【毕业学位论文】（Word原稿）基于AIS和光栅海图的海上交通数据统计系统的研究-航海学轮机工程

基于 光栅海图的 海上交通数据统计系统的研究 中 文 摘 要 摘 要 随着经济全球化、贸易的不断加强、航运业的不断发展，使船舶数量不断增加。海上交通流量的不断增加， 使海上航行的安全问题越来越突出 。 为了减少海上交通事故，改善现存的交通或促进未来交通状况的好转，将事故和灾害发生的可能性降至最低，就需要采用一切有效手段收集海上交通的基本数据并随之进行统计分析和理论研究，以便从宏观上和微观上了解 和掌握海上交通的实际状况、基本特征和一般规律。从而为是否实施船舶定线制和分道通航 制 提供重要参考依据， 也 为 海上交通 管理 系统的前期论证提供一个较为可行的评判依据。 本论文主要完成以下内容： (1) 光栅海图显示平台 的实现 ； 基于 光栅海图的海上交通数据统计系统中 ， 光栅海图是 利用扫描仪扫描纸海图获得 的 。为了在光栅海图显示平台上叠加 须对其进行坐标校准，使 海图上的经纬度 坐标 值和屏幕象素坐标之间的一一对应 。本文采 用 +软件编程，实现对光栅海图的 校准 定位显示 。 (2)海 上交通数据 的 采集； 伴随着 备的普及，本文 采用 种先进导航设备进行数据采集。分析了 海上交通数据采集过程中需要解决的 关键 问题，即： 息的解码。针对 码和暗码 的差异 ，分别提出 不同的 解码方法，完成对船舶动态、静态以及航行状态等 息的解码。 (3) 以光栅海图为平台 ，显示 船舶 密度分布，再现船舶航迹。 以光栅海图为平台，把获取的 息直观地显示出来。再现 船舶 的 航迹分布、密度分布， 得到 海上交通状况的 初步 结论。 进而为后续的进一步数据分析奠定良好的基础。 本文结合 深圳东部 海域的实地 观测进行了具体的应用。 关键词：光栅海图； 息；交通流统计 英 文 摘 要 on IS of of of is by of s on In of on of at in it is to of to do on of be so as to it to or to on (1) up of in PG MP To be as in to (2) of of of be of IS as IS By of of be (3) of on By IS on of of s so on to of is of by of 目 录 目 录 第 1 章 绪论 . 1 言 . 1 论文研究的必要性 . 2 上交通流统计的现状 . 2 究目的 . 4 究必要性分析 . 4 论文的主要工作 . 5 章小节 . 5 第 2 章 光栅海图显示算法 . 6 卡托 (影 . 6 卡托投影（ 性质 . 8 度渐长率 . 8 卡托投影（ 数学基础 . 9 标的定位 . 11 卡托投影（ 反变换 . 11 卡托平面坐标和屏幕坐标的一一对应 . 14 验验证 . 15 栅海图显示平台的软件实现 . 16 栅海图定位的实现 . 16 栅海图定位的软件实现 . 17 图校正 . 18 栅海图的显示 . 22 章小节 . 23 第 3 章 基于 船舶交通流显示 . 24 息 . 24 息的内容 . 24 息类型 . 26 据格式分析及解码 . 29 数据包格式 . 30 目 录 息的解码 . 30 验部分 . 34 序实现 . 35 章小节 . 38 第 4 章 交通流数据的统计分析 . 39 舶交通流统计参数 . 39 舶密度及分布 . 40 舶航迹及分布 . 42 验及结果分析 . 43 度分布 . 43 迹分布 . 44 章小结 . 46 第 5 章 结论与展望 . 48 论 . 48 要工作 . 48 缺点分析 . 49 望 . 50 参 考 文 献 . 