步骤一：错误舰船轨迹线的识别：将陆地图层与舰船轨迹线图层重合叠加，挑选出与陆地相交的舰船轨迹线为错误舰船轨迹线，如图1；

下面以一条错误舰船轨迹线为例，如图2所示，对该挑选出的错误舰船轨迹线进行校正；

步骤二：对错误舰船轨迹线进行无损简化：去除错误舰船轨迹线中直线段的中间点：

a1：对每条错误舰船轨迹线，顺序获取组成轨迹线的点集；

a2：依次判断获取的点集中相邻3点是否在同一直线上，如果在则将中间点从点集中移除，如图2所示；

a3：重复执行a2，直到无点可删除为止，确定简化后的错误舰船轨迹线；

a4：根据简化后的错误舰船轨迹线，重新存储错误舰船轨迹线；

步骤三：陆地图层的缓冲区计算：对马来半岛作缓冲区分析，本实施方式的缓冲距离范围为1海里，得到陆地缓冲后的范围，获得马来半岛的陆地缓冲区；在实际应用中，一般缓冲距离范围为1～3海里。

步骤四：寻找错误舰船轨迹线中穿过陆地的相邻轨迹点，作为错误线段起点S和终点D,计算获得的陆地缓冲区被错误线段SD划分的两部分的面积，选择面积较小的部分组成的多边形作为参与路径计算的绕障多边形，参照图3，具体为：

错误线段SD与马来半岛的陆地缓冲区交于A、B两点，选择面积较小的多边形AP₁P₂P₃…P₂₂B作为参与路径计算的绕障多边形O_m；其中，P₁、P₂、P₃…P₂₂为绕障多边形O_m的节点；

步骤五：将错误线段的起点S分别与绕障多边形上的节点连线，找到第一个与绕障多边形相切连线对应的节点，作为校正路径上的首节点，加入到校正结点集Q中，并判断首节点与终点D的连线是否与绕障多边形相切，如果相切，则转到步骤七，如果不相切，则转入步骤六；参照图3，具体为：

连接起点S与绕障多边形O_m的节点P₁，判断连线SP₁与绕障多边形O_m是否相切，若不相切，则判断连线SP₂与绕障多边形O_m是否相切，直到找到满足与绕障多边形O_m相切的连线SP_i的第一个节点P₃，将其加入到校正结点集Q中，作为校正路径上的首节点；连线P₃D与绕障多边形O_m不相切，则转入步骤六

步骤六：将校正结点集Q中的新加入的节点作为起点分别与之后的节点连线，找到第一个与绕障多边形相切连线对应的节点，作为校正路径上的校正节点，加入到校正结点集Q中，并判断该校正节点与终点D的连线是否与绕障多边形相切，如果相切，转入步骤七，如果不相切，则重复步骤六；参照图3，具体为：

连线P₃D与绕障多边形O_m不相切，因此将节点P₃当作起点，继续找到节点P₄满足连线P₃P₄与绕障多边形O_m相切，将节点P₄加入到校正结点集Q中，连线P₄D与绕障多边形O_m不相切，则依次找到节点P₈、P₉、P₁₆、P₁₇、P₁₈，加入到校正点集Q中，当找到节点P₁₉时，满足P₁₉D与多边形O_m相切，P₁₉为末节点，将末节点P₁₉加入到校正结点集Q中；

步骤七：依次连接起点S、校正结点集Q中的节点和终点D，得到校正后路径，在错误舰船轨迹线中替换相应的错误线段SD，得到校正后的轨迹线，参照图3，具体为：

此时校正结点集Q＝{P₃，P₄，P₈，P₉，P₁₆，P₁₇，P₁₈，P₁₉}，依次连接起点S、校正结点集Q中的节点和终点D，得到校正路径SP₃P₄P₈P₉P₁₆P₁₇P₁₈P₁₉D，得到校正路径在错误舰船轨迹线中替换相应的错误线段SD，得到校正后的轨迹线；

本实施方式中，判断两节点连线与障碍多边形相切的方法如下：

b1、将两节点分别称为起点(x₁,y₁)与终点(x₂,y₂)，将现有xy坐标系通过移动和旋转变换为以起点为原点、以起点指向终点方向为x轴方向的新坐标系，建立现有坐标(x,y)到新坐标(x′,y′)的转换关系；

