CN117824618A - 一种海底矿区可通行性地图获取方法 - Google Patents
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Abstract
本申请采用声学感知设备精准采集海底地形高程数据，并基于获取的海底地形高程数据来计算海底矿区的地形特征，得到海底矿区的地形信息图，结合采矿车的几何通过性对海底矿区的地形信息图进行处理，分别得到海底矿区风险梯度衰减图和归一化的通行性地图，将风险梯度衰减图与归一化的通行性地图进行融合，得到可视化的海底矿区可通行性地图，海底矿区可通行性地图有助于采矿车在障碍物边缘进行作业时，可视化与障碍物的风险等级，并实时显示整个地图的通行性水平，为采矿车的安全行驶和路径规划提供了有力的保障，大大提高了采矿车的通行和作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种地图获取方法的技术领域，具体涉及一种海底矿区可通行性地图获取方法。
背景技术
海洋是地球上最大的资源宝库，海底和滨海地区蕴藏着丰富的矿产资源，包括金属、非金属、能源和稀有元素等。海洋矿产资源对于人类的经济发展和科技进步有着重要的意义，各个国家都加紧了对于海洋资源的探测，水下机器人和深海采矿车逐渐成为了研究热点。
我国海洋资源丰富，为了摸清我国海域内的矿产资源，并为未来更好的利用海洋资源，国内很多研究人员加入到了对深海采矿车的研究中。海底矿区的采矿车要进行正常的作业需要为它提供路径规划和导航，现有的技术中通常结合海洋矿区的数字高程模型(DEM)数据来为深海矿车提供路径规划和导航，但海洋地形特征多样，地质结构复杂，在地形急剧起伏和不稳定地质条件下，DEM的基础地形信息无法为深海矿车的路径规划和通行提供安全准确的行驶策略，也会降低深海采矿车的通行和作业效率。
发明内容
针对现有技术中基于数字高程模型基础地形数据无法为深海采矿车提供安全准确的行驶策略以及深海采矿车通行和作业效率低的技术问题，本申请提供了一种海底矿区可通行性地图获取方法，为深海采矿车提供更加安全准确且高效的通行策略和指导。
本申请中的一种海底矿区可通行性地图获取方法，包括如下步骤：
步骤一，采用声学感知设备获取海底地形高程数据，并对获取到的海底地形高程数据进行数据预处理；
步骤二，基于处理后的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图；
步骤三，根据深海采矿车的几何通过性对所述海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，所述风险梯度衰减图表征海底矿区中各区域的潜在碰撞风险等级；
步骤四，根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化可通行性地图；
步骤五，基于风险梯度衰减图和所述归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图。
在本申请的一个实施例中，步骤一中进一步具体包括：
获取多波束前视声纳所收集的海底地形高程数据，对海底地形高程数据进行数据清洗以消除异常数据点；
对清洗后的数据进行数据校准，并对校准后的数据进行数据插值与平滑处理，得到处理后的地形高程数据。
在本申请的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：建立3*3窗口，利用8邻域窗口内的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图。
在本申请的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
地形坡度利用三阶反距离平方差分法计算，具体包括：设中心点的高程值为z(i，j)，根据中心点8邻域内各栅格的高程数据计算地形坡度：
θascepct＝arctan(slopex/slopey)；
其中，slopex为坡度在x方向的变化率，slopey为坡度在y方向的变化率，d为网格分辨率，θslope为坡度，θascepct为坡向，且坡向数据以正北方向为0°，沿顺时针方向为正向，0°≤θascepct≤360°。
在本申请的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
所述地形起伏度利用地形起伏度指数(TRI)来计算：
TRI(i，j)＝sqrt(∑((z(i+m，j+n)-z(i，j))2)
其中，TRI(i，j)是地形高程数据数据中第i行、第j列单元的地形起伏度指数，z(i，j)表示窗口中心点的高程，z(i+m，j+n)为中心点8邻域的高程，m和n的取值集合为{-1，0，1}，∑表示对所有8邻域栅格求和。
在本申请的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
地形粗糙度信息，通过窗口中心点和8邻域栅格的高程数据的标准差跟窗口内平均高程的比值来计算：
其中，zi为中心栅格8邻域窗口内各栅格的高程值，zavg为窗口内各栅格的平均高程。
在本申请的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
地形的阶跃变化以该窗口内最大高程点与最小高程点之间的差值来计算：
h＝zmax-zmin
其中，zmax为窗口内的最大高程值，zmin为窗口内的最小高程值。
在本申请的一个实施例中，步骤三中根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，包括：
