一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法技术

本发明专利技术公开了一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法，以距离和坡度作为路径搜索的评估指标，为平衡距离与坡度的相互影响，基于空间路径的距离函数和以指数函数构造的坡度函数，设计DA*算法的完备性函数

【技术实现步骤摘要】
一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法
本专利技术涉及路径规划
，具体是灾害救援中一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法。
技术介绍
灾害救援是国家或社会对因遭遇各种灾害而陷入困境的灾民进行抢救和援助的一项社会救助制度。在救援点和受灾点之间设计一条最佳的救援路径，使得救援人员、救援车辆、救援设备以最短时间抵达受灾点开展救援，是保证救援成功率的关键。而救援车辆和设备通常较为沉重，在坡度较高的地区，其行驶速度将受到极大的影响，而绕行则会延长距离，这些延迟了救援的速度。因此，如何在坡度和距离两方面进行平衡，在救援点和受灾点之间寻找一条最佳的路径，缩短救援抵达的时间，是灾害救援中需要解决的关键问题。当前，人们通行一般会采用电子地图选择路线，如百度地图、高德地图等。电子地图是数字地图的一种具体表现，通过对数字地图、遥感数字图象及自行数字化采集的数据进行可视化处理后，形成数字信号和模拟信号显示在计算机屏幕或数字设备上。电子地图的使用有其局限性：(1)因电子地图制作工作量大，地图更新慢；(2)电子地图并不完善，许多地区尚未被覆盖；(3)自然灾害也可能破坏电子地图所标定的路线；(4)电子地图只描述了道路的存在与否，而更详细的信息如坡度等则没有涉及。在这样的条件下，采用更底层的网格型数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)数据进行路径规划显得非常重要。但目前针对DEM数据的路径规划方法较少。在路径规划或寻路算法中，针对拓扑网络模型，真实道路中的交叉点、通畅程度、长宽、连通性等属性信息简洁、直观地以拓扑结构中的节点、长度、权值等要素表述，故寻路算法运算量小，效率高，更易于找到最优解；在DEM中，上述各要素都需要通过计算去发掘，寻路算法需要进行海量的运算，效率低下，且有可能找不到最优解。然而，DEM实现了对区域地形表面的数字化表达，是新一代的地形图，其应用领域已遍及地形图应用所涉及的各个行业。A*算法是一种解决图遍历问题的启发式路径搜索算法，其评价函数为f(n)＝g(n)+h(n)，其中，g(n)是搜索路径起点到当前迭代点的代价，决定了A*算法能否找到满足条件的路径，是A*算法的完备性部分，被称为完备性函数；h(n)是当前迭代点到搜索路径终点的估计代价，h(n)需要满足条件h(n)≤h*(n)，h*(n)为当前点到终点的真实代价，其决定了A*算法的搜索效率，是算法的启发性函数。A*寻路算法具有运算效率高，搜索空间小的优点。该算法可用于拓扑网络模型(如城市道路)及网格模型(如网格型数字高程模型)，被广泛应用于游戏地图寻路、行军路线规划、车辆越野路径规划、日志模型的校准等方面。但因DEM数据量大，A*算法在进行DEM数据处理时，需要迭代大量的点使得算法效率随着DEM数据尺寸的增加而急剧下降。同时，DEM分辨率作为刻画地形精确程度的一个重要指标，分辨率数值越小，分辨率越高，刻画的地形程度越精确，而数据量也呈几何级数增长，这也将降低A*算法的效率。为保证A*算法有解且效率高，需要针对具体的应用场景设计合适的评价函数。而目前基于DEM数据的A*寻路算法研究较少。
技术实现思路
