一种拖网的双向插值拖网曲面重建与体积元容积计算的方法技术

本发明专利技术为一种拖网的双向插值拖网曲面重建与体积元容积计算的方法，涉及海洋渔业主要网具的工程技术领域，针对拖网水下变形后的曲面重建和容积估算问题，构造出一系列拖网曲面构造技术与容积估算方法：在本发明专利技术中，我们将利用水槽实验中取得的拖网关键节点的三维空间坐标，提出三次样条插值与三Heimite插值相结合的拖网曲面纵向插值法、横向环截面极坐标样条插值法、环截面法插值与垂直截面法插值相结合结果取均值等技术方法，对拖网所在曲面进行重建，然后利用有限元思想与体积元法计算重建曲面后的拖网容积。建曲面后的拖网容积。建曲面后的拖网容积。

【技术实现步骤摘要】
一种拖网的双向插值拖网曲面重建与体积元容积计算的方法


[0001]本专利技术涉及海洋渔业的工程
，尤其涉及一种拖网的双向插值法曲面重建与体积元法容积计算。

技术介绍

[0002]拖网是广泛用于海洋渔业的重要渔具。拖网的容积直接影响过滤水体的体积和渔获量，但拖网的形状不规则，尤其是水下变形后的网渔具容积计算，目前仍然是世界级难题和远洋渔具前沿研究课题。以最广泛使用于捕捞作业的中层拖网为例，为了计算拖网的体积，必须掌握拖网曲面上每个网目的空间坐标，但是实际上在水下这是不可能的。本专利技术基于水槽拖网实验的关键坐标数据，给出利用双向插值法重建拖网所在曲面的技术，然后利用体积元法对拖网容积计算的方法。
[0003]目前国内外尚未发现有关于拖网的曲面重建和拖网体积计算的研究。对于规则图形的渔具，例如圆柱形或方形网箱，曲面重构和体积计算可能相对容易。近年来，极少量文献提供了网箱体积的计算方法，基本上采用了粗糙的线性插值曲面与体积元容积算法。三维空间数据的插值方法已经比较成熟，例如线性插值、自然边界插值、多项式插值、样条插值等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于弥补目前水下拖网曲面重建与容积计算技术的缺失，提供一种利用双向插值法对拖网曲面进行重建与体积元法估算拖网容积的全新技术方法。
[0005]在本专利技术中，我们将利用水槽实验中提取的拖网关键节点的空间坐标，提出高效的多种插值方法相结合的混合综合方法，即三次样条插值、三次Hermite插值、极坐标样条插值法、环截面与纵截面双向插值等相结合，对拖网所在曲面进行重建，然后利用有限元思想与体积元法计算重建曲面后的拖网容积。
[0006]本专利技术所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
[0007]一种拖网的双向插值法曲面重建与体积元法容积计算的方法，包括如下步骤：
[0008](1)首先已经取得水流中拖网曲面上关键节点的空间坐标，其中以网口所在中心为坐标原点，以网口所在平面为YZ平面，以原点到拖网最尾端的端点线段的方向为X轴正方向，建立三维空间坐标系；
[0009](2)对沿X轴方向，利用三次样条插值与三次Heimite插值相结合对拖网曲面上纵向的关键坐标点进行插值，主体部分利用三次样条插值，末端利用三次Heimite插值；
[0010](3)在关键节点所在环截面的环上，利用周期性极坐标样条插值法求环上插值点的坐标；
[0011](4)环截面插值法，拖网表面划分为有限个不规则四边形网格和三角形网格。拖网表面上的任何插值点必然落在某个网格之内，过该插值点与X轴垂直的环截面与各网格有4交点，利用步骤(2)和(3)中方法相结合可得插值点的坐标。
[0012](5)垂直截面插值法，任意插值点与X轴所在平面和所有的关键点所在的环都有交点，过这些交点和拖网最尾部端点，利用步骤(2)中的方法插值可得插值点的坐标。
[0013](6)步骤(4)和(5)中的两种插值法相结合，插值点坐标取两种插值法结果的均值，得到拖网曲面各插值点的三维坐标，横向环与X方向纵向插值点连线的四边形网格群构成拖网所在曲面；
[0014](7)体积元细分，把网口中心原点到拖网最末端端点这段线段，沿X轴方向进行n等分，然后从网口YZ平面所在第一个环截面开始，依次每两个环截面与两环上对应坐标点X方向的纵向连线一起组成个多面几何体；对该多面几何体进行体积元拆分，拆分为有限多个空间四面体，每个四面体视为一个体积元。整个拖网被拆分成有限数量、依次相连且无缝相接的四面体体积元集。
[0015](8)利用步骤(6)中环上四边形网格插值点坐标和X轴上相应等分点坐标，计算每个四面体体积元的体积，所有体积元体积求和可得拖网容积。
