基于时空约束和三角形迭代划分的渔船AIS与ARPA轨迹匹配

针对现有的轨迹相似度匹配算法用于渔船AIS (Automatic Identification System)与ARPA (Automatic Radar Plotting Aid)轨迹匹配时存在复杂度高、效率低等问题,本文提出基于时空约束和三角形迭代划分的渔船AIS与ARPA轨迹匹配算法TSC-TIP (Temporal and Spatial Constraint-Triangle Iterative Partitioning)。首先采用时空约束法筛选出ARPA目标时空约束范围内的AIS数据;其次采用三角形相似算法选择与AIS数据具有相似特征点的APRA轨迹数据;最后设计了子轨迹迭代划分法将每条轨迹划分为两条子轨迹并采用三角形相似法对子轨迹进行迭代筛选。为验证算法的性能,用渔船的真实AIS轨迹数据和ARPA轨迹数据进行了试验,结果表明：与基于经典距离的相似性度量方法相比,提出的TSC-TIP算法在不影响匹配准确率的前提下,匹配时间减少了95%。研究表明：TSC-TIP算法能有效匹配渔船AIS与ARPA轨迹数据,为面向AIS与ARPA的渔船轨迹数据融合研究提供了新思路。     

基于深度学习和时空特征融合的海洋渔船密度预测方法

为了从海量渔船轨迹数据中挖掘隐含的信息和知识,进而为渔业行政主管部门的决策提供科学依据,本研究以AIS渔船轨迹数据为研究对象,提出了一种基于深度学习和面向时空特征融合的海洋渔船密度预测方法：首先,利用渔船轨迹数据集对渔船行驶区域进行网格划分;其次,筛选出渔船高密度区域进行研究,避免数据稀疏性问题;再次,根据渔船轨迹数据的时空分析,构建三维时空融合矩阵;最后,通过卷积循环神经网络模型捕获渔船分布的时间和空间特征,并利用卷积神经网络的堆叠加强对空间特征的学习。实验通过东海海域渔船真实轨迹数据进行具体测试,结果表明渔船密度预测值与真实值非常接近,平均绝对误差为4×10-4,模型较好地拟合了渔船密度分布特征,有效地提高了渔船捕捞热点预测的准确性和鲁棒性。     

分级显示中规则格网面的快速获取

网格索引是GIS中一种重要的索引方法,获取网格单元的速度直接影响了数据的现实效率。结合分级显示的思想,提出了直接绘制格网面的方法,即根据所需绘制格网的范围以及格网单元的大小,推算出格网单元面的点集,从而绘制格网单元面。实验结果证明：该算法极大的减少了格网面绘制的时间,提高了格网面的绘制效率。     

基于改进动态窗口法的无人船目标跟踪运动规划方法

针对多浅滩、礁石和渔船等复杂环境下可疑船只目标运动跟踪问题,本文提出了一种基于改进动态窗口法的无人船目标跟踪运动规划方法。首先,根据目标船只的状态和障碍物位置,自适应选择目标跟踪制导律,同时采用最近会遇点方法优化采样空间。然后,将航行危险度评价因子加入动态窗口法目标函数,以此评估碰撞危险度。最后,对有限时域内的推演轨迹...     

海量多波束数据抽稀方法的比对分析

针对构建海底DEM高效率、高精确度的要求,对比分析了海量多波束水深数据的抽稀方法。利用格网分块结构高效组织海量多波束水深数据,分别采用三种数学模型内插网格节点水深值,实现了不同网格尺度下的数据抽稀。实验证明:所提分块索引策略能提高多波束数据抽稀效率;距离加权内插模型能有效提高海底DEM模型的准确度。     

一种新的海量海洋环境数据库组织结构的研究与实现

针对海洋环境数据量大访问效率低的问题,提出了1种新的数据库组织结构及其数据操作算法.表结构设计类似数据采集的实际地理经纬度网格,除了时间,纬度,将所有的经度直接作为属性列,每个经度列的值是1个结构,存放该点的所有海洋环境属性数据.根据该结构设计了相应的操作算法,实现了元数据管理,数据载入以及数据查询等操作.最后通过实验进行验证.实验表明,该结构及其操作算法降低数据存储冗余,提高查询性能,并降低数据的网络传输量.     

