CN111970715B - 水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，包括了流体覆盖区域搜索标定阶段、椭圆形包络确定阶段、环形区域划分阶段、骨干晶胞的选取和流体边界的提取阶段。本发明具有可以快速部署、快速展开监测任务，可以提供长时间、近距离、无缝隙、实时性的流体目标监测追踪服务等优势。

Description

水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法
技术领域
本发明涉及一种水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，属于水声传感器领域。
背景技术
随着人类生活方式对能源需求的不断增长，全球范围内离岸工业活动的次数和规模与日俱增，海岸带区域人类经济活动高度集中，易发生石油、核废水等的意外泄漏以及赤潮、水华等有害藻类的大面积爆发。上述流体目标可形成于沿海、河口、湖泊、水库等多类型水域，并在表面张力、风浪潮流的作用下以薄连续层的形式做漂移运动，其形状、大小随时间连续变化。
目前，对流体目标的监测组网模式按空间区域可分为地、海、空、天四个维度。然而当前存在的对流体目标的监测诸多不足，如遥感观测受重访时间和空间分辨率约束，无法及时捕捉突发形成的流体目标并提供全生命周期的运动监测；如自主水下航行器装备成本较高，只适用于港口、码头等近岸的小规模流体追踪，并需与流体保持同步运动以避免目标丢失。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，包括如下步骤：
S1：流体覆盖区域搜索标定阶段
S1-1：传感器节点按地理位置分簇，每个簇中至少包含4个节点，根据节点分簇形成不同的监测区域。被流体目标覆盖的传感器节点能感知到流体的存在，则此传感器节点称为事件节点，事件节点所在的簇称为事件簇。
S1-2：所有事件节点向所属的事件簇i的簇头发送通知消息，簇头根据收集到的事件节点ID和坐标，确定该簇里所有事件节点中横、纵坐标的最大、最小值，分别记为Xmin_ia、Xmax_ib、Ymin_ic、Ymax_id，并以横、纵坐标最大、最小值对应的节点坐标生成本地的四元组Quads_i= [L_ ia, R_ ib, D_ ic, U_ id]，此四元组用于表示流体在该簇中上、下、左、右四个方向的覆盖范围。
S1-3：水声传感网范围内的各个事件簇交换各自的本地四元组，每个事件簇根据收到的四元组内的坐标值更新自身的四元组，直至网络中所有事件簇的本地四元组不再发生变化。此时网络中事件簇维持的四元组表示流体在全网上、下、左、右四个方向的覆盖范围。利用四元组确定能包含流体覆盖区域的外接矩形。
S2：椭圆形包络确定阶段
S2-1：根据流体目标泄露源的位置，利用外接矩形的长宽比确定椭圆形包络。若外接矩形的长宽比大于等于2则确定将矩形的外接椭圆作为包络；若外接矩形的长宽比小于2则确定将矩形的外接圆作为包络。
S3：环形区域划分阶段
S3-1：设置期望的环形区域层数为H，以椭圆形包络为最外层均匀划分出H个同心椭圆，即得到H个环形区域。
S3-2：根据满二叉树的组织方式，对各层环形区域进行划分。第i层环形区域被均匀分割成2i-1个子区域。最终，椭圆形包络内将包含2H-1个大小不同的子分区。以上所有的子分区统称为晶胞，位于最外层的2H-1个晶胞称为叶子晶胞。
S4：骨干晶胞的选取和流体边界的提取阶段
S4-1：根据流体目标泄露源的位置，从椭圆形包络中选定椭圆分区。在选定的椭圆分区中，从步骤S3-2形成的晶胞中选择骨干晶胞，其中满足骨干晶胞的条件为：①包含事件节点的叶子晶胞；②自身含有事件节点，且其左右孩子晶胞中至少存在一个晶胞中没有任何事件节点；上述条件二者满足其一即可选为骨干晶胞。
S4-2：将步骤S4-1得到的骨干晶胞的质心作为虚拟骨干节点，并将各个虚拟骨干节点进行连接，连接得到的曲线即为流体边界。
优选地，上述步骤S1-3中的各个事件簇更新自身的四元组的方式为：将本地四元组与收到的四元组对比其上下左右四个方向上的坐标，分别以对比后获得的横、纵坐标最大、最小值对应的节点坐标更新自身的四元组。
优选地，上述的椭圆形包络确定阶段，由于离心率为0时椭圆变为圆，所以将圆形包络可视为椭圆形包络的一种特例。
