AI时代海洋地理信息科学一流专业建设实践

紧贴海洋地理环境保障的实战化需求,深入研究海洋地理信息科学课程教学规律,灵活运用AI时代下信息赋能的新优势,在横向、纵向、时间三个维度上对海洋地理信息科学专业课程的教学内容、教材体系、教学模式、教学方法、考核标准等进行全方位的教改实践,深挖军地实践教学资源,将科研成果有机融入课堂教学,构建海洋地理信息科学专业课程教学新体系,并对AI时代下海洋地理信息科学专业建设进行了初步的探索与实践。

不规则凸区域的水面舰艇最短搜潜航路自动规划

针对已有水面舰艇区域搜潜航路规划主要围绕规则矩形区域进行而没有考虑不规则区域复杂情形的现状,对不规则凸区域的水面舰艇最短搜潜航路自动规划进行了研究。推导搜潜航路总长度与转向次数的线性关系公式,并在此基础上构建最短搜潜航路的长度计算模型;挖掘最优搜潜航向与不规则凸区域边界的内在关联规律,设计最优搜潜航向求解算法;基于前面推求的转向次数最少和搜潜航向最优原理,提出一种能为不规则凸区域自动规划出总航程最短的搜潜航路实现方法。实验结果表明:该方法能为水面舰艇在不规则凸区域搜潜求取最优搜潜航向,并在此基础上自动规划得到最短搜潜航路。

面向人员岸滩行进的三维路径规划算法研究

针对当前无法为人员岸滩行进提供科学合理的路径规划这一问题,论文基于蚁群算法提出了面向岸滩行进的最优路径规划算法。首先对基本的蚁群算法进行了改良,包括路径搜索方式、信息素更新策略和启发函数的合理设计等,改善了算法的收敛效率;然后定量结合多类岸滩场路径规划影响因子,构建了满足岸滩行进的代价函数;最终实现了面向岸滩行进的算法构建。该算法可为实现复杂地形条件下岸滩行进的最优路径解算和基于蚁群算法的相关三维路径规划分析研究提供参考借鉴。

水深点与等深线协同综合的强化学习方法

针对当前海图中水深点与等深线两要素的自动综合过程相对独立,二者相互影响考虑不够充分,导致结果不够理想的问题,提出一种水深点与等深线协同综合的强化学习方法。首先,获取用于水深点与等深线协同综合的训练样本;然后,构建并训练强化学习模型,挖掘水深点与等深线在综合过程中的相互影响关系;最后,利用训练后的模型,动态自适应调整水深点与等深线的综合策略。试验结果表明,在航海安全保证的可靠性、制图综合结果的图理性、海底地貌表达的准确性及海图要素分布的美观性等方面,强化学习法的性能均要优于当前常见的简单综合法、冲突避免法及协调水深法,更适用于处理水深点与等深线的协同综合问题。

多波束系统搜索水下失联目标的效能评估

针对当前运用多波束系统进行水下失联目标搜索时所布测线效能较低的问题,提出一种改进的测线布设方式。首先,分析并建立了典型测线布设方式的水下目标搜索耗时计算方法,然后对给定条件下搜索耗时的影响因素进行数值模拟计算,从而确定出多波束系统的不同波束开角、船舶长度、区域海水深度等不同因素影响下的测线布设最优方案。试验结果表明,小船作业时,采用梭织法与跨行法的搜索效率明显优于向心法与套行法,大船作业时,采用跨行法的搜索效率最优。这些结论有助于深入了解各因素之间的相互作用和影响规律,进而找出影响搜索效率的主要因素,并提出相应的改进措施和优化建议。

