基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011029837.0 (22)申请日 2020.09.27 (71)申请人 上海海事大学 地址 201306 上海市浦东新区临港新城海 港大道1550号 (72)发明人 刘涛雷正玲高进 (74)专利代理机构 太原申立德知识产权代理事 务所(特殊普通合伙) 14115 代理人 郭海燕 (51)Int.Cl. G06T 17/00(2006.01) G06F 30/27(2020.01) G06K 9/62(2006.01) G06F 113/20(2020.01) (54)

2、发明名称 一种基于空间数据融合的水上交通事故航 迹模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于空间数据融合的水 上交通事故航迹模拟方法， 属于数据模拟技术领 域。 针对国内外还没有成熟的水上交通事故再现 模拟分析方法， 本发明通过多源空间数据融合的 水上交通事故场景， 为事故分析与判定提供综合 的空间信息服务， 在多源空间数据融合和AIS等 船舶航行数据的基础上， 研究了水上交通事故再 现模拟中的航迹模拟， 设计了基于多源空间数据 融合的水上交通事故航迹模拟方案， 给出了航迹 模拟实现的方法， 开发了基于多源空间数据融合 的水上交通事故航迹模拟系统， 并应用到船舶碰 撞这一典型水上交通事故，

3、为水上交通事故再现 模拟研究提供了新的应用模式。 权利要求书2页 说明书10页 附图4页 CN 112150616 A 2020.12.29 CN 112150616 A 1.一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特征在于： 包括以下步骤： 步骤1， 采集基础地理数据和航道规划数据； 步骤2， 基于三维图形学技术和空间数据处理技术构建多源空间数据融合的水上交通 事故场景； 步骤3， 构建水上交通事故数据库； 步骤4， 将数据进行提取和过滤处理后存储到水上交通事故数据库中； 步骤5， 创建事故船舶三维模型并通过航迹数据预处理、 碰撞检测处理以及航迹和姿态 动态计算方法完成事故船舶航

4、迹再现模拟。 2.根据权利要求1所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述步骤2， 基于三维图形学技术和空间数据处理技术构建多源空间数据融合的水 上交通事故场景的具体方法是： 多分辨率地形数据融合电子航道图/海图中提取的水深数 据后构成场景的底层网格， 采用金字塔模型组织遥感影像数据， 基于纹理映射和视点相关 方法将切片和分层抽稀的遥感影像数据映射到场景底层网格上， 构成水上交通事故基础场 景； 定义水上交通事故场景坐标系， 再对三维模型进行坐标系的旋转匹配， 最后进行三维模 型融合处理。 3.根据权利要求2所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法

5、， 其特 征在于： 所述定义水上交通事故场景坐标系的具体方法是坐标系原点为地心， X轴指向正 东， Y轴指向北极， Z轴与X轴和Y轴构成右手坐标系。 4.根据权利要求3所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述旋转匹配的具体计算方法是： 首先， 构建关于场景坐标系Y轴的旋转变换， 旋转 角度为模型位置的经度lon， 旋转变换矩阵如公式(1)所示： 然后， 构建关于场景坐标系X轴的旋转变换， 旋转角度为模型位置的纬度lat的负值， 旋 转变换矩阵如公式(2)所示： 5.根据权利要求4所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述步骤

6、5中航迹数据预处理的具体方法是： 首先， 计算船舶三维模型和水上交通 事故场景中选取的参照物的模型轴向包围盒， 即OBB包围盒； 然后， 按照两个模型OBB包围盒 对角线的比值应近似等于两个模型实际物理尺寸的比值这一参照条件， 进行船舶三维模型 的缩放， 即归一化处理； 在归一化处理后， 按照水上交通事故三维场景中实体模型的加载方 法经过旋转和平移变换后将船舶三维模型加载到事故场景中。 6.根据权利要求5所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述步骤5中碰撞检测处理的具体方法是： 首先， 由船舶位置坐标A经单位化后获得 权利要求书 1/2 页 2 CN 112

7、150616 A 2 主轴Ya的法向； 然后， 沿经线方向取一个小的步长， 获得点B， 将点B投影到A点处的切平面上 与点A构成向量， 单位化后获得向量X ， 将向量X 绕主轴Ya旋转船舶艏向角度a获得主轴Za； 最后， 由Ya和Za采用右手螺旋法则叉乘计算得到主轴Xa， 构建OBB包围盒， 进行空间相交计 算， 完成碰撞检测。 7.根据权利要求6所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述步骤5中船舶三维模型运动航迹和姿态计算的具体方法是： 首先进行航迹检测 和插值基于航迹数据前一点的位置、 数据库中所记录的船舶航向和航速信息， 采用线性递 推的方法补足遗漏的

