CN105160942A - 面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法，包括几何层：包括通航环境和主题要素的几何模型、初始位置和状态、船舶的动态数据、运动导航点位置信息；物理层用于表示主题要素在通航环境中的物理特性和应遵循的物理规律；时态层基于时间密度，将通航环境和主题要素的时态特征归纳为状态和过程，将研究的时间域指定为连续模型；建立语义层，包括专题语义、空间语义和过程语义，反映通航环境要素动态变化过程的物理本质及对船舶可视导航的影响。通过采用本发明方法，将通航环境和主题要素集成到统一的时空框架下，实现通航环境信息的集中、统一表示，提高了可视化时空分析的准确性和效率。

Description

面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法

技术领域

本发明属于船舶导航领域，尤其是一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法。

背景技术

船舶可视导航是一种将综合视觉、航行和水上交通管理技术有机结合的新型导航方法，需要综合考虑复杂通航环境，融合实时的船舶导航传感器数据和环境传感器数据，实现终端区环境信息精准的统一表示。影响可视导航的环境要素包括地形地物、水文条件、助航标志和危险目标，这些环境要素具有不同的物理性质，其空间尺度和时间变化尺度跨度大并且相互影响。要规避各种危险，必须要透彻感知船舶周围环境。因此船舶终端区环境高效高精度的动态三维表示成为船舶可视导航的重要前提。

现有表示方法基于不同的学科领域、孤立地开展，缺乏对航行船舶终端区环境的统一表示。通航环境信息表示分散使得导航决策需要的信息异构现象严重、融合困难、决策效率降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法，将多源异构信息有机融合到统一的时空框架内，为船舶船舶通航提供可视化的时空分析。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、建立几何层：

包括通航环境和主题要素的几何模型、初始位置和状态、船舶的运动捕捉数据、运动导航点位置信息，首先抽象为点、线、面、体4类，并根据不同要素的组合特征形成若干父类；

S2、建立物理层：

用于表示主题要素在通航环境中的物理特性和应该遵循的物理规律，这些物理特性和规律应用于复杂行为的表示；通过LOD技术对通航环境中的对象进行多细节层次表示，在保留主题要素主要特征的基础上，提高渲染速度，减少实时渲染的计算开销；在帧频率恒定的情况下，提高通航环境中的角色数目；

S3、建立时态层：

基于时间密度，将通航环境和主题要素的时态特征归纳为状态和过程，针对通航环境中动态对象运动轨迹连续渐变的特点，将研究的时间域指定为连续模型；状态和过程是对应于时刻和时间段的一对基本概念，一个动态要素在其活动周期里的某个时刻称为状态，整个活动周期或其中的某一时间域称为过程；

定义1：动态对象的生命周期T=[t₀,t_n]，TR是场的时间域，对于任意一个时刻t_iT的三元函数F=f(x,y,z,t_i)，称为动态对象在t_i时刻的状态；

定义2：动态对象的生命周期T=[t₀,t_n]，TR是场的时间域，对于任意一个时间域[t_i,t_j]T的四元函数F=f(x,y,z,t)（t[t_i,t_j]），称为动态对象在时间域[t_i,t_j]内的过程；

动态对象活动周期内任意时刻的状态或任意一段时间的过程通过拟合和内插来实现；

S4、建立语义层：

包括3类，分别为专题语义、空间语义和过程语义；

专题语义包括通航环境中地形地物、水文条件、助航标志和威胁目标及其相互耦合关系；

空间语义包括空间的位置、方向和速度，与专题语义通过实体关联，是描述各主题要素的空间关系和实现空间分析的途径；

过程语义将周期变化的动态对象的时间过程语义划分为产生阶段、发展阶段、稳定阶段、衰减阶段和消亡阶段；

关联过程语义和专题语义的事件是引起主题要素发生状态变化的原因，其对主题要素状态的不断驱动构成了时空对象在其运动周期内的变化；通航环境主题要素运动变化的过程语义通过事件的抽象表达以及与专题语义的关联，反映出通航环境要素动态变化过程的物理本质及对船舶可视导航的影响。

本发明的有益效果为：通过采用本发明方法，可以将通航环境和主题要素集成到统一的时空框架下，实现了通航环境信息的集中、统一表示，提高了时空分析的准确性和效率；通过时空数据一体化表示，将矢量与标量结合、动态与静态结合、离散与连续结合，建立了一体化的数据模型；通过4层模型结构，实现了通航环境在虚拟现实技术下的数值映射；通过时空现象耦合模型，表达了通航环境主题要素的时空变化及其耦合作用。

