一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法，该方法不同于其他方法只适应于凸多边形边界的提取，而是对于各种形状的船舶锚泊区，都可以得到较为精细的船舶锚泊区边界。该方法通过计算锚泊点两两间，指定半径的外接圆是否包含其他点的方法，判断两点是否为边界点，从而确定锚泊点边界。该方法关键在于确定检测使用的外接圆半径R的数值，半径R若取大了，则外接多边形边界不够精细；而半径R取小了，则外接多边形边界可能无法闭合。本发明专利技术通过反馈训练半径的方法，自动训练合适的外接圆半径参数R，达到了自动提取船舶锚泊区边界的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法
本专利技术涉及一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法。
技术介绍
船舶交通管理系统VesselTrafficSystem是用于管理船舶交通、保障船舶安全航行的信息管理系统。随着人类商业生产活动的增加，进行水面作业航行的船舶数量越来越多，如何针对越来越多的水面船舶利用VTS系统进行有效服务与监管，是各类海事部门面临的问题。在水上作业的船舶往往因为不同作业类型锚泊在某地，例如水面正常锚泊、打鱼、盗取海沙等等。如果可以对这些常见船舶锚泊区进行分类、监控，可以有效地保障水上船舶正常作业、打击违法行为、减少事故发生的风险。例如，货船在远离岸边的非锚泊区域停泊，该区域可能为自发锚泊区，系统标记后，如果有货船在非官方锚泊区和自发锚泊区静止，则可能是一个异常行为；渔船经常锚泊的区域可能是传统的打鱼区，如果有货船在该区域异常停泊，则可能是仿冒货船的渔船在进行违规打鱼作业。但是不同类型的船舶，锚泊区往往也并不相同，辖区范围内的常见船舶锚泊区数量众多，且相同类型船舶的锚泊区也会随季节、时间发生变化。海事值班员依靠历史经验，想要手动提取船舶锚泊区，再根据时间不同进行人工更新会非常繁琐。现在海事部门使用的VTS系统基本都可以接入AIS数据，利用VTS系统累积的船舶AIS历史数据，对船舶航行速度小于一定阈值的点，进行基于密度聚类的方法，可以得到锚泊的船舶锚泊点集，但是根据这些点集，并不能直接获得船舶锚泊区边界，从而对实时船舶进行有效地异常行为监测。本专利技术需要解决的问题就是根据这些船舶锚泊点集训练得到较为精细的船舶锚泊区边界。常见的根据点集计算外接多边形边界的方法很多，但是都只适用于凸形外接多边形，例如Graham方法，Jarvis方法，极角旋转法等，这些方法算法简单训练速度快，但是对于一些凹形点集，往往会将凹形部分也包围进多边形内。而在VTS系统中，基于粗糙的边界进行的实时船舶监测会出现大量误判和漏判的问题，无法支持在海事系统中的应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法，包括如下步骤：步骤1，获取船舶锚泊点总集；步骤2，对步骤1中得到的船舶锚泊点总集进行基于位置的密度聚类，得到船舶锚泊点点集；步骤3，确定一个外接圆半径R，利用外接圆法自动提取步骤2得到的船舶锚泊点点集的边界线段集；步骤4，判断边界线段集中所有的边界线段是否能够组成一个闭合的多边形，如果是，则该多边形为一个船舶锚泊点集的锚泊区边界；步骤5，如果提取船舶锚泊区的边界失败，调整外接圆半径R，重复步骤3至步骤4，直到成功提取船舶锚泊区边界。步骤1包括如下步骤：步骤1-1，从数据库中导出目标船舶类型一段时间内，所有速度小于一定阈值的非连续锚泊点；步骤1-2，将船舶位置点经纬度位置数据转换成球面墨卡托投影的位置数据。步骤2中，使用DBSCAN的密度聚类方法，对船舶锚泊点总集中的点进行聚类。步骤3包括如下步骤：步骤3-1，对船舶锚泊点点集中的点两两取一个线段，并过滤掉长度大于2*R的线段，R表示外接圆半径；该外接圆是两个点在圆上，半径为R的外接圆，如果两点距离大于2R，则该外接圆不存在，无需计算其外接圆圆心位置。步骤3-2，如果线段距离小于2*R，求出该线段的两个外接圆圆心C1、C2，遍历船舶锚泊点点集中除该线段两个端点外的所有点，计算其到这两个圆心C1、C2的距离，如果两个外接圆中有任意一个外接圆不包含其他任何点，则该线段就是该船舶锚泊点点集的外接多边形的边界。步骤3-2中，采用如下方法两个外接圆圆心C1、C2：求出该线段P1P2的方向向量v1，v1为该线段两个端点坐标之差，v1＝p1-p2，p1和p2分别表示线段端点P1的坐标和端点P2的坐标，同时线段P1P2的中点坐标为Pmid＝0.5*(p1+p2)；根据向量垂直时点积为0的性质，求出线段P1P2的垂直向量v2；已知线段P1P2的长度和外接圆半径，根据勾股定理求出圆心到线段的距离dist；最后计算出两个外接圆圆心，圆心C1＝Pmid+dist*v2；圆心C2＝Pmid-dist*v2。步骤3-2中，如果船舶锚泊点点集内除线段端点外所有点到外接圆圆心C1的距离都大于外接圆半径R，则该线段为外接多边形边界；如果到C1的距离不全大于R，再计算除端点外所有点到外接圆圆心C2的距离，如果都大于外接圆半径R，则该线段同样为外接多边形边界；如果到C2的距离也不全大于R，则该线段不是外接多边形的边界，将外接多边形边界线段组成边界线段集。