一种有效顾及复杂海域避碰的路径规划方法

针对现有舰船避碰路径规划方法难以适用于复杂海域的现状,本文提出一种有效顾及复杂海域避碰的路径规划方法。首先,通过K-means方法将舰船避碰阶段选用合理的危险度判别指标进行划分;然后,依据Nomoto模型进行航迹推演,预测舰船在一定时间分辨率后的航迹;接着,在避碰阶段中剔除具有碰撞危险和不符合此阶段避碰规则的预测航迹,并在余下的预测航迹中选取危险度最小的航迹作为最优预测航迹;最后,在正常航行阶段建立遴选函数,选取最优预测航迹,将所有最优预测航迹合成以生成路径。实验结果表明:相对于当前先进的改进人工势场方法来说,所提方法在只有点状碍航区的较简单环境下可有效提升规划效率;所提方法在有各类碍航区的较复杂海域,能顾及来船的航向变化,规划出遵循国际海上避碰规则的避碰路径。

机载LiDAR测深点云SVB联合滤波算法

机载LiDAR测深(airborne LiDAR bathymetry, ALB)数据质量受海面破碎波浪、水体浮藻、鱼群及海底二次回波等多种因素影响。为剔除这些干扰产生的噪点,本文提出一种顾及水面、水体和水底(surface, volume, bottom, SVB)的联合滤波算法。针对水面噪点,通过构建双层布料模拟滤波模型分离水面点云;针对水体噪点,采用SOR(statistical outlier removal)滤波器剔除水体离群点;针对靠近地形主体的小尺度水底噪点,通过构建移动趋势面模型进行去噪平滑。为验证本文所提ALB滤波算法的性能,采用青岛胶州湾海域RIEGL VQ-840-G无人机载LiDAR测深数据进行验证,试验结果表明:SVB联合滤波算法对水面、水体、水底噪点一体化处理总体滤波精度和Kappa系数分别能够达到97.45%和0.947,在保证准确率的同时具有较高的效率。本文所提滤波算法可以较好地解决ALB点云滤波问题,能够为ALB测深数据点云滤波提供有效的解决方案。

无RSM参数的反解RFM求解方法

为实现在无严格传感器模型(RSM)参数的条件下求解反解RFM,提出一种基于正解RFM的反解RFM求解方法。首先通过正解RFM生成虚拟控制格网,建立反解RFM求解流程;然后考虑误差法矩阵病态对求解结果的影响,采用岭参数谱修正迭代与LDLT分解,提升求解的效率和精度;最后以影像立体定位为例,验证了所求解的反解RFM在影像处理中的有效性。实验结果表明:所提方法是对RSM的另一种高精度拟合,在影像立体定位应用中,同正解RFM精度基本相当,且具有更高的立体定位效率,为反解RFM的后续应用提供了良好基础。

基于Landsat数据的海上油气开采平台提取方法研究

针对目前利用遥感影像提取海上油气开采平台存在的不足,提出了一种基于Landsat7遥感影像的海上油气开采平台的提取方法。首先对Landsat 7影像进行数据辐射校正和陆地掩膜等预处理,然后采用阈值分割法去除海水和厚云,对海上油气开采平台进行提取,再利用云层位置差进行叠置分析,去除薄云和舰船等虚警,最后叠加频率计算分析的方法对开采平台进行分类,筛选出海上油气开采平台。研究选择文莱与马来西亚交界的海域为研究区,通过1999年至2008年共8景Landsat影像,共检测到61个油气平台,其中位于我国九段线内的有1个,经纬度为(4°47′1.6″N,113°28′23.3″E)。该结果对我国掌握水下障碍物,保障舰艇航行安全具有提供参考价值。

基于SRGAN的栅格海图超分辨率提升方法

针对海图制图领域中低分辨率栅格海图难以满足制图需求的问题,提出了基于超分辨率生成对抗网络(super resolution generative adversarial network,SRGAN)模型的栅格海图超分辨率提升方法。该方法通过以下步骤实现:首先对低分辨率栅格海图进行切分,以满足SRGAN模型输入要求;然后使用构建的训练集对SRGAN模型进行训练,并利用该模型对低分辨率栅格海图进行超分辨率提升处理;最后利用输出拼接模型对输出结果进行重组,将原有的低分辨率栅格海图转化为高分辨率栅格海图。实验结果表明:相较于其他重采样方法,本文方法具有更优的图像还原效果。本文方法为海图制图技术的发展提供了新的思路和方向,并为今后相关领域的研究提供了一定的参考和借鉴价值。

