JP2006047700A - Three-dimensional bathymetric chart display device and method - Google Patents

Three-dimensional bathymetric chart display device and method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide water depth data of a region over a wide range, at higher precision than before. <P>SOLUTION: Submarine tomography having high interpolation precision can be generated with small amount of calculation, as compared with the conventional Kriging method, by applying the Kriging method restricting data number used for interpolation with respect to an interpolating method of deficient mesh. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、2次元空間に分布するデータの生成方法に係わり、特に、メッシュ水深データのデータ欠損部分を補間することにより海底地形図を作成する方法及びこれを実施する装置に関する。   The present invention relates to a method for generating data distributed in a two-dimensional space, and more particularly to a method for creating a seafloor topographic map by interpolating data deficient portions of mesh water depth data and an apparatus for implementing the method.

従来、2次元空間に分布するデータの生成方法に関して、補間対象メッシュを基準としたn方向の内、相対する2方向で当該メッシュに近傍する4点の深度データよりラグランジュ補間を実施し、それぞれの方向で求められた深度を加重平均することにより深度を補間する方法(特許文献1)や、クリギング法を用いて地形を構成する技術としては、オーディナリ・クリギング補間を用いて地形標高データを補正する方法(特許文献2)がある。   Conventionally, with respect to a method for generating data distributed in a two-dimensional space, Lagrange interpolation is performed from depth data of four points adjacent to the mesh in two opposite directions out of the n directions based on the interpolation target mesh. The method of interpolating the depth by weighted averaging of the depths determined in the direction (Patent Document 1) and the technology of constructing the terrain using the Kriging method correct the terrain elevation data using ordinary Kriging interpolation. There is a method (Patent Document 2).

特開2002−335431号公報JP 2002-335431 A 特開2003−5634号公報(第11項、図4)Japanese Patent Laying-Open No. 2003-5634 (Section 11, FIG. 4)

特許文献1による補間対象メッシュを基準としたn方向の内、相対する2方向で当該メッシュに近傍する4点の深度データよりラグランジュ補間を実施し、それぞれの方向で求められた深度を加重平均することにより深度を補間する方法では、検索したデータが補間対象メッシュの遠方にある場合、補間精度が悪いだけでなく、n方向にデータを検索する際に、データ検索方向にデータが存在しない場合、補間することができないといった問題点があった。   Lagrangian interpolation is performed from the depth data of four points near the mesh in the two opposite directions out of the n directions based on the interpolation target mesh according to Patent Document 1, and the depths obtained in each direction are weighted averaged In the method of interpolating the depth by this, when the searched data is far from the interpolation target mesh, not only the interpolation accuracy is bad, but when searching for data in the n direction, there is no data in the data search direction, There was a problem that interpolation was not possible.

精度の高い補間法にクリギング法がある。図2(a)は、従来のクリギング法のフローチャートを示し、図2(b)は、表示領域中における補間前の深度データの分布を示したものである。iをデータ固有のインデックスとして黒点が深度データziを保持するメッシュであり、クリギング法はこれら全ての深度データziと重み係数wiを用いて補間対象メッシュの深度補間値を求める(式1)。 A kriging method is a highly accurate interpolation method. FIG. 2 (a) shows a flowchart of a conventional kriging method, and FIG. 2 (b) shows a distribution of depth data before interpolation in the display area. A black dot is a mesh in which i is a data-specific index, and a black dot holds depth data z i , and the Kriging method obtains a depth interpolation value of an interpolation target mesh using all these depth data z i and weight coefficient w i (Equation 1 ).

Figure 2006047700
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重み係数wiを求めるためには、図2(a)に示すフローチャートの処理が必要となる。まず補間対象領域中の全水深データ(nデータ)を用いてセミバリオグラム関数の推定S201を行う。次にセミバリオグラム関数を用いて全水深データ(nデータ)に対応する重み係数を求めるための連立方程式の左辺を設定する(S202)。この連立方程式は(式2)のように行列形式となる。ここで、siは水深データ保持メッシュの位置ベクトル、s0は推定対象メッシュの位置ベクトル、γはS201で求めたセミバリオグラム関数を表す。連立方程式の右辺は補間対象メッシュの位置ベクトルを含んでいるためメッシュループS204〜S208の中で設定し、S203で計算する連立方程式の係数行列の逆行列と乗じることで重み係数を求め(S206)、当該メッシュの推定値を計算する(S208)。この方法によると、求めるべき重み係数の数は深度データ数に比例しているので、深度データ数が多いほど計算量も増加することになる(式2)。 In order to obtain the weighting coefficient w i , the process of the flowchart shown in FIG. 2 (a) is required. First, semi-variogram function estimation S201 is performed using the total water depth data (n data) in the interpolation target region. Next, the left side of the simultaneous equations for obtaining the weighting coefficient corresponding to the total water depth data (n data) is set using the semivariogram function (S202). This simultaneous equation is in matrix form as shown in (Equation 2). Here, s i represents the position vector of the water depth data holding mesh, s 0 represents the position vector of the estimation target mesh, and γ represents the semivariogram function obtained in S201. Since the right side of the simultaneous equations contains the position vector of the interpolation target mesh, it is set in the mesh loop S204 to S208, and the weighting coefficient is obtained by multiplying by the inverse matrix of the coefficient matrix of the simultaneous equations calculated in S203 (S206) Then, the estimated value of the mesh is calculated (S208). According to this method, since the number of weighting factors to be obtained is proportional to the number of depth data, the amount of calculation increases as the number of depth data increases (Formula 2).

