CN108959348B - 一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法 - Google Patents
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Abstract
一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，主要包括以下步骤：a、提取电子海图中所包含的碍航物地理实体；b、构建碍航物缓冲区；c、对碍航物地理实体、碍航物缓冲区进行拓扑求并操作，形成完整的单幅海图碍航区数据；d、重复以上所述步骤a‑c，形成每幅电子海图的碍航区数据集；e、求取多幅海图的重叠范围；f、定量分析不同海图的精度和现势性差异；g、重叠区域保留高精度、高现势性数据，非重叠区域保留所有数据；h、输出所有碍航区数据。本发明克服了当前航线设计仅能针对单幅海图的不足，使用本方法所生成的碍航区数据能够实现跨海图图幅的航线自动生成，能够在充分利用现有海图数据的基础上，优化航线的长度和安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋测绘技术领域，尤其涉及碍航区的生成技术。
背景技术
电子海图是海上活动的基础，航线的自动生成是电子海图应用的重要内容，碍航区的构建是舰船航线自动生成的理论基础。
为了使舰船能够安全、快速地到达目的地，基于碍航区绕行的最短距离航线设计一直受到学者的广泛关注，张立华等于2007年建立了自动、高效绕行碍航区的机制和准则，提出了矢量电子海图平台下的计算机智能设计航线方法。汪柱等于2010年针对航线自动生成中存在的贪婪性的弱点，提出了基于航路二叉树的航线自动生成方法。曹鸿博等于2011年对航路二叉树方法进行了改进，采用碍航区路径的递归搜索、绕行优化以及动态求解等策略，提高了航线自动生成的质量和效率。王涛等于2016年针对航路二叉树方法未考虑舰船转向限制、航道宽度的问题，分别提出了考虑转向限制和顾及航道宽度的最短距离航线自动生成方法。
但上述方法均仅针对单幅海图数据来构建碍航区，由于海图尺寸大小的限制，一幅海图往往很难覆盖舰船航行经过的整个海区，通常需要多幅海图才能满足。此时，现有方法只能使用一幅比例尺较小的海图，以确保海图所表达的地理范围能够覆盖航行区域。海图比例尺越小，其数据表达真实海洋地理信息的精度就越低，基于此海图碍航区规划出的航线的安全可靠性也会随之降低。而且，比例尺过小的海图往往只是作为一种参考海图，在实际应用中也很少会直接应用于舰船海上航行。
发明内容
为了克服当前航线设计仅能针对单幅海图的不足，为航线设计提供可靠数据源，本发明提供了一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，主要包括以下步骤：
a、依据电子海图数据词典中关于碍航物的规定，提取电子海图中所包含的碍航物地理实体；
b、针对获取到的碍航物地理实体数据，为保证船舶航行安全，依据舰船参数构建碍航物缓冲区；
c、对碍航物地理实体、碍航物缓冲区进行拓扑求并操作，将二者融为一体，形成完整的单幅海图碍航区数据；
d、重复以上所述步骤a-c，对已有电子海图数据进行碍航物的提取、缓冲区分析和拓扑求并处理，形成每幅电子海图的碍航区数据集；
e、求取多幅海图的重叠范围，对重叠范围内来自不同海图的碍航区数据进行提取，判断是否存在碍航区拓扑相交的情况，若是，进入步骤f；反之，进入步骤g；
f、定量分析不同海图的精度和现势性差异，保留高精度，高现势性的数据，删除低精度、低现势性的数据，完成对重叠区域的碍航区数据融合，对于非重叠区域，则保留单幅海图碍航区数据，并将其同进行融合操作的重叠区域碍航区数据存于同一容器内；
g、保留所有数据，将所有碍航区数据存于同一容器中；
h、以坐标数组的方式，输出所有碍航区数据。