基于多致灾因子相似的热带气旋检索方法研究:以风暴潮-海浪灾害预评估为例

热带气旋引起的风暴潮-海浪灾害成灾频率高、致灾强度大,对我国沿海地区造成的人员和经济损失惨重。预评估阶段需要在灾前对研究区可能造成的损失等进行快速的综合判定。从历史热带气旋中检索出与目标热带气旋位置及各种致灾因子强度相似的热带气旋是快速、准确地预评估风暴潮-海浪灾害的重要方法。面向风暴潮-海浪灾害预评估,提出了一种基于多致灾因子的相似热带气旋检索方法。用于相似检索的致灾因子数据包括:从中国气象局西北太平洋热带气旋最佳路径数据集中提取并经处理得到的1949~2013年影响湛江市的112场热带气旋的路径中心点位置、中心气压、最大风速、最大风速半径及移动速度数据,112场热带气旋的模拟风场、风暴潮及海浪数据。首先,利用相似离度方法对热带气旋进行路径相似性检索;其次,利用最优相似系数方法计算中心气压、最大风速半径、最大风速、移动速度、风场、风暴潮及海浪强度指标的相似系数进行一次检索;然后,根据风场、风暴潮及海浪模拟数据的获取情况,分别基于路径-强度及风场-风暴潮-海浪综合相似性指标进行二次检索;最终给出历史热带气旋的综合相似排序。以2013年尤特热带气旋为例,利用上述方法检索了与其最为相似的5场历史热带气旋。该方法综合考虑了热带气旋路径及多种致灾因子的相似,兼顾了检索的速度及质量,是进行快速、准确的风暴潮-海浪灾害预评估的重要基础。     

“海上虚拟人口”假说及其应用探索

为解决海洋社会经济数据难以获取的问题,促进海洋空间评价的科学化和标准化,文章提出"海上虚拟人口"假说,并对其应用进行探索。研究结果表明:"海上虚拟人口"不是海上实际常住人口,而是对陆上人口数据进行插值后所形成的虚拟人口分布;某一海域的虚拟人口一般按照该海域与海岸线的距离进行插值,距海岸线近的数量多,距海岸线远的数量少;"海上虚拟人口"是海洋社会经济数据的载体之一,其数量可间接反映海洋开发利用水平和海洋社会经济状况;应用步骤包括确定海岸线形状、划分网格单元、修正原始数据和插值计算4个部分。目前"海上虚拟人口"假说及其应用仍处于探索阶段,需在实践中不断检验和完善。     

基于非结构化四边形网格的VOF法

提出了一种基于非结构化四边形网格的VOF法,用以模拟二维自由表面流动问题。由于非结构化四边形网格在拟合任意复杂曲线边界上的优势,此法能够在不进行任何边界处理和不引入任何人工糙度的情况下直接、准确地求解具有任意边界形状的界面对流问题。此法采用PLIC法来重构界面,以保证界面具有二阶空间精度;采用MLER法来对流流体体积,以提高算法的体积守恒性。此外,为了提高算法的计算效率,文中针对非结构化四边形网格提出了一种确定界面截距的解析方法。大应变界面对流数值实验表明:此法具有较高的体积守恒精度和二阶的形状误差收敛率。     

海洋二号卫星微波散射计后向散射系数业务化面元匹配算法

本文提出了一种可业务化运行的海洋二号卫星散射计面元匹配方法,该算法主要用于将按时序排列的后向散射系数及相关参数投影到相应风矢量单元。面元匹配方法主要包括地面网格划分和后向散射系数观测结果重采样两个关键步骤。为简化计算,本文采用了以星下点轨迹为中心,以顺轨向及交轨向为坐标轴的地面网格划分方式。在重采样过程中,本文提出了一种“三点标定”重采样方法,利用观测脉冲的地面足印中心,星下点轨迹的起点,以及过地面足印中心做星下点轨迹垂线的交点,三点形成的直角三角形来计算每个后向散射系数观测结果在地面网格中对应的坐标。该直角三角形的两直角边分别对应观测脉冲在顺轨向和交轨向的坐标。同时,为减少由于星下点数据空间分布不连续引起的面元匹配误差,在采用三点标定法进行重采样之前,首先对星下点时空分布不连续的区域对时间插值,然后以时间为坐标,对星下点经度、纬度分别进行内插。对风矢量面元位置分布和风矢量反演精度等分析表明,本文提出的面元匹配算法,可在满足高质量海面风场反演的要求。     

