CN108427824A - 一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，包括以下步骤：统计各个点回报的即时航速的频数，回报的经度和纬度，回报时间和即时航向，并根据经度和纬度使用半正矢公式计算各点之间的空间距离，使用回报时间和反正切公式计算各点之间的时间差和航向差，根据各点的航速、空间距离、时间差和航向差，判断刺网捕捞的收网和放网状态，根据开始收网和结束收网的点的距离，提取单次刺网网次的长度。本发明能够适用于从北斗船位数据中提取刺网渔船的捕捞状态。

Description

一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法

技术领域

本发明涉及船舶船位数据应用技术领域，特别是涉及一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法。

背景技术

渔船监测系统(VMS，Vessel Monitoring System)能够提供渔船时间、位置和动态信息，目前我国渔船安装船舶自动识别设备(AIS)、北斗卫星船位监控系统，CDMA公众移动通讯设备等，初步实现对海洋渔船船位的实时联络及跟踪监控。国际上研究现有渔船监测位置分析渔船捕捞状态，其方法可以概括为三种：(1)通过分析船速的变化判断捕捞状态；(2)通过分析轨迹变化判断捕捞状态；(3)通过分析船速、航向等特征数据组成向量判断捕捞状态。由于北斗卫星传送的经纬度船位数据的时间分辨率为3分钟记录一次，空间分辨率约为10米，时空精度高，实时性强。已有的方法不适用于高时间分辨率的北斗卫星的船位数据分析，目前没有专门针对北斗卫星的渔船捕捞状态判断方法。需要找到针对特定网具的计算方法，用来判断基于高时间分辨率的北斗船位数据的渔船捕捞状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，能够适用于从北斗船位数据中提取刺网渔船的捕捞状态。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，包括以下步骤：统计各个点回报的即时航速的频数，回报的经度和纬度，回报时间和即时航向，并根据经度和纬度使用半正矢公式计算各点之间的空间距离，使用回报时间和反正切公式计算各点之间的时间差和航向差，根据各点的航速、空间距离、时间差和航向差，判断刺网捕捞的收网和放网状态，根据开始收网和结束收网的点的距离，提取单次刺网网次的长度。

根据刺网渔船航速统计船位点在各航速出现的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的航速阈值的最小值与最大值；利用航速阈值筛选出可能处于收网状态的船位点，然后计算相邻船位点的空间距离，统计船位点在各空间距离间隔长度出现的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的空间距离间隔阈值的最小值与最大值；计算相邻船位点的时间间隔，统计在各时间间隔出现的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的时间间隔阈值的最小值与最大值；计算相邻船位点的角度变化，统计在各角度变化值的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的角度变化值的最小值与最大值；根据刺网空间间隔、时间间隔、角度变化间隔的阈值提取刺网起始点和终止点，然后利用获取起始点和终止点计算刺网长度和角度。

在统计各个点回报的即时航速的频数时，当出现连续的航速为0m/s时，将这些数据舍去。

所述各点之间的距离通过计算得到，其中，A_lon和A_lat表示船位点A的经度和纬度，B_lon和B_lat表示船位点B的经度和纬度，R为地球平均半径。

所述各点之间的航向差通过θ＝atan2(sin(B_lon-A_lon)×cosB_lat,cosA_lat×sinB_lat-sinA_lat×cosB_lat×cos(B_lon-A_lon))计算得到，其中，A_lon和A_lat表示船位点A的经度和纬度，B_lon和B_lat表示船位点B的经度和纬度，

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，精度较高，实时性强。

附图说明

图1是刺网出海作业轨迹点示意图；

图2是刺网船位点在各航速出现的频数统计图；

图3是航速阈值筛选可能的刺网收网点(粗的黑色点)示意图；

图4是刺网各网次间存在距离间隔示意图；

图5是相邻船位点各距离间隔出现的频数统计图；

图6是刺网相邻网次存在距离较小的现象示意图；

图7是相邻点各时间间隔出现的频数统计图；

图8是符合距离间隔和时间间隔但不是网次的点示意图；

图9是相邻点的各角度变化值频数统计图；

图10是刺网各网次提取示意图；

图11是刺网各网次放网长度分布统计图；

图12是刺网各网次放网角度分布统计图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，包括以下步骤：统计各个点回报的即时航速的频数，回报的经度和纬度，回报时间和即时航向，并根据经度和纬度使用半正矢公式计算各点之间的空间距离，使用回报时间和反正切公式计算各点之间的时间差和航向差，根据各点的航速、空间距离、时间差和航向差，判断刺网捕捞的收网和放网状态，根据开始收网和结束收网的点的距离，提取单次刺网网次的长度。当得到单次刺网网次的长度后可以通过求和计算单艘渔船刺网作业的总长度和所有刺网渔船作业的总网长。