8、航迹点或加密航迹数据， 根据处理后的航迹数据动态刷新船舶三维模 型的三维空间位置即可实现船舶三维模型的航迹计算； 计算方法如公式(3)所示： 其中， P为补充点坐标， Pbefore为前一点的坐标， t为设置的航迹点采集时间间隔， 为船 舶速度向量； 在表征船舶三维模型趋向的局部坐标系的基础上， 将沿某一方向轴的姿态变化分解为 沿局部坐标系三个坐标轴的旋转变换， 并通过构建沿三个坐标轴的旋转矩阵来模拟船舶的 横摇和纵摇， 旋转变换可分别按公式(4)、 (5)和(6)进行计算， 逆时针旋转时旋转角为正； 其中， x、 y和 z分别表示围绕X、 Y和Z轴旋转的角度， 纵摇pitch对应的是围绕X轴

9、旋转， 艏摇yaw对应的是围绕Y轴旋转， 横摇roll对应的是围绕Z轴旋转。 8.根据权利要求1所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述步骤1中的基础地理数据和航道规划数据包括地形数据、 遥感影像数据、 三维 实体模型、 电子航道图/海图。 9.根据权利要求1所述的一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 其特 征在于： 所述步骤3中水上交通事故数据库用于管理事故相关数据， 包括事故过程中气象水 文数据、 事故船舶基础信息和航迹状态数据、 信息备份和加密数据。 权利要求书 2/2 页 3 CN 112150616 A 3 一种基于空间数据融合的水上交

10、通事故航迹模拟方法 技术领域 0001 本发明属于数据模拟技术领域， 具体涉及一种基于空间数据融合的水上交通事故 航迹模拟方法。 背景技术 0002 我国是一个航运大国， 拥有丰富的水运资源， 港口众多、 船舶保有量巨大。 水上交 通运输是社会经济发展的基础战略性行业。 与其他交通运输方式不同， 水运交通具有运量 大、 能耗小、 成本低等多项优势。 同时， 水上交通运输行业具有高风险性， 并且随着经济和科 技的发展， 船舶日趋高速化和大型化， 再加上船舶的危险品货物运输属性， 致使水上交通运 输事故频发而且事故影响较大。 因此， 针对水上交通运输通航环境和交通事故的研究越来 越引起人们的重视。

11、 进行事故处理分析时， 交通管理部门和相关机构需要借助计算机动画 来模拟交通事故的发生过程， 用以了解事故致因和辅助责任判定。 近年来， 随着计算机图形 学的快速发展， 采用三维动画方式来再现模拟实际交通事故过程， 以明确事故过程中各参 与方的运动状态， 这种事故责任判定的处理方式正越来越受到认可。 0003 在道路交通领域中， 交通事故再现模拟研究较为成熟。 学者们对事故再现模拟研 究中涉及的事故现场图构建、 汽车轮胎动力学模型、 碰撞过程解析模型和碰撞过程三维模 拟技术等内容进行了大量研究， 尤其是对汽车碰撞的过程解析模型研究较多。 刘志强等基 于不确定度理论研究了二轮车与汽车碰撞车速计算

12、， 通过数值计算和PC-Crash模拟实验验 证了计算模型的有效性。 张健等采用矩阵理论方法分析汽车碰撞模型中碰撞前车速和力学 参数误差的相互关系， 并通过实例分析给出了采用不同坐标系的碰撞模型中力学参数误差 的范围。 Zou等研究了交通事故再现模拟结果的不确定性， 分析了上下界方法和有限差分方 法与响应面方法应用于仿真结果不确定性分析的优缺点。 Buck等人采用三维模型、 多层螺 旋CT和核磁共振成像技术进行道路交通事故模拟分析， 研究了交通事故中车辆行驶方向的 确定、 车辆损坏的伤害相关性和事故发展评估等问题。 可以看出， 道路交通事故的再现模拟 研究成果较多， 研究较为系统全面。 000

13、4 水上交通事故再现是指船舶发生交通事故后， 利用事故船舶上所采集到的航行状 态数据(如航向、 航速、 船位等)， 结合计算机仿真技术， 将事故发生过程进行二维或三维的 再现模拟， 让人们以直观的方式了解事故发生的全过程。 目前， 水上交通事故再现模拟研 究， 尤其是船舶碰撞事故再现研究， 一直是国内外水上交通事故分析的重要研究方向， 并且 已经取得了一定研究成果。 针对水上交通事故再现模拟， 目前研究较多的是基于计算机仿 真技术的研究、 基于有限元分析方法的研究等。 基于计算机仿真技术， 利用VDR和AIS等设备 采集的数据对事故前后船舶的航向和航迹等状态信息进行三维或者二维模拟。 利用船舶

