三維數(shù)字航道圖的生成與發(fā)布方法技術(shù)

一種三維數(shù)字航道圖的生成方法，包括：（1）數(shù)字航道地形建模；（2）數(shù)字航道地物建模；（3）基于osgEarth構(gòu)建三維數(shù)字航道場景；（4）基于實(shí)時數(shù)據(jù)確定航道中船舶適航區(qū)域。本發(fā)明專利技術(shù)的三維電子航道圖能夠?qū)⑷绲匦巍⒌孛病⒌匚锏热S實(shí)體逼真的體現(xiàn)在電子航道平臺中，給用戶一種身臨其境的畫面感與真實(shí)感，為用戶提供了更直觀、更有效的交互體驗(yàn)，使得用戶可以更容易地掌控當(dāng)前水流條件下適合該船航行的區(qū)域，降低船舶事故發(fā)生的幾率。

Method for generating and releasing 3D digital channel map

Including the method to generate a 3D digital channel chart: (1) digital channel (2) digital terrain modeling; channel surface modeling; (3) constructing the 3D scene based on osgEarth digital channel; (4) the ship seaworthy regional channel is determined based on the real-time data. The invention of the three-dimensional electronic chart can be such as the terrain and physiognomy of realistic 3D entities such as reflected in the electronic channel platform, to give users a sense of the picture personally on the scene and sense of reality, provides a more intuitive and more effective interactive experience for the user, so that users can more easily control the current flow conditions for the ship sailing area, reduce the probability of ship accident.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
三維數(shù)字航道圖的生成與發(fā)布方法
本專利技術(shù)涉及一種三維數(shù)字航道圖的生成方法，尤其是基于實(shí)時數(shù)據(jù)的三維數(shù)字航道圖的生成方法。
技術(shù)介紹
航運(yùn)作為國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。而航道數(shù)字化是航運(yùn)信息化的重要組成部分與發(fā)展趨勢，對內(nèi)河航運(yùn)的安全與高效管理有著舉足輕重的作用。信息化是實(shí)現(xiàn)內(nèi)河水運(yùn)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。內(nèi)河電子航道圖（InlandElectronicNavigationCharts，IENCs）是數(shù)字航道的核心部分。當(dāng)前主要采用基于二維矢量電子航道圖輔以一系列決策分析系統(tǒng)對內(nèi)河通航情況進(jìn)行分析與管理。然而，隨著內(nèi)河水運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，內(nèi)河通航情況、運(yùn)輸方式等都發(fā)生了巨大的變化，同時也帶來了一系列新的問題。例如，大量新的沿江、跨江建筑物的修建使得內(nèi)河航道環(huán)境日益復(fù)雜。二維矢量電子航道圖與普通航道圖一樣都是基于抽象符號對現(xiàn)實(shí)世界的抽象與概括，不能直觀的還原顯示三維世界的真實(shí)信息，給使用者（尤其是非專業(yè)人士）辨識、分析與還原符號意義帶來一定的困難。三維可視化技術(shù)、空間信息技術(shù)等在數(shù)字地球領(lǐng)域已經(jīng)有很多的研究和應(yīng)用，但在智能航道研究方面國內(nèi)外仍處于探索階段。因此，仍然需要以三維的形式建立數(shù)字航道模型，該模型不僅具有河道水面的數(shù)據(jù)信息，而且還能真實(shí)的反映河底、河岸、沿江與跨江建筑物以及航標(biāo)的真實(shí)空間信息，逼真的再現(xiàn)航道真實(shí)環(huán)境，解決二維電子航道圖中的不足，并結(jié)合實(shí)際的地形、水情與實(shí)時的GPS定位信息等對航道通航情況進(jìn)行分析，目的是通過對智能航運(yùn)功能體系、水動力學(xué)模型并行計算技術(shù)、三維數(shù)字航道構(gòu)建技術(shù)的研究，開發(fā)多體系協(xié)同集成的智能航運(yùn)綜合仿真系統(tǒng)，形成多體系協(xié)同的智能航運(yùn)實(shí)時仿真技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，提高航運(yùn)管理的信息化水平與安全預(yù)警能力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提供了一種三維數(shù)字航道圖的生成方法，尤其是以下技術(shù)方案所確定的三維數(shù)字航道圖的生成方法。