下面以具体的实施例来进一步说明本发明，一艘刺网渔船在2016年全年船位点的空间分布如图1，按照时间排序组成空间轨迹点。刺网作业过程包括开始放网、结束放网、等待渔获进入刺网、开始收网、结束收网。其中放网状态航速较快，等待时渔船处于抛锚或漂流，因此航速基本为0，收网渔船速度较慢。一个完整的刺网作业过程放网速度快，放网状态点少，收网速度慢，放网状态点多，因此刺网网次的起止点，用收网起止点来表示。

1.航速频数统计

根据刺网渔船航速统计船位点在各航速出现的频数，在渔船进行收网作业时，处于一个相对接近的较低的航速，因此，找到航速频数的峰值，获取峰值两侧的谷值可以作为刺网收网的航速阈值的最小值与最大值；可以认为，只有航速处于航速阈值内的船位点，才是正在进行收网作业的船位点。图2是渔船的航速频数曲线，第一个峰值为渔船收网状态，第二峰值为渔船放网状态，第一个峰值两侧获取收网状态的阈值，即最小值为0m/s，最大值为1.5m/s，通过航速阈值筛选可能的刺网收网点(图3中粗的黑色点)；

2.空间距离频数统计

根据北斗导航系统回报的数据，可以获取每个船位点的实时经纬度，根据前后两个点之间的经纬度，能计算出这两个点的空间距离。

由于地球是一个两级部位略扁的不规则球体，在进行大地坐标系的计算时，一般可将其作为一个球体计算。因此，地球上已知经纬度的两点之间，可以使用球面距离公式计算其距离。

假设两个船位点A，B，其经纬度分别为A_lon，A_lat，B_lon，B_lat。

那么A、B两点之间的距离D可以用半正矢公式(Haversine formula)求得。

其公式为：

其中R为地球平均半径6378145m

利用航速阈值筛选出可能处于收网状态的点之后，计算相邻船位点的空间距离，统计船位点在各距离间隔长度出现的频数。根据对于数据的统计和刺网作业的流程，刺网作业收网时的船位点存在空间距离相对较近的特点，而每个网次之间存在一定的空间间隔。因此，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的空间距离间隔阈值的最小值与最大值；只有和其他点处在空间距离间隔阈值范围内的船位点才是处于收网状态的船位点。而刺网的各网次间存在较大的距离(图4)，在实例中(图5)各刺网的空间距离间隔阈值的最小值为178m，最大值为193m。

3.时间间隔频数统计

北斗船位数据回报的数据集中包括每个船位点的时间，因此可以计算出相邻船位点的时间间隔，统计在各时间间隔出现的频数，和空间间隔相似，根据刺网作业的特点，收网作业时，存在船位点以较小的时间间隔密集存在。找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值，即时间间隔阈值的最小值与最大值作为刺网各网次的分界值，刺网的各网次有时间距离较近，利用空间距离有时难以区分(图6)，但各网次间的都有一定的时间差值，在实例中(图7)刺网各网次的时间间隔阈值的最小值为30分钟，最大值为46分钟。

4.刺网角度频数统计

在计算航速阈值、空间间隔和时间间隔后，已经可以排除绝大多数的非收网状态船位点，但依然存在少数符合距离间隔和时间间隔但不是网次的船位点(图8)，为排除这类点，根据刺网作业流程，可以根据船只的航向变化进行判断。

虽然北斗船位数据回报的数据中包括各船位点的即时航向数据，但是由于计算方式的原因，在航速为0的时候所统计的航向值一般为0，无法反映此时的渔船方向。而由于刺网作业的操作规程的原因，在收网过程中，有多个船位点航速可能为0，如果将其全部删除，可能影响对于单个网次长度的统计。因此，在此采用大圆航向(Great-circle navigation)的方法计算船只的数据，即计算前一船位点和至后一船位点二点连线的距离作为该点的实时航向，而非使用船位数据系统回报的数据。

