[發(fā)明專利]一種基于空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故航跡模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011029837.0
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112150616B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉濤;雷正玲;高進(jìn)
• 申請（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06F30/27;G06V10/80;G06F113/20
• 代理公司: 太原申立德知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 郭海燕

1.一種基于空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故航跡模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1，采集基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和航道規(guī)劃數(shù)據(jù)；

步驟2，基于三維圖形學(xué)技術(shù)和空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)構(gòu)建多源空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故場景；

步驟3，構(gòu)建水上交通事故數(shù)據(jù)庫；

步驟4，將數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和過濾處理后存儲到水上交通事故數(shù)據(jù)庫中；

步驟5，創(chuàng)建事故船舶三維模型并通過航跡數(shù)據(jù)預(yù)處理、碰撞檢測處理以及航跡和姿態(tài)動態(tài)計(jì)算方法完成事故船舶航跡再現(xiàn)模擬；

所述步驟2，基于三維圖形學(xué)技術(shù)和空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)構(gòu)建多源空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故場景的具體方法是：多分辨率地形數(shù)據(jù)融合電子航道圖/海圖中提取的水深數(shù)據(jù)后構(gòu)成場景的底層網(wǎng)格，采用金字塔模型組織遙感影像數(shù)據(jù)，基于紋理映射和視點(diǎn)相關(guān)方法將切片和分層抽稀的遙感影像數(shù)據(jù)映射到場景底層網(wǎng)格上，構(gòu)成水上交通事故基礎(chǔ)場景；定義水上交通事故場景坐標(biāo)系，再對三維模型進(jìn)行坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)匹配，最后進(jìn)行三維模型融合處理；

所述定義水上交通事故場景坐標(biāo)系的具體方法是坐標(biāo)系原點(diǎn)為地心，X軸指向正東，Y軸指向北極，Z軸與X軸和Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系；

所述旋轉(zhuǎn)匹配的具體計(jì)算方法是：首先，構(gòu)建關(guān)于場景坐標(biāo)系Y軸的旋轉(zhuǎn)變換，旋轉(zhuǎn)角度為模型位置的經(jīng)度lon，旋轉(zhuǎn)變換矩陣如公式(1)所示：

然后，構(gòu)建關(guān)于場景坐標(biāo)系X軸的旋轉(zhuǎn)變換，旋轉(zhuǎn)角度為模型位置的緯度lat的負(fù)值，旋轉(zhuǎn)變換矩陣如公式(2)所示：

所述步驟5中航跡數(shù)據(jù)預(yù)處理的具體方法是：首先，計(jì)算船舶三維模型和水上交通事故場景中選取的參照物的模型軸向包圍盒，即OBB包圍盒；然后，按照兩個模型OBB包圍盒對角線的比值應(yīng)近似等于兩個模型實(shí)際物理尺寸的比值這一參照條件，進(jìn)行船舶三維模型的縮放，即歸一化處理；在歸一化處理后，按照水上交通事故三維場景中實(shí)體模型的加載方法經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移變換后將船舶三維模型加載到事故場景中；

所述步驟5中碰撞檢測處理的具體方法是：首先，由船舶位置坐標(biāo)A經(jīng)單位化后獲得主軸Ya的法向；然后，沿經(jīng)線方向取一個小的步長，獲得點(diǎn)B，將點(diǎn)B投影到A點(diǎn)處的切平面上與點(diǎn)A構(gòu)成向量，單位化后獲得向量X’，將向量X’繞主軸Ya旋轉(zhuǎn)船舶艏向角度a獲得主軸Za；最后，由Ya和Za采用右手螺旋法則叉乘計(jì)算得到主軸Xa，構(gòu)建OBB包圍盒，進(jìn)行空間相交計(jì)算，完成碰撞檢測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故航跡模擬方法，其特征在于：所述步驟5中船舶三維模型運(yùn)動航跡和姿態(tài)計(jì)算的具體方法是：首先進(jìn)行航跡檢測和插值基于航跡數(shù)據(jù)前一點(diǎn)的位置、數(shù)據(jù)庫中所記錄的船舶航向和航速信息，采用線性遞推的方法補(bǔ)足遺漏的航跡點(diǎn)或加密航跡數(shù)據(jù)，根據(jù)處理后的航跡數(shù)據(jù)動態(tài)刷新船舶三維模型的三維空間位置即可實(shí)現(xiàn)船舶三維模型的航跡計(jì)算；計(jì)算方法如公式(3)所示：

其中，P為補(bǔ)充點(diǎn)坐標(biāo)，P_before為前一點(diǎn)的坐標(biāo)，t為設(shè)置的航跡點(diǎn)采集時間間隔，為船舶速度向量；

在表征船舶三維模型趨向的局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，將沿某一方向軸的姿態(tài)變化分解為沿局部坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換，并通過構(gòu)建沿三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)矩陣來模擬船舶的橫搖和縱搖，旋轉(zhuǎn)變換可分別按公式(4)、(5)和(6)進(jìn)行計(jì)算，逆時針旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)角為正；

其中，θ_x、θ_y和θ_z分別表示圍繞X、Y和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，縱搖pitch對應(yīng)的是圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，艏搖yaw對應(yīng)的是圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)，橫搖roll對應(yīng)的是圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故航跡模擬方法，其特征在于：所述步驟1中的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和航道規(guī)劃數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、三維實(shí)體模型、電子航道圖/海圖。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間數(shù)據(jù)融合的水上交通事故航跡模擬方法，其特征在于：所述步驟3中水上交通事故數(shù)據(jù)庫用于管理事故相關(guān)數(shù)據(jù)，包括事故過程中氣象水文數(shù)據(jù)、事故船舶基礎(chǔ)信息和航跡狀態(tài)數(shù)據(jù)、信息備份和加密數(shù)據(jù)。