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=(x-x_1)cos\mathrm{\θ}+(y-y_1)sin\mathrm{\θ}\\ y^{\′}=(y-y_1)cos\mathrm{\θ}-(x-x_1)sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{x_2-x_1}{D};$

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{D};$

$D=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2};$

b2、依次取障碍多边形的节点，计算所取节点在新坐标系中的坐标；

b3、如果所取节点中存在相邻两个节点的纵坐标数值乘积为负，则连线与障碍多边形不相切，否则相切；

采用同样方法，校正实验区域的错误轨迹线，校正后结果如附图4所示。

Claims (8)

1.一种基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：获取错误舰船轨迹线；

步骤二：分析被跨陆地的缓冲范围，获得陆地缓冲区；

步骤三：错误舰船轨迹线的错误线段将陆地缓冲区划分两部分，面积较小部分形成的多边形作为绕障多边形；

步骤四：根据错误线段的起点和终点，结合绕障多边形，获得最短绕障路径，所述最短绕障路径为修正后的路径，将修正后的路径替换错误舰船轨迹线中的错误线段。

2.根据权利要求1所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤四一：将错误线段的起点S分别与绕障多边形上的节点连线，找到第一个与绕障多边形相切连线对应的节点，作为校正路径上的首节点，加入到校正结点集Q中，并判断首节点与终点D的连线是否与绕障多边形相切，如果相切，则转到步骤四三，如果不相切，则转入步骤四二；

步骤四二：将校正结点集Q中的新加入的节点作为起点分别与之后的节点连线，找到第一个与绕障多边形相切连线对应的节点，作为校正路径上的校正节点，加入到校正结点集Q中，并判断该校正节点与终点D的连线是否与绕障多边形相切，如果相切，转入步骤四三，如果不相切，则重复步骤四二；

步骤四三：依次连接起点S、校正结点集Q中的节点和终点D，得到获得最短绕障路径，利用最短绕障路径替换错误舰船轨迹线中相应的错误线段SD，得到校正后的轨迹线。

3.根据权利要求2所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，

所述步骤四中，连线是否与绕障多边形相切的判断方法包括：

b1、将两节点分别称为起点(x₁,y₁)与终点(x₂,y₂)，将现有xy坐标系通过移动和旋转变换为以起点为原点、以起点指向终点方向为x轴方向的新坐标系，建立现有坐标(x,y)到新坐标(x′,y′)的转换关系；

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=(x-x_1)cos\mathrm{\θ}+(y-y_1)sin\mathrm{\θ}\\ y^{\′}=(y-y_1)cos\mathrm{\θ}-(x-x_1)sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{x_2-x_1}{D};$

$sin\mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{D};$

$D=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2};$

b2、依次取障碍多边形的节点，计算所取节点在新坐标系中的坐标；

b3、如果所取节点中存在相邻两个节点的纵坐标数值乘积为负，则连线与障碍多边形不相切，否则相切。

4.根据权利要求1或2所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，所述步骤一：获取错误舰船轨迹线的具体方法为：

将陆地图层与舰船轨迹线图层叠加，通过相交关系挑选出错误舰船轨迹线。

5.根据权利要求1或2所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，所述步骤一还包括：

对错误舰船轨迹线进行无损简化：

去除错误舰船轨迹线中直线段的中间点。

6.根据权利要求5所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，

所述去除错误舰船轨迹线中直线段的中间点，具体包括：

a1：对每条错误舰船轨迹线，顺序获取组成轨迹线的点集；

a2：依次判断获取的点集中相邻3点是否在同一直线上，如果在，则将中间点从点集中移除；

a3：重复执行a2，直到无点可删除为止，确定简化后的错误舰船轨迹线；

a4：根据简化后的错误舰船轨迹线，重新存储错误舰船轨迹线。

7.根据权利要求1或2所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，

所述步骤三中，错误舰船轨迹线的错误线段为通过寻找错误舰船轨迹线穿过陆地的相邻轨迹点，获得错误线段的起点和终点。

8.根据权利要求1或2所述的基于绕障路径规划的跨陆地舰船轨迹线校正方法，其特征在于，所述步骤二中，被跨陆地的缓冲范围为1～3海里。