14、操 纵模拟器， 采用实操实验反复推演事故过程， 获得事故过程的模拟。 有限元分析方法的研究 基于事故发生时的气象水文数据和船舶航行数据， 采用数值模拟方法对事故过程进行数值 仿真。 毛喆对水上交通事故再现模拟现有的方式进行分析， 指出应将基于计算机仿真技术 的方法和基于有限元分析的方法相结合来研发二维或三维的水上交通事故再现模拟软件， 说明书 1/10 页 4 CN 112150616 A 4 构建类似于道路交通领域的事故再现模拟软件PC-Crash等用于辅助水上交通事故分析和 责任判定。 在此基础上， 毛喆还提出应该建立水上交通事故时空数据库， 结合数据挖掘等理 论方法， 以更好地辅助事故分

15、析。 目前， 国内外还没有成熟的水上交通事故再现模拟分析软 件用于事故的分析。 因此， 有必要开展这方面的研究， 来提高我国水上交通事故分析和责任 判定的水平。 0005 相比于道路交通事故再现模拟研究， 水上交通领域事故再现模拟研究相对较少， 现有的一些研究多以逼真地模拟通航地理环境为前提来进行事故再现模拟研究， 缺乏融合 辅助事故责任判定的重要航道图/海图等信息， 少有基于多源空间数据融合的水上交通事 故再现模拟研究。 将航道图/海图等信息与真实地理环境相结合来实现水上交通事故再现 模拟， 既可以提供较直观真实的事故现场环境， 又可以提供辅助事故分析和责任判定的重 要信息。 这样， 不仅能

16、够达到事故再现模拟的逼真性， 而且能够提高事故分析和责任判定的 效率和可靠性。 0006 近年来， 随着计算机图形学和GIS等理论和方法的进步， 三维GIS、 三维导航监控等 地理空间信息应用得到了快速发展， 信息采集更加便捷， 可视化理论和方法更加成熟。 在三 维船舶导航和监控领域， 刘涛等人提出了多源空间数据融合的三维船舶导航和监控系统， 所提出的系统中融合了遥感影像、 电子航道图、 地形数据、 三维模型和AIS等数据， 提出了一 种新的航道数据组织模型。 发明内容 0007 针对上述问题本发明提供了一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方 法。 0008 为了达到上述目的， 本发明采

17、用了下列技术方案： 0009 一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 包括以下步骤： 0010 步骤1， 采集基础地理数据和航道规划数据； 0011 步骤2， 基于三维图形学技术和空间数据处理技术构建多源空间数据融合的水上 交通事故场景； 0012 步骤3， 构建水上交通事故数据库； 0013 步骤4， 将数据进行提取和过滤处理后存储到水上交通事故数据库中； 0014 步骤5， 创建事故船舶三维模型并通过航迹数据预处理、 碰撞检测处理以及航迹和 姿态动态计算方法完成事故船舶航迹再现模拟。 0015 进一步， 所述步骤2， 基于三维图形学技术和空间数据处理技术构建多源空间数据 融合的水

18、上交通事故场景的具体方法是： 多分辨率地形数据融合电子航道图/海图中提取 的水深数据后构成场景的底层网格， 采用金字塔模型组织遥感影像数据， 基于纹理映射和 视点相关方法将切片和分层抽稀的遥感影像数据映射到场景底层网格上， 构成水上交通事 故基础场景； 定义水上交通事故场景坐标系， 再对三维模型进行坐标系的旋转匹配， 最后进 行三维模型融合处理。 水上交通事故场景中用到的三维实体模型由3DS MAX等软件基于三 维模型本身坐标系进行建模。 0016 进一步， 水上交通事故场景坐标系定义为： 坐标系原点为地心， X轴指向正东， Y轴 指向北极， Z轴与X轴和Y轴构成右手坐标系。 说明书 2/10

19、 页 5 CN 112150616 A 5 0017 进一步， 所述旋转匹配的具体计算方法是： 首先， 构建关于场景坐标系Y轴的旋转 变换， 旋转角度为模型位置的经度lon， 旋转变换矩阵如公式(1)所示： 0018 0019 然后， 构建关于场景坐标系X轴的旋转变换， 旋转角度为模型位置的纬度lat的负 值， 旋转变换矩阵如公式(2)所示： 0020 0021 将电子航道图/海图数据分为三类： 实体物标、 人工划分矢量信息和水深数据。 实 体物标和水深数据按照前面所述方法进行处理。 人工划分矢量信息是指等深线、 等深区、 锚 泊区等人为划分的助航矢量信息。 将从电子航道图/海图中提取的这些矢