优选地，上述步骤S3-2中的根据满二叉树的组织方式，对各层环形区域进行划分的具体划分方式为，将最内层环形区域，即第一层环形区域，称为为根区域。第二层环形区域被均匀分割成2个面积相等的区域作为根区域的左右子分区。第三层环形区域被均匀分割成成4个面积相等的子分区，分别作为第二层中两个分区的左右子分区。上述过程等价于满二叉树中父节点生成左右子节点的过程，不断执行直到椭圆形包络所在的第H层，该层将被均匀分割为2H-1个子分区。最终，椭圆形包络内将包含2H-1个大小不同的子分区。
优选地，上述S2-1中的所述的流体目标泄露源的位置存在如下三种情况：
情况1：形成流体的扩散源位于水域中心且水域分布广，则直接根据事件簇四元组确定能包含流体覆盖区域的外接矩形。得到的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在完整的椭圆形分区内选取骨干晶胞；
情况2：形成流体的扩散域位于单面的水陆分界处，则根据事件簇四元组确定外接矩形，对外接矩形进行长不变、宽翻倍的变形，得到新的能包含流体覆盖区域的外接矩形。对新获得的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在抽取1/2的半椭圆形分区内选取骨干晶胞；
情况3：形成流体的扩散域位于两面的水陆分界处，则根据事件簇四元组确定外接矩形，对外接矩形进行长翻倍、宽翻倍的变形，得到新的能包含流体覆盖区域的外接矩形。对新获得的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在抽取的1/4的扇形分区内选取骨干晶胞。
有益效果：本发明提供的水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，具有如下优点：
水声传感器网络因部署区域与流体运动区域处于相同维度，便于监测任务的快速展开。此外，组网所用的水声感知节点集数据获取、传输、处理、融合等功能为一体，可通过不同的功能配置实现多样化的监测应用需求。
且面对突发形成且空间分布随运动进程高度变化的流体目标，水声传感网能够补偿卫星遥感、水下航行器巡航等观测手段的技术短板，提供长时间、近距离、无缝隙、实时性的流体目标监测追踪服务。
附图说明
图1是本发明的流体覆盖区域搜索标定和椭圆形包络确定的示意图；
图2是本发明的流体的扩散源位于水域中心情况的环形区域划分和骨干晶胞的选取示意图；
图3是本发明的流体的扩散源位于水域中心情况的流体边缘提取结果示意图；
图4是本发明的流体的扩散域位于单面的水陆分界处情况的环形区域划分和骨干晶胞的选取示意图；
图5是本发明的流体的扩散域位于单面的水陆分界处情况的流体边缘提取结果示意图；
图6是本发明的流体的扩散域位于两面的水陆分界处情况的环形区域划分和骨干晶胞的选取示意图；
图7是本发明的流体的扩散域位于两面的水陆分界处情况的流体边缘提取结果示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一种水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，包括了流体覆盖区域搜索标定阶段、椭圆形包络确定阶段、环形区域划分阶段、骨干晶胞的选取和流体边界的提取阶段。
如图1所示，所述的流体覆盖区域搜索标定阶段包括：
S1-1：传感器节点按地理位置分簇，每个簇中至少包含4个节点，根据节点分簇形成不同的监测区域。被流体目标覆盖的传感器节点能感知到流体的存在，则此传感器节点称为事件节点，事件节点所在的簇称为事件簇；如图1所示，存在三个事件簇，簇头节点分别为A0，B0，C0。
S1-2：所有事件节点向所属的事件簇的簇头发送通知消息，簇头根据收集到的事件节点ID和坐标，确定该簇里所有事件节点中横、纵坐标的最大、最小值，分别记为Xmin_ia、Xmax_ib、Ymin_ic、Ymax_id，并以横、纵坐标最大、最小值对应的节点坐标生成本地的四元组Quads_i= [L_ ia, R_ ib, D_ ic, U_ id]，此四元组用于表示流体在该簇中上、下、左、右四个方向的覆盖范围。如图1所示，以簇头节点A0所在事件簇为例，簇中存在事件节点A0至A4，该簇中所有事件节点中横纵坐标最大、最小值分别为Xmin_A2、Xmax_A4、Ymin_A3、Ymax_A1，该簇中用于描述流体上、下、左、右四个方向的分布的四元组Quads_A= [L_A2, R_A4, D_A3, U_A1]
S1-3：水声传感网全网范围内的各个事件簇交换各自的本地四元组，每个事件簇根据收到的四元组内的坐标值更新自身的四元组，直至网络中所有事件簇的本地四元组不再发生变化。此时网络中事件簇维持的四元组表示流体在全网上、下、左、右四个方向的覆盖范围。利用四元组确定能包含流体覆盖区域的外接矩形。如图1所示，图中的三个事件簇彼此交换四元组后，最终描述流体在全网范围上、下、左、右四个方向的分布范围的四元组为[L_C2,R_B5, D_C3, U_A1]。