51 攻读学位期间公开发表论文 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 第 1 章 绪论 言 20 世纪 60 年代以来，世界经济与科学技术发展较快， 经济的全球化、贸易的加强、航运业的发展，使 船舶运输业也随之迅速发展， 船 舶数量不断增加： 出现了油轮、散货船、集装箱船与滚装船等专用船舶和水翼船等新型船舶，使得船舶种类日趋多样化；同时超级油船的不断出现，使得其他种类的船舶也趋于大型化方向发展。这些出现都导致了船舶交通流量的大大增加，使得港口和狭水道等水域变得拥挤，交通秩序时而紊乱，增大了有限水域内船舶的会遇次数，从而增加了船舶交通的危险度 ， 严重影响到海上行驶安全 1。 为了减少海上交通事故，改善现存的交通或促进未来交通状况的好转，将事故和灾害发生的可能性降至最低，就需要采用一切有效手段收集海上交通的基本数据并随之进行统计分析和 理论研究，以便从宏观上和微观上了解和掌握海上交通的实际状况、基本特征和一般规律。从而为是否实施船舶定线制和分道通航提供重要参考依据，为船舶管理提供有用的参考价值。因此， 对于海上交通流量的统计及分析， 是 对该水域的合理使用及是否引进船舶定线制、规划设计船舶定线制的基础。 为实施海上交通管理系统的前期论证提供一个较为可行的评判依据。 随着计算机、通信和互联网络技术的发展及在航海领域的应用，航海的方法和技术手段也正在发生巨大的变革。 电子海图显示与信息系统 (船舶自动识别系统 ( 船舶交通管理系统 (的出现都是以保障航行安全、提高生产效率和逐步实现航行的自动化为出发点的 2。 船舶自动识别系统 (一种新型的船用助航设备。其功能及性能标准是由国际海事组织 (国际航标协会 (3、国际电联 (国际组织共同研究制定的。其主要目的是通过为船舶操纵人员提供更加精确、详细的航行环境信息，使之能够更好地监视和控制船舶航行，加强海上航行的安全性。 出现和广泛应用，不仅 可以帮助识别船舶、协助进行目第 1 章 绪论 - 2 - 标跟踪 ,提高了海上航行的安全系数，也为海上船舶交通流调查提供了一种崭新而又可靠的方法 4。 对于收集的 号，以海图为显示平台进行显示，就可以直观、形象地看到船舶航行的轨迹、密度等，为船舶航线设计和管理提供辅助作用。 论文研究的必要性 上交通流统计的现状 对于数据的采集大体上有两种方法：海上交通观测和计算机仿真。海上交通观测，主要包括人工长期记录和先进导航设备观测两种方法。 (1) 计算机仿真 计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验 (虚拟仪器的虚拟实验 )的技术。通过这样 的模型试验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究，其本质是对系统数学模型进行数值计算 6。 随着计算机技术的发展，人们想到利用计算仿真技术来研究和预测船舶交通中所发生的问题，即进行船舶交通流仿真。 船舶交通仿真系统是一个动态仿真系统，它综合应用了系统科学、计算机科学、系统工程理论、随机网络理论、概率论、数理统计和时间序列分析等学科的理论。 通过实际的航道交通情况建立相应的数学模型，确定流量 (2) 海上交通观测 海上交通观测是交通调查最常用最基本的方法 5。因为交通观测是对 海上交通实况进行实时的调查，所以获得的数据较为可信。它是获得交通密度、船舶速度等原始数据的惟一方法。通常所说的海上交通调查主要指交通观测。 人工长期记录 ： 人工长期记录成为日常工作，一般需要技术人员在 24 小时不间断的前提下坚持数日 (一般为 3 天以上 )的持续工作。