[0016]本专利技术的有益效果在于：不仅提出新颖的拖网曲面重建技术方法，而且提供简单易实现的体积元法拖网容积计算方法，填补了国内外对于易变形不规则的水下网具的曲面重建和容积估算技术方法，对海洋渔具的工程应用和发展提供技术支撑。
附图说明
[0017]图1通过水槽实验提取的25个拖网关键节点(*号)坐标；以水流80cm/s的速度下的模型网实验。
[0018]图2XY坐标平面中沿X轴的局部插补；(a)三次Hermite插值；(b)三次样条插值；(C)混合三次样条和三次Hermite插值。
[0019]图3YOZ平面内网口坐标点的插值；(a)线性插值；(b)三次Hermite插值；(C)普通周期三次样条插值；(d)基于极坐标的周期性三次样条插值。
[0020]图4插值分解，原点O(0,0,0)和插值点P(x,y,z)；(a)环截面的插值，P(r,θ),x＝|OC0|,y＝rcosθ,z＝rsinθ.；(b)垂直截面的插值。
[0021]图5环截面法得到的拖网插值曲面(n＝60,m＝40)。
[0022]图6垂直截面法得到的拖网插值曲面(n＝60，m＝40)。
[0023]图7环截面法和垂直截面法结果取均值得到的拖网插值曲面(n＝60,m＝40)。
[0024]图8有限体积元分解(n＝20，m＝16)；(a)每个蛋糕状的环形体被分成十六个部分；(b)每个“蛋糕”部分被分解成三个四面体，例如1、2和3。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本专利技术。
[0026]本专利技术应用三次样条插值、三次Heimite插值以及周期性极坐标插值等基本插值原理，(1)单纯的三次样条插值法使得拖网尾部出现Range变形现象，单纯三次Heimite插值的曲线不够光滑。因此为了即得到纵向光滑的插值曲线，又使得尾部合理真实不变形，我们在X方向纵向拖网曲面上关键点的插值采取主体部分应用三次样条插值和尾部采用三次Heimite插值相结合的纵向插值法。(2)在和X轴垂直的纵向环截面的环上，采取以环所在中
心点为原点的周期性极坐标样条插值法得到环上所在拖网曲面各坐标点。(3)为了得到更加光滑逼真的拖网曲面，采用环截面法插值与垂直截面法插值相结合，取两种插值结果的均值来重建拖网曲面。(4)利用拖网重建的方法自身特征，从网口开始，每两个环截面之间组成类圆柱的旋转多面体，该环状多面体恰好可以分解为有限个四面体体积元，这些体积元的各顶点坐标为插值点坐标和X轴上的等分点坐标，全部已知，因此可以计算每个体积元的体积，所有体积元之和即为拖网的容积。
[0027]以上显示和描述了本专利技术的基本原理和主要特征和本专利技术的优点。
[0028](1)首先已经取得水流中拖网曲面上关键节点的空间坐标，其中以网口所在中心为坐标原点，以网口所在平面为YZ平面，以原点到拖网最尾端的端点线段的方向为X轴正方向，建立三维空间坐标系。本案例已经在水槽均匀流实验下取得25个拖网关键节点的三维空间坐标(*标记点，图1)；
[0029](2)对沿X轴方向，利用三次样条插值与三次Heimite插值相结合对拖网曲面上纵向的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拖网的双向插值拖网曲面重建与体积元容积计算的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先已经取得水流中拖网曲面上关键节点的空间坐标，其中以网口所在中心为坐标原点，以网口所在平面为YZ平面，以原点到拖网最尾端的端点线段的方向为X轴正方向，建立三维空间坐标系；(2)对沿X轴方向，利用三次样条插值与三次Heimite插值相结合对拖网曲面上纵向的关键坐标点进行插值，主体部分利用三次样条插值，末端利用三次Heimite插值；(3)在关键节点所在环截面的环上，利用周期性极坐标样条插值法求环上插值点的坐标；(4)环截面插值法，拖网表面划分为有限个不规则四边形网格和三角形网格。拖网表面上的任何插值点必然落在某个网格之内，过该插值点与X轴垂直的环截面与各网格有4交点，利用上述(2)和(3)中方法相结合可得插值点的坐标；(5)垂直截面插值法，任意插值点与X轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新峰，袁颖，李杰，汪旭升，王剑，
申请(专利权)人：广西中医药大学，
类型：发明
国别省市：