针对灾害救援中的路径规划需求，本专利技术提出一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法。该方法针对灾害救援中救援人员、车辆和设备的运送对路径的坡度和距离需求，通过评估和约束DEM数据中的坡度、距离和DEM分辨率的影响，设计新的针对DEM数据的A*算法(本专利技术称该算法为DA*算法)评估函数，其在指定的坡度下尽可能地减少距离，提高算法效率和有效性，降低救援抵达时间，提高救援成功率。实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法，包括如下步骤：(1)DA*算法中基于指数函数构建新的完备性函数g(n)；在灾害救援中，首先需要能够搜索到一条从起点到终点的正确路径。因此，对DA*评估函数的设计中，先针对灾害救援对坡度和距离的路径需求，基于DEM数据，以坡度和距离设计DA*算法新的完备性函数g(n)，具体如下：g(n)＝d(n)+p(s(n))(1)其中，n为当前点，d(n)是以当前点与上一点的距离的函数，s(n)为当前点的坡度，p(s(n))是以当前点坡度为参数的函数。在DA*算法的路径搜索过程中，在每一个搜索点，都会有多个符合条件的点，而在路径优化时，选择评价函数值最小的点，其它点将被丢弃，因此d(n)仅需考虑当前点与上一点的距离关系。在基于规则网格的DEM数据中，距离的计算需要通过对空间路径的计算来获取。在车辆行驶中，若坡度过大，将会影响救援车辆和救援设备的通行。根据救援车辆和救援设备的需求，设置一个坡度阈值S0，并在阈值制约下进行路径搜索。为体现距离与坡度的相互影响，获取合理的代价值，在g(n)中，需要构建一个以坡度为参数的函数，使得当坡度大于等于坡度阈值S0时，该函数的值急剧增加，且其值大于距离函数值；否则，该函数值增长缓慢，其值小于距离函数值。在初等函数中，满足此变化规律的是指数函数。将指数函数引入坡度函数，将空间路径的计算引入距离函数，并以不同权重调整距离函数和坡度函数对完备性函数的影响，则g(n)的新函数构造如下：g(n)＝q×DG(n,n-1)+(1-q)×esg(n)(2)其中，q为调整距离函数与坡度函数的权重，DG(n,n-1)为当前点n与其上一点n-1的空间路径单元距离，sg(n)是当前点n的坡度。所述空间路径的距离计算，以点间的高程差和平面距离计算，DG(n,n-1)计算公式为：其中，H(n)为当前点的高程，H(n-1)为上一点的高程；L(n,n-1)是平面路径单元距离，其是空间路径在平面上的投影，受DEM数据分辨率的影响。DEM的分辨率是指DEM最小单元格的长度，分辨率数值越小，分辨率越高，刻画的地形程度越精确，L(n,n-1)越小。利用大地坐标，L(n,n-1)的计算公式如下：其中，(Xn,Yn)、(Xn-1,Yn-1)分别为当前点n与上一点n-1的大地坐标，X、Y分别为从DEM数据中所获取相关点的经度和纬度值；R＝6371393米，为地球半径。所述当前点n的坡度sg(n)计算公式为：其中，fx、fy分别为当前点东西方向的高程变化率和南北方向的高程变化率。在规则网格的DEM数据中，通常以中心点周围3×3的移动窗格计算fx、fy；fx、fy的计算方法有二阶差分、三阶不带权差分、简单差分等算法，本专利技术采用李天文等人(李天文,刘学军,陈正江,汤国安,李军锋.规则格网DEM坡度坡向算法的比较分析[J].干旱区地理.2004,27(3):398-404.)提出的三阶不带权差分模型的坡度计算方法，具体如下：其中，zi为窗格编号，g为窗格间距，是规则网格DEM数据中一个单元格的长度，单位为米，其随着DEM数据分辨率的不同而不同。(2)基于DEM分辨率自适应的完备性函数优化；对于公式(2)中的指数函数esg(n)，在变量sg(n)为10时，其值接近20000。此时，坡度函数值将远大于距离函数值。若通过调整权重q调整距离和坡度对完备性函数值的影响，会带来主观性影响。本专利技术将通过调整底数，实现坡度对指数函数值的影响。