这种高要求、高负荷的工作无疑会给技术人员带来沉重的生理和心理压力，加之人员的技术水平和责任心参差不齐，必然会基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 在观测和数据处理过程中出现不同程度的错误，违背海上交通观测实事求是的原则，造成结果的失真。 先进导航设备观测： 雷达观测是海上交通观测方法中 最主要的方法。其优点是观测范围大，可以随时确定各船舶在雷达覆盖范围内的确切位置，因而可以获得交通量、交通密度、交通形式、船舶速度、船舶会遇和避碰行为等各类原始数据，还可以记录到船舶碰撞事故发生的整个过程。雷达观测基本不受天气条件影响，可在日夜和任何能见度条件下进行。雷达观测也有不足之处，如无法识别船舶，受距离和方位分辨力的限制，还受各种干扰回波的影响，在扩大观测范围时，往往探测不到小船的回波，两个目标回波接近再分离时难以区分等等 5。当然，利用先进的大型岸基雷达进行海上交通观测要比利用船用雷达好一些，前者 的覆盖范围和分辨力都优于后者。有些重要水道和港口建立了雷达台链 7,覆盖范围更广，如减小量程将进一步提高分辨力。 航空摄影：在观测广阔区域内的船舶交通时，为了获得船舶密度的数据和协助船舶自识别，常利用飞机在空中飞行观测海上交通情况并用摄影方法记录原始数据。由于飞机位于海面相当高的高度，故可根据某一时刻的照片推定几小时后的海上交通情况。这种方法耗资很大，只在重大海上交通调查中使用。 随着航海新技术 出现，除了可以实现雷达观测和航空摄影等常规手段可以实现的功能外，利用 动识别系统进行海上船舶交通流 调查不仅可以减轻工作人员负担和减少人为的错误、提供实时操纵数据，而且在夜间特别是能见度不良时观测的自动识别，有着重大的理论和现实意义。 国际海事组织 (定， 2002 年 7 月 1 日至 2008 年 7 月 1 日航行在国际航线 300 总吨以上的船舶和公约国航行于国内航线 500 总吨以上的船舶，分阶段执行配备船舶自动识别系统 备。 出现和广泛应用，不仅提高了海上航行的安全系数，也为海上船舶交通流调查提供了一种崭新而又可靠的方法。 第 1 章 绪论 - 4 - 究目的 随着经济全球化、贸易的不断加强、航运业的不断发展，使船舶数量不断增加，船舶会遇率的增加，意味着船舶之间碰撞事故发生的概率也随之增加。海上交通流量的不断增加，严重影响到海上行驶安全，这必然要导致财产和生命的损失甚至对环境造成长久的破坏，进而侵犯全社会长远的经济利益。 为了减少海上交通事故，改善现存的交通或促进未来交通状况的好转，将事故和灾害发生的可能性降至最低，就需要采用一切有效手段收集海上交通的基本数据并随之进行统计分析和理论研究，以便从宏观和微观上了解和掌握海上交通的实际状况、基本特征和一般规 律。从而为是否实施船舶定线制和分道通航提供重要参考依据，为船舶管理提供有用的参考。 究必要性分析 本文提出的方法：以光栅海图为显示平台，将 据源信息叠加之上显示，通过对海图上 息的分析可以得到相应船舶的位置、运动状况等，对该数据进行分析处理就可以得知海上交通流的分布规律。 其中， 为数据源，把船舶的动态、静态等相关信息发送到接收处理系统，输入到电子海图系统 (包括电子海图信息与显示系统 ( 电子海图信息与显示系统既可以显示标准的电子海图，又可以显示标准的 光栅海图。虽然是今后的发展趋势，但存在如下缺点： (1)虽然可以观测 据，但系统功能是确定的，一经购买，难以改变，而且对外开放； (2)使用的海图是标准的，由各国 官方的 航 道测量局 (门部门生产，满足际标准的数字海图。覆盖范围比较小需要分区购买，并且价格十分昂贵，不普及； (3)未提供海上交通流数据统计的功能； 所以，通过对电子海图信息与显示系统的分析，我们得出：研制一套以自制光栅海图为显示平台的海上交通数据统计系统是非常有必要的。 