一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法技术

本发明专利技术涉及船舶自动识别系统技术领域，尤其是一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法。本发明专利技术的一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法，数据清洗子模块将明显异常的数据更正过来，单条航道停留点子模块根据清洗后的数据计算出单条航道停留点，多条航道停留点聚类子模块在单航道停留点基础上进行聚类，得到多条航道停留点，确保航道分析原始数据的准确性，数据通过Douglas‑Peucker算法压缩轨迹数据后，采用Lcss算法找出两段轨迹相似的部分，同时通过动态时间规整Dynamic Time Warping(DTW)运算出航迹之间的相似度，采用DBScan算法将相似航迹聚类，通过图形描边算法和Lcss相似性算法结合实际业务场景进行航迹挖掘，多种算法的融合使用，提高了航迹挖掘的速度与精准度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法
本专利技术涉及船舶自动识别系统
，尤其是一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法。
技术介绍
AIS系统全称为船舶自动识别系统，由岸基设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术和电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。AIS系统配合GPS将船位、船速、改变航向率和航向等船舶动态结合船名、呼号、吃水和危险货物等船舶静态资料由甚高频(VHF)向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动静态资讯，得以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，有效保障船舶航行安全。在船舶航行过程中提供精确的航行轨迹，提高AIS大数据中航迹的分析速度与精准度，有效减少船舶碰撞、搁浅和触礁等重大海事的发生。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为了解决上述
技术介绍
中存在的问题，提供一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法，通过多种算法的融合应用提高AIS大数据中航迹的分析速度与精准度，有效减少船舶碰撞、搁浅和触礁等重大海事的发生。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法，其特征是：该方法包括以下步骤：步骤1，AIS数据处理通过中值滤波、均值滤波方法过滤数据中的异常值并修复数据；步骤2，AIS数据中航迹停留点计算设定时间阈值和距离阈值，计算锚点与锚点之间的时间跨度和空间距离，通过时间跨度和空间距离分别与设定时间阈值和距离阈值的对比，确定单条航线的停留点；通过球面介绍聚类算法将单条航线上的停留点聚类的方式来获得多条航线的停留点；步骤3，航迹停留点后台接口实现数据储存Hive模块和PostgreSQL通过JDBC连接，实现Hive数据到PostgreSQL数据库的迁移,采用Java技术，通过Vert.x工具集调取PostgreSQL数据库查询停留点数据；步骤4，指定参照航迹挖掘相似航迹使用Douglas-Peucker算法压缩轨迹数据后，采用Lcss算法找出两段轨迹相似的部分，同时通过动态时间规整DynamicTimeWarping(DTW)运算出航迹之间的相似度；步骤5，航道挖掘采用DBScan算法将相似航迹聚类，通过图形描边算法和Lcss相似性算法结合实际业务场景进行航迹挖掘。步骤6，异常航迹检测计算挖掘航道上的航迹点到航道两边的距离之和，通过对比该距离之和与航道宽度和设定偏离距离阈值距离之和来检测出异常航迹。AIS数据处理在数据清洗子模块中进行，AIS数据中航迹停留点计算分别在单条航道停留点子模块和多条航道停留点聚类子模块中进行。球面介绍聚类算法的部分条件语句增加了限制条件，采用增量的方式对停留点进行检测计算，球面介绍聚类算法中计算数据样本之间的距离，采用大圆距离得到更准确的相似性度量。PostgreSQL的扩展模块PostGIS支持所有OGC规范的"SimpleFeatures"类型，同时扩展了对3DZ,3DM,4D坐标的支持，通过PostGIS可提供矩形，圆形，多边形的停留点区域查询。DBScan算法里样本集中的距离计算采用动态时间规整DynamicTimeWarping(DTW)方法聚类。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法，数据清洗子模块将明显异常的数据更正过来，单条航道停留点子模块根据清洗后的数据计算出单条航道停留点，多条航道停留点聚类子模块在单航道停留点基础上进行聚类，得到多条航道停留点，确保航道分析原始数据的准确性；(2)使用Douglas-Peucker算法压缩轨迹数据后，采用Lcss算法找出两段轨迹相似的部分，同时通过动态时间规整DynamicTimeWarping(DTW)运算出航迹之间的相似度，采用DBScan算法将相似航迹聚类，通过图形描边算法和Lcss相似性算法结合实际业务场景进行航迹挖掘，多种算法的融合使用，提高了航迹挖掘的速度与精准度。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术中停留点检测的系统流程图。