所述步骤b中，针对获取到的碍航物地理实体数据，为保证船舶航行安全，依据舰船参数构建碍航物缓冲区的方法为：当从电子海图中获取到碍航物后，依据船舶转弯半径、定位误差、船舶宽度等多元参数，根据经验公式解算所需的缓冲区半径d(为图上距离)：
其中，r为舰船转弯半径、e为定位误差、b为船舶宽度(为实际距离，单位米)，海图比例尺为Scale(为图上比例尺，以分数形式表示)以此大小作为缓冲区距离，对碍航物地理实体做缓冲区。
所述步骤e中，求取多幅海图的重叠范围，对重叠范围内来自不同海图的碍航区数据进行提取的方法为：获取电子海图元数据中对海图图幅的描述数据，得到电子海图图幅的四至点Ai、Bi、Ci、Di，并以此四点生成矩形多边形Polyi(Polyi＝{Ai,Bi,Ci,Di})；对从每幅海图中得到的Polyi进行拓扑求交操作，获得不同海图的重叠区域，该范围可能为空：
Sij＝Polyi∩Polyj
S＝S12∪S13∪L∪Sij∪L∪Sn-1n i＝1,2,L n-1；j＝2,3,L,n；i＜j
其中，Sij为i海图与j海图的重叠区域，S为所有海图重叠区域的并集。
所述步骤f中，定量分析不同海图的精度和现势性差异的方法为：获取当前海图比例尺 Scale、海图所属海区最小比例尺ScaleMin，当前时间T，出版时间T0，海图精度指数
海图现势性指数
并以此指标为基础，评定碍航区数据的精度及现势性θ：
其中α∈[0,1]为自定因子，用于选择调整指标侧重精度或侧重现势性；θ越小，说明在当前自定因子下数据精度越高、现势性越强。
本发明的融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，克服了当前航线设计仅能针对单幅海图的不足，使用本方法所生成的碍航区数据能够实现跨海图图幅的航线自动生成。已有实验表明，本方法能够在充分利用现有海图数据的基础上，优化航线的长度和安全可靠性。
附图说明
图1是本发明融合多幅海图数据的碍航区自动生成的主流程框图。
图2是本发明构建碍航物缓冲区的流程图。
图3是本发明获取多幅海图叠幅范围的流程图。
图4是本发明定量分析不同海图的精度和现势性差异的流程图。
具体实施方式
本发明的融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法如图1所示，实现过程是采用计算机实现基于多幅海图数据融合的碍航区的自动生成，假设现有海图A、B，需要融合此二幅海图生成碍航区数据，采用本发明方法进行碍航区数据融合，包括以下步骤，如图1所示：
步骤a，在计算机上读取海图，依海图数据词典提取碍航物地理实体，剔除无关数据后存储于内存中，对假设中的海图A，将其碍航物集合称为S0(A)；
步骤b,依船舶不同参数，根据经验公式确定缓冲半径d(为图上距离)，令舰船转弯半径为r、定位误差为e、船舶宽度为b(为实际距离，单位米)，海图比例尺为Scale(为图上比例尺，以分数形式表示)，依据误差的传播理论，本方法采用的经验公式为：
构建碍航物缓冲区，将碍航物缓冲区集合称为S1(A)如图2 所示；
步骤c，对海图A中的碍航物集合S0(A)、碍航物缓冲区S1(A)进行拓扑求并，获得海图 A所表示的海域的碍航区集合S(A)；
步骤d，重复上述步骤，获得所有已有海图数据中的碍航区集合，为做简化，这里只以海图B及所表示的海域的碍航区集合S(B)为例，对于多幅海图，则将下文思想进一步扩展至多幅海图，从而实现多幅海图的碍航区空间数据融合；
步骤e，如图3所示，读取电子海图元数据，获取电子海图图幅四至点，及当前海图比例尺Scale、海图所属海区最小比例尺ScaleMin，当前时间T，出版时间T0，构建电子海图图幅面要素ε，海图精度指数
海图现势性指数
构建碍航区的表达函数为F(ε，μ，τ)，此时海图A/B的碍航区集合可以表示为
ai/bj分别代表A、B海图中的第i、j个碍航区地理实体；
步骤f，如图4所示，判断是否存在叠幅区域，若存在，则对其进行提取，此时叠幅区域的碍航区S(A0)、S(B0)表示为
