CN110866015A - 一种基于局部网格的动目标活动范围记录方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于局部网格的动目标活动范围记录方法。本发明的局部网格以任意经纬点为网格起始点，以该点所在经线作为网格中心线，向两侧扩展相等地理距离网格线，从起始点纬度递增方向扩展等地理距离网格线，将地理空间剖分成若干等地理距离网格单元，构建分界线确定网格编码。基于剖分后的网格区域，实时记录动目标经过的网格单元编码以及时间信息。本发明通过基于等地理距离对地理空间进行剖分同时顾及经线作为网格中心线，可以明确每个网格单元的地理距离，同时结合动态的编码方法以及网格数据表示矢量点的方式，能够有效降低动目标活动范围的数据存储量，直观展示、快速查询动目标的活动范围。

Description

一种基于局部网格的动目标活动范围记录方法

技术领域

本发明涉及一种基于局部网格的动目标活动范围记录的方法。

背景技术

剖分网格是地球信息数据的离散化、准确化、系统化的表现，这是地理信息科学和数字地球中重要的基础性问题，是全部地理计算的源头和归宿。近年来，随着GPS、北斗等卫星系统日趋发展和全球化应用，此相关于全球三维位置准确性、度量和全部空间分析准确性等基础问题以及空间对象间空间关系的快速构建受到人们高度重视。

一般网格剖分需遵循如下原则：可与地图分幅体系兼容，框架中各级不同大小的网格单元，又称剖分单元，能很方便地兼容或者成为地图分幅的有机部分，便于用于传统空间数据整合；划分单元的形状尽量为矩形或正方形，框架中的网格单元形状最好为矩形或正方形，使其与地理空间中的地理要素位置便于表达；具有完整的编码体系，框架有一个完整的编码体系，使得大到地球、小到厘米级网格都有编码，且层与层之间的编码有很好的嵌套关系，以便于计算。每个单元格具有明确的地理位置，框架中每个网格都有固定的空间范围，即每个网格中心、四个角点都有明确的坐标位置，可快速确定地理要素的所在网格位置，每个网格编码能够表达准确的位置信息。

目前已有的几种网格剖分包括等距、等纬差、正六面体、GeoSOT等几种剖分格网方法，其中主流的剖分是等距与等纬差方法，具体如下：

(1)等距格网等距剖分网格，即基于CGCS2000大地坐标系统的地球椭球体，沿经线方向采用等距、沿纬线方向采用与纬圈相等的正方形建立全球等距格网框架。因此，等距剖分格网又分如下两种情况。

基于基点的等距剖分格网框架。基于基点的等距剖分格网是指剖分单元以地球表面某点作为起始点形成全球无缝覆盖的等距剖分格网。比较典型的基点是地球两极点、本初子午线与赤道的交点、任意其他经线与赤道的交点。

基于经线的等距剖分格网框架。基于经线的等距剖分格网与基于基点的等距格网相似，只是在剖分面片的展开方式上，基于经线的等距剖分格网以某一经线作为“起跑线”，每一等距纬圈的剖分面片覆盖地球并由此展开，剖分单元的边长与两个纬圈之间的距离相等，并采用不同的填充对不同纬圈的剖分面片进行区别。

(2)等纬差格网在传统的测绘数据管理上，多是采用等经差、等纬差方式对空间数据进行组织和管理，例如我国标准地形图分幅管理机制即采用这种方式。且当经差或者纬差小到一定程度时，其所代表地球表面的地理空间范围可以近似视为平面，如在赤道附近经度相差10'x10'的区域，其范围约为一个18.5x18.5 km。

不管是等距还是等纬差剖分方法都是基于经纬度对地理空间进行剖分，每一个剖分单元距离都是用度数来表示，再将度数转为近似的地理距离，每个剖分单元的地理距离无法精确。且上述网格剖分方法的网格编码，随着网格剖分过程完成，每个网格单元的编码固定且不能改变。

发明内容

本发明的目的在于直观展示动目标的活动范围，降低存储空间，提高动目标活动范围的查询效率。所述方法以相等地理距离剖分地理空间形成等距离剖分单元，在此网格基础上构建网格分界线实时计算生成网格编码，记录动目标的网格单元编号以及动目标进出网格单元的时间。