假设两个船位点A，B，其经纬度分别为A_lon，A_lat，B_lon，B_lat。

那么从A至B的航向方位角θ可以如下公式求得。

θ＝atan2(sin(B_lon-A_lon)×cosB_lat,cosA_lat×sinB_lat-sinA_lat×cosB_lat×cos(B_lon-A_lon))

其中，atan2是一个专门的函数，用以计算两个值之间的反正切，将直角坐标系中的坐标转换为极坐标。表示坐标原点为起点，指向(x,y)的射线在坐标平面上与x轴正方向之间的角的角度。其结果可以用以下等式说明：

对于两个坐标值x,y

该函数的值域为(-π,π]，可以通过对负数结果加2π的方法，将函数的结果映射到[0,2π)范围内。

其余的算式则是将处于球面坐标系中的A_lon，A_lat，B_lon，B_lat转换为以A为原点的平面直角坐标系上的坐标。

得到每个船位点的航向角后，计算相邻船位点的角度变化，统计在各角度变化值的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的角度变化值的最小值与最大值；根据操作规范，在收网时应该大致保证航向不变。频数峰值也正如同规程所述，峰值应当出现在变化值为0的点处附近。在实例中(图9)角度变化值阈值的最小值为-8°，最大值为10°。

5.刺网网次长度提取

根据刺网航速阈值先提取可能的刺网收网状态点，再用空间间隔、时间间隔的阈值区分各网次，然后用角度变化间隔去除非刺网的网次，得出每次作业中开始收网和结束收网的船位点(图10)。这两个点之间的空间距离作为渔船刺网作业中的一个网次的长度(图11)，这两个点之间的空间航向角可以认为是该次刺网作业中收网的方向(图12)。

根据收网的船位点，可以逆推出放网的过程。根据刺网的操作流程，放网的开始点应该邻近收网的结束点，放网的结束点应该邻近收网的开始点。因此，在此可以取大于收网航速阈值(本例中为1.5m/s)的点中最靠近收网起始/结束点的船位点作为放网结束、开始的船位点。

单次刺网作业的总时间，可以简单使用放网开始点的时间减去收网结束点的时间进行计算。

表1刺网网次提取表

6.渔船刺网网次长度提取

在计算出单艘渔船每次作业的网次长度后，将该航次中所有刺网网次的长度求和并提取，得到单艘渔船刺网作业的总作业时间和总网次长度。

Claims (5)

1.一种利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，其特征在于，包括以下步骤：统计各个点回报的即时航速的频数，回报的经度和纬度，回报时间和即时航向，并根据经度和纬度使用半正矢公式计算各点之间的空间距离，使用回报时间和反正切公式计算各点之间的时间差和航向差，根据各点的航速、空间距离、时间差和航向差，判断刺网捕捞的收网和放网状态，根据开始收网和结束收网的点的距离，提取单次刺网网次的长度。

2.根据权利要求1所述的利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，其特征在于，根据刺网渔船航速统计船位点在各航速出现的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的航速阈值的最小值与最大值；利用航速阈值筛选出可能处于收网状态的船位点，然后计算相邻船位点的空间距离，统计船位点在各空间距离间隔长度出现的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的空间距离间隔阈值的最小值与最大值；计算相邻船位点的时间间隔，统计在各时间间隔出现的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的时间间隔阈值的最小值与最大值；计算相邻船位点的角度变化，统计在各角度变化值的频数，找到频数峰值，获取峰值两侧的谷值作为刺网收网的角度变化值的最小值与最大值；根据刺网空间间隔、时间间隔、角度变化间隔的阈值提取刺网起始点和终止点，然后利用获取起始点和终止点计算刺网长度和角度。

3.根据权利要求1所述的利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，其特征在于，在统计各个点回报的即时航速的频数时，当出现连续的航速为0m/s时，将这些数据舍去。

4.根据权利要求1所述的利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，其特征在于，所述各点之间的距离通过计算得到，其中，A_lon和A_lat表示船位点A的经度和纬度，B_lon和B_lat表示船位点B的经度和纬度，R为地球平均半径。

5.根据权利要求1所述的利用船位数据提取刺网网长与角度的方法，其特征在于，所述各点之间的航向差通过θ＝atan2(sin(B_lon-A_lon)×cosB_lat,cosA_lat×sinB_lat-sinA_lat×cosB_lat×cos(B_lon-A_lon))计算得到，其中，A_lon和A_lat表示船位点A的经度和纬度，B_lon和B_lat表示船位点B的经度和纬度，