申请/专利权人：南京大学

申请日：2015-03-19

公开（公告）日：2015-07-08

公开（公告）号：CN104766081A

主分类号：G06K9/46(2006.01)I

分类号：G06K9/46(2006.01)I;G06T7/00(2006.01)I

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2020.03.10#未缴年费专利权终止;2017.12.29#授权;2015.08.05#实质审查的生效;2015.07.08#公开

摘要：一种基于自然岸线数据提取领海基线的方法，主要包括基于改进型道格拉斯-普克算法的自然岸线抽稀方法和基于地球椭球面大地线解算的领海基线加密算法，以进行领海基线划定。本发明在抽稀过程中提取对海域面积影响较大的自然岸线凸点作为分段点，接着利用相邻分段点作为数据抽稀首尾点，以基于最小二乘法的拟合曲线选定最优距离阈值，进行逐段抽稀，可在保证达到较高精度及压缩率的情况下保障国家海洋权益。加密算法中，算法以地球椭球面上大地线的解算为基础，在相邻领海基点间拟合大地线，进而利用大地主题解算原理对于相邻基点间进行加密计算。计算过程中对距离判断条件和加密点位置进行了改进，提高了计算速率，领海基点的位置分布也更加合理。

主权项： 基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、选取凸点——对于自然海岸线特征点点集N，利用矢量叉积公式选择凸点，并存入点集M中；步骤2、选取分段点——点集N中的首尾点默认为分段点，直接存入分段点集T；并依次计算点集M中其余各点与点集N中相邻两点组成三角形的面积值S，若S≥S0，则点集M中该点判定分段点，存入分段点集T，其中，S0为预设的面积阈值；步骤3、确定各分段的最优距离阈值D——对于相邻分段点间的自然海岸线特征点点集，选定最优距离阈值D；步骤4、分段数据抽稀——利用分段点将自然海岸线分为若干分段海岸线，分别以相邻两分段点作为分段海岸线的首尾点，以所述最优距离阈值D作为初始距离阈值，分段使用道格拉斯‑普克算法对自然海岸线进行数据抽稀，得到若干备选基点，备选基点的连线构成方向线；步骤5、距离阈值调整——对分段海岸线的距离阈值进行微调，使海域面积和抽稀精度达到平衡，得到修正后的备选基点和修正后的方向线；步骤6、领海基点获取——依据《联合国海洋法公约》，根据修正后的备选基点获取临海基点；步骤7、领海基点加密——对于任意相邻的两个领海基点之间的大地线长度L，若大于预设的加密距离s，则在这两个领海基点的大地线上增加[LS]个加密点，使相邻点之间的大地线长度不超过加密距离s；其中运算符[ ]代表取整。