20、量信息组织为通 用SHP格式数据文件， 参考S-52显示标准， 在水上交通事故场景中加载这些矢量信息进行融 合处理。 0022 进一步， 所述步骤5中航迹数据预处理的具体方法是： 首先， 计算船舶三维模型和 水上交通事故场景中选取的参照物的模型轴向包围盒， 即OBB包围盒； 然后， 按照两个模型 OBB包围盒对角线的比值应近似等于两个模型实际物理尺寸的比值这一参照条件， 进行船 舶三维模型的缩放， 即归一化处理； 在归一化处理后， 按照水上交通事故三维场景中实体模 型的加载方法经过旋转和平移变换后将船舶三维模型加载到事故场景中。 在前期所研究空 间数据组织模型的基础上， 进一步研究水上交通事故

21、航迹模拟。 在系统加载船舶三维模型 前， 首先需要进行三维模型归一化处理， 即将船舶三维模型缩放到相对于所构建水上交通 事故三维场景的正确比例。 本申请采用参照物方法， 首先按照场景中的参照物归一化第一 个加载的船舶三维模型， 其他船舶三维模型的归一化以此船舶三维模型作为参照物， 并且 采用同样的参照计算。 0023 根据水上交通事故三维场景， 以及水上交通事故数据库中存储的船舶尺寸信息， 如船长等， 对船舶三维模型进行相对比例缩放， 实现船舶三维模型的归一化处理， 从而使得 航迹模拟更加准确真实。 0024 进一步， 所述步骤5中碰撞检测处理的具体方法是： 首先， 由船舶位置坐标A经单位 化

22、后获得主轴Ya的法向； 然后， 沿经线方向取一个小的步长， 获得点B， 将点B投影到A点处的 切平面上与点A构成向量， 单位化后获得向量X ， 将向量X 绕主轴Ya旋转船舶艏向角度a获 得主轴Za； 最后， 由Ya和Za采用右手螺旋法则叉乘计算得到主轴Xa， 构建OBB包围盒， 进行空 间相交计算， 完成碰撞检测。 碰撞检测用来检测两个或多个物体模型之间是否发生接触。 碰 撞检测算法的基本框架是首先进行初步检测， 然后逐步求精和进行精确相交计算。 基于物 体空间的碰撞检测算法常采用树型检索结构和包围盒来加速计算。 上述的碰撞检测处理是 指在水上交通事故三维场景中判断事故参与方三维模型的碰撞的处

23、理。 通常， 不同物标的 实际物理轮廓不同， 如船舶多呈立体矩形， 浮鼔呈圆柱体型等等。 本申请针对不同物标的物 说明书 3/10 页 6 CN 112150616 A 6 理轮廓属性， 设计不同的包围盒以加速碰撞检测的计算， 如为船舶、 桥梁物标采用长方体包 围盒， 而为浮鼔物标采用圆柱体包围盒等等。 长方体包围盒有两种： 坐标轴向包围盒(Axis- Aligned Bounding Box， AABB)和模型轴向包围盒(Oriented Bounding Box， OBB)。 0025 OBB包围盒的构建依赖于三维模型网格点的趋向。 OBB包围盒更加贴合模型， 用于 碰撞检测计算能得到更加

24、精确的结果。 而且， 当三维模型发生姿态变化时， 不需要重新计算 模型的OBB包围盒。 0026 在水上交通事故再现模拟领域， 应以精确为首要条件。 因此， 本申请选择OBB包围 盒来加速船舶碰撞检测的计算。 但是， 构建OBB包围盒的通常方法计算较为复杂， 需要进行 协方差矩阵计算、 特征值和特征向量的计算等来确定主轴方向， 而且由于船舶三维模型网 格点分布并不规则， 采用由协方差矩阵所计算得到的特征向量作为主轴并不准确。 0027 进一步， 所述步骤5中船舶三维模型运动航迹和姿态计算的具体方法是： 首先进行 航迹检测和插值基于航迹数据前一点的位置、 数据库中所记录的船舶航向和航速信息， 采

