基于志愿觀測船數(shù)據(jù)的艦船軌跡線生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離散點匯聚成特征線方法，特別是涉及一種基于VOS大量離散點數(shù)據(jù)的艦船軌跡線生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]艦船軌跡線是船舶在兩個或者多個港口之間從事貨物、旅客運輸或其他任務(wù)的具體線路。艦船軌跡線的獲取對掌握區(qū)域海上交通分布狀況，監(jiān)控船舶行為，保障海上交通安全等方面都有著重要的意義。
[0003]要獲取艦船的軌跡線，首先要對艦船進行長時期大范圍的監(jiān)測以獲取其相關(guān)的信息。目前艦船信息獲取方法主要分為兩種，基于遙感影像的艦船提取以及船舶信息的自動報告。通過遙感影像獲取艦船信息主要利用SAR影像采用恒虛警率(CFAR)、多極化變化檢測、小波變換、視覺顯著度模型等方法對艦船目標提取。然而，這類方法僅能獲取成像時刻艦船的位置信息，無法甄別船舶的屬性信息，且由于影像覆蓋范圍有限，在時間上和空間上都難以形成連續(xù)的數(shù)據(jù)集。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，船舶上的通信設(shè)備可以將實時的位置、速度和其他信息傳輸?shù)叫l(wèi)星或港口，形成龐大的船舶時空數(shù)據(jù)集。因此，應(yīng)用通信設(shè)備獲取的船舶信息在艦船軌跡線生成方面更為有效。世界氣象組織(World MeteorologicalOrganizat1n，WM0)的志愿觀測船(Volunteer Observat1n Ship，VOS)計劃是較為常見的基于通信設(shè)備獲取艦船信息的一種方式。參與VOS計劃的船舶絕大多數(shù)是往返于國際海運航道上的商船，目前數(shù)量已達6000余艘，VOS志愿觀測船在提供氣象、海洋觀測結(jié)果的同時也提供了重要的時間、位置信息。完備的VOS志愿觀測船時空數(shù)據(jù)庫為我們獲取區(qū)域海上真實準確的航線提供了契機。
[0004]然而，目前國內(nèi)外關(guān)于航線設(shè)計的研宄較多，對這種基于大量離散船舶數(shù)據(jù)點生成特征軌跡線的相關(guān)研宄很少。同時，如何識別軌跡點所屬航次，如何去除無效艦船點，如何對錯誤艦船軌跡線予以校正，都是在航道軌跡線生成過程中將面臨的技術(shù)難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種基于志愿觀測船數(shù)據(jù)的艦船軌跡線生成方法，其將大量的離散艦船點數(shù)據(jù)生成連續(xù)的艦船軌跡線，解決了艦船軌跡線或航跡線鮮有提取的問題，攻克了軌跡點所屬航次識別、冗余無效艦船點去除、錯誤軌跡線校正等技術(shù)難點。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是:基于志愿觀測船數(shù)據(jù)的艦船軌跡線生成方法，其特征在于，包括如下步驟:
步驟1、VOS數(shù)據(jù)讀取一一獲取指定區(qū)域和指定時間區(qū)段內(nèi)的志愿觀測船數(shù)據(jù)，抽取時間、經(jīng)瑋度、船名作為待分析對象，生成關(guān)于艦船軌跡點的圖層；
步驟2、艦船軌跡點航次識別一一同時滿足以下三個條件的艦船軌跡點歸為同一航次； 條件1:艦船軌跡點的船名相同；
條件2:相鄰艦船軌跡點的時間間隔小于Tp，Tp的取值范圍為[8h，16h];
條件3:以時間先后為序，連續(xù)三個艦船軌跡點的連線夾角大于Θ，Θ的取值范圍為[70。 ， 110。]；