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。

考虑自然邻点影响域的多波束测深数据趋势面滤波改进算法

针对传统趋势面滤波法在多波束测深数据粗差探测方面存在曲面拟合函数不确定、滤波不彻底以及部分水深点被不合理剔除的问题,通过引入散乱水深点局部最小范围——自然邻点影响域的概念,提出一种基于自然邻点影响域的多波束测深数据趋势面滤波改进算法。首先,通过对自然邻点影响域内的局部曲面进行分析,构造了影响域内特定局部坐标系下的统一曲面拟合函数;然后,利用该统一曲面拟合函数按照所提传递式迭代趋势面滤波法进行顺次迭代逐步滤除影响正常水深点判定的粗差数据;最后,根据突变地形边界点在其相邻邻域地形内连续性不一致的特性,建立了面向突变地形边界点的判断准则。试验结果表明:该改进算法可适应不同复杂程度的海底地形,有效剔除多波束水深数据中的粗差点,同时对实际海底地形中的正常水深点和各种特殊水深点进行保留,显著提高了海底地形表达的精度。

基于区域平均垂直不确定度的自适应网格水深建模方法

提出一种基于区域平均垂直不确定度的自适应网格数字水深模型构建方法。利用水深不确定度及其传递机制,计算建模区域的水深平均不确定度,自动确定网格剖分层次和组织水深数据;并在公共边界处增加约束条件,解决相邻网格区域的水深模型不连续问题。试验证明:①在水深变化趋势不一致的区域,与等间距法和水深复杂度法相比,不确定度法所构DDM具有更高的质量;②相对于等间距法,不确定度法能自动确定网格剖分层次和网格大小,控制模型质量达到预先设计的指标要求,相对水深复杂度法,具有更强的自适应调控能力;③不确定度法比水深复杂度法具有更高的自动化程度和效率。

一种基于不确定度的水深控浅方法

针对目前广泛使用的经验取浅方法在安全可靠性上的不足,提出一种基于不确定度的水深控浅方法。所提方法计算原始观测和内插水深的不确定度信息,并基于不确定度信息设计安全可靠的水深控浅模型,比对分析两种水深表达方法的保证率。试验证明:与经验取浅方法相比,所提方法可明显提高水深模型的保证率,特别是在水深变化复杂的区域。

顾及“保真性”原则的双向滚动球变换DDM多尺度表达算法

在分析符合"安全性"要求的数字水深模型(DDM)正向滚动球变换应用局限的基础上,根据高保真DDM多尺度表达评价标准中对水深值准确性、严密有序性及地形信息等级嵌套性的要求,从顾及"保真性"原则的DDM多尺度表达需要出发,提出一种基于双向滚动球变换的DDM多尺度表达算法。分析了海底地貌特征点在DDM双向滚动球变换过程中的变化趋势,根据DDM正向滚动球变换的尺度依赖特性,计算出了一定尺度下海底地貌的横向分布范围与纵向分布高度,建立了DDM多尺度表达中细部(骨架)地貌的判定准则。通过保留给定尺度下DDM中的骨架地貌,使海底地形的整体变化趋势得到了保持,满足了DDM多尺度表达对水深值准确性的要求;论证了DDM单值曲面等距离面变换的水深序同构特性,通过对给定尺度下的细部地貌进行DDM双向滚动球变换的等距离面提取,使海底地形的局部起伏形态得到了保持,满足了DDM多尺度表达对水深值严密有序性的要求;从满足DDM多尺度表达对地形信息等级嵌套性的要求出发,分析了DDM双向滚动球变换中尺度因子与地形信息等级单元逻辑包含关系的不相关性,论证了任意尺度因子条件下具有的相应等级地形信息范围的一致性。试验结果表明该算法克服了DDM正向滚动球变换存在的无法保留负向骨架地貌和保持海底局部地形起伏形态等不足,可有效保留DDM中骨架地貌并综合细部地貌,满足顾及"保真性"原则的DDM多尺度表达要求。