1、一種三維數(shù)字航道圖的生成方法，包括：（1）數(shù)字航道地形建模，包括大范圍低精度地形建模和小范圍較高精度航道地形建模；（2）數(shù)字航道地物建模，包括普通地物建模與典型地物建模；（3）基于osgEarth構(gòu)建三維數(shù)字航道場景，包括高程層數(shù)據(jù)可視化、影像層數(shù)據(jù)可視化、模型層數(shù)據(jù)可視化；（4）基于實(shí)時數(shù)據(jù)確定航道中船舶適航區(qū)域，包括：步驟100，輸入船舶參數(shù)，船舶參數(shù)包括船長、船寬、船高與吃水；步驟200，獲取（1）船舶數(shù)據(jù)，包括：經(jīng)緯度、航速、航向角；（2）航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)；和（3）水流數(shù)據(jù)，包括：水深、流速、流向；步驟300，計算最小通航參數(shù)閾值，包括最小航道水深、最小航道寬度、最小航道曲率半徑、最小凈高值和最小凈跨值；步驟400，確定適航區(qū)域，將航道中大于或等于所述最小通航參數(shù)閾值的區(qū)域標(biāo)記為船舶適航區(qū)域。OpenSceneGraph（OSG）是一個開源的三維引擎，被廣泛的應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計算、三維重建、地理信息、太空探索、石油礦產(chǎn)等領(lǐng)域。OSG采用標(biāo)準(zhǔn)C++和OpenGL編寫而成，可運(yùn)行在所有的Windows平臺、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX、Android和FreeBSD操作系統(tǒng)。osgEarth是一款用于OpenSceneGraph（OSG）中的規(guī)模化3D地景渲染工具箱，只需創(chuàng)建一個簡單的XML文件，指向影像、高程和矢量模型信息，導(dǎo)入OpenSceneGraph中，即可實(shí)現(xiàn)渲染。2、根據(jù)技術(shù)方案1的三維數(shù)字航道圖的生成方法，其中：步驟100，輸入船舶參數(shù)，船舶參數(shù)主要包括船長、船寬、船高與吃水；輸入船舶參數(shù)可以有兩種方式；一種是從數(shù)據(jù)庫中選擇已備案的船舶，可以從數(shù)據(jù)庫中選擇一條需要船舶，選擇好后該船舶的參數(shù)信息（船長、船高、船寬與吃水）自動錄入系統(tǒng)船舶參數(shù)欄中；另一種是針對數(shù)據(jù)庫中缺乏的船舶信息，手動進(jìn)行船舶參數(shù)輸入，輸入的信息主要包括船長、船寬、船高與吃水；步驟200，獲取（1）船舶數(shù)據(jù)，包括：經(jīng)緯度、航速、航向角；（2）航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)；和（3）水流數(shù)據(jù)，包括：航道內(nèi)如水深、流速、流向等水流數(shù)據(jù)；船舶數(shù)據(jù)可以通過船載GPS接收機(jī)獲取實(shí)時定位信息（經(jīng)緯度，航速，航向角）；航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)，地物包括航道內(nèi)地物和航道外地物，航道內(nèi)地物包括助航設(shè)施（浮標(biāo)、岸標(biāo)、燈船、燈塔等）和跨航道建筑（橋梁、索道等），航道外地物包括沿航道建筑、房屋、公園、花草等地面實(shí)物；可以通過獲取的船舶定位信息從預(yù)存于服務(wù)器中的航道數(shù)據(jù)庫中調(diào)取船舶所在地的航道數(shù)據(jù)；水流數(shù)據(jù)可以基于二維水動力學(xué)模型對航道通航水流條件進(jìn)行模擬而獲得，或者通過公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的水情信息獲得；步驟300，計算最小通航參數(shù)閾值，包括最小航道水深、最小航道寬度、最小航道曲率半徑、最小凈高值和最小凈跨值；基于上述船舶參數(shù)、水流數(shù)據(jù)和船舶數(shù)據(jù)，可以計算出對航道航行有較大影響的參數(shù)閾值（包括水深值、航寬值、凈高凈跨值、航道曲率半徑）；步驟400，確定適航區(qū)域，將航道中大于或等于所述最小通航參數(shù)閾值的區(qū)域標(biāo)記為船舶適航區(qū)域。3、根據(jù)技術(shù)方案2的三維數(shù)字航道圖的生成方法，其中步驟300的最小航道水深由下式計算得到：式中：H表示航道水深（m）；t為船舶吃水（m）；△H表示航道富裕水深（m）。其中，航道富裕水深是指船舶龍骨板外緣最低點(diǎn)至相應(yīng)河床底部之間的垂直距離，其作用就是讓船底與河底保持一定的安全距離，避免船舶出現(xiàn)觸底等事故。