本发明是一种基于经度线，以相等地理距离对地理空间区域进行网格剖分与编码实现动目标活动范围的记录方法。

本发明具体提供了一种基于局部网格的动目标活动范围记录方法，包括以下步骤：

步骤1、选择地理坐标系统，剖分地理空间形成初始网格；

步骤2、旋转初始网格；

步骤3、设置网格分界线；

步骤4、计算生成网格编码。

步骤5、基于剖分后的网格区域，实时记录动目标经过的网格单元编码以及时间信息。

步骤1包括：选择地理坐标系统，确定需剖分的地理空间范围，动目标活动区域的起始位置G₁的坐标为(Lng_G1,Lat_G1)，终止位置G₂的坐标为(Lng_G2,Lat_G2),G₁和G₂两个点在投影坐标系下y轴方向距离L₁千米，x轴方向距离L₂千米；网格起始点记为A，其经纬度坐标为(Lng_A,Lat_A)，其中A点处于G1在方位角90度距离L₂/2的位置，以网格起始点A经度作为网格中心线经度，以固定Dis千米为基本网格单元向中心线两侧分别扩展m列网格线，从网格中心点纬度递增方向扩展n行网格线，形成(2m)*(n-1)个相等地理距离单元组成的初始网格，其中动目标的平均速度为V千米/小时，动目标在网格单元的停留时间为u秒，Dis＝V*u/3600,L₁>1、L₂>1、m≥1、n>1,m＝(L₂/2/Dis+1),(n-1)*Dis≤L₁。

步骤2包括：初始网格中心线是一条垂直于赤道的地理垂直直线，不与网格中心点所在经度线重合，通过计算旋转角度，再根据选择角度旋转网格使网格中心线与经度线重合。

步骤2中，旋转角度计算过程如下：选择网格起始点A同一经度线上的另一个点B，点B的经纬度坐标(Lng_B,Lat_B)，其中Lng_A＝Lng_B,Lat_B>Lat_A，获取A点与B点投影坐标系下对应的平面直角坐标分别为(x_A,y_A)和(x_B,y_B)，取另外一点C的坐标为(x_A,y_B)，旋转角度θ计算公式如下：

本发明中，步骤3包括：从网格区域外轮廓的上边界开始，沿着网格线取点，直到外轮廓的下边界为止，形成网格分界线，网格分界线将整个网格区域一分为二，其中网格分界线的起始点、终止点分别在网格外轮廓的上方和下方。

本发明中，步骤3还可以采取另一种方法：从网格区域外轮廓的下边界开始，沿着网格线取点，直到外轮廓的上边界为止，形成网格分界线，网格分界线将整个网格区域一分为二，其中网格分界线的起始点、终止点分别在网格外轮廓的下方和上方。

步骤4包括：一个网格单元编码由编码头以及网格编号组成，其中网格编号根据所述网格单元所在行列号以及分界线所在位置确定，网格编码组成结构为：编码头+网格单元行号+网格单元列号；设定网格分界线左侧网格区域的编码头为W，右侧网格区域的编码头为Y，则一个网格单元Z编码的计算过程如下：

步骤4-1，网格单元Z的4个角点的经纬度坐标已知，通过4个角点经纬度坐标计算得到网格单元Z的中心点坐标(Lng_center,Lat_center)，对应的直角坐标为(x_center,y_center)，

则旋转前的网格中心点直角坐标(x_c,y_c)计算公式如下所示：

步骤4-2，以网格中心线作为0列，网格外轮廓下边界线作为0行，则网格单元Z所在的行列号计算公式如下：

其中Dis为网格间距；row_z,col_z分别为网格单元Z的行号和列号；offset_row为行偏移量，offset_col为列偏移量，计算网格单元行列号时offset_row＝1，offset_col＝1；

同理根据公式(3)与公式(4)计算网格分界线每一个点坐标对应的网格行列号集合{(row₁,col₁)(row₂,col₂)......(row_k,col_k)}，此时offset_row＝0.5，offset_col＝0.5，其中row_k和col_k分别表示第k个点坐标对应的网格行号和列号；

从网格行列号集合中得到分界线最大与最小的列号分别为col_large和col_small；

步骤4-3，分界线在网格区域每一行的列号集合为：{(1,col₁)(2,col₂)......(n-1,col_n-1)}，则网格单元Z编码头Head_z确认公式如下：