考虑转向限制的电子海图最短距离航线自动生成方法

针对当前航路二叉树方法求解最短距离航线未考虑舰船转向限制的问题,提出了一种顾及转向限制的最短距离航线自动生成方法。通过判断航线转向操纵缓冲区是否与碍航区相交,测试航线的可转向性;利用舰船转向次数、转向角度和转向半径,引入圆弧影响系数和回转速降系数,构建转向限制模型,实现了顾及转向限制的最短距离航线自动生成。实验结果表明:所提方法可排除当前最短距离航线生成方法中的不可行航线,优化了航线的转向次数和转向角度。

局部动态最优Voronoi图的NNI算法及其在格网数字水深模型中的应用

在分析传统自然邻点插值(NNI)算法局限性的基础上,依据Voronoi单胞和Delaunay三角形的几何特性,提出基于局部动态最优Voronoi图的NNI算法。阐述该算法的基本原理和实现步骤,并在VC++环境下结合多波束测深数据对其在格网数字水深模型(Grid-DDM)中的应用进行了验证。试验表明该算法具有执行效率高、插值精度不丢失等优点。

与等深线协调的水深自动选取方法

针对当前水深自动选取中未考虑与等深线的协调问题,提出了一种与等深线协调的水深自动选取方法。运用道格拉斯普克算法,自动识别出等深线上的弯曲特征点;定义了水深点与等深线的协调度,并建立了协调度评估模型;通过计算水深点在等深线凸凹处和平直处的协调度,选取出与等深线最协调的水深点。试验结果表明:所提方法可分别在等深线凸凹处和平直处优选出协调匹配的水深点,并利用统计分析确定出所提方法中阈值、凸凹处和平直处的最协调距离的参数取值,进一步提高水深与等深线的协调效果。此外,通常资料图水深数据密度越大,选取出与等深线协调的水深点就越合理。

不规则三角网数字水深模型缓冲面快速构建的滚动球加速优化算法

针对TIN_DDM缓冲面构建与应用中存在的数据类型特殊、算法效率与模型精度不匹配的问题,本文将滚动球模型应用扩展至TIN_DDM缓冲面的构建过程。在分析滚动球模型构建精度局限的基础上,建立了滚动球半径关联的滚动球模型整体精度控制方法;结合大数据量TIN_DDM缓冲面多次构建的应用效率需求,阐明了关键采样点与滚动球半径对TIN_DDM缓冲面构建效率的影响规律;设计了TIN_DDM缓冲面构建关键采样点的判定准则,建立了关键采样点与滚动球半径的数值关联关系;提出了一种基于滚动球加速优化模型的TIN_DDM缓冲面快速构建算法,算法时间复杂度为O(n)。试验结果表明:本文算法可实现任意缓冲半径条件下TIN_DDM缓冲面的多次快速构建,且算法精度控制在2σ内。

基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法

为了解决当前的水下地形匹配定位算法未考虑格网大小随海底地形变化而自动调整的问题,提出了一种基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法。首先,引入基于四叉树的自适应格网模型,改进其局部格网的相似性评估指标与构网约束方法;然后,设计匹配区的确定及待匹配航迹的选取策略,给出待匹配航迹的水深值的计算方法,构建出目标匹配定位的地形相关组合算子。实验结果表明:提出的算法相比于基于等距离的规则格网模型的算法有以下优势:1)在地形特征丰富区域的定位精度明显提高;2)可以避免出现地形特征越明显匹配定位精度越低的情况;3)能一定程度地克服水深系统误差对定位精度的影响。