附图说明

图1为本发明一实施例的概念模型图。

图2为本发明一实施例的动态三维GIS数据模型图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

针对船舶导航决策对通航环境数据高效组织管理和高性能多维可视化分析的需求，首先要建立船舶复杂通航环境要素的几何模型、物理模型和过程模型的集成表示，将多源异构信息有机融合到统一的时空框架内，并提供高效精确的时空分析，其概念模型如图1所示。

统一的时空框架下，通航环境的表示模型是一种可计算、推理和全息感知的信息模型。从图1可见，复杂通航环境表示模型包含四方面的内容：时空数据一体化表示、多源异构信息融合、复杂时空现象耦合、通航环境信息可视化表达。

1.1时空数据一体化表示

船舶通航环境要素一般包括地形地物、水文条件、助航标志和危险目标，种类多、分布广且有动态变化的特点，时空数据一体化表示将包括这些环境要素的几何模型、物理模型及显示其动态变化的过程模型。与传统三维GIS数据表示模型相比，需要将矢量与标量结合、动态与静态结合、离散与连续结合，建立一体化的数据模型和数据结构。

1.2多源异构信息融合

多源异构信息融合包括语法和语义两层含义：语法上，多源信息需要统一时空基准、尺度转换和配准，以及传播误差修正等；语义上，多源通航环境数据语义众多，不同专题语义的细节层次尺度不同，动态情景时空过程语义及关系语义比较复杂，需要统一描述过程语义和关系语义。船舶通航环境信息在采集过程中的多平台和多传感器特点导致数据在时空基准、表示方法、尺度、精度等方面存在不同程度差异，多源异构信息融合是面向船舶可视导航的通航环境表示的关键问题之一。

1.3复杂时空现象耦合

复杂通航环境时空现象耦合是指地形地物、水文条件、助航标志、危险目标等环境要素相互影响的状态和过程，其结果是其中某种或几种要素的方向、强度和空间分布等发生了一定改变，如复杂地形与水流态势（主流、缓流、回流、推压流、吸入流、扫弯水、漩水等）的耦合，船间效应、岸壁效应等耦合现象。

1.4通航环境信息可视化表达

按照通航环境要素的直观程度和动态特征，可以将通航环境可视化表达划分为3个层次：①对显著的、边界分明的通航环境要素的可视化表达，如岸线、地物、助航标志等；②对时空分布连续、不易见但对船舶导航有直接或间接影响的通航环境要素的可视化表达，如水下地形、水流态势等；③对时空分布渐变、具有周期性变化过程的环境要素的可视化表达，如水位等，需要着重表达变化规律的过程语义。特别地，通航环境要素信息量大且动态变化，需要利用LOD（levelofdetails）技术，在有限载荷前提下确保关键信息的清晰和可信表达，实现通航环境自适应动态可视化。

根据船舶复杂通航环境统一表示的概念模型，船舶可视导航需要解决不同环境要素的空间位置、语义表达、时空变化3个方面的统一表达问题。

因此，本发明提供一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法，包括以下步骤：

S1、建立几何层

几何层是对通航环境和主题要素的几何数据的描述，包括通航环境和主题要素的几何模型、初始位置和状态、船舶的运动捕捉数据、运动导航点位置等信息，是通航环境时空信息集成的基础。一般抽象为点、线、面、体4类，并根据不同要素的组合特征形成若干父类。复杂通航环境中的点、线、面、体要素与一般静态场景的几何形态和空间分布相比，主要区别在于水位等动态场的存在。同时，体对象不仅能够表达由简单面和参数曲面等所组成的实体及其复合体，还要能够表示不同体素所构成的复合对象。体对象支持通航环境中形状不规则或边界模糊的动态场的剖分和可视化分析。船舶等动态对象运动过程的几何描述是确定其动态位置的空间轨迹。

S2、物理层

物理层用来表示主题要素在通航环境中的物理特性和应该遵循的物理规律，这些物理特性和规律应用于复杂行为的表示，例如运动船舶的位置变化，连续动态变化的水下地形、水位及流场的模拟等。物理层对主题要素的描述使得主题要素的外部特征和行为更加真实，通过制定运动对象的路径规划，确定对当前状态反应的行为动作。通过LOD技术对通航环境中的对象进行多细节层次表示，在保留主题要素主要特征的基础上，提高渲染速度，减少实时渲染的计算开销；在帧频率恒定的情况下，提高通航环境中的角色数目。