25、 用线性递推的方法补足遗漏的航迹点或加密航迹数据， 根据处理后的航迹数据动态刷新船 舶三维模型的三维空间位置即可实现船舶三维模型的航迹计算； 计算方法如公式(3)所示： 0028 0029其中， P为补充点坐标， Pbefore为前一点的坐标， t为设置的航迹点采集时间间隔， 为船舶速度向量； 0030 在表征船舶三维模型趋向的局部坐标系的基础上， 将沿某一方向轴的姿态变化分 解为沿局部坐标系三个坐标轴的旋转变换， 并通过构建沿三个坐标轴的旋转矩阵来模拟船 舶的横摇和纵摇， 旋转变换可分别按公式(4)、 (5)和(6)进行计算， 逆时针旋转时旋转角为 正； 0031 0032 0033 003

26、4 其中， x、 y和 z分别表示围绕X、 Y和Z轴旋转的角度， 纵摇pitch对应的是围绕X轴 旋转， 艏摇yaw对应的是围绕Y轴旋转， 横摇roll对应的是围绕Z轴旋转。 0035 航迹数据采集时， 事故船舶的航迹数据记录可能会出现采集间隔大、 数据遗漏等 问题。 在航迹模拟过程中， 会出现跳跃和不同步的现象。 为了保证航迹模拟的同步， 避免数 说明书 4/10 页 7 CN 112150616 A 7 据采集遗漏等带来的影响， 首先需要进行航迹检测和插值。 本申请基于航迹数据前一点的 位置、 数据库中所记录的船舶航向和航速信息， 采用线性递推的方法补足遗漏的航迹点或 加密航迹数据。 00

27、36 进一步， 所述步骤1中的基础地理数据和航道规划数据包括地形数据、 遥感影像数 据、 三维实体模型、 电子航道图/海图。 0037 进一步， 所述步骤3中水上交通事故数据库用于管理事故相关数据， 包括事故过程 中气象水文数据、 事故船舶基础信息和航迹状态数据、 信息备份和加密数据。 0038 与现有技术相比本发明具有以下优点： 0039 在多源空间数据融合的基础上设计了水上交通事故航迹模拟的技术方案， 研究了 水上交通事故航迹模拟方法， 并进行了船舶碰撞再现模拟实验。 可以广泛应用于水上交通 事故分析和责任判定等， 为专家进行水上交通事故分析提供集成、 有效的信息支持， 为水上 交通事故再

28、现模拟研究提供新模式。 本申请所开发的基于多源空间数据融合的水上交通事 故航迹模拟系统中并没有进行模型的毁伤处理和分析。 利用物理仿真技术进一步提高本系 统的仿真效果， 并将系统迁移到VR显示设备上， 将是未来需要持续研究的工作。 附图说明 0040 图1为水上交通事故场景构建流程图； 0041 图2为水上交通事故场景水上视图； 0042 图3为水上交通事故场景水下视图； 0043 图4为水上交通事故航迹模拟方案流程图； 0044 图5为局部坐标系示意图； 0045 图6为航迹模拟的大范围场景图； 0046 图7为航迹模拟的局部场景图； 0047 图8为下降过程模拟示意图； 0048 图9为下

29、降后陷入过程模拟示意图。 具体实施方式 0049 实施例1 0050 一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 包括以下步骤： 0051 步骤1， 采集基础地理数据和航道规划数据； 基础地理数据和航道规划数据包括地 形数据、 遥感影像数据、 三维实体模型、 电子航道图/海图。 0052 步骤2， 基于三维图形学技术和空间数据处理技术构建多源空间数据融合的水上 交通事故场景； 多分辨率地形数据融合电子航道图/海图中提取的水深数据后构成场景的 底层网格， 采用金字塔模型组织遥感影像数据， 基于纹理映射和视点相关方法将切片和分 层抽稀的遥感影像数据映射到场景底层网格上， 构成水上交通事故基础

30、场景； 定义水上交 通事故场景坐标系， 再对三维模型进行坐标系的旋转匹配， 最后进行三维模型融合处理。 0053 水上交通事故场景坐标系定义为： 坐标系原点为地心， X轴指向正东， Y轴指向北 极， Z轴与X轴和Y轴构成右手坐标系。 0054 旋转匹配的具体计算方法是： 首先， 构建关于场景坐标系Y轴的旋转变换， 旋转角 说明书 5/10 页 8 CN 112150616 A 8 度为模型位置的经度lon， 旋转变换矩阵如公式(1)所示： 0055 0056 然后， 构建关于场景坐标系X轴的旋转变换， 旋转角度为模型位置的纬度lat的负 值， 旋转变换矩阵如公式(2)所示： 0057 0058