如图1所示，所述的椭圆形包络确定阶段包括：
S2-1：确定能包含流体覆盖区域的外接矩形。
S2-2：根据外接矩形的长宽比确定椭圆形包络。若外接矩形的长宽比大于等于2则确定将矩形的外接椭圆作为包络；若外接矩形的长宽比小于2则确定将矩形的外接圆作为包络。
所述的环形区域划分阶段包括：
S3-1：设置期望的环形区域层数为H，以椭圆形包络为最外层均匀划分出H个同心椭圆，即得到H个环形区域。
S3-2：根据满二叉树的组织方式，对各层环形区域进行划分。第i层环形区域被均匀分割成2i-1个子区域。最终，椭圆形包络内将包含2H-1个大小不同的子分区。以上所有的子分区统称为晶胞，位于最外层的2H-1个晶胞称为叶子晶胞。
如图2所示，将椭圆形包络内划分了6层，对各层进一步划分后，得到了63个子区域，编号为1-63，其中叶子晶胞共32个，编号为32-63。
所述的骨干晶胞的选取和流体边界的提取阶段包括：
S4-1：根据流体目标泄露源的位置，从椭圆形包络中选定椭圆分区。在选定的椭圆分区中，从步骤S3-2形成的晶胞中选择骨干晶胞，其中满足骨干晶胞的条件为：①包含事件节点的叶子晶胞；②自身含有事件节点，且其左右孩子晶胞中至少存在一个晶胞中没有任何事件节点；上述条件二者满足其一即可选为骨干晶胞。如图2所示，晶胞9、12-14、16-18、20-24、29-31、35-36、47-48被选为骨干晶胞。
S4-2：如图3所示，将步骤S4-1得到的骨干晶胞的质心作为虚拟骨干节点，并将各个虚拟骨干节点进行连接，连接得到的曲线即为流体边界。
步骤S1-3中的各个事件簇更新四元组的方式为，将本地四元组与收到的四元组对比其上下左右四个方向上的坐标，分别以对比后获得的横、纵坐标最大、最小值对应的节点坐标更新自身的四元组。
所述的椭圆形包络确定阶段，由于离心率为0时椭圆变为圆，所以将圆形包络可视为椭圆形包络的一种特例。
步骤S3-2中根据满二叉树的组织方式，对各层环形区域进行划分的具体划分方式为，将最内层环形区域，即第一层环形区域，称为为根区域。第二层环形区域被均匀分割成2个面积相等的区域作为根区域的左右子分区。第三层环形区域被均匀分割成成4个面积相等的子分区，分别作为第二层中两个分区的左右子分区。上述过程等价于满二叉树中父节点生成左右子节点的过程，不断执行直到椭圆形包络所在的第H层，该层将被均匀分割为2H -1个子分区。最终，椭圆形包络内将包含2H-1个大小不同的子分区。
步骤S2-1中的所述的流体目标泄露源的位置存在如下三种情况：
情况1：如图2、图3所示，形成流体的扩散源位于水域中心且水域分布广，则直接根据事件簇四元组确定能包含流体覆盖区域的外接矩形。得到的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在完整的椭圆形分区内选取骨干晶胞；
情况2：如图4、图5所示，形成流体的扩散域位于单面的水陆分界处，则根据事件簇四元组确定外接矩形，对外接矩形进行长不变、宽翻倍的变形，得到新的能包含流体覆盖区域的外接矩形。对新获得的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在抽取的1/2的半椭圆形分区内选取骨干晶胞；
情况3：如图6、图7所示，形成流体的扩散域位于两面的水陆分界处，则根据事件簇四元组确定外接矩形，对外接矩形进行长翻倍、宽翻倍的变形，得到新的能包含流体覆盖区域的外接矩形。对新获得的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在抽取的1/4的扇形分区内选取骨干晶胞。
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。

Claims (5)

1.水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：流体覆盖区域搜索标定阶段
S1-1：传感器节点按地理位置分簇，每个簇中至少包含4个节点，根据节点分簇形成不同的监测区域；被流体目标覆盖的传感器节点能感知到流体的存在，则此传感器节点称为事件节点，事件节点所在的簇称为事件簇；