获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差；
根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差对获取的海底矿区地形信息图进行二值化处理，得到由(0，1)组成的栅格地图，其中1表示障碍物区域，0表示可通行区域；
根据各栅格与障碍物区域的距离形成深海采矿车与障碍物的风险梯度衰减图，具体公式如下：
其中R(c)表示风险等级，不同的数值代表不同的风险等级，数值越高表示越靠近障碍物，风险等级越高，反之风险等级越低，d为当前栅格距离障碍物边缘的实际距离，S1，S2，S3，S4为风险梯度等级临界值，其中S1≤S2≤S3≤S4。
在本申请的一个实施例中，步骤四中根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化通行性地图包括：
获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度Rmax、最大地形粗糙度Trimax和最大地形阶跃差hmax；
根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度Rmax、最大地形粗糙度Trimax和最大地形阶跃差hmax对海底矿区地形信息图中各栅格的地形起伏度θ、地形坡度R、地形粗糙度Tri和地形阶跃差h进行归一化计算；
基于归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差计算海底矿区的归一化通行性T：
其中，α1，α2，α3，α4为非负数，且满足α1+α2+α3+α4＝1，θn、Rn、Trin、hn分别为归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差；
根据归一化通行性T的值建立海底矿区的归一化通行性地图，其中T值越低，栅格的可通行性等级越高，深海采矿车通过该区域的安全性越高。
在本申请的一个实施例中，步骤五中基于风险梯度衰减图和归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图，包括：融合所述风险梯度衰减图和归一化通行性地图，得到海底矿区可通行性地图。
本申请通过先进的环境感知设备精准采集海底地形高程数据，并基于获取的海底地形高程数据来计算海底矿区的关键地形特征，得到海底矿区的地形信息图，结合采矿车的几何通行能力对海底矿区的地形信息图进行处理，分别得到海底矿区风险梯度衰减图和归一化的通行性地图，将风险梯度衰减图与归一化的通行性地图进行融合，得到可视化的海底矿区可通行性地图。海底矿区可通行性地图有助于当采矿车行进到障碍物边缘进行作业时，可视化与障碍物的风险等级，并实时显示整个地图的通行性水平，为采矿车的安全行驶和路径规划提供了有力的保障，大大提高了采矿车的通行和作业效率。
附图说明
图1是一种海底矿区可通行性地图获取方法的技术流程图。
图2是3*3栅格窗口。
图3是选定中太平洋富钴结壳某矿区的特定区域地形高程数据图。
图4是该特定区域包含障碍物分布的二值栅格图。
图5是该特定区域的风险梯度衰减图。
图6是该特定区域的归一化通行性地图。
图7是该特定区域的可通行性地图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行进一步清楚完整的描述，需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方案对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。
下面结合说明书附图对本申请的实施例作进一步详细的说明：
本申请实施例中提供了一种海底矿区可通行性地图获取方法，方法的步骤包括：
步骤一，采用声学感知设备获取海底地形高程数据，并对获取到的海底地形高程数据进行数据预处理；
本申请中的声学感知设备可以是用于水下获取海底地形数据的高精度测量设备，为了提高测量精度，本申请采用多波束前视声纳采集高精度的海底地形高程数据，多波束前视声纳测量精度高，测量范围广，能够提高地形高程数据的获取精度。
采用多波束前视声纳收集到海底地形高程数据后，为确保数据质量和准确性，需要进行一系列的数据预处理。本申请步骤一中对获取到的海底地形高程数据进行数据预处理进一步包括：获取多波束前视声纳所收集的海底地形高程数据，对海底地形高程数据进行数据清洗以消除异常数据点，对清洗后的数据进行数据校准，并对校准后的数据进行数据插值与平滑处理，得到处理后的地形高程数据。
声学感知设备获取的海底地形原始数据中往往包括受到设备和环境因素影响的异常数据点，这对整体的数据精度造成影响，在数据预处理中需要对原始数据进行审查和清洗，以去除由于设备故障、操作错误或环境干扰引起的异常数据点。海底地形数据需要与地理位置信息等进行对应，因而获取海底地形数据的时间需要与导航设备的时间进行同步，同时，为了保证地形数据与地理位置数据的精确对应，需要对声纳系统进行角度和距离的精准校准。由于声音在水温、盐度或深度变化显著的区域中的传播速度会有差异，因而还需要获取并应用当地水域的声速剖面数据来校正声波在水中的传播速度此外，波束角度校正用于减少由波束角度引起的距离测量误差。为了提高数据的连续性和整体质量，校准后的数据需要进行数据插值与平滑处理，用于填补缺失数据并减少测量噪声。这些数据预处理的综合应用，确保了所获得的海底地形数据在后续分析和应用中的可靠性和准确性。
参考图1中，根据声学感知设备获取了太平洋富钴结壳某矿区的数字高程模型数据，选择了其中特定区域的地形高程数据进行后续处理。