富裕水深值的計算需要考慮的因素有很多，如:（1）船舶在航行時，由于自身載重與壓力差，船舶將會產(chǎn)生一定量的下沉，這個下沉的水深通常占整個富裕水深值的三分之二以上，比較通用的有Huuska公式、Eryuzlu公式與Ankudinov公式，不同的公式有不同的使用范圍，應(yīng)根據(jù)船型特點(diǎn)、航道特點(diǎn)以及通航密度等因素進(jìn)行選擇，結(jié)合上述公式的計算方法，經(jīng)過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)修正，論文以下述船舶在寬敞淺水域中的下沉量（（））估算公式為例進(jìn)行分析：式中：表示船舶下沉量，即船舶動吃水量（m）；為船舶自身寬度；L為船舶自身長度；為船舶方形系數(shù)（與船速有關(guān)）；為船速（船舶上行時取，下行時取）。（2）船舶在航行時需要考慮推進(jìn)器的安全而預(yù)留一部分水深值，一來可以使船舶的操縱更加靈活，二來可以保證推進(jìn)器的安全避免觸底損壞；通常，對船舶航行時推進(jìn)器的安全有影響的水深吃水比為，對船舶航行時推進(jìn)器的安全有十分明顯影響的水深吃水比為[59]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在考慮船體固定下沉量之后，保持0.5~1.0m的船底預(yù)留水深即可保證船舶推進(jìn)器的安全運(yùn)行。（3）由于波浪等自然氣象原因的影響，通常也需要預(yù)留一定的水深。4、根據(jù)技術(shù)方案2的三維數(shù)字航道圖的生成方法，其中步驟300的最小航道寬度由下式計算得到：在順直航段中，單線的最小航道寬度為：，雙線的最小航道寬度為：在彎曲航段中，單線的最小航道寬度為：雙線的最小航道寬度為：其中，1）船舶航跡帶的寬度與船舶自身寬度、長度以及航行時的偏航角有關(guān)，可以根據(jù)下式計算：式中：為船舶在航行時的偏航角，三級航道通常偏航角取3°；2）航道預(yù)留富裕寬度D是指在保證船舶可以安全航行的前提下，不產(chǎn)生岸吸、互吸的現(xiàn)象所需要的最小富裕寬度，所謂本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種三維數(shù)字航道圖的生成方法，包括：（1）數(shù)字航道地形建模，包括大范圍低精度地形建模和小范圍較高精度航道地形建模；（2）數(shù)字航道地物建模，包括普通地物建模與典型地物建模；（3）基于osgEarth構(gòu)建三維數(shù)字航道場景，包括高程層數(shù)據(jù)可視化、影像層數(shù)據(jù)可視化、模型層數(shù)據(jù)可視化；（4）基于實(shí)時數(shù)據(jù)確定航道中船舶適航區(qū)域，包括：步驟100，輸入船舶參數(shù)，船舶參數(shù)包括船長、船寬、船高與吃水；步驟200，獲取（1）船舶數(shù)據(jù)，包括：經(jīng)緯度、航速、航向角；（2）航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)；和（3）水流數(shù)據(jù)，包括：水深、流速、流向；步驟300，計算最小通航參數(shù)閾值，包括最小航道水深、最小航道寬度、最小航道曲率半徑、最小凈高值和最小凈跨值；步驟400，確定適航區(qū)域，將航道中大于或等于所述最小通航參數(shù)閾值的區(qū)域標(biāo)記為船舶適航區(qū)域。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種三維數(shù)字航道圖的生成方法，包括：（1）數(shù)字航道地形建模，包括大范圍低精度地形建模和小范圍較高精度航道地形建模；（2）數(shù)字航道地物建模，包括普通地物建模與典型地物建模；（3）基于osgEarth構(gòu)建三維數(shù)字航道場景，包括高程層數(shù)據(jù)可視化、影像層數(shù)據(jù)可視化、模型層數(shù)據(jù)可視化；（4）基于實(shí)時數(shù)據(jù)確定航道中船舶適航區(qū)域，包括：步驟100，輸入船舶參數(shù)，船舶參數(shù)包括船長、船寬、船高與吃水；步驟200，獲取（1）船舶數(shù)據(jù)，包括：經(jīng)緯度、航速、航向角；（2）航道數(shù)據(jù)，包括：航道地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)；和（3）水流數(shù)據(jù)，包括：水深、流速、流向；步驟300，計算最小通航參數(shù)閾值，包括最小航道水深、最小航道寬度、最小航道曲率半徑、最小凈高值和最小凈跨值；步驟400，確定適航區(qū)域，將航道中大于或等于所述最小通航參數(shù)閾值的區(qū)域標(biāo)記為船舶適航區(qū)域。2.根據(jù)權(quán)利要求1的三維數(shù)字航道圖的生成方法，其中，大范圍低精度地形建模采用較低精度地形數(shù)據(jù)，然后與全球影像數(shù)據(jù)疊加，進(jìn)行地表真實(shí)紋理的貼圖；小范圍較高精度航道地形建模選用小范圍、大比例尺較高精度的地形數(shù)據(jù)來獲得更好的模擬可視化效果；優(yōu)選地，將高精度的高程數(shù)據(jù)疊加至低精度的高程數(shù)據(jù)上，顯示時高精度數(shù)據(jù)將覆蓋低精度數(shù)據(jù)，以得到更科學(xué)更逼真的模擬效果。3....

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張尚弘，范威威，
申請(專利權(quán))人：華北電力大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11