步驟3、艦船軌跡點數(shù)據(jù)清理一一刪去同一航次內(nèi)的重復(fù)艦船軌跡點和無效的艦船軌跡點，所述重復(fù)的軌跡點是指同一航次內(nèi)經(jīng)瑋度相同的軌跡點，所述無效的艦船軌跡點是指同一航次內(nèi)有效的艦船軌跡點數(shù)量少于N的所有艦船軌跡點，N的取值范圍為[4，6];
步驟4、艦船軌跡線連接一一以時間為序，逐次連接同一航次內(nèi)的所有艦船軌跡點，獲得該航次的艦船軌跡線；
步驟5、軌跡線連接校正一一如果相鄰艦船軌跡點之間的連線與障礙物相交，所述障礙物是指陸地或島嶼，則將這兩個相鄰艦船軌跡點之間繞過障礙物的最短路徑作為校正后的艦船軌跡線。
[0007]本發(fā)明還具有如下進一步的特征:
1、步驟2中，艦船軌跡點航次識別方法如下:
al、以船名進行艦船軌跡點排序，相同船名的艦船軌跡點再以時間進行排序；a2、逐次對艦船軌跡點進行判斷，直到所有艦船軌跡點判斷完畢；若當前點為當前航次的第一點，則直接從下一個艦船軌跡點開始作如下判斷；
a3、若當前艦船軌跡點的船名與上一個艦船軌跡點船名不相同或者當前艦船軌跡點的時間與上一個艦船軌跡點的時間之差大于Tp，則判定當前艦船軌跡點為下一個航次的起點，并轉(zhuǎn)至步驟a5，否則轉(zhuǎn)至步驟a4 ;
a4、若艦船在當前艦船軌跡點的轉(zhuǎn)角大于θ，則將當前艦船軌跡點歸入當前航線，并插入與當前艦船軌跡點相同的數(shù)據(jù)作為下一航次的起始點，并轉(zhuǎn)至步驟a5 ;a5、按艦船軌跡點的順序做下一航次的判斷，轉(zhuǎn)至步驟a3。
[0008]2、步驟3中對于同一航次內(nèi)的艦船軌跡點數(shù)據(jù)清理方法如下:
bl、如果航次內(nèi)艦船軌跡點數(shù)量小于N，則直接將該航次刪去，否則從第二個艦船軌跡點開始按序進行如下判斷；
b2、如果當前艦船軌跡點坐標與上一艦船軌跡點坐標相同，將當前艦船軌跡點作為重復(fù)艦船軌跡點進行刪除，否則保留當前艦船軌跡點；
b3、按照步驟b2對航次內(nèi)的所有重復(fù)艦船軌跡點進行刪除；
b4、如果航次內(nèi)所有被保留的艦船軌跡點數(shù)量小于N，則將航次內(nèi)所有的艦船軌跡點作為無效的艦船軌跡點刪去。
[0009]3、步驟5中，獲取相鄰艦船軌跡點之間繞過障礙物的最短路徑的方法是:分別以兩個艦船軌跡點向障礙物邊緣作切線；如果切點的連線與障礙物不相交，則最短路徑為繞過該障礙物的艦船軌跡點、切點之間的連接線；否則，則將這兩個切點視為艦船軌跡點重新進行航線規(guī)劃，不停迭代，直到切點之間的連線不與障礙物相交為止。
[0010]4、本發(fā)明艦船軌跡線生成方法中，Tp的取值為12h，Θ的取值為90°，N的取值為5。
[0011]本發(fā)明提出了一種基于VOS數(shù)據(jù)生成艦船軌跡線的方法，實現(xiàn)了大量離散點的艦船軌跡線生成方法。具體有益效果如下: 第一，提出了 VOS艦船軌跡點航次識別的方法。通過時間和角度閾值來快速、準確的判斷不同的VOS艦船數(shù)據(jù)點是否屬于同一航次。本發(fā)明通過航次的甄別賦予了離散點的航次屬性，方便、快捷地對海量數(shù)據(jù)點進行分類。
[0012]第二，提出了 VOS艦船軌跡點數(shù)據(jù)清理的方法。本發(fā)明通過建立VOS艦船軌跡點數(shù)據(jù)清理的簡易規(guī)則，有效避免了冗余點造成的復(fù)雜運算以及無效點造成的軌跡線生成錯誤。
[0013]第三，提出了基于繞障路徑設(shè)計的軌跡線連接校正方法。由于軌跡線中遇到的多邊形多為大陸，島嶼較少，導(dǎo)致障礙多邊形很大，直接現(xiàn)有的線搜索算法搜索路徑計算量將很大。本發(fā)明對線搜索算法進行優(yōu)化，提出了改進的繞障礙算法，改進后的算法在計算改正路徑之前選擇面積較小的多邊形的節(jié)點為待搜索節(jié)點，這樣搜索節(jié)點數(shù)可減少50%以上，大大提高了算法的效率。在VOS艦船數(shù)據(jù)量非常龐大的情況下優(yōu)勢將更加明顯，有利于快速、高效的對初步形成的軌跡線進行改正，生成最終的軌跡線。