其中，i为网格行号，col_i为第i行在分界线的网格列号；

步骤4-4，当网格单元Z编码头为R时，相对于网格分界线所在的网格列号col_real计算公式如下：

当网格单元Z编码头为L时，相对于网格分界线所在网格列号col_real计算公式如下：

最终网格单元Z的编码组成形式为Head_z+row_z+col_real。

步骤5、将动目标活动的日期以及编号作为唯一标识该动目标的字段，动目标经过的网格单元编码集合作为位置信息，将动目标进入与离开网格单元的时间作为时间信息，{动目标标识，网格编码，时间信息}组成了记录动目标活动范围的结构体。

本发明的局部网格以地理距离作为网格剖分单位，按照等距剖分思想同时顾及经线位置对地理空间进行剖分，同时构建网格区域分界线将网格区域分为2部分，结合网格单元所在网格区域、网格单元行号、网格单元相对于分界线位置列号动态生成网格编码。

动目标即在地理空间下随着时间推移，地理位置不断快速发生变化的地理实体，比如飞机、高铁、船只等。在研究过程中，通常将该类目标抽象为点对象。目前动目标活动轨迹的记录方式是存储矢量点目标集合，点目标的基本信息包括：经度、纬度、时间3个字段，共20个字节，其中经度、纬度按double类型8个字节，时间按int型4个字节存储。矢量点集合的记录方式是一种精确的存储方式，但地理位置快速变化的动目标产生大量、密集点对象导致存储空间大,查询效率低,可视化效果不好。动目标活动范围的展示，活动规律分析等应用场景不需要精确的数据，更需要直观的可视化效果。基于此，本发明提出了用等地理距离局部网格基于分界线动态编码的方式记录动目标活动范围，这种方式存储空间小，查询效率快，可视化效果好。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1)剖分单元具有明确的地理位置；

2)网格编码可以依据网格单元和分界线位置动态生成；

3)降低动目标的数据存储量，提高查询效率；

4)动目标活动范围的展示效果直观；

本发明属于空间数据组织方面在动目标可视化，网格剖分与编码领域的应用，具体的说本发明是以任意经线为基础将地理空间划分成相等地理距离的方形单元。利用每个剖分网格单元具有明确的地理距离以及动态的编码体系特点结合网格数据表示矢量点的方式，能够有效降低动目标活动范围的数据存储量、提高查询效率、直观展示动目标活动范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的网格旋转角度示意图。

图2是本发明的网格编码结构组成示意图。

图3是本发明的网格分界线示意图。

图4是本发明的网格编码示意图。

图5是本发明的动目标活动范围记录结构体示意图。

图6是本发明的动目标活动范围网格示意图。

具体实施方式

本发明是一种基于经度线，以相等地理距离对地理空间区域进行网格剖分与编码实现动目标活动范围的记录方法，以记录广东省惠州市到上海市的一架航班活动范围为例，该航班的出发时间是16:33:14，到达时间是18:04:09，其具体实施步骤如下：

步骤1：构建等距初始网格。选择WGS84地理坐标系统，兰伯特投影(双标准纬线)为投影类型，该投影下的纬线为同心圆弧，经线投影为相交于圆锥顶点的一束直线。首先确定需剖分的地理空间范围，动目标活动区域的起始位置G₁的坐标为(Lng_G1,Lat_G1)，终止位置G₂的坐标为(Lng_G2,Lat_G2),G₁和G₂两个点在投影坐标系下y轴方向距离L₁千米，x轴方向距离L₂千米；网格起始点记为A，其经纬度坐标为(Lng_A,Lat_A)，其中A点处于G1在方位角90度距离L₂/2的位置，以网格起始点A经度作为网格中心线经度，以固定Dis千米为基本网格单元向中心线两侧分别扩展m列网格线，从网格中心点纬度递增方向扩展n行网格线，形成(2m)*(n-1)个相等地理距离单元组成的初始网格。广东省惠州市地处北纬22°24'～23°57’，东经113°51'～115°28'，上海市地处北纬30°40'～31°53'，东经120°52'～122°12'，为了网格剖分完全覆盖惠州到上海，取最大包围盒范围，即G1(113°51',22°24')，G2(122°12',31°40'),G1与G2在投影坐标系下y轴相距大约1138.34千米，x轴相距大约958.46千米；民航的飞行速度平均为900千米/小时，假设每个网格单元最大停留时间为40秒，则每个网格的间距为10千米，即Dis＝10，n＝1138.34/10+1＝114,m＝958.46/2/10+1＝48，G1点按方位角90度距离958.46/2千米可得起始点A(117°02',22°20')，形成(2*48)*(114-1)＝10848个网格单元的初始网格。

