面向船舶可視導航的通航環境可視化表示方法技術

本發明專利技術提供一種面向船舶可視導航的通航環境可視化表示方法，包括幾何層：包括通航環境和主題要素的幾何模型、初始位置和狀態、船舶的動態數據、運動導航點位置信息；物理層用于表示主題要素在通航環境中的物理特性和應遵循的物理規律；時態層基于時間密度，將通航環境和主題要素的時態特征歸納為狀態和過程，將研究的時間域指定為連續模型；建立語義層，包括專題語義、空間語義和過程語義，反映通航環境要素動態變化過程的物理本質及對船舶可視導航的影響。通過采用本發明專利技術方法，將通航環境和主題要素集成到統一的時空框架下，實現通航環境信息的集中、統一表示，提高了可視化時空分析的準確性和效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于船舶導航領域，尤其是一種。
技術介紹
船舶可視導航是一種將綜合視覺、航行和水上交通管理技術有機結合的新型導航方法，需要綜合考慮復雜通航環境，融合實時的船舶導航傳感器數據和環境傳感器數據，實現終端區環境信息精準的統一表示。影響可視導航的環境要素包括地形地物、水文條件、助航標志和危險目標，這些環境要素具有不同的物理性質，其空間尺度和時間變化尺度跨度大并且相互影響。要規避各種危險，必須要透徹感知船舶周圍環境。因此船舶終端區環境高效高精度的動態三維表示成為船舶可視導航的重要前提。現有表示方法基于不同的學科領域、孤立地開展，缺乏對航行船舶終端區環境的統一表示。通航環境信息表示分散使得導航決策需要的信息異構現象嚴重、融合困難、決策效率降低。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是:提供一種，將多源異構信息有機融合到統一的時空框架內，為船舶船舶通航提供可視化的時空分析。本專利技術為解決上述技術問題所采取的技術方案為:一種，其特征在于:它包括以下步驟: 51、建立幾何層: 包括通航環境和主題要素的幾何模型、初始位置和狀態、船舶的運動捕捉數據、運動導航點位置信息，首先抽象為點、線、面、體4類，并根據不同要素的組合特征形成若干父類； 52、建立物理層: 用于表示主題要素在通航環境中的物理特性和應該遵循的物理規律，這些物理特性和規律應用于復雜行為的表示；通過LOD技術對通航環境中的對象進行多細節層次表示，在保留主題要素主要特征的基礎上，提高渲染速度，減少實時渲染的計算開銷；在幀頻率恒定的情況下，提高通航環境中的角色數目； 53、建立時態層: 基于時間密度，將通航環境和主題要素的時態特征歸納為狀態和過程，針對通航環境中動態對象運動軌跡連續漸變的特點，將研究的時間域指定為連續模型；狀態和過程是對應于時刻和時間段的一對基本概念，一個動態要素在其活動周期里的某個時刻稱為狀態，整個活動周期或其中的某一時間域稱為過程； 定義1:動態對象的生命周期T=，TR是場的時間域，對于任意一個時間域T的四元函數F=f (X，y, z, t) (t)，稱為動態對象在時間域Iiti, tj]內的過程；動態對象活動周期內任意時刻的狀態或任意一段時間的過程通過擬合和內插來實現； S4、建立語義層: 包括3類，分別為專題語義、空間語義和過程語義； 專題語義包括通航環境中地形地物、水文條件、助航標志和威脅目標及其相互耦合關系; 空間語義包括空間的位置、方向和速度，與專題語義通過實體關聯，是描述各主題要素的空間關系和實現空間分析的途徑； 過程語義將周期變化的動態對象的時間過程語義劃分為產生階段、發展階段、穩定階段、衰減階段和消亡階段； 關聯過程語義和專題語義的事件是引起主題要素發生狀態變化的原因，其對主題要素狀態的不斷驅動構成了時空對象在其運動周期內的變化；通航環境主題要素運動變化的過程語義通過事件的抽象表達以及與專題語義的關聯，反映出通航環境要素動態變化過程的物理本質及對船舶可視導航的影響。本專利技術的有益效果為:通過采用本專利技術方法，可以將通航環境和主題要素集成到統一的時空框架下，實現了通航環境信息的集中、統一表示，提高了時空分析的準確性和效率；通過時空數據一體化表示，將矢量與標量結合、動態與靜態結合、離散與連續結合，建立了一體化的數據模型；通過4層模型結構，實現了通航環境在虛擬現實技術下的數值映射；通過時空現象耦合模型，表達了通航環境主題要素的時空變化及其耦合作用。【附圖說明】圖1為本專利技術一實施例的概念模型圖。圖2為本專利技術一實施例的動態三維GIS數據模型圖。【具體實施方式】下面結合具體實例和附圖對本專利技術做進一步說明。針對船舶導航決策對通航環境數據高效組織管理和高性能多維可視化分析的需求，首先要建立船舶復雜通航環境要素的幾何模型、物理模型和過程模型的集成表示，將多源異構信息有機融合到統一的時空框架內，并提供高效精確的時空分析，其概念模型如圖1所示。