S1-2：所有事件节点向所属的事件簇i的簇头发送通知消息，簇头根据收集到的事件节点ID和坐标，确定该簇里所有事件节点中横、纵坐标的最大、最小值，分别记为Xmin_ia、Xmax_ib、Ymin_ic、Ymax_id，并以横、纵坐标最大、最小值对应的节点坐标生成本地的四元组Quads_i＝[L_ia,R_ib,D_ic,U_id]，所述四元组用于表示流体在该簇中上、下、左、右四个方向的覆盖范围；
S1-3：水声传感网范围内的各个事件簇交换各自的本地四元组，每个事件簇根据收到的四元组内的坐标值更新自身的四元组，直至网络中所有事件簇的本地四元组不再发生变化；此时网络中事件簇维持的四元组表示流体在全网上、下、左、右四个方向的覆盖范围；利用四元组确定能包含流体覆盖区域的外接矩形；
S2：椭圆形包络确定阶段
S2-1：根据流体目标泄露源的位置，利用外接矩形的长宽比确定椭圆形包络；若外接矩形的长宽比大于等于2则确定将矩形的外接椭圆作为包络；若外接矩形的长宽比小于2则确定将矩形的外接圆作为包络；
S3：环形区域划分阶段
S3-1：设置期望的环形区域层数为H，以椭圆形包络为最外层均匀划分出H个同心椭圆，即得到H个环形区域；
S3-2：根据满二叉树的组织方式，对各层环形区域进行划分；第i层环形区域被均匀分割成2i-1个子区域；最终，椭圆形包络内将包含2H-1个大小不同的子分区；所述子分区统称为晶胞，位于最外层的2H-1个晶胞称为叶子晶胞；
S4：骨干晶胞的选取和流体边界的提取阶段
S4-1：根据流体目标泄露源的位置，从椭圆形包络中选定椭圆分区；在选定的椭圆分区中，从步骤S3-2形成的晶胞中选择骨干晶胞，其中满足骨干晶胞的条件为：①包含事件节点的叶子晶胞；②自身含有事件节点，且其左右孩子晶胞中至少存在一个晶胞中没有任何事件节点；上述条件二者满足其一即选为骨干晶胞；
S4-2：将步骤S4-1得到的骨干晶胞的质心作为虚拟骨干节点，并将各个虚拟骨干节点进行连接，连接得到的曲线即为流体边界。
2.根据权利要求1所述的水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，其特征在于：所述步骤S1-3中的各个事件簇更新自身的四元组的方式为：将本地四元组与收到的四元组对比其上下左右四个方向上的坐标，分别以对比后获得的横、纵坐标最大、最小值对应的节点坐标更新自身的四元组。
3.根据权利要求1所述的水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，其特征在于：所述的椭圆形包络确定阶段，由于离心率为0时椭圆变为圆，所以将圆形包络可视为椭圆形包络的一种特例。
4.根据权利要求1所述的水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，其特征在于：所述步骤S3-2中根据满二叉树的组织方式，对各层环形区域进行划分的具体划分方式为：
将最内层环形区域，即第一层环形区域，称为根区域；
第二层环形区域被均匀分割成2个面积相等的区域作为根区域的左右子分区；
第三层环形区域被均匀分割成4个面积相等的子分区，分别作为第二层中两个分区的左右子分区；
其划分过程等价于满二叉树中父节点生成左右子节点的过程，不断执行直到椭圆形包络所在的第H层，该层将被均匀分割为2H-1个子分区；最终，椭圆形包络内将包含2H-1个大小不同的子分区。
5.根据权利要求1所述的水声传感网中基于虚拟骨干节点连接的流体边界提取方法，其特征在于：所述步骤S2-1中的所述的流体目标泄露源的位置存在如下三种情况：
情况1：形成流体的扩散源位于水域中心且水域分布广，则直接根据事件簇四元组确定能包含流体覆盖区域的外接矩形；得到的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在完整的椭圆形分区内选取骨干晶胞；
情况2：形成流体的扩散域位于单面的水陆分界处，则根据事件簇四元组确定外接矩形后，对外接矩形进行长不变、宽翻倍的变形，得到新的能包含流体覆盖区域的外接矩形；对新获得的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在抽取的1/2的半椭圆形分区内选取骨干晶胞；
情况3：形成流体的扩散域位于两面的水陆分界处，则根据事件簇四元组确定外接矩形，对外接矩形进行长翻倍、宽翻倍的变形，得到新的能包含流体覆盖区域的外接矩形；对新获得的矩形根据其长宽比求取其椭圆包络，在对完整的椭圆包络内进行满二叉树分区后在抽取的1/4的扇形分区内选取骨干晶胞。
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