步骤2：旋转等距初始网格。初始网格中心线是一条垂直于赤道的地理垂直直线，不与网格中心点所在经线重合，需要确定旋转角度，通过旋转网格使网格中心线与经度线重合，旋转角度计算过程如下：选择网格起始点A同一经度线上的另一个点B，经纬度坐标(Lng_B,Lat_B)，其中Lng_A＝Lng_B,Lat_B>Lat_A，获取A点与B点投影坐标系下对应的平面直角坐标(x_A,y_A)，(x_B,y_B)，取另外一点C的坐标为(x_A,y_B)，旋转角度θ计算示意图如图1所示，旋转角θ计算公式如下所示：

步骤3：设置网格分界线。从网格区域外轮廓的上边界(或下边界)开始，沿着网格线取点，直到外轮廓的下边界(或)上边界为止，形成网格分界线，取得一连串不封闭的经纬点坐标集合{(Lng₁,Lat₁)、(Lng₂,Lat₂)........(Lng_m,Lat_m)}。分界线将整个网格区域一分为二，其中分界线的起始点、终止点分别在网格外轮廓的上下方。惠州到上海的航班需要经过广东省、江西省、福建省、浙江省、上海市。沿着浙江省与福建省的省界线设置网格分界线，如图3所示，粗折线即为网格分界线。分界线将从编码角度区分动目标经过的地理区域，广东省、江西省、福建省在分界线左边，浙江省、上海市在分界线右边，可明确动目标活动区域，进一步加快动目标活动范围查询速度。

步骤4：计算网格编码。一个网格单元编码由编码头以及网格编号组成，其中网格编号根据该网格单元所在行列号以及分界线所在位置确定，网格编码组成结构如图2所示。设定网格分界线左侧网格区域的编码头为"W"，右侧为“Y”，则一个网格单元“Z”编码的计算过程如下：网格单元Z的4个角点的经纬度坐标已知，通过4个角点经纬度坐标计算该网格的中心点坐标(Lng_center,Lat_center)，对应的直角坐标为(x_center,y_center)，则旋转前的网格中心点直角坐标(x_c,y_c)计算公式如下所示：

以网格中心线作为0列，网格外轮廓下边界线作为0行，那么该网格单元所在的行列号计算公式如下：

其中Dis为网格间距，单位千米，row_z,col_z分别为网格单元Z的行列号，offset_row为行偏移量，offset_col为列偏移量，计算网格单元行列号时offset_row＝1，offset_col＝1。

同理根据公式3与公式4计算网格分界线每一个点坐标对应的网格行列号集合{(row₁,col₁)(row₂,col₂)......(row_m,col_m)},此时offset_row＝0.5，offset_col＝0.5。从集合中可得分界线最大与最小的列号分别为col_large,col_small，可得分界线在网格区域每一行的列号{(1,col₁)(2,col₂)......(n,col_n-1)}，那么网格Z编码头确认公式如下：

其中i为网格行号，col_i为第i行在分界线的网格列号。那么当网格单元Z编码头为R时，相对于网格分界线所在的网格列号计算公式如下：

当编码头为L时，相对于网格分界线所在网格列号计算公式如下：

最终网格单元Z的编码组成形式为Head_z+row_z+col_rea，如图4所示为网格编码示意图。

步骤5：动目标活动范围的记录结构如图5所示，每一批动目标对应多个网格编码，每个网格编码对应多个进出时间信息。广东惠州到上海的航班活动范围如图6所示，从左下方到右上方的点(在原图中是红色的点，由于说明书附图只能是灰度图，所以只能用黑色表示)代表航班飞行轨迹的矢量点目标，从左下方到右上方连续的网格区域代表航班飞行的活动范围。该航班共存储4550个点目标，总需4550*20＝91000个字节，共存储606个网格编码，每个网格编码按6个字节计算，时间信息按8个字节，总需606*14＝8484个字节。

本发明提供了一种基于局部网格的动目标活动范围记录方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于局部网格的动目标活动范围记录的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选择地理坐标系统，剖分地理空间形成初始网格；