S3、时态层

环境要素的几何属性和物理属性决定了时态特征，既包括直观易见、边界明确的单个实体，如地形、地物等，也包括空间分布连续变化、边界不明确的对象，如水位等。基于时间密度（离散、紧凑和连续），本文将通航环境主题要素的时态特征归纳为状态和过程。针对通航环境中船舶等动态对象运动轨迹连续渐变的特点，将研究的时间域指定为连续模型。状态和过程是对应于时刻和时间段的一对基本概念，一个动态要素在其活动周期里的某个时刻称为状态，整个活动周期或其中的某一时间域称为过程。因为观测数据和预测数据的时空分辨率的限制，动态对象活动周期内任意时刻的状态或任意一段时间的过程需要通过拟合和内插来实现。

S4、语义层

通航环境统一表示的数据模型中的语义层包括3类。专题语义包括通航环境中地形地物（如水下地形、岸线、码头、桥梁等）、水文条件（如水位等）、助航标志（如灯塔、灯桩、灯船、立标、浮标等）和威胁目标（如附近船只、碍航物等）及其相互耦合关系等语义。空间语义主要包括空间的位置、方向和速度等，与专题语义通过实体关联，是描述各专题要素的空间关系和实现空间分析的主要途径。过程语义将周期变化的动态环境要素的时间过程语义划分为产生阶段、发展阶段、稳定阶段、衰减阶段和消亡阶段。关联过程语义和专题语义的事件是引起主题要素发生状态变化的原因，其对要素状态的不断驱动构成了时空对象在其运动周期内的变化。通航环境专题要素运动变化的过程语义通过事件的抽象表达以及与专题语义的关联，反映出通航环境要素动态变化过程的物理本质及对船舶可视导航的影响。

面向船舶可视导航的通航环境表示研究将地形地物、水文条件、助航标志、危险目标集成到统一的时空框架下，通过构建面向可视导航的通航环境表示模型，实现了通航环境在虚拟现实技术下的数值映射，表达了通航环境主题要素的时空变化及其耦合作用。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、建立几何层：

包括通航环境和主题要素的几何模型、初始位置和状态、船舶的运动捕捉数据、运动导航点位置信息，首先抽象为点、线、面、体4类，并根据不同要素的组合特征形成若干父类；

S2、建立物理层：

用于表示主题要素在通航环境中的物理特性和应该遵循的物理规律，这些物理特性和规律应用于复杂行为的表示；通过LOD技术对通航环境中的对象进行多细节层次表示，在保留主题要素主要特征的基础上，提高渲染速度，减少实时渲染的计算开销；在帧频率恒定的情况下，提高通航环境中的角色数目；

S3、建立时态层：

基于时间密度，将通航环境和主题要素的时态特征归纳为状态和过程，针对通航环境中动态对象运动轨迹连续渐变的特点，将研究的时间域指定为连续模型；状态和过程是对应于时刻和时间段的一对基本概念，一个动态要素在其活动周期里的某个时刻称为状态，整个活动周期或其中的某一时间域称为过程；

定义1：动态对象的生命周期T=[t₀,t_n]，TR是场的时间域，对于任意一个时刻t_iT的三元函数F=f(x,y,z,t_i)，称为动态对象在t_i时刻的状态；

定义2：动态对象的生命周期T=[t₀,t_n]，TR是场的时间域，对于任意一个时间域[t_i,t_j]T的四元函数F=f(x,y,z,t)（t[t_i,t_j]），称为动态对象在时间域[t_i,t_j]内的过程；

动态对象活动周期内任意时刻的状态或任意一段时间的过程通过拟合和内插来实现；

S4、建立语义层：

包括3类，分别为专题语义、空间语义和过程语义；

专题语义包括通航环境中地形地物、水文条件、助航标志和威胁目标及其相互耦合关系；

空间语义包括空间的位置、方向和速度，与专题语义通过实体关联，是描述各主题要素的空间关系和实现空间分析的途径；

过程语义将周期变化的动态对象的时间过程语义划分为产生阶段、发展阶段、稳定阶段、衰减阶段和消亡阶段；

关联过程语义和专题语义的事件是引起主题要素发生状态变化的原因，其对主题要素状态的不断驱动构成了时空对象在其运动周期内的变化；通航环境主题要素运动变化的过程语义通过事件的抽象表达以及与专题语义的关联，反映出通航环境要素动态变化过程的物理本质及对船舶可视导航的影响。