Figure 2006047700
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特許文献2によるオーディナリ・クリギング補間を用いて地形標高データを補正する方法の実施の形態では、最大81×81の6561メッシュであり、そのメッシュ間隔は5mであるため、最大でも405m四方といった狭い領域しか扱うことができない。メッシュ数を大きくすれば、より広い領域を扱うことができるが、領域拡大に伴い測量値(データ保持メッシュ)も増加するため、前述した理由により計算量が増加してしまう。メッシュ間隔を大きくとることで、計算量を変えずに、より広い領域を扱うことができるが、分解能が低くなる。すなわち、従来技術で高分解能な水深データを広範囲に渡って生成しようとすると、計算コストがかかるという問題点があり、自艦の移動に連動して自艦周辺の水深データを自動生成し、表示更新するためには、自艦の移動速度よりも高速に水深データを生成しなければならない。   In the embodiment of the method for correcting the topographic elevation data using ordinary kriging interpolation according to Patent Document 2, the maximum area is 81 × 81 6561 meshes, and the mesh interval is 5 m. Can only handle. If the number of meshes is increased, a wider area can be handled. However, since the survey value (data holding mesh) increases as the area expands, the calculation amount increases for the reason described above. By increasing the mesh interval, a wider area can be handled without changing the amount of calculation, but the resolution is lowered. In other words, there is a problem that it takes a calculation cost to generate high-resolution water depth data over a wide range with the conventional technology, and the water depth data around the ship is automatically generated and updated in conjunction with the movement of the ship. In order to do so, water depth data must be generated faster than the speed of the ship's movement.

本発明の目的は前述した従来技術の課題を解決し、広範囲に渡る表示領域中の水深値を精度良く短時間で求めることにある。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to obtain a water depth value in a display area over a wide range with high accuracy in a short time.

欠損メッシュの補間方法に対して、補間に使用するデータ数を制限したクリギング法を適用する事で、従来のクリギング法と比較して少ない計算量で、補間精度の高い海底地形を生成する事が可能となる。   By applying the Kriging method that limits the number of data used for interpolation to the missing mesh interpolation method, it is possible to generate submarine topography with high interpolation accuracy with a small amount of calculation compared to the conventional Kriging method. It becomes possible.

本発明の3次元海底地形図表示装置は、従来と同等の分解能を保持したまま高精度な水深データを広範囲にわたって提供する事ができる。さらに、補間処理部の計算コストを低減することにより、より低スペックなハードウェア構成で装置を実現する事ができる。   The three-dimensional submarine topographic map display device of the present invention can provide highly accurate water depth data over a wide range while maintaining the same resolution as the conventional one. Furthermore, by reducing the calculation cost of the interpolation processing unit, the apparatus can be realized with a hardware configuration with a lower specification.

以下、本発明の適用例について図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, application examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明による3次元海底地形図表示装置の運用イメージ図である。艦船が航行する状況において、通常は海底形状を視認することはできない。3次元海底地形図表示装置は艦船に搭載され、GPS等の位置情報に基づき、自艦の現在位置を算出し、水深DBから現在自艦位置周辺の水深データを取り出し、補間処理により表示領域中の全メッシュ水深データを生成し、表示画面に自艦を中心とした自艦周辺の3次元海底地形図を表示する装置である。自艦の移動に伴うGPS等からの位置情報の入力により、3次元海底地形図表示装置は表示する海底地形図の領域を自動更新する。   FIG. 1 is an operational image diagram of a 3D submarine topographic map display device according to the present invention. In the situation where a ship is navigating, it is usually impossible to see the shape of the seabed. The 3D submarine topographic map display device is mounted on the ship, calculates the current position of the ship based on GPS and other position information, extracts the water depth data around the current ship position from the water depth DB, and interpolates all the data in the display area. This is a device that generates mesh water depth data and displays a 3D submarine topographic map around the ship on the display screen. The 3D seafloor topographic map display device automatically updates the area of the seafloor topographic map to be displayed by inputting position information from the GPS etc. as the ship moves.