全文数据：基于自然岸线数据提取领海基线的方法技术领域[0001]本发明涉及领海基点确定与领海基线划定的方法，具体而言，涉及到一种自然岸线抽稀与领海基点加密并生成领海基线的方法，为辅助海域划界、切实维护我国海洋权益提供技术支撑。背景技术[0002]21世纪是海洋的世纪，海洋中蕴含丰富的油气、渔业、矿产等资源，在促进了国家经济的迅速发展的同时，也成为各国争夺的焦点，因此，规范国家间海洋边界的划定，实践意义重大。领海基点的确定及领海基线的划定，对于维护我国海洋权益、巩固海防建设、保护海洋环境、加强海洋管理等具有长远的战略意义和重大的现实意义。[0003]领海基线是沿海国用于测量领海外部界限和领海国管辖区域某些其他外部界限的起始线，其向海洋一边延生一定宽度的海域就是领海。根据《联合国海洋法公约》的规定以下简称《公约》），领海基线分为正常基线、直线基线、混合基线三种。正常基线，即沿大陆海岸及岛屿周围的海水落潮时的低潮线;直线基线，即在大陆沿岸向海突出处及沿海外援岛屿最外援选定的若干基点，然后用直线将相邻基点连接起来形成的折线;混合基线，即交替使用正常基线与直线基线。[0004]已知自然岸线，若采用正常基线外推领海线，会因为初始数据点密度过高，影响进一步计算的速度，或使计算严重复杂化。为了简化，可以先按照一定密度选取岸线特征点即抽稀成一条“方向线”代替自然岸线做外推。目前还没有针对自然岸线抽稀生成方向线问题的成熟算法。但一般曲线压缩理论已非常成熟，包括间隔取点法、角度限值法、光栅法、垂距限值法、道格拉斯-普克法等。其中，道格拉斯-普克算法是最为经典的抽稀方法，算法实现简单，效率高，化简效果好。[0005]道格拉斯-普克算法以整条曲线进行抽稀，其基本思想是:设定距离阈值，然后连接曲线首尾点组成一条直线;计算中间各点到此直线的距离，找出最大距离及最大距离点；若小于阈值，则用这条直线代替原曲线，若大于阈值则以此点将线段分为两段;对这两段重复上述过程，最后保留下来的点即为数据压缩结果。道格拉斯-普克算法是一个从整体到局部的抽稀方法，压缩曲线与原曲线偏差不大且压缩率较高。压缩程度和精度取决于阈值，阈值越大，压缩率越大，但精度变低;阈值越小，压缩率越小，精度变高。[0006]尽管道格拉斯-普克算法的抽稀效果优于其他几种算法，但仍存在一定缺陷:部分重要特征点可能被舍去;线型较复杂或阈值较大时易出现自相交现象;相邻两个线状目标的共同边界压缩不一致;拓扑不一致导致地形失真等。[0007]己知领海基线，相邻点距离太远会影响计算精度和精确绘制。采用直线基线的情形下，国际主流学者建议相邻领海基点距离不能超过24海里，因此，对于距离过大的相邻基点需内插点（即加密）。发明内容[0008]本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的上述缺陷，提出一种基于自然岸线数据提取领海基线的方法。[0009]为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于，包括如下步骤：[0010]步骤1、选取凸点一一对于自然海岸线特征点点集N，利用矢量叉积公式选择凸点，并存入点集M中；[0011]步骤2、选取分段点一一点集N中的首尾点默认为分段点，直接存入分段点集T;并依次计算点集M中其余各点与点集N中相邻两点组成三角形的面积值S，若S多So,则点集M中该点判定分段点，存入分段点集T，其中，So为预设的面积阈值；[0012]步骤3、确定各分段的最优距离阈值D—一对于相邻分段点间的自然海岸线特征点点集，选定最优距离阈值D;[0013]步骤4、分段数据抽稀一一利用分段点将自然海岸线分为若干分段海岸线，分别以相邻两分段点作为分段海岸线的首尾点，以所述最优距离阈值D作为初始距离阈值，分段使用道格拉斯-普克算法对自然海岸线进行数据抽稀，得到若干备选基点，备选基点的连线构成方向线；[0014]步骤5、距离阈值调整一一对分段海岸线的距离阈值进行微调，使海域面积和抽稀精度达到平衡，得到修正后的备选基点和修正后的方向线；[0015]步骤6、领海基点获取一一依据《联合国海洋法公约》，根据修正后的备选基点获取临海基点；[0016]步骤7、领海基点加密一一对于任意相邻的两个领海基点之间的大地线长度L，若大于预设的加密距离s，则在这两个领海基点的大地线上增加[LS]个加密点，使相邻点之间的大地线长度不超过加密距离s;其中运算符[]代表取整。[0017]本发明还具有如下进一步的特征：[0018]1、步骤2中，面积阈值So可通过以下方法确定:分别计算每个凸点与原曲线中相邻两点组成的三角形面积，由于中位数不受偏大或偏小值的影响，因此选择三角形面积的中位数作为面积阈值So。[0019]2、步骤3中，利用最小二乘法曲线拟合距离阈值与所保留点数关系，选定最优距离阈值D，具体做法是，利用最小二乘法曲线拟合距离阈值与点的函数公式，依据距离阈值-点数最优拟合曲线，找到该曲线快速下降的最大曲率点，该点处的距离阈值为最优距离阈值D，代表压缩率与质量间的最大平衡点。