动态环境下矢量化路径规划算法

对全方位机器人在完全未知动态环境下实时路径规划和针对移动障碍物的避障问题进行研究。提出矢量化路径描述方法,并将其与Bug算法思想相结合来解决机器人的路径规划问题。机器人的初始路径由其初始位置和目标位置生成,其运动过程是:首先沿初始路径行进,以规定间隔扫描当前环境,判断是否有障碍物阻挡当前路径,并检测障碍物的位置、移动方向和速度等信息;然后根据障碍物信息和机器人安全距离计算路径中间点,并插入中间点更新路径以实现避障。本文的机器人路径规划结果是以矢量形式进行描述及保存的,降低了对路径存储空间的需求,且按规划结果行进时只需要考虑直线移动距离和转动方向,简化了全方位机器人的控制。仿真结果说明本文方法的可行性及有效性。     

水下搜救中基于先验信息的AUV区域覆盖路径规划

搭载侧扫声呐(side-scan sonar,SSS)的自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV) 执行大规模海上搜救(search and rescue,SAR)任务时通常采用区域覆盖路径规划(coverage path planning, CPP)技术。由于任务失败的可能性很大,因此实现完全覆盖的同时,优先搜索目标可能存在的区域并提高侧扫声呐的数据质量十分必要。针对以上问题,提出了一种面向操作的全覆盖路径规划方法 SAS-A*,通过生成全覆盖路径,有效提高目标可能存在区域的覆盖速度和声呐数据的质量。该方法基于救援专家预测的目标位置和轨迹,采用二维高斯分布建立目标存在的概率模型,作为路径规划的先验信息。提出的 SAS-A*算法将下一个路径点选择策略转化为多目标决策问题,采用加权度量法来进行多目标优化,使 AUV 以更短路程、更少的转弯优先搜索目标可能出现的区域。仿真结果表明：SAR- A*路径规划方法适用于大规模搜救任务,可快速提高目标的搜索概率。     

基于密度峰值聚类的中尺度涡轨迹自动追踪方法

中尺度涡信息的提取包括涡旋的识别和轨迹追踪,其自动识别与追踪对于基于海量数据的中尺度涡分析十分重要。传统涡旋轨迹自动追踪方法一般需要预先设定搜索半径的阈值,存在一定的主观性。针对传统中尺度涡轨迹追踪方法存在的问题,论文从聚类的角度出发,提出基于密度峰值聚类算法实现对涡旋轨迹的自动追踪,并以南海中尺度涡追踪为例,将基于聚类的追踪算法与传统的相似度追踪算法进行比较分析。结果表明:（1）基于密度峰值聚类算法,可实现对海洋中尺度涡的自动追踪,该算法涡旋追踪准确率优于传统相似度算法;（2）该涡旋追踪算法对资料的完整性依赖度较低,特别是对于存在部分缺损数据的情况仍能较准确追踪;（3）该追踪算法克服了传统涡旋追踪算法需要预先设定搜索半径阈值的问题,自适应性更强。     

基于渔业捕捞产量的监测渔船数量优化

海洋捕捞活动数据是渔业资源评估与管理的基础,监测渔船数量的设置需要兼顾保证数据质量和降低监测成本。本研究基于2017年浙江省海洋捕捞抽样调查数据,采用分层随机采样和计算机模拟再抽样方法,以小黄鱼(Larimi-chthys polyactis)、带鱼(Trichiurus lepturus)、海鳗(Muraenesox cinereus)等9种经济种类的单船月捕捞产量以及所有9种渔获总产量作为渔业生产监测目标,以相对估计误差(REE)、相对偏差(RB)作为评价指标,分析了渔业生产监测船数量对渔业生产监测目标估计精度的影响。研究表明：各物种的单船月捕捞产量以及总产量估计值的REE和RB随着监测渔船数量的增加而下降,当渔船数量少于110时REE值下降幅度较快,当渔船数量多于110时REE值下降幅度减缓并趋于平稳。分析每增加10艘监测渔船时REE的减少量,发现当渔船数量为70时,各研究目标产量估计值的REE减少量均小于5%,此时监测渔船总数量减少了73.28%;当渔船数量为110时,各研究目标产量估计值的REE减少量均小于1%,此时监测渔船渔船点数量减少了58.11%。研究结果表明,在兼顾调...     