図3は、本装置による3次元海底地形図表示装置の構成を示す図である。本装置はシステムバスを介してCPU301、メインメモリ302、ハードディスク303、2つのI/F304・305、キーボード306、CRT307から構成される。GPS等から入力される自艦位置情報に基づき、必要な水深データをハードディスク303から読み込み、メインメモリ302上の各処理をCPU301にて実行し、CRT307に3次元海底地形図を表示する。キーボード306からは水深データ生成処理に関するパラメータを入力する事が可能である。また、音響測深儀等から水深データが入力された場合にはGPS等から得られる位置情報と共にハードディスク303に蓄積する(メッシュデータ水深データベース)ことにより、メッシュ水深データベースを強化することが可能である。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a three-dimensional seafloor topographic map display device according to the present apparatus. This apparatus includes a CPU 301, a main memory 302, a hard disk 303, two I / Fs 304 and 305, a keyboard 306, and a CRT 307 via a system bus. Based on own ship position information input from GPS or the like, necessary water depth data is read from the hard disk 303, each process on the main memory 302 is executed by the CPU 301, and a three-dimensional seabed topographic map is displayed on the CRT 307. From the keyboard 306, it is possible to input parameters relating to water depth data generation processing. Further, when water depth data is input from an acoustic sounding instrument or the like, the mesh water depth database can be strengthened by accumulating in the hard disk 303 together with position information obtained from GPS or the like (mesh data water depth database).

図4は海底地形図表示装置の処理ブロック図である。本装置は市販水深データと過去の航海で取得した水深データに緯度・経度メッシュ番号を付与して、メッシュ水深データベース401に蓄積する。さらに、メッシュ水深データをタイルと呼ぶ海洋を一定サイズに分割したエリアで管理する。なお、水深データ生成処理403はタイル単位で補間処理を実行する。   FIG. 4 is a processing block diagram of the submarine topographic map display device. This device assigns latitude / longitude mesh numbers to commercially available water depth data and water depth data acquired in past voyages and accumulates them in the mesh water depth database 401. In addition, the mesh water depth data is managed in an area where the ocean called tiles is divided into a certain size. The water depth data generation process 403 executes an interpolation process for each tile.

位置情報入力部402が出力する自艦の現在位置に基づき、水深データ生成処理部403は自艦が存在するタイルを中心に5×5タイルの水深データをメッシュ水深データベース401から取得し、水深データ生成処理部403にて3×3タイルのエリアの水深データを生成し、3次元海底地形表示制御部404に出力する。   Based on the current position of the ship that the position information input unit 402 outputs, the water depth data generation processing unit 403 acquires the water depth data of 5 × 5 tiles from the mesh water depth database 401 centering on the tile where the ship is present, and the water depth data generation processing The unit 403 generates water depth data of a 3 × 3 tile area and outputs it to the three-dimensional seabed topography display control unit 404.

3次元海底地形表示制御部404は水深データ生成処理部403が出力する3×3タイルの水深データから自艦を中心としたタイルと同サイズのエリアの水深データを鳥瞰図としてCRTに出力する。本装置に対して、測深データ入力部405より入力される測深データ(時刻、水深)は、これと同時刻に入力される位置情報入力部402からの位置情報(時刻、緯度、経度)と共にメッシュ水深データ格納処理部406で処理され、メッシュ水深データベース401に蓄積される。   The three-dimensional submarine landform display control unit 404 outputs, as a bird's-eye view, water depth data of an area of the same size as the tile centered on the own ship from the water depth data of 3 × 3 tiles output from the water depth data generation processing unit 403. The depth measurement data (time, water depth) input from the depth measurement data input unit 405 for this apparatus is meshed with the position information (time, latitude, longitude) from the position information input unit 402 input at the same time. Processed by the water depth data storage processing unit 406 and accumulated in the mesh water depth database 401.

図5(a)は、水深データ生成処理部403のフローチャートを示す。図5(b)は、図5(a)を説明する図である。図5(b)に示す説明図は3×3タイルの領域を表した図であり、黒く塗りつぶされているメッシュが水深データ保持メッシュであり、線状に見えるデータ群は等深線をメッシュ展開したためである。水深データ生成処理の起動トリガーは、自艦位置がタイル境界をまたいだ時であり、常に3×3タイルの水深データを生成する事によって、自艦中心の3次元海底地形図を連続的に表示する事を考慮している。   FIG. 5 (a) shows a flowchart of the water depth data generation processing unit 403. FIG. 5 (b) is a diagram for explaining FIG. 5 (a). The explanatory diagram shown in Fig. 5 (b) is a diagram showing the area of 3x3 tiles. The mesh painted in black is the water depth data holding mesh, and the data group that appears to be linear is because the contour lines are mesh expanded. is there. The start trigger of the water depth data generation process is when the ship's position crosses the tile boundary, and by constantly generating the water depth data of 3x3 tiles, the ship's center 3D seafloor topographic map is displayed continuously. Is considered.