ε0代表两幅海图图幅的交叠海域，ax(x∈z,i≤x≤i+k)、by(y∈Z,j≤y≤j+h)分别代表A、B海图中的第x/y个碍航区地理实体，均在A、B海图的交叠海域内，随后进入步骤(g)；若不存在，则保留原有所有碍航区数据，此时A、B两幅海图融合生成后的碍航区集合S(c)为 S(c)＝S(A)+S(B)＝F(ε1,μ1,t1)+F(ε2,μ2,t2),随后进入步骤(h)；
步骤g，若存在叠幅区域，依精度和现势性对交叠海域内的碍航区集合进行替换，本方法所用的定量指标为：
其中α∈[0,1]为自定因子，用于选择调整指标侧重精度或侧重现势性；θ越小，说明在当前自定因子下数据精度越高、现势性越强；随后计算非交叠海域的碍航区集合S(A')、S(B')，
最终可得A、B两幅海图融合生成后的碍航区集合S(C)，
步骤h，输出多幅海图融合碍航区集合S(C)。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
a、依据电子海图数据词典中关于碍航物的规定，提取电子海图中所包含的碍航物地理实体；
b、针对获取到的碍航物地理实体数据，依据舰船参数构建碍航物缓冲区；
c、对碍航物地理实体、碍航物缓冲区进行拓扑求并操作，将二者融为一体，形成完整的单幅海图碍航区数据；
d、重复以上所述步骤a-c，对已有电子海图数据进行碍航物的提取、缓冲区分析和拓扑求并处理，形成每幅电子海图的碍航区数据集；
e、求取多幅海图的重叠范围，对重叠范围内来自不同海图的碍航区数据进行提取，判断是否存在碍航区拓扑相交的情况，若是，进入步骤f；反之，进入步骤g；
f、定量分析不同海图的精度和现势性差异，保留高精度，高现势性的数据，删除低精度、低现势性的数据，完成对重叠区域的碍航区数据融合，对于非重叠区域，则保留单幅海图碍航区数据，并将其同进行融合操作的重叠区域碍航区数据存于同一容器内；
g、保留所有数据，将所有碍航区数据存于同一容器中；
h、以坐标数组的方式，输出所有碍航区数据。
2.根据权利要求1所述的一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，其特征在于：所述步骤b中，针对获取到的碍航物地理实体数据，依据舰船参数构建碍航物缓冲区的方法为：当从电子海图中获取到碍航物后，依据船舶转弯半径、定位误差、船舶宽度，根据经验公式解算所需的缓冲区半径d：
其中，r为舰船转弯半径、e为定位误差、b为船舶宽度，海图比例尺为Scale，以此大小作为缓冲区距离，对碍航物地理实体做缓冲区。
3.根据权利要求1所述的一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，其特征在于：所述步骤e中，求取多幅海图的重叠范围，对重叠范围内来自不同海图的碍航区数据进行提取的方法为：获取电子海图元数据中对海图图幅的描述数据，得到电子海图图幅的四至点Ai、Bi、Ci、Di，并以此四点生成矩形多边形Polyi(Polyi＝{Ai,Bi,Ci,Di})；对从每幅海图中得到的Polyi进行拓扑求交操作，获得不同海图的重叠区域，该范围可能为空：
Sij＝Polyi∩Polyj
S＝S12∪S13∪…∪Sij∪…∪Sn-1n i＝1,2,…n-1；j＝2,3,…,n；i＜j
其中，Sij为i海图与j海图的重叠区域，S为所有海图重叠区域的并集。
4.根据权利要求1所述的一种融合多幅海图数据的碍航区自动生成方法，其特征在于：所述步骤f中，定量分析不同海图的精度和现势性差异的方法为：获取当前海图比例尺Scale、海图所属海区最小比例尺ScaleMin，当前时间T，出版时间T0，海图精度指数μ，
海图现势性指数t，
并以此指标为基础，评定碍航区数据的精度及现势性θ：
其中α∈[0,1]为自定因子，用于选择调整指标侧重精度或侧重现势性。
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