[0014]綜上，本發(fā)明提出了基于VOS艦船數(shù)據(jù)的艦船軌跡線生成方法，解決了艦船軌跡線鮮有提取的問題，克服了軌跡點所屬航次識別、冗余無效艦船點去除、錯誤軌跡線校正以及最終的軌跡線生成等諸多技術(shù)難點。應(yīng)用本發(fā)明能夠?qū)⒋罅康碾x散的VOS艦船點數(shù)據(jù)生成連續(xù)的艦船軌跡線，從而有助于掌握區(qū)域海上交通分布狀況，監(jiān)控船舶行為，保障海上交通安全，為海洋管理部門提供決策參考。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0016]圖1是2003年至2012年南海VOS艦船數(shù)據(jù)。
[0017]圖2是軌跡線識別算法流程圖。
[0018]圖3是軌跡數(shù)據(jù)清理算法流程圖。
[0019]圖4是艦船軌跡校正示意圖。
[0020]圖5是軌跡線校正算法流程圖。
[0021]圖6是2003年至2012年南海VOS艦船軌跡線分布。
【具體實施方式】
[0022]下面以南海海域為例，根據(jù)附圖詳細闡述本發(fā)明，使本發(fā)明的技術(shù)路線和操作步驟更加清晰。
[0023]本實施例選擇的實驗區(qū)域為南海(經(jīng)瑋度范圍:3° S-23° N,99° E_124° E)，包括泰國灣和馬六甲海峽以及印度尼西亞的部分海域，是國際上對南海的泛指區(qū)域。實驗數(shù)據(jù)采用NOAA國家氣候數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站提供的2003-2012年的V0SCLIM數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)提供對艦船位置信息的實時更新，另外還可通過安裝在艦船上的裝置實現(xiàn)對氣壓、氣溫、海面溫度、風(fēng)的觀測。
[0024]本發(fā)明基于志愿觀測船數(shù)據(jù)的艦船軌跡線生成方法，其特征在于，包括如下步驟:
第一步、步驟1、V0S數(shù)據(jù)讀取一一獲取指定區(qū)域和指定時間區(qū)段內(nèi)的志愿觀測船數(shù)據(jù)，抽取時間、經(jīng)瑋度、船名作為待分析對象，錄入Excel表格后導(dǎo)入到ArcGIS中生成艦船軌跡點圖層。本例中共選擇了 2AKI4等263艘VOS志愿觀測船，2003年至2012年通過南海區(qū)域的31550個艦船離散點數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，艦船軌跡點圖層見圖1，圖中每個三角形代表一個艦船軌跡點。
[0025]步驟2、艦船軌跡點航次識別一一同時滿足以下三個條件的艦船軌跡點歸為同一航次:1)艦船軌跡點的船名相同；2)相鄰艦船軌跡點的時間間隔小于12h; 3)以時間先后為序，連續(xù)三個艦船軌跡點的連線夾角大于90°。
[0026]本步驟中，艦船軌跡點航次識別方法如下:
al、以船名進行艦船軌跡點排序，相同船名的艦船軌跡點再以時間進行排序；a2、逐次對艦船軌跡點進行判斷，直到所有艦船軌跡點判斷完畢；若當前點為當前航次的第一點，則直接從下一個艦船軌跡點開始作如下判斷；
a3、若當前艦船軌跡點的船名與上一個艦船軌跡點船名不相同或者當前艦船軌跡點的時間與上一個艦船軌跡點的時間之差大于Tp，則判定當前艦船軌跡點為下一個航次的起點，并轉(zhuǎn)至步驟a5，否則轉(zhuǎn)至步驟a4 ;
a4、若艦船在當前艦船軌跡點的轉(zhuǎn)角大于Θ，則將當前艦船軌跡點歸入當前航線，并插入與當前艦船軌跡點相同的數(shù)據(jù)作為下一航次的起始點，并轉(zhuǎn)