補間対象メッシュを中心として、半径Rの円を補間使用データ選択範囲とする。これをm個の扇型に等分割したものをエリアと呼び、このエリアごとにl(=補間使用データ数n/分割エリア数m)個のデータを補間使用データ選択処理S502にて選択する。なお、本実施例ではこれらのパラメータについてはユーザー指定を可能とするが、デフォルト値としてはシミュレーションにより求めた最適値とする。次に選択された水深データをセミバリオグラム関数推定処理S503に入力してセミバリオグラム関数の推定を行う(S503)。次に、(式2)の連立方程式を生成すれば(S504)、LU分解やガウスの消去法等により重み係数を計算することができる(S505)。最後に、(式1)を用いて補間値を計算する(S507)。これらの処理を補間対象タイルの全てのメッシュについて実行(S501,S507)すれば、3次元海底地形図を生成することができる。   A circle with a radius R centering on the interpolation target mesh is used as the interpolation use data selection range. An area obtained by equally dividing this into m sectors is called an area, and l (= interpolation use data number n / division area number m) data is selected for each area in the interpolation use data selection processing S502. In this embodiment, these parameters can be specified by the user, but the default values are optimum values obtained by simulation. Next, the selected water depth data is input to the semivariogram function estimation process S503 to estimate the semivariogram function (S503). Next, if the simultaneous equations of (Equation 2) are generated (S504), the weighting coefficient can be calculated by LU decomposition, Gaussian elimination, or the like (S505). Finally, an interpolation value is calculated using (Equation 1) (S507). If these processes are executed for all the meshes of the interpolation target tile (S501, S507), a three-dimensional seafloor topographic map can be generated.

図6(a)は補間使用データ選択処理S502のフローチャートである。図6(b)は、補間使用データテーブルの構成を示す図である。まず、深度データを保持する全メッシュについて、補間対象メッシュからの距離を計算し(S602)、当該深度データが補間使用データ選択範囲内であるかを判定する(S603)。補間使用データ選択範囲内であれば、当該深度データを保持するメッシュ位置が分割したエリアの内どのエリアであるかを判定する(S604)。次に当該エリア内の補間使用データ候補数がl個未満であれば、当該水深データを補間使用データ候補とし、l個以上であれば補間使用データ候補の最大距離と比較して(S605)、当該水深データの方の距離が小さければ最大距離を持つ水深データと入れ替えて、補間使用データ候補とする(S606)。これらの処理を水深データを保持する全メッシュについて実行し、補間使用データ数n個のメッシュ水深データを選択する。   FIG. 6A is a flowchart of the interpolation use data selection process S502. FIG. 6B is a diagram showing the configuration of the interpolation use data table. First, for all meshes that hold depth data, the distance from the interpolation target mesh is calculated (S602), and it is determined whether the depth data is within the interpolation use data selection range (S603). If it is within the interpolation use data selection range, it is determined which of the divided areas the mesh position holding the depth data is divided (S604). Next, if the number of interpolation use data candidates in the area is less than l, the water depth data is set as an interpolation use data candidate, and if more than l, the maximum distance of the interpolation use data candidate is compared (S605), If the distance of the water depth data is smaller, it is replaced with water depth data having the maximum distance to make an interpolation use data candidate (S606). These processes are executed for all the meshes that hold the water depth data, and the mesh water depth data of n pieces of interpolation use data is selected.

補間使用データ選択処理S502で使われる3つのパラメータ、すなわちデータ選択範囲の半径R、補間使用データ数n、分割エリア数mについて説明する。これらのパラメータはユーザー指定が可能であり、キーボードからの入力を受けつける。次にこれらのパラメータのデフォルト値の考え方を説明する。補間使用データ選択範囲の半径Rは、大きくとる事でデータ選択範囲中にデータが存在しない可能性を低減できるが、広大な領域に対して検索処理を行うため処理効率は悪い。従って、本装置においては、タイル単位でセミバリオグラム関数を求め、求めた関数のレンジをデータ選択範囲の半径Rとする。補間使用データ数n、分割エリア数mのデフォルト値については、精度検証を行い最適なパラメータを決定する。   Three parameters used in the interpolation use data selection processing S502, that is, the radius R of the data selection range, the number n of interpolation use data, and the number m of divided areas will be described. These parameters can be specified by the user and accept input from the keyboard. Next, the concept of default values of these parameters will be described. By setting the radius R of the interpolation use data selection range to be large, the possibility that no data exists in the data selection range can be reduced, but the processing efficiency is poor because a search process is performed for a large area. Therefore, in this apparatus, a semivariogram function is obtained for each tile, and the range of the obtained function is set as the radius R of the data selection range. For the default values of the number n of interpolation use data and the number m of divided areas, the accuracy is verified and the optimum parameters are determined.