基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 论文的主要工作 本论文以光 栅海图为显示平台，采集 据信息并解码，并在光栅海图基础之上实现对船舶航迹的显示。通过对数据的统计和分析， 了解和掌握海上交通的实际状况、基本特征和一般规律 ， 从而为是否实施船舶定线制和分道通航提供重要参考依据，为船舶管理 和决策 提供有用的参考价值。 本论文主要完成以下内容： (1)光栅海图显示平台 的实现 ； 基于 光栅海图的海上交通数据统计系统中 ， 光栅海图是 利用扫描仪扫描纸海图获得 的 。为了在光栅海图显示平台上叠加 须对其进行坐标校准，使 海图上的经纬度 坐标 值和屏幕象素坐标 之间的一一对应 。本文采 用 +软件编程 8，实现对光栅海图的 校准 定位显示 。 (2)海上交通数据 的 采集； 伴随着 备的普及，本文 采用 种先进导航设备进行数据采集。分析了 海上交通数据采集过程中需要解决的 关键 问题，即： 息的解码。针对 码和暗码 的差异 ，分别提出 不同的 解码方法，完成对船舶动态、静态以及航行状态等 息的解码。 (3) 以光栅海图为平台 ，显示 船舶 密度分布，再现船舶航迹。 以光栅海图为平台，把获取的 息直观地显示出来。再现 船舶 的 航迹分布、密度分 布， 得到 海上交通状况的 初步 结论。 进而为后续的进一步数据分析奠定良好的基础。 章小节 本章首先分析了海上交通安全的重要性，提出海上交通流调查的意义。通过对海上数据采集方法的分析，以及 出现和广泛应用以及特点，提出采用 而保障船舶在海上的安全航行。通过分析光栅海图和电子海图显示与信息系统的优缺点，对于该研究采用光栅海图，即：对于 号的分析和处理，是在光栅海图显示平台基础之上的。明确了本课题的研究目的和必要性。 第 2 章 光栅海图显示算法 - 6 - 第 2 章 光栅 海图显示算法 光栅 海图是通过纸制海图扫描得到的，经过扫描后一般形成 式的文件。光栅海图一般是以像素或压缩的像素块为单位来表示图像，可以认为这种图形是由一个个的像素组成，彼此之间没有任何关系，也不考虑图像的内容，简单的说光栅图像就是一个点阵的概念 9。 航海图主要用于：在航行准备阶段标绘计划航线，在航行中确定船位并进行航迹绘算。 为了便于在航用海图上绘画恒向线航线和方位线，航海海图必须具备以下两个条件： (1) 图上的恒向线是直线； (2) 投影性质是等角的。 投影的过程中 ,由于经线和纬线的拉伸或压缩，肯定会造 成一定的误差，如 :长度变形，面积变形，角度变形。墨卡托投影方法能够满足实际航海中的角度不变性和恒向线的投影为直线的要求。 国际水道测量组织（ 决定：“航海图要用墨卡托投影，这是总的原则”。在航海图中，航海海图 的 95%以上 采用的是墨卡托投影方式。但墨卡托海图也有它的缺点 :在高纬度地区，长度和面积变形太大；图上量测精度不高，例如最短距离的大地线或大圆，在墨卡托海图上则为曲线。 对于大比例尺的航海图，则采用高斯 由于墨卡托投影方式在航海图中应用甚广，于是有必要对此投影方式进行研究。 卡托 (影 墨卡托 (影 ： 是 等角正圆柱投影 ，由荷兰 制图学家墨卡托 于 1569年拟 定 的。用一个与地轴方向一致的圆柱体面切于赤道，按等角条件，将球面上的经纬线投影到圆柱体面上，沿某一母线将圆柱体面剖开 ， 展 开 成平面 ， 即可构基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 成墨卡托投影 1。 假设地球被围在 一个 中空的圆柱里，其 标准 纬线 与圆柱相切接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅选定标准纬线上的 “ 墨卡托投影 ” 绘制出的地图。 如图 示： 图 卡托等角正投影图 影后，经纬线为相互平行的直线且正交，经线间隔相等；而纬线间隔自赤道开始，随纬度的增加向两极逐渐伸长，至极地为无穷大。