[0020]3、步骤5中，使海域面积和抽稀精度达到平衡，评估因子包括：[0021]1、面积比:方向线与自然岸线分别与内水及内陆围合的海陆面积比；[0022]2、压缩率:矢量数据压缩掉的数据量与压缩前的数据量之比；[0023]3、误差面积:抽稀后曲线偏离原曲线的面积之和，该指标反映了抽稀后曲线与原曲线的贴近程度。[0024]4、步骤7中，领海基点加密的具体步骤如下：[0025]步骤a、相邻领海基点之间连线在三维坐标系下的三个坐标轴上的投影距离之和若大于加密距离s，则转至步骤b，否则不进行加密；[0026]步骤b、根据两领海基点的大地坐标，利用大地主题反解，求出两领海基点的大地线长度L和正方位角A;[0027]步骤c、若所述两领海基点的大地线长度L大于加密距离s，则需要进行[LS]个点的加密；[0028]步骤d、根据大地主题正解，以距离d、正方位角A为已知条件，求解第一个加密点的大地坐标和反方位角；第一个加密点的反方位角减去18〇°得到第一个加密点的正方位角；以第一个加密点的大地坐标、正方位角及加密距离S为已知条件，推求第二个加密点的大地坐标以及其反方位角，以此类推，直到获得所有加密点的大地坐标;其中d=S%s+0.5*s，运算符%表示取余数。[0029]5、步骤b中，使用高斯平均引数反解公式或贝塞尔主题反解算法，计算两点间大地线长度和正反方位角。[0030]一种基于自然岸线数据提取领海基线的方法，主要包括基于改进型道格拉斯-普克算法的自然岸线抽稀方法和基于地球椭球面大地线解算的领海基线加密算法，以进行领海基线划定。本发明在抽稀过程中提取对海域面积影响较大的自然岸线凸点作为分段点，接着利用相邻分段点作为道格拉斯-普克算法的首尾点，以基于最小二乘法的拟合曲线选定最优距离阈值，进行逐段抽稀，可在保证达到较高精度及压缩率的情况下保障国家海洋权益。加密算法中，算法以地球椭球面上大地线的解算为基础，在相邻领海基点间拟合大地线，进而利用大地主题解算原理对于相邻基点间进行加密计算。计算过程中对距离判断条件和加密点位置进行了改进，提高了计算速率，领海基点的位置分布也更加合理。并且，本发明领海基线的自动提取方法具有较高的运算效率。附图说明[0031]下面结合附图对本发明作进一步的说明。[0032]图1改进型分段道格拉斯-普克算法流程图。[0033]图2传统与改进算法下自然岸线抽稀示例图。[0034]图3距离判断说明图。[0035]图4基于地球椭球面大地线解算的加密算法流程图。[0036]图5未加密的领海基线示意图。[0037]图6加密的领海基线示意图。具体实施方式[0038]下面以南海海域为例，根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。[0039]本实施例基于自然岸线数据提取领海基线的方法，由改进型分段道格拉斯-普克算法流程图见图1和基于地球椭球面大地线解算的加密算法流程图见图4构成，整体步骤如下：[0040]步骤1、选取凸点一一对于自然海岸线特征点点集N，利用矢量叉积公式选择凸点，并存入点集M中。[0041]道格拉斯-普克算法的特点在于随着距离阈值的增大，压缩率变大，但首尾点始终被保留。因此采用分段道格拉斯-普克算法进行曲线压缩，分段点作为分段道格拉斯-普克算法的首尾点，可以始终被保留，压缩结果最大程度的保留曲率变化大的特征点。而在自然岸线抽稀生成方向线过程中，为保障国家海洋权益，维护国家海域完整，应在《联合国海洋法公约》框架下，尽可能多地保留海岸线凸点，舍去凹点。基于上述两点考虑，本发明提出以凸点为分段点的分段道格拉斯-普克算法，将凸点作为每个抽稀分段的首尾点，最大程度地保留了凸点。该算法能在保障国家海域面积的前提下，最大限度地提高精度和压缩率。因此算法首先提取自然岸线凸点。[0042]步骤2、选取分段点——点集N中的首尾点默认为分段点，直接存入分段点集T;并依次计算点集M中其余各点与点集N中相邻两点组成三角形的面积值S，若SS〇,则点集M中该点判定分段点，存入分段点集T，其中，So为预设的面积阈值。[0043]利用面积阈值选取分段点是本算法的重要步骤之一，由于利用矢量叉积公式提取出的自然岸线凸点个数往往过多，如果将所有凸点作为分段点，将达不到压缩的效果，因此挑选部分凸点作为分段点。基于国家海洋利益的需求，本文选取对海洋面积贡献大的部分凸点作为分段点。具体方法为:设定面积阈值so,依次计算各凸点与原曲线上相邻两点组成的三角形面积值S，若S大于so，则保留这一点，直至所有点判断完毕。[0044]其中，面积阈值So可通过以下方法确定:分别计算每个凸点与原曲线中相邻两点组成的三角形面积，由于中位数不受偏大或偏小值的影响，因此选择三角形面积的中位数作为面积阈值So。[0045]步骤3、确定各分段的最优距离阈值D—一对于相邻分段点间的自然海岸线特征点点集，选定最优距离阈值D。[0046]本步骤中，利用最小二乘法曲线拟合距离阈值与所保留点数关系，选定最优距离阈值D，具体做法是，利用最小二乘法曲线拟合距离阈值与点的函数公式，依据距离阈值-点数最优拟合曲线，找到该曲线快速下降的最大曲率点，该点处的距离阈值为最优距离阈值D，代表压缩率与质量间的最大平衡点。