步骤2、旋转初始网格；

步骤3、设置网格分界线；

步骤4、计算生成网格编码；

步骤5、基于剖分后的网格区域，实时记录动目标经过的网格单元编码以及时间信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：选择地理坐标系统，确定需剖分的地理空间范围：动目标活动区域的起始位置G₁的坐标为(Lng_G1,Lat_G1)，终止位置G₂的坐标为(Lng_G2,Lat_G2),G₁和G₂两个点在投影坐标系下y轴方向距离L₁千米，x轴方向距离L₂千米；网格起始点记为A，其经纬度坐标为(Lng_A,Lat_A)，其中A点处于G1在方位角90度距离L₂/2的位置，以网格起始点A经度作为网格中心线经度，以固定Dis千米为基本网格单元向中心线两侧分别扩展m列网格线，从网格中心点纬度递增方向扩展n行网格线，形成(2m)*(n-1)个相等地理距离单元组成的初始网格，其中动目标的平均速度为V千米/小时，动目标在网格单元的停留时间为u秒，Dis＝V*u/3600，L₁>1，L₂>1，m≥1，n>1，m＝(L₂/2/Dis+1)，n＝L₁/Dis+1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：初始网格中心线是一条垂直于赤道的地理垂直直线，不与网格中心点所在经度线重合，通过计算旋转角度，再根据选择角度旋转网格使网格中心线与经度线重合。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中，旋转角度计算过程如下：选择网格起始点A同一经度线上的另一个点B，点B的经纬度坐标(Lng_B,Lat_B)，其中Lng_A＝Lng_B,Lat_B>Lat_A，获取A点与B点投影坐标系下对应的平面直角坐标分别为(x_A,y_A)和(x_B,y_B)，取另外一点C的坐标为(x_A,y_B)，旋转角度θ计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3包括：从网格区域外轮廓的上边界开始，沿着网格线取点，直到外轮廓的下边界为止，形成网格分界线，网格分界线将整个网格区域一分为二，其中网格分界线的起始点、终止点分别在网格外轮廓的上方和下方。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3包括：从网格区域外轮廓的下边界开始，沿着网格线取点，直到外轮廓的上边界为止，形成网格分界线，网格分界线将整个网格区域一分为二，其中网格分界线的起始点、终止点分别在网格外轮廓的下方和上方。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤4包括：一个网格单元编码由编码头以及网格编号组成，其中网格编号根据所述网格单元所在行列号以及分界线所在位置确定，网格编码组成结构为：编码头+网格单元行号+网格单元列号；设定网格分界线左侧网格区域的编码头为W，右侧网格区域的编码头为Y，则一个网格单元Z编码的计算过程如下：

步骤4-1，网格单元Z的4个角点的经纬度坐标已知，通过4个角点经纬度坐标计算得到网格单元Z的中心点坐标(Lng_center,Lat_center)，对应的直角坐标为(x_center,y_center)，

则旋转前的网格中心点直角坐标(x_c,y_c)计算公式如下所示：

步骤4-2，以网格中心线作为0列，网格外轮廓下边界线作为0行，则网格单元Z所在的行列号计算公式如下：

其中Dis为网格间距；row_z,col_z分别为网格单元Z的行号和列号；offset_row为行偏移量，offset_col为列偏移量，计算网格单元行列号时offset_row＝1，offset_col＝1；

根据公式(3)与公式(4)计算网格分界线每一个点坐标对应的网格行列号集合{(row₁,col₁)(row₂,col₂)......(row_k,col_k)}，此时offset_row＝0.5，offset_col＝0.5，其中row_k和col_k分别表示第k个点坐标对应的网格行号和列号；

从网格行列号集合中得到分界线最大与最小的列号分别为col_large和col_small；

步骤4-3，分界线在网格区域每一行的列号集合为：{(1,col₁)(2,col₂)......(n-1,col_n-1)}，则网格单元Z编码头Head_z确认公式如下：

其中，i为网格行号，col_i为第i行在分界线的网格列号；

步骤4-4，当网格单元Z编码头为R时，相对于网格分界线所在的网格列号col_real计算公式如下：

当网格单元Z编码头为L时，相对于网格分界线所在网格列号col_real计算公式如下：

最终网格单元Z的编码组成形式为Head_z+row_z+col_real。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5包括：将动目标活动的日期以及编号作为唯一标识该动目标的字段，动目标经过的网格单元编码集合作为位置信息，将动目标进入与离开网格单元的时间作为时间信息，{动目标标识，网格编码，时间信息}组成了记录动目标活动范围的结构体。

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