統一的時空框架下，通航環境的表示模型是一種可計算、推理和全息感知的信息模型。從圖1可見，復雜通航環境表示模型包含四方面的內容:時空數據一體化表示、多源異構信息融合、復雜時空現象耦合、通航環境信息可視化表達。L I時空數據一體化表示 船舶通航環境要素一般包括地形地物、水文條件、助航標志和危險目標，種類多、分布廣且有動態變化的特點，時空數據一體化表示將包括這些環境要素的幾何模型、物理模型及顯示其動態變化的過程模型。與傳統三維GIS數據表示模型相比，需要將矢量與標量結合、動態與靜態結合、離散與連續結合，建立一體化的數據模型和數據結構。1.2多源異構信息融合 多源異構信息融合包括語法和語義兩層含義:語法上，多源信息需要統一時空基準、尺度轉換和配準，以及傳播誤差修正等；語義上，多源通航環境數據語義眾多，不同專題語義的細節層次尺度不同，動態情景時空過程語義及關系語義比較復雜，需要統一描述過程語義和關系語義。船舶通航環境信息在采集過程中的多平臺和多傳感器特點導致數據在時空基準、表示方法、尺度、精度等方面存在不同程度差異，多源異構信息融合是面向船舶可視導航的通航環境表示的關鍵問題之一。1.3復雜時空現象耦合 復雜通航環境時空現象耦合是指地形地物、水文條件、助航標志、危險目標等環境要素相互影響的狀態和過程，其結果是其中某種或幾種要素的方向、強度和空間分布等發生了一定改變，如復雜地形與水流態勢(主流、緩流、回流、推壓流、吸入流、掃彎水、漩水等)的耦合，船間效應、岸壁效應等耦合現象。1.4通航環境信息可視化表達 按照通航環境要素的直觀程度和動態特征，可以將通航環境可視化表達劃分為3個層次:①對顯著的、邊界分明的通航環境要素的可視化表達，如岸線、地物、助航標志等對時空分布連續、不易見但對船舶導航有直接或間接影響的通航環境要素的可視化表達，如水下地形、水流態勢等?’③對時空分布漸變、具有周期性變化過程的環境要素的可視化表達，如水位等，需要著重表達變化規律的過程語義。特別地，通航環境要素信息量大且動態變化，需要利用LOD (level of details)技術，在有限載荷前提下確保關鍵信息的清晰和可信表達，實現通航環境自適應動態可視化。[00當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種面向船舶可視導航的通航環境可視化表示方法，其特征在于：它包括以下步驟：S1、建立幾何層：包括通航環境和主題要素的幾何模型、初始位置和狀態、船舶的運動捕捉數據、運動導航點位置信息，首先抽象為點、線、面、體4類，并根據不同要素的組合特征形成若干父類；S2、建立物理層：用于表示主題要素在通航環境中的物理特性和應該遵循的物理規律，這些物理特性和規律應用于復雜行為的表示；通過?LOD技術對通航環境中的對象進行多細節層次表示，在保留主題要素主要特征的基礎上，提高渲染速度，減少實時渲染的計算開銷；在幀頻率恒定的情況下，提高通航環境中的角色數目；S3、建立時態層：基于時間密度，將通航環境和主題要素的時態特征歸納為狀態和過程，針對通航環境中動態對象運動軌跡連續漸變的特點，將研究的時間域指定為連續模型；狀態和過程是對應于時刻和時間段的一對基本概念，一個動態要素在其活動周期里的某個時刻稱為狀態，整個活動周期或其中的某一時間域稱為過程；定義1：動態對象的生命周期T=[t0,tn]，TR是場的時間域，對于任意一個時刻tiT的三元函數F=f(x,y,z,ti)，稱為動態對象在ti時刻的狀態；定義2：動態對象的生命周期T=[t0,tn]，TR是場的時間域，對于任意一個時間域[ti,tj]T?的四元函數F=f(x,y,z,t)（t[ti,tj]），稱為動態對象在時間域[ti,tj]內的過程；動態對象活動周期內任意時刻的狀態或任意一段時間的過程通過擬合和內插來實現；S4、建立語義層：包括3類，分別為專題語義、空間語義和過程語義；專題語義包括通航環境中地形地物、水文條件、助航標志和威脅目標及其相互耦合關系；空間語義包括空間的位置、方向和速度，與專題語義通過實體關聯，是描述各主題要素的空間關系和實現空間分析的途徑；過程語義將周期變化的動態對象的時間過程語義劃分為產生階段、發展階段、穩定階段、衰減階段和消亡階段；關聯過程語義和專題語義的事件是引起主題要素發生狀態變化的原因，其對主題要素狀態的不斷驅動構成了時空對象在其運動周期內的變化；通航環境主題要素運動變化的過程語義通過事件的抽象表達以及與專題語義的關聯，反映出通航環境要素動態變化過程的物理本質及對船舶可視導航的影響。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：汪洋，魏曉陽，嚴新平，劉立群，王樂，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42