31、 步骤3， 构建水上交通事故数据库； 水上交通事故数据库用于管理事故相关数据， 包括事故过程中气象水文数据、 事故船舶基础信息和航迹状态数据、 信息备份和加密数据。 0059 步骤4， 将数据进行提取和过滤处理后存储到水上交通事故数据库中； 0060 步骤5， 创建事故船舶三维模型并通过航迹数据预处理、 碰撞检测处理以及航迹和 姿态动态计算方法完成事故船舶航迹再现模拟。 0061 航迹数据预处理的具体方法是： 首先， 计算船舶三维模型和水上交通事故场景中 选取的参照物的模型轴向包围盒， 即OBB包围盒； 然后， 按照两个模型OBB包围盒对角线的比 值应近似等于两个模型实际物理尺寸的比值这一参照

32、条件， 进行船舶三维模型的缩放， 即 归一化处理； 在归一化处理后， 按照水上交通事故三维场景中实体模型的加载方法经过旋 转和平移变换后将船舶三维模型加载到事故场景中。 0062 碰撞检测处理的具体方法是： 首先， 由船舶位置坐标A经单位化后获得主轴Ya的法 向； 然后， 沿经线方向取一个小的步长， 获得点B， 将点B投影到A点处的切平面上与点A构成 向量， 单位化后获得向量X ， 将向量X 绕主轴Ya旋转船舶艏向角度a获得主轴Za； 最后， 由Ya 和Za采用右手螺旋法则叉乘计算得到主轴Xa， 构建OBB包围盒， 进行空间相交计算， 完成碰 撞检测。 0063 航迹数据采集时， 事故船舶的航

33、迹数据记录可能会出现采集间隔大、 数据遗漏等 问题。 在航迹模拟过程中， 会出现跳跃和不同步的现象。 为了保证航迹模拟的同步， 避免数 据采集遗漏等带来的影响， 首先需要进行航迹检测和插值。 本申请基于航迹数据前一点的 位置、 数据库中所记录的船舶航向和航速信息， 采用线性递推的方法补足遗漏的航迹点或 加密航迹数据。 0064 船舶三维模型运动航迹和姿态计算的具体方法是： 首先进行航迹检测和插值基于 航迹数据前一点的位置、 数据库中所记录的船舶航向和航速信息， 采用线性递推的方法补 足遗漏的航迹点或加密航迹数据， 根据处理后的航迹数据动态刷新船舶三维模型的三维空 间位置即可实现船舶三维模型的航

34、迹计算； 计算方法如公式(3)所示： 0065 0066其中， P为补充点坐标， Pbefore为前一点的坐标， t为设置的航迹点采集时间间隔， 为船舶速度向量； 说明书 6/10 页 9 CN 112150616 A 9 0067 在表征船舶三维模型趋向的局部坐标系的基础上， 将沿某一方向轴的姿态变化分 解为沿局部坐标系三个坐标轴的旋转变换， 并通过构建沿三个坐标轴的旋转矩阵来模拟船 舶的横摇和纵摇， 旋转变换可分别按公式(4)、 (5)和(6)进行计算， 逆时针旋转时旋转角为 正； 0068 0069 0070 0071 其中， x、 y和 z分别表示围绕X、 Y和Z轴旋转的角度， 纵摇p

35、itch对应的是围绕X轴 旋转， 艏摇yaw对应的是围绕Y轴旋转， 横摇roll对应的是围绕Z轴旋转。 0072 实施例2 0073 一种基于空间数据融合的水上交通事故航迹模拟方法， 包括以下步骤： 0074 步骤1， 采集基础地理数据和航道规划数据； 基础地理数据和航道规划数据包括地 形数据、 遥感影像数据、 三维实体模型、 电子航道图/海图。 0075 步骤2， 基于三维图形学技术和空间数据处理技术构建多源空间数据融合的水上 交通事故场景； 从图1构建流程中可以看出， 多源空间数据融合的水上交通事故场景构建涉 及的数据包括： 地形数据、 遥感影像数据、 三维实体模型、 电子航道图/海图等数

36、据。 多分辨 率地形数据融合电子航道图/海图中提取的水深数据后构成场景的底层网格， 采用金字塔 模型组织遥感影像数据， 基于纹理映射和视点相关方法将切片和分层抽稀的遥感影像数据 映射到场景底层网格上， 构成水上交通事故基础场景； 定义水上交通事故场景坐标系， 0076 水上交通事故场景坐标系定义为： 坐标系原点为地心， X轴指向正东， Y轴指向北 极， Z轴与X轴和Y轴构成右手坐标系。 0077 再对三维模型进行坐标系的旋转匹配， 最后进行三维模型融合处理。 0078 旋转匹配的具体计算方法是： 首先， 构建关于场景坐标系Y轴的旋转变换， 旋转角 度为模型位置的经度lon， 旋转变换矩阵如公式