一种格网树与KD树组合的水深数据索引方法

针对当前构建高精度数字水深模型中常用的格网数据索引方法,在海量数据管理中存在因树的规模限制而导致检索效率低的问题,提出了一种格网树与KD树(K-Dimension,KD)组合的水深数据索引方法。首先,利用格网将水深源数据分割为网状的数据块,构建出数据块的格网树;其次,构建各数据块的KD树,实现对数据块中任意数据的快速索引;最后,通过快速定位数据块,查找其所在KD树的位置,实现对海量数据的快速检索。实验结果表明:①与格网树相比,本文所提组合检索方法的检索效率随检索树规模的变化不明显;②在相同的数据量下,组合树的检索效率要普遍高于格网树方法。     

集成虚拟格网和八叉树的点云数据管理方法

为实现大规模点云的快速组织和检索,提出了基于内外存动态调度的虚拟格网与八叉树相结合的点云数据索引和组织策略。该方法利用虚拟格网对点云进行节点分割和存储,并结合磁盘映射与内外存动态调度技术,将节点进行构八叉树以实现点云数据高效的组织与检索。实验证明,该方法可在计算机内存资源有限的情况下,以较小的内存消耗实现十亿级规模点云的快速组织和检索操作。     

基于大数据的复杂海运环境下船舶路径自动生成方法

随着全球经济的快速发展,海上运输由于其运力大、运费低而变得更具实用性。然而,这也意味着在海上航道行驶的船只正变得越来越多,这将导致在复杂的海洋环境中航海船只发生事故的可能性会很高。据相关历史的统计,在海域中航行缺乏高精度导航数据会导致大量事故,这种累积的事故信息可以被用来提高航海的安全性。本文通过将蕴含在AIS (Automatic Identification System) 大数据中的经验导航信息挖掘出来,以辅助实现复杂海事环境下安全可靠的船舶路径的生成。本文提出了一种基于大数据自动生成船舶路径的新方法。该方法首先在大量船舶轨迹上通过DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise) 聚类形成不同的轨迹矢量簇。然后,迭代计算轨迹矢量簇的中心线,并从这些中心线之间的节点-弧段拓扑关系来构建航道网络。最后,基于航道网络来实现船舶路径的生成,对于航道网络未覆盖的海域,则通过海洋环境风险栅格的路径规划来实现船舶路径的生成。不同海域不同AIS数据集进行的多次实验结果表明,本文提出的船舶路径生成方法是有效性。     

.Net环境下空间数据缓存方案的设计与实现

空间数据查询效率的优劣决定着三层体系结构空间信息系统的应用效果。空间数据缓存技术是提高空间数据查询效率的有效方法之一。在数据缓存技术逐渐成熟的今天,如何利用数据缓存技术来构建空间数据缓存是目前研究的热点。基于Microsoft新的数据缓存技术,借助常用的格网索引,在客户端和应用服务器端开辟空间数据缓存区,以降低数据的传输量,减少用户的请求响应时间,从而提高空间数据查询效率。在利用版本控制技术实现空间数据缓存的同时,解决客户端、应用服务器和数据库服务器的数据一致性问题,确保空间数据的有效性和可用性。     

潮滩海域边界适应网格潮流数值模型

在河口潮滩海域水动力学问题的计算中,为了模拟复杂的地形和岸形,最好采用边界适应坐标和小空间步长的高分辨率计算网格。由此带来的问题是,在非正交的边界适应坐标系中,如果继续采用直角坐标系中的速度分量做为求解未知量,不但给方程组的隐式求解带来困难,而且使潮滩上海水漫滩的干湿格点判断准则变得十分繁琐。本文导出了任意曲线坐标系下普遍适用的速度逆变张量和水位所满足的动力学方程组,从而实现了非正交曲线坐标系下交替方向隐式差分格式,使得在高分辨率的边界适应网格中,仍可采用大时间步长进行计算。速度逆变张量方程的导出同时给潮滩上动边界的实现带来了方便。文中通过数值试验,针对模型的稳定性和精确性与以往显式的适应性网格模型做了详尽的比较研究,从而证实该模型是一种研究河口潮滩动力学问题精确而高效的数值计算模型。     

WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式中岛屿次网格效应的检验与比较

综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据,在优化WAVEWATCH-Ⅲ模式计算网格的基础上,发展了波能通量穿透度系数自动计算方法,完善了岛屿次网格地形效应计算方案;并与直接提高网格空间分辨率来分辨多岛屿地形处理方案的计算效果进行对比研究。表明:岛屿次网格效应方案充分体现了海岸和多岛屿地形对海浪传播的影响,且主要是对低频海浪能量的抑制和阻碍作用,对模式计算结果有明显改善;在低分辨计算网格中考虑岛屿次网格效应时,模式对有效波高的计算精度与高分辨率网格的结果精度相当,且计算效率有显著提高。