補間使用データ数nと分割エリア数mを決定するために、それぞれ特徴の異なる3地形について精度検証を行った結果を図11に示す。図11(a)は補間使用データ数nと補間誤差の関係を示したグラフである。この時の分割エリア数mは仮に8分割とした。図11(a)より観測データ数nに対する補間誤差は64点で収束している事が分かる。また、図11(b)の補間使用データ数nと処理時間の関係を見ると、補間使用データ数64点の時の処理時間は約300[s]、128点では約2000[s]である。この結果により、本装置において補間使用データ数nは64点とした。   FIG. 11 shows the result of accuracy verification performed on three terrains having different characteristics in order to determine the number n of interpolation use data and the number m of divided areas. FIG. 11 (a) is a graph showing the relationship between the number of interpolation use data n and the interpolation error. The number m of divided areas at this time is assumed to be eight. From FIG. 11 (a), it can be seen that the interpolation error for the observation data number n converges at 64 points. Also, looking at the relationship between the number n of interpolated data used and the processing time in FIG. 11 (b), the processing time when the number of interpolated data used is 64 is about 300 [s], and about 128 [128] for 128 points. . Based on this result, the number n of interpolated data used in this apparatus was 64 points.

図12(a)と図12(b)は分割エリア数mと補間誤差の関係を示したグラフである。この図より、分割数mが4分割の時に最も精度が良いことが分かる。また処理時間に関しては分割エリア数mとの比例関係にあるが、その傾きは小さいため、本装置の分割エリア数mは4分割とした。   12 (a) and 12 (b) are graphs showing the relationship between the number m of divided areas and the interpolation error. From this figure, it can be seen that the accuracy is best when the division number m is four divisions. The processing time is proportional to the number m of divided areas, but since the slope is small, the number m of divided areas of this apparatus is set to four.

図7(a)-図7(c)にセミバリオグラム関数推定処理S503の考え方を示す。セミバリオグラム関数推定処理S503は補間使用データ選択処理S502で求めた補間使用データを元に(式3)を用いて、データ間の距離hとセミバリオグラムγを計算する。ここで、x, y, zはそれぞれ緯度、経度、深度を表し、下付文字はデータ固有のインデックスである。   FIGS. 7A to 7C show the concept of the semivariogram function estimation process S503. The semivariogram function estimation process S503 calculates the distance h between the data and the semivariogram γ using (Equation 3) based on the interpolation use data obtained in the interpolation use data selection process S502. Here, x, y, and z represent latitude, longitude, and depth, respectively, and the subscripts are data-specific indexes.

Figure 2006047700
Figure 2006047700

(式3)で求めた距離−セミバリオグラムの関係は図7(a)に示すように、横軸をデータ間の距離h、縦軸をクラス分けして平均化したセミバリオグラムγとしてプロットする。このグラフのプロットに一致する近似式を距離の関数γ(h)として作成する。典型的なセミバリオグラム関数の形状は図7(b)に示すように、ナゲット、レンジ、シルといったパラメータを持つ。ここで、ナゲットはデータに含まれる誤差、レンジはデータ間に相関性が存在する距離と解釈できる。前記パラメータを用いた近似式の代表的なものに、線形モデル(式4)や球形モデル(式5)がある。ここで、n, r, sはそれぞれ、ナゲット、レンジ、シルを表している。 As shown in FIG. 7A, the relationship between the distance and the semivariogram obtained by (Expression 3) is plotted as a distance h between data on the horizontal axis and a semivariogram γ averaged by classifying the vertical axis. An approximate expression that matches the plot of this graph is created as a function γ (h) of distance. The shape of a typical semivariogram function has parameters such as nugget, range, and sill as shown in FIG. Here, the nugget can be interpreted as an error included in the data, and the range can be interpreted as a distance having a correlation between the data. Typical approximation equations using the parameters include a linear model (Equation 4) and a spherical model (Equation 5). Here, n, r, and s represent nugget, range, and sill, respectively.