37、(1)所示： 0079 0080 然后， 构建关于场景坐标系X轴的旋转变换， 旋转角度为模型位置的纬度lat的负 说明书 7/10 页 10 CN 112150616 A 10 值， 旋转变换矩阵如公式(2)所示： 0081 0082 将电子航道图/海图数据分为三类： 实体物标、 人工划分矢量信息和水深数据。 实 体物标和水深数据按照前面所述方法进行处理。 人工划分矢量信息是指等深线、 等深区、 锚 泊区等人为划分的助航矢量信息。 将从电子航道图/海图中提取的这些矢量信息组织为通 用SHP格式数据文件， 参考S-52显示标准， 在水上交通事故场景中加载这些矢量信息进行融 合处理。 融合效果如图

38、2和图3所示。 其中， 图2给出了多源空间数据融合的水上交通事故场 景的水上视图效果， 图3给出了多源空间数据融合的水上交通事故场景的水下视图效果。 0083 步骤3， 构建水上交通事故数据库； 水上交通事故数据库用于管理事故相关数据， 包括事故过程中气象水文数据、 事故船舶基础信息和航迹状态数据、 信息备份和加密数据。 0084 步骤4， 将数据进行提取和过滤处理后存储到水上交通事故数据库中； 0085 步骤5， 创建事故船舶三维模型并通过航迹数据预处理、 碰撞检测处理以及航迹和 姿态动态计算方法完成事故船舶航迹再现模拟。 0086 航迹数据预处理的具体方法是： 首先， 计算船舶三维模型和水

39、上交通事故场景中 选取的参照物的模型轴向包围盒， 即OBB包围盒； 然后， 按照两个模型OBB包围盒对角线的比 值应近似等于两个模型实际物理尺寸的比值这一参照条件， 进行船舶三维模型的缩放， 即 归一化处理； 在归一化处理后， 按照水上交通事故三维场景中实体模型的加载方法经过旋 转和平移变换后将船舶三维模型加载到事故场景中， 如图4所示。 水上交通事故再现模拟是 水上交通安全研究领域的一个重要方向， 客观准确的水上交通事故现场勘查信息是再现模 拟的基础。 船舶航行数据的实时采集和监控对事故再现模拟、 事故分析、 责任判定等具有至 关重要的作用， 既可极大地提高通航安全， 又可加快事故的处理速度

40、。 随着AIS技术的完善， 我国在沿江沿海岸的AIS基站建设方面已初见成效。 目前， 交通运输部己在长江口、 长江干 线、 珠江口、 渤海湾、 宁波-舟山港区等地分别建立了AIS基站。 而且， 随着AIS在长江干线的 应用推广， 交通管理部门正积极实现整个内河航道的测绘和AIS监控范围覆盖， 如积极推进 广西内河航道的测绘和AIS基站建设等。 这些基础建设为我国水上交通事故再现模拟研究 提供了基础船舶航行数据监控支持。 将采集到的基础地理数据和航道规划数据进行处理， 通过水上交通事故场景构建方法， 构建多源信息融合的水上交通事故场景。 然后， 构建水上 交通事故数据库， 将采集到的VDR、 A

41、IS等船舶航行数据进行提取和过滤等处理后存储到此 数据库中。 0087 碰撞检测用来检测两个或多个物体模型之间是否发生接触。 碰撞检测算法的基本 框架是首先进行初步检测， 然后逐步求精和进行精确相交计算。 基于物体空间的碰撞检测 算法常采用树型检索结构和包围盒来加速计算。 针对不同物标的物理轮廓属性， 设计不同 的包围盒以加速碰撞检测的计算， 如为船舶、 桥梁物标采用长方体包围盒， 而为浮鼔物标采 用圆柱体包围盒等等。 长方体包围盒有两种： 坐标轴向包围盒(Axis-Aligned Bounding Box， AABB)和模型轴向包围盒(Oriented Bounding Box， OBB)。

42、 0088 OBB包围盒的构建依赖于三维模型网格点的趋向。 OBB包围盒更加贴合模型， 用于 说明书 8/10 页 11 CN 112150616 A 11 碰撞检测计算能得到更加精确的结果。 而且， 当三维模型发生姿态变化时， 不需要重新计算 模型的OBB包围盒。 0089 在水上交通事故再现模拟领域， 应以精确为首要条件。 因此， 选择OBB包围盒来加 速船舶碰撞检测的计算。 但是， 构建OBB包围盒的通常方法计算较为复杂， 需要进行协方差 矩阵计算、 特征值和特征向量的计算等来确定主轴方向， 而且由于船舶三维模型网格点分 布并不规则， 采用由协方差矩阵所计算得到的特征向量作为主轴并不准确