[0047]步骤4、分段数据抽稀分段使用道格拉斯-普克算法一一利用分段点将自然海岸线分为若干分段海岸线，分别以相邻两分段点作为分段海岸线的首尾点，以所述最优距离阈值D作为初始距离阈值，分段使用道格拉斯-普克算法对自然海岸线进行数据抽稀，得到若千备选基点，备选基点的连线构成方向线。[0048]从第一对相邻分段点开始，直至最后一分段点，对于每一个分段利用步骤3获得的最优距离阈值D，连接曲线首尾点组成一条直线;计算中间各点到此直线的距离，找出最大距离及最大距离点；若小于最优距离阈值D，则用这条直线代替原曲线，若大于最优距离阈值D则以此点将线段分为两段;对这两段重复上述过程，最后保留下来的点即为数据压缩结果。[0049]步骤5、距离阈值调整一一对分段海岸线的距离阈值进行微调，使海域面积和抽稀精度达到平衡，得到修正后的备选基点和修正后的方向线。[0050]本步骤中，使海域面积和抽稀精度达到平衡，评估因子包括：[0051]1、面积比:方向线与自然岸线分别与内水及内陆围合的海陆面积比；[0052]2、压缩率:矢量数据压缩掉的数据量与压缩前的数据量之比；[0053]3、误差面积:抽稀后曲线偏离原曲线的面积之和，该指标反映了抽稀后曲线与原曲线的贴近程度。[0054]经过上述处理，可以得到最终的方向线抽稀结果。如图2实例所示，在各种阈值下，利用本发明算法得到的面积比分别比传统道格拉斯-普克算法增加了6."%，2.55%，1•19%，1.30%。且在四种阈值下本文算法得到的方向线均比传统算法所得方向线贴近自然岸线，误差面积分别比传统算法减少了0.03km2、0.44km2、0.11km2、0.08km2。可在保证达到较高精度及压缩率的情况下保证海域面积的完整性，性能明显优于传统算法，获得了更好的应用效果。[0055]步骤6、领海基点获取一一依据《联合国海洋法公约》，根据修正后的备选基点获取临海基点。[0056]步骤7、领海基点加密——对于任意相邻的两个领海基点之间的大地线长度L，若大于预设的加密距离s，则在这两个领海基点的大地线上增加[LS]个加密点，使相邻点之间的大地线长度不超过加密距离s;其中运算符[]代表取整。[0057]本实施例中，领海基点加密的具体步骤如下：[0058]步骤a、相邻领海基点之间连线在三维坐标系下的三个坐标轴上的投影距离之和若大于加密距离s，则转至步骤b，否则不进行加密。[0059]距离判断最理想是直接对两点之间大地线距离于加密距离进行对比，但是大地线的计算过于繁琐，故本实施例中对距离判断条件进行优化。如图3,假设有相邻两点Axl，yl，zl和02,72,22，其在椭球面上的大地线为连接两点的弧线。弧线的长度小于线段八8+BC+CD的长度，所以当两点之间连线在三维坐标系下的三个坐标轴上的投影距离之和（x2_xl|+|y2-yl|+1z2_zl|的长度小于加密距离s，说明这两点的大地线长度必然小于加密距离s，不需要加密。只有当|X2-xl|+|y2-yl|+|z2-zl|大于加密距离s，才需要利用大地正解计算大地线长度进一步进行判断。在实际操作过程中，首先将大地坐标转换为空间直角坐标。由于大部分领海基点距离较近，改进的距离判断能够大大减少工作量，提高运算效率。[0060]步骤b、根据两领海基点的大地坐标，利用大地主题反解，求出两领海基点的大地线长度L和正方位角A。大地主题反解是已知两点的大地坐标，计算两点间大地线长度和正反方位角的方法，常用的具体算法有高斯平均引数反解公式和贝塞尔主题反解。[0061]步骤c、若所述两领海基点的大地线长度L大于加密距离s，则需要进行[LS]个点的加密。[0062]步骤d、根据大地主题正解，以距离d、正方位角A为己知条件，求解第一个加密点的大地坐标和反方位角；第一个加密点的反方位角减去180°得到第一个加密点的正方位角；以第一个加密点的大地坐标、正方位角及加密距离s为已知条件，推求第二个加密点的大地坐标以及其反方位角，以此类推，直到获得所有加密点的大地坐标;其中d=S%s+0.5*s，运算符%表示取余数。[0063]如图5所示为未加密的领海基线示意图，图6为加密距离s=24海里的加密示意图。[0064]在进行正解解算加密点时，如果从起始点以加密距离s进行加密，易导致最终加密点离终止点过近，不利于显示效果和表现领海基线曲线形态。故将所有加密点按距离要求移动到了大地线的居中位置，使第一个加密点与起始点Q1的距离和最后一个加密点与终止点Q2的距离大致相当，即将所有加密点向起始点Q1方向移距离d。具体的做法是在求解第一个加密点时，以距离d作为已知元素进行反解。之后的加密点，以加密距离S作为己知元素求解。具体公式详见步骤d中。占、[0065]领海基线的加密算法采用大地主题解算方法，对距离判断条件和加密位置进彳丁改进，通过拟合大地线对领海基线进行加密。加密点可作为领海基线的辅助点，生成符合国际规范的领海基线，满足海域划界的公平原则，有利于下一步海域划界操作的展开。改进的距离判断条件能简化计算，提高效率，尤其针对部分领海基点密集的情况。改进后的加密位置表达，使加密点位置分布合理，获得较好的显示效果。”[_]社翻外，本发幌可贿辦采鹏隨换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