墨卡托投影后的经纬线网格 10如图 示： 第 2 章 光栅海图显示算法 - 8 - E 0 0 0 E 0 3 0 E 0 6 0 E 0 9 0 E 1 2 0 E 1 5 0 E 1 8 0 W 1 5 0 W 1 2 0 W 0 9 0 W 0 6 0 W 0 3 0 E 0 0 0N 0 0N 3 0N 6 0S 3 0S 6 0图 卡托投影图 经纬线网格 he 墨卡托投影 （ 性质 墨卡托投影没有角度变形， 经纬线为相互平行的直线且正交，经线间隔相等；而纬线间隔自 标准纬线 开始，有纬度渐长的特点，随纬度的增加向两极逐渐伸长，至极地为无穷大。 墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显，但标准纬线无变形，从标准纬线向两极变形逐渐增大，但因为它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相互位置关系的正确。 在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点，墨卡托投影 地图常用作航海图和航空图，如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行，方向不变可以一直到达目的地，因此它对船舰在航行中定位、确定航向都具有有利条件，给航海者带来很大方便。 度渐长率 由墨卡托投影的性质和图 卡托投影后的经纬线网格 分布特点可知： 每经度 1 分的长度是相等的，不变的。而每纬度 1 分的长度是不相等的，是随着纬度的升高而逐渐变长的。 基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 在墨卡托海图上，由于存在纬度渐长现象，我们用纬度渐长率来度量。 从赤道到任意纬度（ ）的纬线之间的距离（ 2s a (式中： 纬度渐长率； a - 地球椭圆体的长半轴； e - 地球椭圆体的偏心率； 其中：2 式中： b - 地球椭圆体的短半轴； 经线之间的距离等于两条经线之间的经差的分数；纬线之间的距离等于这两条纬线的纬度渐长率之差。 卡托投影 （ 数学基础 众所周知地球为球体，而地图为平面的 11。海图显示的计算机屏幕也是一个平面坐标。因此，需要利用墨卡托投影的方式将地理坐标投影为墨卡托平面坐标，然后再将墨卡托平面坐标转换到屏幕坐标。建立以海图地理中心为屏幕中心的显示平面。 在取得平面的墨卡托投影之后，就能很方便的建立 标系：取 零子午线 或自定义原点经线与赤道的交点的投影为 原点，零子午线或自定义经线为纵坐标 Y 轴，赤道投影为横坐标 X 轴。这样可以通过一系列的公式将地理经纬度转换为墨卡托坐标系的平面 (x, y)坐标。 大地坐标系要变成墨卡托投影平面坐标系，需要坐标变换。变换后的海图在显示时需要将墨卡托投影平面坐标转换成计算机屏幕坐标。 总之，要想实现光栅海图的准确显示 , 关键技术是各种坐标体系之间精确、方便的变换 ,需要进行如下的正逆转换：大地坐标与墨卡托投影坐标系间的正逆变换 ,以及墨卡托投影坐标与计算机屏幕坐标系之间的正逆变换 12,13。如图 示： 第 2 章 光栅海图显示算法 - 10 - 图 地坐 标到墨卡托坐标，再到屏幕坐标的转换 正确理解海图坐标，必须搞清楚几个坐标系概念，下面对其进行说明： 首先说明几个涉及到的海图坐标系的概念 14,15： (1) 大地坐标系，简称大地坐标，即用大地经度、大地纬度和大地高度表示，这种坐标系是经典大地测量的一种通用坐标系。用地理经、纬度来表示船舶位置与物标位置也只在相应的大地坐标 系下成立，具有相对性 16。从 接收到的数据就是大地坐标系下的位置参数。