论文部分内容阅读
随着水路运输事业的发展,水上安全问题日益突出,以船舶安全航行为出发点对船舶群体行为特征进行分析研究有重要的理论及应用价值。船舶自动识别系统(AIS)作为通用船舶识别跟踪的配套设施广泛配备于各类船舶,其产生的AIS数据对船舶行为研究有重要作用。现有对船舶行为研究主要针对其某一特定方面进行数据挖掘,其结果单一、抽象,不直观也不便于交互分析;而可视分析技术结合可视化和人机交互,能够为用户提供直观的信息视图和可交互的分析方式。因此,以AIS数据为基础,利用可视分析技术对船舶行为特征进行研究将为探索船舶安全航行方式提供新的解决方案。本文基于AIS数据,从船舶轨迹分布、船舶密度分布及船舶速度分布三方面对船舶行为进行特征建模,同时,结合多种可视化方法,提出船舶行为可视分析的交互模型,并设计了船舶行为可视分析原型系统。主要研究工作如下:(1)面向可视分析的船舶行为特征建模方法研究针对船舶轨迹分布特征,对基于树形聚类簇的轨迹聚类算法进行改进,结合内河航道轨迹多样性低的特点,对轨迹进行预分类,从而减少了轨迹聚类过程中无效匹配的次数,提升了算法性能;针对船舶密度分布特点,利用核密度估计方法进行特征建模并对其关键技术进行研究;针对船舶速度分布特点,建立了面向可视分析的船舶速度空间分布特征和概率分布特征模型。(2)船舶行为特征可视化方法研究以所建船舶行为特征模型为基础,研究了船舶行为特征可视化方法:针对船舶轨迹分布特征,提出利用聚集可视化技术,对轨迹数据做聚集计算后再进行可视化;对船舶密度分布,以特征建模得到的核密度估计矩阵为基础,采用热力图方式进行可视化呈现;对船舶速度分布,提出对水域进行网格划分,并以颜色编码方式对每个网格中船舶速度进行可视化表征。(3)船舶行为可视分析交互模型研究以船舶行为的特征建模和可视化方法为基础,首先剖析用户需求,进行可视分析的交互任务建模,包括:用户修改轨迹分布和密度分布算法的参数等底层交互任务、面向结果数据集和视图等上层交互任务;然后以每个任务模型为目标,构建可视分析交互模型。(4)原型系统设计与实验分析利用以上研究成果,设计了船舶行为可视分析的原型系统并进行实验验证。结果表明,本文提出的算法改进和可视化方法、可视分析交互模型具有可行性与有效性,能够帮助用户更直观、交互式地研究船舶行为特征,为水上安全交通管理提供借鉴。