图2是本专利技术中航迹挖掘的流程图。图3是本专利技术中航道挖掘DBScan算法中聚类簇实例示意图。图4是本专利技术中航道挖掘DBScan算法中航迹计算的应用示意图。图5是本专利技术中动态时间规整DTW算法中的实施例示意图具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。图1、图2、图3、图4和图5所示的一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法,如图1所示，为了确保航道分析原始数据的准确性，对AIS接收数据的处理与AIS数据中航迹停留点的检测具体如下：步骤1，AIS的数据处理在数据清洗子模块中进行，AIS数据中一个点的经纬度的数值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，同时该点的经纬度的数值用该点的一个邻域中各点值的均值代替，数量大的AIS数据，可多次进行同样的方法处理，处理后的数据和原始数据对比后过滤掉偏差较大的数据，并用处理后的数据替换原始数据。步骤2，单条航道停留点子模块接收到数据清洗子模块清洗后的数据，设定时间阈值和距离阈值，在航行轨迹中选取一个锚点，检查当前锚点与后继锚点之间的距离是否大于设定的距离阈值，该锚点与距离阈值内的最后一个锚点之间的时间跨度大于设定的时间阈值，该锚点即为航迹中的停留点；步骤3，通过球面介绍聚类算法K-Means算法聚类单条航线停留点来获得多条航线的停留点，方法如下：1.为每个聚类确定一个初始聚类中心，这样就有k个初始聚类中心。2.将样本集中的样本按照最小距离原则分配到最邻近聚类。3.使用每个聚类中的样本均值作为新的聚类中心。4.重复步骤2.3，直到聚类中心不再变化。5.结束，得到k个聚类。在计算数据样本之间的距离时，使用大圆距离得到比常用相似度量欧氏距离更准确的相似性度量，在计算聚类中心时，用球面上计算中心点的方法来替换传统的欧氏距离方法。进一步的，为了提高航迹挖掘的速度，在挖掘相似航迹时使用Douglas-Peucker算法提前压缩轨迹数据，具体步骤如下：1.在曲线首尾两点A，B之间连接一条直线AB，该直线为曲线的弦。2.计算离弦AB距离最远的点与最大距离。3.比较最大距离与阈值，若小于阈值则舍弃该点，以AB弦作为曲线的近似。4.若大于阈值，则以此点将曲线划分成两段，并对两段曲线分别进行1-3步操作。进一步的，为了提高航迹挖掘的精准度，在挖掘相似航迹时采用Lcss算法找出两段轨迹相似的部分，同时通过动态时间规整DynamicTimeWarping(DTW)运算出航迹之间的相似度，具体操作步骤如下：1.找出最优解的性质，并刻划其结构特征。序列a共本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法，其特征是：该方法包括以下步骤：/n步骤1，AIS数据处理/n通过中值滤波、均值滤波方法过滤数据中的异常值并修复数据；/n步骤2，AIS数据中航迹停留点计算/n设定时间阈值和距离阈值，计算锚点与锚点之间的时间跨度和空间距离，通过时间跨度和空间距离分别与设定时间阈值和距离阈值的对比，确定单条航线的停留点；通过球面介绍聚类算法将单条航线上的停留点聚类的方式来获得多条航线的停留点；/n步骤3，航迹停留点后台接口实现/n数据储存Hive模块和PostgreSQL通过JDBC连接，实现Hive数据到PostgreSQL数据库的迁移,采用Java技术，通过Vert.x工具集调取PostgreSQL数据库查询停留点数据；/n步骤4，指定参照航迹挖掘相似航迹/n使用Douglas-Peucker算法压缩轨迹数据后，采用Lcss算法找出两段轨迹相似的部分，同时通过动态时间规整Dynamic Time Warping(DTW)运算出航迹之间的相似度；/n步骤5，航道挖掘/n采用DBScan算法将相似航迹聚类，通过图形描边算法和Lcss相似性算法结合实际业务场景进行航道挖掘。/n步骤6，异常航迹检测/n计算挖掘航道上的航迹点到航道两边的距离之和，通过对比该距离之和与航道宽度和设定偏离距离阈值距离之和来检测出异常航迹。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于AIS大数据的船舶航迹分析方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
步骤1，AIS数据处理
通过中值滤波、均值滤波方法过滤数据中的异常值并修复数据；
步骤2，AIS数据中航迹停留点计算
设定时间阈值和距离阈值，计算锚点与锚点之间的时间跨度和空间距离，通过时间跨度和空间距离分别与设定时间阈值和距离阈值的对比，确定单条航线的停留点；通过球面介绍聚类算法将单条航线上的停留点聚类的方式来获得多条航线的停留点；
步骤3，航迹停留点后台接口实现
数据储存Hive模块和PostgreSQL通过JDBC连接，实现Hive数据到PostgreSQL数据库的迁移,采用Java技术，通过Vert.x工具集调取PostgreSQL数据库查询停留点数据；
步骤4，指定参照航迹挖掘相似航迹
使用Douglas-Peucker算法压缩轨迹数据后，采用Lcss算法找出两段轨迹相似的部分，同时通过动态时间规整DynamicTimeWarping(DTW)运算出航迹之间的相似度；
步骤5，航道挖掘
采用DBScan算法将相似航迹聚类，通过图形描边算法和Lcss相似性算法结合实际业务场景进行航道挖掘。
步骤6，异常航迹检测
计算挖掘航道...

【专利技术属性】
技术研发人员：常兵，薛桢一，方芳，史金梁，
申请(专利权)人：江苏锐天信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32