Figure 2006047700
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Figure 2006047700
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図7(a)のプロット図に一致する近似式を作成するためには、パラメータn, r, sを決定する必要がある。この問題の解法にはよく最小二乗法が用いられるが、本装置においては、より簡単な方法として、ナゲットは図7(c)の直線701を外挿してナゲット702を求める。レンジはクラス間のセミバリオグラムの傾きが負になるデータ間の距離hをクラス1から順に検索し、2回連続でセミバリオグラムの傾きが負になったクラスをレンジとする。すなわち、図7(c)の例では、直線701の傾きから順に判定し、直線703の傾きが負であったとしても直線704の傾きが正であるので判定処理を続行する。直線705、706の様に直線の傾きが連続して負である時に、レンジ707及びシル708が決定する。線形モデル、球形モデルのどちらを使うかについては残差二乗和の小さいモデルを選択する。   In order to create an approximate expression that matches the plot of FIG. 7A, it is necessary to determine the parameters n, r, and s. In order to solve this problem, the least squares method is often used. In this apparatus, as a simpler method, the nugget extrapolates the straight line 701 in FIG. For the range, the distance h between data in which the slope of the semivariogram between classes is negative is searched in order from class 1, and the class in which the slope of the semivariogram is negative for two consecutive times is defined as the range. That is, in the example of FIG. 7C, the determination is performed in order from the inclination of the straight line 701, and the determination process is continued because the inclination of the straight line 704 is positive even if the inclination of the straight line 703 is negative. Range 707 and sill 708 are determined when the slope of the straight line is continuously negative, such as straight lines 705 and 706. For the linear model or spherical model, select a model with a small residual sum of squares.

本発明の精度検証方法の説明図を図8に示す。801はテスト地形であり、9300m四方の領域を155×155(24025メッシュ)のメッシュに区切ったもので、メッシュ幅は60mである。この地形における300mおきの等高線802と全メッシュの約3%にあたる標高点803を本装置の水深メッシュデータベース804に格納し、補間処理805により155×155メッシュの補間地形806を生成する。生成した補間地形806とテスト地形801を比較し、誤差頻度分布807を計算する事で、本発明による補間精度の評価を行う。   An explanatory diagram of the accuracy verification method of the present invention is shown in FIG. 801 is a test terrain, which is a 9300 m square area divided into 155 x 155 (24025 mesh) meshes, and the mesh width is 60 m. Contour lines 802 every 300 m in this terrain and elevation points 803 corresponding to about 3% of all meshes are stored in the depth mesh database 804 of this apparatus, and an interpolation terrain 806 of 155 × 155 mesh is generated by interpolation processing 805. By comparing the generated interpolation terrain 806 with the test terrain 801 and calculating the error frequency distribution 807, the interpolation accuracy according to the present invention is evaluated.

図9(a)-図9(c)従来技術と本装置による補間結果の誤差頻度分布を示す。図8の補間処理805に対して、図9(a)が特許文献1記載の補間技術、図9(b)が特許文献2記載の補間技術図9(c)が本発明による補間技術を適用したときの補間結果の誤差頻度分布を示したものである。横軸が標高誤差、縦軸がその総点数であり、標高誤差0mにおける点数が多く、分布形状が鋭いほど補間精度が良いことを示している。標高誤差0mの総点数を見ると、特許文献1記載の補間技術(図9(a))が約7000点、特許文献1記載の補間技術(図9(b))と本発明による補間技術(図9(c))が約11000点となっており、本発明の補間精度は非特許文献1の補間精度と同程度であることが分かる。   9 (a) to 9 (c) show error frequency distributions of interpolation results obtained by the prior art and this apparatus. FIG. 9 (a) applies the interpolation technique described in Patent Document 1 and FIG. 9 (b) applies the interpolation technique described in Patent Document 2 to FIG. 9 (c). The error frequency distribution of the interpolation result is shown. The horizontal axis is the altitude error, and the vertical axis is the total number of points. The higher the altitude error is 0 m, the sharper the distribution shape, the better the interpolation accuracy. Looking at the total number of points with an altitude error of 0 m, the interpolation technique described in Patent Document 1 (FIG. 9A) is about 7000 points, the interpolation technique described in Patent Document 1 (FIG. 9B) and the interpolation technique according to the present invention ( FIG. 9 (c)) shows about 11000 points, and it can be seen that the interpolation accuracy of the present invention is comparable to the interpolation accuracy of Non-Patent Document 1.