步骤二，基于处理后的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图。
本申请的实施例中基于处理后的地形高程数据来计算地形特征，分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息及地形阶跃变化值，构成了海底矿区的地形信息图。海底矿区的地形信息图中的每个栅格中均包括有该栅格的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值。
由于地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息和地形阶跃变化值反映的是海底地形的变化趋势，因而在利用预处理后的海底地形高程数据来计算海底矿区的地形信息图时，本申请采用预设大小的窗口对海底矿区的地形高程数据进行计算。为了充分提现中心点与周围地形的变化趋势，窗口优选n*n。进一步地，为了提高地形信息图的计算效率，进一步地，参考图2，在本申请的一个优选方案中，选择建立3*3的栅格窗口，利用8邻域窗口内的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图。采用3*3的栅格窗口，利用8邻域窗口内的地形高程数据来获取海底矿区地形信息图，能够获取窗口中心点与周围8邻域的栅格的地形变化趋势，相比于其他大小的窗口能够大大提高计算效率，同时保证了计算得到的地形信息能够表征该中心点的实际地形特征。地形信息图中各地形特征的具体计算方式如下：
坡度反映的是局部地形表面的倾斜程度，是对海底地形进行特征分析和可视化的一个基本要素，是制约履带式采矿车(DSMV)通行的重要地形因子。矿区坡度具体表现为地形起伏、缺口、槽谷或山脊，坡度地形由于地质活动、沉积或侵蚀作用而存在稳定性问题，这对矿石采集和安全性提出了挑战。因此，本申请中的海底地形信息图中包括地形坡度信息，通过获取地形坡度信息来构建地形信息图，进而获取海底可通行性地图，为确定矿区开发的最佳策略和技术手段提供关键信息。在基于高程数据计算海底地形坡度信息时，本申请中采用三阶反距离平方差分法计算坡度，设窗口中心点的高程值为z(i,j)，根据中心点8邻域内各栅格的高程数据计算地形坡度信息：
θascepct＝arctan(slopex/slopey)；
其中，slopex为坡度在x方向的变化率，slopey为坡度在y方向的变化率，d为栅格分辨率，θslope为坡度，θascepct为坡向，且坡向数据以正北方向为0°，沿顺时针方向为正向，0°≤θascepct≤360°。
地形起伏度是描述地形在海底高程、坡度、曲率等小尺度上变化的一个关键指标，起伏度由地质、地貌过程等多种因素共同作用的结果，能够提供对地形复杂性和变异程度的量化认识。地形起伏度给履带式采矿车(DSMV)的穿越带来了极大的挑战，利用DEM数据提取地形起伏度能可直观反映地形的起伏特征。在本申请中地形起伏度利用地形起伏度指数(TRI)来计算：
TRI(i，j)＝sqrt(∑((z(i+m，j+n)-z(i，j))2)
其中，TRI(i，j)是地形高程数据数据中第i行、第j列单元的地形起伏度指数，z(i，j)表示窗口中心点的高程，z(i+m，j+n)为中心点8邻域的高程，m和n的取值集合为{-1，0，1}，∑表示对所有8邻域栅格求和。
海底地形的粗糙度信息是反应地表凹凸不平程度的一个重要因素，可通过单位栅格与其邻域内高程的变化程度的一个统计量来表示。本申请中的地形粗糙度信息，通过窗口中心点和8邻域栅格的高程数据的标准差跟窗口内平均高程的比值来计算：
其中，zi为中心栅格8邻域窗口内各栅格的高程值，zavg为窗口内各栅格的平均高程。
地形的阶跃变化是指在相对较短的距离内地形高度急剧变化的特征，通常在地图上被标记为断崖、悬崖、台地边缘或山脊，这些地形为采矿车的通行带来巨大的安全隐患，他们在地质上通常与断裂带、侵蚀边界或构造活动有关。在本申请中地形的阶跃变化以该窗口内最大高程点与最小高程点之间的差值来计算：
h＝zmax-zmin
其中，zmax为窗口内的最大高程值，zmin为窗口内的最小高程值。
步骤三，根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，所述风险梯度衰减图表征海底矿区中各区域的潜在碰撞风险等级。
在基于地形高程数据获取海底矿区地形信息图后，为了保证深海采矿车的安全通过，需要结合采矿车自身的几何通过性能来评判。在本申请中选取采矿车的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差来进行评判，具体地：获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差；根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差对获取的海底矿区地形信息图进行二值化处理，得到由(0，1)组成的栅格地图，其中1表示障碍物区域，0表示可通行区域。在二值化处理中，海底矿区中地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差如果大于深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差，则深海采矿车无法安全通过相应栅格区域，如果深海采矿车强行通过会对采矿车的安全造成影响，同时由于地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差任一个地形信息超过深海采矿车的最大可通行值，则深海采矿车就无法安全通过。因而将海底矿区各个栅格区域中地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差均小于深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差的栅格赋值为0，表示可通行区域，其他栅格赋值为1，表示障碍物区域，进而得到了由(0，1)组成的栅格地图。