以实数a替换公式(2)中的指数函数esg(n)的底数e，则g(n)变换如下：g(n)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)DA*算法中基于指数函数构建新的完备性函数g(n)；针对灾害救援对坡度和距离的路径需求，基于DEM数据，以坡度和距离设计DA*算法新的完备性函数g(n)，具体如下：g(n)＝d(n)+p(s(n))  (1)其中，n为当前点，d(n)是以当前点与上一点的距离的函数，s(n)为当前点的坡度，p(s(n))是以当前点坡度为参数的函数；将指数函数引入坡度函数，将空间路径的计算引入距离函数，并以不同权重调整距离函数和坡度函数对完备性函数的影响，则g(n)的新函数构造如下：g(n)＝q×DG(n,n‑1)+(1‑q)×e

【技术特征摘要】
1.一种基于规则网格DEM数据的路径规划新方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)DA*算法中基于指数函数构建新的完备性函数g(n)；针对灾害救援对坡度和距离的路径需求，基于DEM数据，以坡度和距离设计DA*算法新的完备性函数g(n)，具体如下：g(n)＝d(n)+p(s(n))(1)其中，n为当前点，d(n)是以当前点与上一点的距离的函数，s(n)为当前点的坡度，p(s(n))是以当前点坡度为参数的函数；将指数函数引入坡度函数，将空间路径的计算引入距离函数，并以不同权重调整距离函数和坡度函数对完备性函数的影响，则g(n)的新函数构造如下：g(n)＝q×DG(n,n-1)+(1-q)×esg(n)(2)其中，q为调整距离函数与坡度函数的权重；DG(n,n-1)为当前点n与其上一点n-1的空间路径单元距离；sg(n)是当前点n的坡度；所述空间路径的距离计算，以点间的高程差和平面距离计算，DG(n,n-1)计算公式为：其中，H(n)为当前点的高程，H(n-1)为上一点的高程；L(n,n-1)是平面路径单元距离，其是空间路径在平面上的投影，受DEM数据分辨率的影响；利用大地坐标，L(n,n-1)的计算公式如下：其中，(Xn,Yn)、(Xn-1,Yn-1)分别为当前点n与上一点n-1的大地坐标，X、Y分别为从DEM数据中所获取相关点的经度和纬度值；R＝6371393米，为地球半径；所述当前点n的坡度sg(n)计算公式为：其中，fx、fy分别为当前点东西方向的高程变化率和南北方向的高程变化率；在规则网格的DEM数据中，通常以中心点周围3×3的移动窗格计算fx、fy；fx、fy的计算方法采用三阶不带权差分模型的坡度计算方法，具体如下：其中，zi为窗格编号，g为窗格间距，是规则网格DEM数据中一个单元格的长度，单位为米，其随着DEM数据分辨率的不同而不同；(2)基于DEM分辨率自适应的完备性函数优化；以实数a替换公式(2)中的指数函数esg(n)的底数e，则g(n)变换如下：g(n)＝DG(n,n-1)+asg(n)(7)为保证引入底数a后能够满足距离和坡度的约束关系，建立一个距离与坡度的关联表达式如下：DG(n,n-1)＝masg(n)(8)其中，m为调整距离与坡度的比例系数；在距离尽可能小，坡度尽可能大的情况下，若公式(8)成立，则a在公式(7)能够平衡距离与坡度对g(n)的影响；在公式(8)中，坡度取坡度阈值S0；令m＝10，坡度函数值远大于距离函数值距离；距离则取平面路径单位的距离，其小于等于对应的空间路径单位距离，以D0表示平面路径单位的平均距离，则公式(8)变换如下：平面路径单位只包含了南北、东西方向与对角线方向在规则网格中，东西与南北方向上的平面路径单位距离相等，而对角线方向则相互之间相等，因此，D0的计算方法就是求南北或东西方向与对角线方向的平面单位路径距离的均值，即：针对实际的规则网格DEM数据，任取一个点都可以计算出相应DEM数据分辨率下对应的D0值，则：将a代入公式(7)，此时，公式(3)计算的距离、公式(5)计算的坡...

【专利技术属性】
技术研发人员：张润莲，张鑫，张楚芸，叶志博，武小年，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45