在电子海图导航系统中采用 1954 年北京坐标系 ( 用坐标 , (纬度、经度 )表示。 (2) 平面直角坐标系简称平面坐标，即在绘制海图时，需要把大地坐标 ,通过墨卡托投影方式转换为平面直角坐标。 (3) 屏幕显示坐标系，简称屏幕坐标，即导航系统屏幕上显示的坐标。光栅海图应用系统下，在不同的显示比例尺及海图移动状态中，屏幕坐标将不 断变化。 在光栅海图应用系统中涉及的坐标变换算法，包括把大地坐标 , (纬度、经度 )转换为墨卡托投影的平面坐标，称之为墨卡托投影正变换；在导航过程中，根据需要显示出海图平面直角坐标对应的大地坐标经纬度坐标，称之为墨卡托投影逆变换。同时，也包括了从平面坐标到屏幕坐标之间的正逆变换。用户在计算机屏幕上看到的即是屏幕坐标。 基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 在海图上显示船舶航行功能、 号过程中，需要把大地坐标的经纬度通过中间变量的墨卡托投影平面坐标，最终转换不同显示比例尺下的屏幕坐标。同时，用户在 指定海图中某点位置时，需要从屏幕坐标通过中间变量的墨卡托投影平面坐标，转换到大地坐标的经纬度值。 标的定位 卡托投影 （ 反变换 (1) 墨卡托投影正变换 由投影理论可知，墨卡托正投影，由大地坐标 , (纬度、经度 ) 墨卡托投影的直角坐标 y,x 。其相关数学公式 17如下： 00ry (式 （ ， y,x - 墨卡托投影的直角坐标； - 大地坐标系的经度； q - 等量纬度（单位为弧度）； s s a 0准纬度的纬圈半径， 000 (其中，0准纬度处椭球的卯酉圈曲率半径 0220 s (0- 墨卡托投影的基准纬度； - 大地坐标系的纬度； a - 地球椭圆体的长半轴； 第 2 章 光栅海图显示算法 - 12 - e - 地球椭圆体的偏心率； 其中：2 式中： b - 地球椭圆体的短半轴； 综上所述：墨卡托投影正变换公式： 20220002200s i i a i o i o (计算得到的 y,x 是墨卡托投影直角平面的绝对值坐标。在绘制海图时，海图坐标的原点不是 (0, 0)，设海图平面直角坐标原点 y,时考虑到海图比例尺（ S）以及最后的换算单位为 最后的正变换公式为 ,10000 00 y, (2) 墨卡托投影反变换 墨卡托投影 反变换是由墨卡托平面坐标 00 y, , )。由墨卡托投影正变换公式 (知： y 和经度 之间是线性关系： 0ze r (其中，式 (的0 但是， x 和纬度 之间是非线性的，墨卡托投影的反解变换可归结为等量纬度基于 光栅海图的海上交通流统计与分析 的反解变换。即在式 (，已知 q 求 。 反解等量纬度的 代法如下： , . . . )2,1,0i(a r c t a (式 (， 2es a co f 2 迭代至 由式 (知 : (由式 ( : 则： 用示基准纬度b的墨卡托投影绝对坐标，则 ：， i i i i a a (可以看出式 (两项的值是极小的，实际上这两项是墨卡托投影算法的修正，因此第 1 次计算时可把后两项忽略，得到 的近似值 1 用下式计算 : 24t a a b0 (第 2 章 光栅海图显示算法 - 14 - 之后进行迭代，把式 (1 代入式 (的第三项 ，即得： i i i i a a (从而可以解出 。 这样计算得到的 值非常逼近 的真实值 加迭代的次数可提高转换精度 18。 卡托平面坐标和屏幕坐标的一一 对应 通过以上论述，实现了把经纬度信息转换成墨卡托平面直角坐标，但这和幕显示坐标有区别。屏幕显示坐标是以象素为单位的，所以要实现海图的定位，需要把墨卡托平面直角坐标转换成 屏幕显示坐标。 要实现经纬度坐标和屏幕坐标之间的一一对应，需要完成平面直角坐标和屏幕显示坐标变换之间的正反变换。 海图平面坐标的原点在左下角，横坐标向右递增，