权利要求：1.基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、选取凸点对于自然海岸线特征点点集N，利用矢量叉积公式选择凸点，并存入点集M中；步骤2、选取分段点一一点集N中的首尾点默认为分段点，直接存入分段点集T;并依次计算点集M中其余各点与点集N中相邻两点组成三角形的面积值S，若S彡S〇，则点集M中该点判定分段点，存入分段点集T，其中，So为预设的面积阈值；步骤3、确定各分段的最优距离阈值D—一对于相邻分段点间的自然海岸线特征点点集，选定最优距离阈值D;步骤4、分段数据抽稀--利用分段点将自然海岸线分为若干分段海岸线，分别以相邻两分段点作为分段海岸线的首尾点，以所述最优距离阈值D作为初始距离阈值，分段使用道格拉斯-普克算法对自然海岸线进行数据抽稀，得到若干备选基点，备选基点的连线构成方向线；步骤5、距离阈值调整——对分段海岸线的距离阈值进行微调，使海域面积和抽稀精度达到平衡，得到修正后的备选基点和修正后的方向线；步骤6、领海基点获取一一依据《联合国海洋法公约》，根据修正后的备选基点获取临海基点；步骤7、领海基点加密一一对于任意相邻的两个领海基点之间的大地线长度L，若大于预设的加密距离s，则在这两个领海基点的大地线上增加[LS]个加密点，使相邻点之间的大地线长度不超过加密距离s;其中运算符[]代表取整。2.根据权利要求1所述的基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于：步骤2中，面积阈值S。可通过以下方法确定:分别计算每个凸点与原曲线中相邻两点组成的三角形面积，由于中位数不受偏大或偏小值的影响，因此选择三角形面积的中位数作为面积阈值So〇3.根据权利要求1所述的基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于：步骤3中，利用最小二乘法曲线拟合距离阈值与所保留点数关系，选定最优距离阈值D，具体做法是，利用最小二乘法曲线拟合距离阈值与点的函数公式，依据距离阈值-点数最优拟合曲线，找到该曲线快速下降的最大曲率点，该点处的距离阈值为最优距离阈值D，代表压缩率与质量间的最大平衡点。4.根据权利要求1所述的基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于：步骤5中，使海域面积和抽稀精度达到平衡，评估因子包括：1、面积比:方向线与自然岸线分别与内水及内陆围合的海陆面积比；2、压缩率:矢量数据压缩掉的数据量与压缩前的数据量之比；3、误差面积:抽稀后曲线偏离原曲线的面积之和，反映了抽稀后曲线与原曲线的贴近程度。5.根据权利要求1所述的基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于:步骤7中，领海基点加密的具体步骤如下：步骤a、相邻领海基点之间连线在三维坐标系下的三个坐标轴上的投影距离之和若大于加密距离s，则转至步骤b，否则不进行加密；步骤b、根据两领海基点的大地坐标，利用大地主题反解，求出两领海基点的大地线长度L和正方位角A;步骤c、若所述两领海基点的大地线长度L大于加密距离s，则需要进行[Ls]个点的加密；步骤d、根据大地主题正解，以距离d、正方位角A为已知条件，求解第一个加密点的大地坐标和反方位角；第一个加密点的反方位角减去iso°得到第一个加密点的正方位角；以第一个加密点的大地坐标、正方位角及加密距离s为已知条件，推求第二个加密点的大地坐标以及其反方位角，以此类推，直到获得所有加密点的大地坐标；其中d=S%s+0.5*s，运算符%表示取余数。6.根据权利要求5所述的基于自然岸线数据提取领海基线的方法，其特征在于：步骤b中，使用高斯平均引数反解公式或贝塞尔主题反解算法，计算两点间大地线长度和正反方位角。

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