図9(d)は各補間技術の平均誤差、誤差の標準偏差、最大誤差、処理時間を示したものである。本実施例の補間処理にはCPUに500MHz MIPS R14000(IP35) Processor with MIPS R14010 FPUを搭載したワークステーションで計算しており、処理時間は全て同様の条件で計測したものである。本発明による補間処理は非特許文献1と同等の精度を維持しながら、処理時間は約1/15と大幅な処理時間の短縮を実現している。   FIG. 9D shows the average error, standard deviation of error, maximum error, and processing time of each interpolation technique. In the interpolation processing of this embodiment, calculation is performed on a workstation equipped with a 500 MHz MIPS R14000 (IP35) Processor with MIPS R14010 FPU in the CPU, and all processing times are measured under the same conditions. While the interpolation processing according to the present invention maintains the same accuracy as that of Non-Patent Document 1, the processing time is about 1/15, and the processing time is greatly reduced.

図10(a)は自艦の移動に連動して動的に3次元海底地形図を表示するための補間処理範囲の考え方を示したものである。1001は自艦位置であり、1002方向に移動していると仮定する。本装置の特徴は、自艦1001の移動に連動して自艦中心とした海底地形図1003を連続的に表示更新するため、表示領域外のメッシュ水深データも予め計算しておく事になる。図10(b)に示すように、自艦が自艦存在タイル1004を脱したとき1006が新たな自艦存在タイルとなり、斜線網掛けタイル1007の水深データ生成処理403が開始される。そして、自艦が位置1008で1009方向に変針したとするならば、半タイル移動する間(位置1010)に斜線網掛けした5タイル分の補間処理を終了させておく必要がある。メッシュ刻み幅[m]、タイル長[m]、水深データ生成時間[s/タイル]の関係は(式6)となる。   FIG. 10 (a) shows the concept of the interpolation processing range for dynamically displaying a three-dimensional submarine topographic map in conjunction with the movement of the ship. Assume that 1001 is the ship's position and is moving in the 1002 direction. The feature of this device is that the submarine topographic map 1003 centered on the ship is continuously displayed and updated in conjunction with the movement of the ship 1001, and mesh water depth data outside the display area is also calculated in advance. As shown in FIG. 10 (b), when the own ship leaves the own ship presence tile 1004, 1006 becomes a new own ship existence tile, and the water depth data generation processing 403 of the hatched shaded tile 1007 is started. If the ship changes its position in the 1009 direction at the position 1008, it is necessary to finish the interpolation process for five tiles shaded by hatching while moving half a tile (position 1010). The relationship between the mesh step width [m], the tile length [m], and the water depth data generation time [s / tile] is (Expression 6).

Figure 2006047700
Figure 2006047700

すなわち、前記CPUを用いた場合、本発明の水深データ生成処理403による1タイル当りの水深データ生成時間は305.6秒であるので、5タイル分の水深データを生成するための計算時間は1528秒となる。自艦速力を10ktと仮定するならば、1528秒間で約7854mの距離を進むので、1タイルは15708m以上であればよく、約101m程度のメッシュ刻み幅の高分解能な海底地形図を生成する事ができる。一方、非特許文献1の方法では前記CPUを用いた場合、メッシュ刻み幅を1574m以上にする必要があり、分解能の低い海底地形図しか生成する事ができない。   That is, when the CPU is used, since the water depth data generation time per tile by the water depth data generation processing 403 of the present invention is 305.6 seconds, the calculation time for generating the water depth data for 5 tiles is 1528 seconds. Become. If the ship's speed is assumed to be 10kt, it will travel a distance of about 7854m in 1528 seconds, so one tile should be 15708m or more, and it can generate a high resolution submarine topographic map with a mesh increment of about 101m. it can. On the other hand, in the method of Non-Patent Document 1, when the CPU is used, it is necessary to set the mesh step width to 1574 m or more, and it is possible to generate only a submarine topographic map with low resolution.

