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《上海海洋大学》 2019年
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基于停留区划分的科考航迹语义化方法研究

史景聪  
【摘要】:极地科学考察是推进我国科学考察事业的重要途径。我国近年来在极地考察领域取得了突飞猛进式的发展,“雪龙”号作为我国极地科考不可或缺的考察船,是科学家们赴两极地区科考的有力支撑。在“雪龙”号航行的几十年间,由于极地科考距离远、环境恶劣,周期往往长达数月之久,每次出航都会产生数万甚至数十万不等的航迹点,累积了大量的航迹数据。作为重要的极地科考成果之一,科考航迹数据按照一定采集频率获得了连续时空点序列,每个航迹点都记录了科考船在该点的时间、位置、航向、速度等运动信息,历史航迹数据蕴含极大的研究价值,并可为后续航行提供重要参考,受到广大极地研究相关学者的关注。然而原始航迹数据质量不高,具有周期长、采样间隔不一、信息密度不均等特点,给航迹的数据分析、关联信息挖掘带来了困难。为提取有效航迹段,挖掘航迹数据潜在信息,现有航迹研究中航迹分段和语义化可以有效划分重要航迹段、丰富数据信息,已取得一定进展,但仍存在一些问题:(1)在航迹分段方面,速率阈值和聚类等划分方法受航速波动频繁、数据采样密度、空间数据重叠等因素的影响,在科考航迹划分过程中有着各自的局限性。(2)在航迹语义化研究方面,现有航迹语义化研究主要基于停留实现,但受海上区域划分不明确的限制及科考航迹数据固有特点等影响,语义化结果并不理想,仍需继续研究。(3)现有航迹研究中针对科考航迹语义化研究尚没有系统化的整体流程。本文针对以上问题,从航迹数据特点、航速状态变化、航迹语义三个角度出发,提出了系统化的科考航迹语义化流程与框架,工作内容主要包括以下三个方面:(1)提出了科考航迹语义化方案,首先针对科考航迹数据中噪声数据、数据缺失、数据重复的问题,结合现有方法对科考航迹数据进行预处理,去除了噪声及重复数据。(2)然后针对科考航迹航速波动频繁的问题,提出了一种基于航迹时域差分(TDD)的航迹分段方法。方法基于时间域对航速进行差分处理,有效降低了因为航速波动频繁对分段结果的影响;同时,考虑到该方法的差分步长在航迹处理过程中的不明确性,本文将差分后航迹的路程损失和航速波动幅值进行归一化处理,提出了航迹差分时间步长的动态确定方法,并以速率阈值对航迹进行分段。(3)基于轨迹语义化定义,根据科考航迹停留区特点,重新定义了科考航迹语义:停留区范围R、停留区进入时间t_(in)、停留区离开时间t_(out)、多源信息标志位Fmsi,提出了时空信息关联的科考航迹语义化方法,结合航迹数据预处理及TDD航迹分段方法得到科考航迹语义化方案,实现科考航迹语义化。以第29次南极科考航迹数据为例,将本文提出的航迹分段方法与经典的DBSCAN航迹分段方法进行了比较,实验结果表明本文提出的方法可有效降低航迹分段时分段过多的问题,在分段准确性和时间效率等方面结果更优。之后同样以航迹数据实例对语义科考航迹进行数据表示,证明语义化方法的可行性,丰富了航迹的数据信息。最后以极地热点区域划分功能作为航迹语义化方法的系统应用与实现。
【学位授予单位】:上海海洋大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:P941.6;N8

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