43、。 0090 基于水上交通事故数据库中所记录的船舶艏向角度a， 经过归一化、 旋转变换、 平 移变换后计算表征船舶三维模型网格点坐标趋向的三个主轴， 即表征船舶模型趋向的局部 坐标系， 并以此来构建OBB包围盒， 如图5所示。 0091 碰撞检测处理的具体方法是： 首先， 由船舶位置坐标A经单位化后获得主轴Ya的法 向； 然后， 沿经线方向取一个小的步长， 获得点B， 将点B投影到A点处的切平面上与点A构成 向量， 单位化后获得向量X ， 将向量X 绕主轴Ya旋转船舶艏向角度a获得主轴Za； 最后， 由Ya 和Za采用右手螺旋法则叉乘计算得到主轴Xa， 构建OBB包围盒， 进行空间相交计算，

44、完成碰 撞检测。 0092 事故船舶航迹模拟包括两部分： 航迹计算和姿态计算。 其中， 航迹计算实现船舶的 线性运动模拟， 姿态计算实现船舶的姿态变化模拟。 0093 船舶三维模型运动航迹和姿态计算的具体方法是： 首先进行航迹检测和插值基于 航迹数据前一点的位置、 数据库中所记录的船舶航向和航速信息， 采用线性递推的方法补 足遗漏的航迹点或加密航迹数据， 根据处理后的航迹数据动态刷新船舶三维模型的三维空 间位置即可实现船舶三维模型的航迹计算； 计算方法如公式(3)所示： 0094 0095其中， P为补充点坐标， Pbefore为前一点的坐标， t为设置的航迹点采集时间间隔， 为船舶速度向量；

45、 因此， 根据处理后的航迹数据动态刷新船舶三维模型的三维空间位置即 可实现船舶三维模型的航迹计算。 0096 在表征船舶三维模型趋向的局部坐标系的基础上， 将沿某一方向轴的姿态变化分 解为沿局部坐标系三个坐标轴的旋转变换， 并通过构建沿三个坐标轴的旋转矩阵来模拟船 舶的横摇和纵摇， 旋转变换可分别按公式(4)、 (5)和(6)进行计算， 逆时针旋转时旋转角为 正； 0097 0098 说明书 9/10 页 12 CN 112150616 A 12 0099 0100 其中， x、 y和 z分别表示围绕X、 Y和Z轴旋转的角度， 纵摇pitch对应的是围绕X轴 旋转， 艏摇yaw对应的是围绕Y轴

46、旋转， 横摇roll对应的是围绕Z轴旋转。 0101 根据水上交通事故数据库所采集到的船舶航迹和姿态等数据， 结合航迹数据预处 理、 航迹和姿态计算和碰撞检测处理等方法， 实现了两船碰撞事故中船舶航迹的再现模拟。 0102 图6给出了多源空间数据融合的水上交通事故场景中两船碰撞事故航迹模拟的一 个大范围场景。 其中， 红色圆圈标识的是事故船舶三维模型， 红色箭头标识的是事故船舶的 航迹， 当鼠标选中某一航迹时， 系统将此航迹进行白色高亮显示。 并且， 系统给出了航迹模 拟的进度提示。 图7给出了两船碰撞事故航迹模拟的一个局部场景。 可以看出， 系统能够同 时从宏观和微观两种观察视角来对水上交通

47、事故中船舶航迹进行再现模拟。 而且， 系统可 以给出事故船舶横倾后在水下下降过程的模拟， 如图8、 图9所示。 可以看出， 系统在逼真的 水上交通事故场景中融合了人为划分的航道图等信息， 可为专家进行水上交通事故的分析 和责任判定等提供新颖的平台。 0103 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述， 以便于本技术领的技术人员理解本 发明， 但应该清楚， 本发明不限于具体实施方式的范围， 对本技术领域的普通技术人员来 讲， 只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内， 这些变化是显 而易见的， 一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 说明书 10/10 页 13 CN 112150616 A 13 图1 图2 说明书附图 1/4 页 14 CN 112150616 A 14 图3 图4 说明书附图 2/4 页 15 CN 112150616 A 15 图5 图6 说明书附图 3/4 页 16 CN 112150616 A 16 图7 图8 图9 说明书附图 4/4 页 17 CN 112150616 A 17