步骤4包括：从边界线段集中取出一条线段，将其两个端点作为多边形边界的第一点和第二点；然后在其余线段中寻找以第二点为一个端点的线段，该线段的另一个点，作为多边形边界的第三个点；再在其余线段中寻找以第三点为一个端点的线段，该线段的另一个点，作为多边形边界的第四个点；依次类推，直到最后一条线段的第二个端点正好为多边形边界的第一个点，形成一个闭合的多边形，则该多边形为船舶锚泊区的边界；在此过程中，如果在剩余线段中，找不到以多边形边界点为端点的线段，则提取船舶锚泊区的边界失败；如果多边形闭合，但边界线段集中还剩余其他线段待检测，则提取船舶锚泊区的边界失败。有益效果：海事辖区范围内，及时发现船舶的事故隐患和违章行为是海事监管人员的重要工作，其中有些种类的异常行为的标志是在非习惯锚泊区锚泊。而习惯船舶锚泊区数量众多，且相同类型船舶的锚泊区也会随季节、时间发生变化，海事值班员依靠历史经验，想要手动提取船舶锚泊区，再根据时间不同进行人工更新会非常繁琐。利用本专利技术可以自动提取近期辖区内船舶习惯锚泊区，以支撑系统自动发现在习惯锚泊区外停泊的船舶，并进行告警提示，帮助值班员及时高效地发现船舶异常行为，降低因事故导致的航行隐患。而普通点集边界提取方法往往精度不高，不支持凹多边形点集边界的提取，本专利技术采用的方法在平衡算法复杂度的情况下，支持凹多边形点集边界的提取，更适合该海事使用场景。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1是外接圆法求点集外接多边形示意图。图2是自动提取船舶锚泊区边界方法流程图。图3是外接圆检测法边界提取效果对比图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术提出了一种基于外接圆检测的方法来进行船舶常见锚泊区边界提取的方法，利用该方法可以得到较为精细的船舶锚泊区边界。该方法通过计算锚泊点两两间，指定半径的外接圆是否包含其他点的方法，判断两点是否为边界点，从而确定锚泊点边界，如图1所示。该方法关键在于外接圆半径R不好确定，半径R若取大了，则外接多边形边界不够精细；而半径R取小了，则外接多边形边界可能无法闭合。本专利技术通过反向训练半径的方法，自动训练合适的外接圆半径参数R，取得了一个较好的船舶锚泊区边界的效果。本专利技术的目的在于提供一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取的方法。从数据库中导出辖区内一段时间的某一类型船舶的AIS航迹动态点，并对这些点进行位置投影变换后进行基于密度的聚类。然后初设一个半径值R，对得到的点集中的点进行两两计算，先判断两点连成的线段长度是否大于一个阈值，该值为2倍的R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取船舶锚泊点总集；步骤2，对步骤1中得到的船舶锚泊点总集进行基于位置的密度聚类，得到船舶锚泊点点集；步骤3，确定一个外接圆半径R，利用外接圆法自动提取步骤2得到的船舶锚泊点点集的边界线段集；步骤4，判断边界线段集中所有的边界线段是否能够组成一个闭合的多边形，如果是，则该多边形为一个船舶锚泊点集的锚泊区边界；步骤5，如果提取船舶锚泊区的边界失败，调整外接圆半径R，重复步骤3至步骤4，直到成功提取船舶锚泊区边界。

【技术特征摘要】
1.一种基于外接圆检测的船舶常见锚泊区边界自动提取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取船舶锚泊点总集；步骤2，对步骤1中得到的船舶锚泊点总集进行基于位置的密度聚类，得到船舶锚泊点点集；步骤3，确定一个外接圆半径R，利用外接圆法自动提取步骤2得到的船舶锚泊点点集的边界线段集；步骤4，判断边界线段集中所有的边界线段是否能够组成一个闭合的多边形，如果是，则该多边形为一个船舶锚泊点集的锚泊区边界；步骤5，如果提取船舶锚泊区的边界失败，调整外接圆半径R，重复步骤3至步骤4，直到成功提取船舶锚泊区边界。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括如下步骤：步骤1-1，从数据库中导出目标船舶类型一段时间内，所有速度小于一定阈值的非连续锚泊点；步骤1-2，将船舶位置点经纬度位置数据转换成球面墨卡托投影的位置数据。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，使用DBSCAN的密度聚类方法，对船舶锚泊点总集中的点进行聚类。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括如下步骤：步骤3-1，对船舶锚泊点点集中的点两两取一个线段，并过滤掉长度大于2*R的线段，R表示外接圆半径；步骤3-2，如果线段距离小于2*R，求出该线段的两个外接圆圆心C1、C2，遍历船舶锚泊点点集中除该线段两个端点外的所有点，计算其到这两个圆心C1、C2的距离，如果两个外接圆中有任意一个外接圆不包含其他任何点，则该线段就是该船舶锚泊点点集的外接多边形的边界。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3-2中，采用如下方法两个外接圆圆心C1、C2：求出该线段P1P2的方向向量v1...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋远，沈昌力，王君，周士胜，徐凯，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32