进一步地，为了在视觉上更直观准确的为深海采矿车提供安全行驶策略，本申请以障碍物为中心建立风险缓冲区，对标记为障碍物区域的边缘栅格单元格向外扩展S米，创建围绕障碍物的缓冲区，然后采用风险评估函数R(c)对所有扩展后的栅格单元的风险成本进行评估，形成梯度值逐渐减小的风险缓冲区。其中，根据各栅格与障碍物区域的距离形成深海采矿车与障碍物的风险梯度衰减图，具体公式如下：
其中R(c)表示风险等级，不同的数值代表不同的风险等级，数值越高表示越靠近障碍物，风险等级越高，反之风险等级越低，d为当前栅格距离障碍物边缘的实际距离，S1，S2，S3为风险梯度等级临界值，其中S1≤S2≤S3。
步骤四，根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化可通行性地图。
在深海地形通行性的研究中，本申请的实施例中基于已经提取到的地形信息，对深海采矿车在各栅格中的行驶难易程度进行了评估。为了进一步提高深海采矿车的行驶安全性，本申请根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，以得到海底矿区的归一化可通行性地图。
结合深海采矿车的机械特性与几何约束，在本申请中根据采矿车的几何通过性，获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度Rmax、最大地形粗糙度Trimax和最大地形阶跃差hmax；
根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度Rmax、最大地形粗糙度Trimax和最大地形阶跃差hmax对海底矿区地形信息图中各栅格的地形起伏度θ、地形坡度R、地形粗糙度Tri和地形阶跃差h进行归一化计算；
基于归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差计算海底矿区的归一化通行性T：
其中，α1，α2，α3，α4为非负数，且满足α1+α2+α3+α4＝1，θn、Rn、Trin、hn分别为归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差；
根据归一化通行性T的值建立海底矿区的归一化通行性地图，其中T值越低，栅格的可通行性等级越高，深海采矿车通过该区域的安全性越高。
步骤五，基于风险梯度衰减图和归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图。
在本申请中，步骤五中基于风险梯度衰减图和归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图，包括：融合所述风险梯度衰减图和归一化通行性地图，得到海底矿区可通行性地图。通过该海底矿区可通行性地图，当采矿车行进到障碍物边缘进行作业时，实现了与障碍物的风险等级可视化，同时还能够看到整个地图的通行性水平，提高了采矿车的安全性，并为采矿车的前期路径规划奠定基础，提升了深海采矿车的通行效率。
结合风险梯度衰减图和归一化通行性地图，构建风险梯度衰减的可通行性地图。利用该地图为采矿车提供精确的导航和行进策略，同时考虑障碍物的风险等级和整个矿区的通行性水平。
本申请通过声学感知设备精准采集海底地形高程数据，并基于获取的海底地形高程数据来计算海底矿区的地形特征，得到海底矿区的地形信息图，结合采矿车的几何通过性对海底矿区的地形信息图进行处理，分别得到海底矿区风险梯度衰减图和归一化的通行性地图，将风险梯度衰减图与归一化的通行性地图进行融合，得到可视化的海底矿区可通行性地图，海底矿区可通行性地图有助于采矿车在障碍物边缘进行作业时，可视化与障碍物的风险等级，并实时显示整个地图的通行性水平，为采矿车的安全行驶和路径规划提供了有力的保障，大大提高了采矿车的通行和作业效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，采用声学感知设备获取海底地形高程数据，并对获取到的海底地形高程数据进行数据预处理；
步骤二，基于处理后的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图；
步骤三，根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，所述风险梯度衰减图表征海底矿区中各区域的潜在碰撞风险等级；
步骤四，根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化可通行性地图；
步骤五，基于风险梯度衰减图和归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图。
2.根据权利要求1所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤一中具体包括：
获取多波束前视声纳所收集的海底地形高程数据，对海底地形高程数据进行数据清洗以消除异常数据点；
对清洗后的数据进行数据校准，并对校准后的数据进行数据插值与平滑处理，得到处理后的地形高程数据。