本発明による3次元海底地形図表示装置運用イメージを表した図である。It is the figure showing the three-dimensional submarine topographic map display apparatus operation image by this invention. 従来のクリギング法のフローチャートである。It is a flowchart of the conventional kriging method. 表示領域中における補間前の水深メッシュデータの分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the depth mesh data before interpolation in a display area. 本発明による3次元海底地形図表示装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the three-dimensional submarine topographic map display apparatus by this invention. 本発明による3次元海底地形図表示装置の処理概要を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the process outline | summary of the three-dimensional submarine topographic map display apparatus by this invention. 本発明による3次元海底地形図表示装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the three-dimensional submarine topographic map display apparatus by this invention. 補間使用データ選択の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of interpolation use data selection. 補間使用データ選択処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an interpolation use data selection process. 補間使用データテーブルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an interpolation use data table. セミバリオグラム関数の推定方法を示す図である。It is a figure which shows the estimation method of a semivariogram function. 同じく、セミバリオグラム関数の推定方法を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the estimation method of a semivariogram function. 同じく、セミバリオグラム関数の推定方法を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the estimation method of a semivariogram function. 補間処理の精度検証方法を説明する図である。It is a figure explaining the accuracy verification method of an interpolation process. 特許文献1の精度検証結果を示す誤差−頻度分布図である。It is an error-frequency distribution diagram which shows the accuracy verification result of patent document 1. 特許文献2の精度検証結果を示す誤差−頻度分布図である。6 is an error-frequency distribution diagram showing the accuracy verification result of Patent Document 2. FIG. 本発明の精度検証結果を示す誤差−頻度分布図である。It is an error-frequency distribution figure which shows the precision verification result of this invention. 特許文献1、2及び本発明による補間技術の平均誤差、誤差の標準偏差、最大誤差及び処理時間を示す図である。It is a figure which shows the average error of the patent documents 1, 2 and the interpolation technique by this invention, the standard deviation of an error, the maximum error, and processing time. 自艦移動に伴う補間範囲の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the interpolation range accompanying own ship movement. 同じく、自艦移動に伴う補間範囲の変化を説明する図である。Similarly, it is a figure explaining the change of the interpolation range accompanying own ship movement. 補間使用データ数nと補間誤差・処理時間の関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the number n of interpolation use data, an interpolation error, and processing time. 同じく、補間使用データ数nと補間誤差・処理時間の関係を表す図である。Similarly, it is a diagram showing the relationship between the number of interpolation use data n and the interpolation error / processing time. 分割エリア数mと補間誤差の関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the division area number m and an interpolation error. 同じく、分割エリア数mと補間誤差の関係を表す図である。Similarly, it is a diagram showing the relationship between the number m of divided areas and the interpolation error.

符号の説明Explanation of symbols

301 CPU
302 メインメモリ
303 ハードディスク
304 I/F
305 I/F
306 キーボード
307 CRT
401 メッシュ水深データベース
402 位置情報入力部
403 水深データ生成処理部
404 3次元海底地形図表示制御部
405 測深データ入力部
406 メッシュ水深データ格納処理部
801 テストデータ
802 等高線図
803 標高点分布図
807 誤差頻度分布
1001 自艦
1003 海底地形図表示領域
1004 自艦存在タイル
1005 水深データ保持領域
1007 補間対象タイル
301 CPU
302 Main memory
303 hard disk
304 I / F
305 I / F
306 keyboard
307 CRT
401 mesh depth database
402 Location information input section
403 Water depth data generator
404 3D submarine topographic map display controller
405 Sounding data input section
406 Mesh depth data storage processing unit
801 test data
802 Contour map
803 Altitude map
807 Error frequency distribution
1001 Own ship
1003 Submarine topographic map display area
1004 Own ship presence tile
1005 Water depth data holding area
1007 Interpolated tile

Claims (3)

メッシュ毎の海底水深データを補間処理によって生成する方法であって、
予め記憶されている前記海底水深データから、前記補間処理で使用するデータを選択し、
前記選択した補間使用データを用いて所定の補間処理を実施し、前記海底水深データを生成することを特徴とする海底水深データ生成方法。
A method of generating seabed depth data for each mesh by interpolation processing,
Select the data to be used in the interpolation process from the seafloor depth data stored in advance,
A submarine water depth data generation method, wherein a predetermined interpolation process is performed using the selected interpolation use data to generate the submarine water depth data.
自艦の移動に連動して、自艦周辺の海底水深データを補間処理により自動生成する3次元海底地形図表示装置であって、
前記海底水深データを水平空間に分割した緯度・経度メッシュとして記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている海底水深データから、前記補間処理で使用するデータを選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された補間使用データを用いて所定の補間処理を実施し、前記海底水深データを生成する生成手段と、
を備えたことを特徴とする3次元海底地形図表示装置。
A three-dimensional submarine topographic map display device that automatically generates seafloor depth data around the ship by interpolation processing in conjunction with the movement of the ship.
Storage means for storing the seabed depth data as a latitude / longitude mesh divided into a horizontal space;
Selecting means for selecting data to be used in the interpolation processing from the seabed depth data stored in the storage means;
Performing a predetermined interpolation process using the interpolation use data selected by the selection means, generating the seabed depth data,
A three-dimensional submarine topographic map display device.
前記生成手段は、補間対象メッシュを中心としてm個のエリアに等分割し、エリア毎にl個の補間使用データを補間対象メッシュから距離が近い順に選択し、合計n(l×m)個の海底水深データを用いて補間処理を行うことを特徴とする請求項2記載の3次元海底地形図表示装置。
The generating means divides equally into m areas centering on the interpolation target mesh, and selects l interpolation use data for each area in order of distance from the interpolation target mesh, for a total of n (l × m) 3. The three-dimensional submarine topographic map display device according to claim 2, wherein interpolation processing is performed using submarine water depth data.
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