3.根据权利要求1所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：建立3*3窗口，利用8邻域窗口内的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图。
4.根据权利要求1所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
所述地形坡度利用三阶反距离平方差分法计算，具体包括：设窗口中心点的高程值为z(i，j)，根据中心点8邻域内各栅格的高程数据计算地形坡度：
θascepct＝arctan(slopex/slopey)；
其中，slopex为坡度沿x轴方向的分量，slopey为坡度沿y轴方向的分量，d为网格分辨率，θslope为坡度，θascepct为坡向，且坡向数据以正北方向为0°，沿顺时针方向为正向，0°≤θascepct≤360°。
5.根据权利要求3所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
所述地形起伏度利用地形起伏度指数(TRI)来计算：
TRI(i，j)＝sqrt(∑((z(i+m，j+n)-z(i，j))2)
其中，TRI(i，j)是地形高程数据数据中第i行、第j列单元的地形起伏度指数，z(i，j)表示窗口中心点的高程，z(i+m，j+n)为中心点8邻域的高程，m和n的取值集合为{-1，0，1}，∑表示对所有8邻域栅格求和。
6.根据权利要求4所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
所述地形粗糙度信息，通过窗口中心点和8邻域栅格的高程数据的标准差跟窗口内平均高程的比值来计算：
其中，zi为中心栅格8邻域窗口内各栅格的高程值，zavg为窗口内各栅格的平均高程。
7.根据权利要求3所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：
所述地形的阶跃变化以该窗口内最大高程点与最小高程点之间的差值来计算：
h＝zmax-zmin
其中，zmax为窗口内的最大高程值，zmin为窗口内的最小高程值。
8.根据权利要求1中所述的一种海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，根据所述步骤三中根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，包括：
获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差；
根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差对获取的海底矿区地形信息图进行二值化处理，得到由(0，1)组成的栅格地图，其中1表示障碍物区域，0表示可通行区域；
根据各栅格与障碍物区域的距离形成深海采矿车与障碍物的风险梯度衰减图，具体公式如下：
其中R(c)表示风险等级，不同的数值代表不同的风险等级，数值越高表示越靠近障碍物，风险等级越高，反之风险等级越低，d为当前栅格距离障碍物边缘的实际距离，S1，S2，S3，S4为风险梯度等级临界值，其中S1≤S2≤S3≤S4。
9.根据权利要求1所述的海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤四中根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化通行性地图包括：
获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度Rmax、最大地形粗糙度Trimax和最大地形阶跃差hmax；
根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度Rmax、最大地形粗糙度Trimax和最大地形阶跃差hmax对海底矿区地形信息图中各栅格的地形起伏度θ、地形坡度R、地形粗糙度Tri和地形阶跃差h进行归一化计算；
基于归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差计算海底矿区的归一化通行性T：
其中，α1,α2,α3,α4为非负数，且满足α1+α2+α3+α4＝1，θn、Rn、Trin、hn分别为归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差；
根据归一化通行性T的值建立海底矿区的归一化通行性地图，其中T值越低，栅格的可通行性等级越高，深海采矿车通过该区域的安全性越高。
10.根据权利要求1所述的海底矿区可通行性地图获取方法，其特征在于，所述步骤五中基于风险梯度衰减图和归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图，包括：融合所述风险梯度衰减图和归一化通行性地图，得到海底矿区可通行性地图。
Priority Applications (1)
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| CN202311809128.8A CN117824618A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种海底矿区可通行性地图获取方法 |
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