基于自然岸線數(shù)據(jù)提取領(lǐng)海基線的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及領(lǐng)?；c(diǎn)確定與領(lǐng)海基線劃定的方法，具體而言，涉及到一種自然岸線抽稀與領(lǐng)?；c(diǎn)加密并生成領(lǐng)海基線的方法，為輔助海域劃界、切實(shí)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益提供技術(shù)支撐。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋中蘊(yùn)含豐富的油氣、漁業(yè)、礦產(chǎn)等資源，在促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展的同時(shí)，也成為各國(guó)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，因此，規(guī)范國(guó)家間海洋邊界的劃定，實(shí)踐意義重大。領(lǐng)?；c(diǎn)的確定及領(lǐng)?；€的劃定，對(duì)于維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益、鞏固海防建設(shè)、保護(hù)海洋環(huán)境、加強(qiáng)海洋管理等具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和重大的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]領(lǐng)?；€是沿海國(guó)用于測(cè)量領(lǐng)海外部界限和領(lǐng)海國(guó)管轄區(qū)域某些其他外部界限的起始線，其向海洋一邊延生一定寬度的海域就是領(lǐng)海。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》的規(guī)定(以下簡(jiǎn)稱《公約》)，領(lǐng)海基線分為正?；€、直線基線、混合基線三種。正?；€，即沿大陸海岸及島嶼周圍的海水落潮時(shí)的低潮線；直線基線，即在大陸沿岸向海突出處及沿海外援島嶼最外援選定的若干基點(diǎn)，然后用直線將相鄰基點(diǎn)連接起來(lái)形成的折線；混合基線，即交替使用正?；€與直線基線。
[0004]已知自然岸線，若采用正常基線外推領(lǐng)海線，會(huì)因?yàn)槌跏紨?shù)據(jù)點(diǎn)密度過(guò)高，影響進(jìn)一步計(jì)算的速度，或使計(jì)算嚴(yán)重復(fù)雜化。為了簡(jiǎn)化，可以先按照一定密度選取岸線特征點(diǎn)(即抽稀)成一條“方向線”代替自然岸線做外推。目前還沒(méi)有針對(duì)自然岸線抽稀生成方向線問(wèn)題的成熟算法。但一般曲線壓縮理論已非常成熟，包括間隔取點(diǎn)法、角度限值法、光柵法、垂距限值法、道格拉斯-普克法等。其中，道格拉斯-普克算法是最為經(jīng)典的抽稀方法，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效率高，化簡(jiǎn)效果好。
[0005]道格拉斯-普克算法以整條曲線進(jìn)行抽稀，其基本思想是:設(shè)定距離閾值，然后連接曲線首尾點(diǎn)組成一條直線；計(jì)算中間各點(diǎn)到此直線的距離，找出最大距離及最大距離點(diǎn)；若小于閾值，則用這條直線代替原曲線，若大于閾值則以此點(diǎn)將線段分為兩段；對(duì)這兩段重復(fù)上述過(guò)程，最后保留下來(lái)的點(diǎn)即為數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果。道格拉斯-普克算法是一個(gè)從整體到局部的抽稀方法，壓縮曲線與原曲線偏差不大且壓縮率較高。壓縮程度和精度取決于閾值，閾值越大，壓縮率越大，但精度變低；閾值越小，壓縮率越小，精度變高。
[0006]盡管道格拉斯-普克算法的抽稀效果優(yōu)于其他幾種算法，但仍存在一定缺陷:部分重要特征點(diǎn)可能被舍去；線型較復(fù)雜或閾值較大時(shí)易出現(xiàn)自相交現(xiàn)象；相鄰兩個(gè)線狀目標(biāo)的共同邊界壓縮不一致；拓?fù)洳灰恢聦?dǎo)致地形失真等。
[0007]已知領(lǐng)?；€，相鄰點(diǎn)距離太遠(yuǎn)會(huì)影響計(jì)算精度和精確繪制。采用直線基線的情形下，國(guó)際主流學(xué)者建議相鄰領(lǐng)海基點(diǎn)距離不能超過(guò)24海里，因此，對(duì)于距離過(guò)大的相鄰基點(diǎn)需內(nèi)插點(diǎn)(即加密)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種基于自然岸線數(shù)據(jù)提取領(lǐng)?；€的方法。
[0009]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是基于自然岸線數(shù)據(jù)提取領(lǐng)海基線的方法，其特征在于，包括如下步驟:
步驟1、選取凸點(diǎn)一一對(duì)于自然海岸線特征點(diǎn)點(diǎn)集N，利用矢量叉積公式選擇凸點(diǎn)，并存入點(diǎn)集M中；
步驟2、選取分段點(diǎn)一一點(diǎn)集N中的首尾點(diǎn)默認(rèn)為分段點(diǎn)，直接存入分段點(diǎn)集T ;并依次計(jì)算點(diǎn)集M中其余各點(diǎn)與點(diǎn)集N中相鄰兩點(diǎn)組成三角形的面積值S，若S多S0,則點(diǎn)集M中該點(diǎn)判定分段點(diǎn)，存入分段點(diǎn)集T，其中，Stl為預(yù)設(shè)的面積閾值；
步驟3、確定各分段的最優(yōu)距離閾值D—一對(duì)于相鄰分段點(diǎn)間的自然海岸線特征點(diǎn)點(diǎn)集，選定最優(yōu)距離閾值D ；
步驟4、分段數(shù)據(jù)抽稀一一利用分段點(diǎn)將自然海岸線分為若干分段海岸線，分別以相鄰兩分段點(diǎn)作為分段海岸線的首尾點(diǎn)，以所述最優(yōu)距離閾值D作為初始距離閾值，分段使用道格拉斯-普克算法對(duì)自然海岸線進(jìn)行數(shù)據(jù)抽稀，得到若干備選基點(diǎn)，備選基點(diǎn)的連線構(gòu)成方向線；
步驟5、距離閾值調(diào)整一一對(duì)分段海岸線的距離閾值進(jìn)行微調(diào)，使海域面積和抽稀精度達(dá)到平衡，得到修正后的備選基點(diǎn)和修正后的方向線；
步驟6、領(lǐng)?；c(diǎn)獲取一一依據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》，根據(jù)修正后的備選基點(diǎn)獲取臨?；c(diǎn);
步驟7、領(lǐng)海基點(diǎn)加密一一對(duì)于任意相鄰的兩個(gè)領(lǐng)?；c(diǎn)之間的大地線長(zhǎng)度L，若大于預(yù)設(shè)的加密距離s，則在這兩個(gè)領(lǐng)海基點(diǎn)的大地線上增加[L/S]個(gè)加密點(diǎn)，使相鄰點(diǎn)之間的大地線長(zhǎng)度不超過(guò)加密距離s ;其中運(yùn)算符[]代表取整。
[0010]本發(fā)明還具有如下進(jìn)一步的特征:
1、步驟2中，面積閾值Stl可通過(guò)以下方法確定:分別計(jì)算每個(gè)凸點(diǎn)與原曲線中相鄰兩點(diǎn)組成的三角形面積，由于中位數(shù)不受偏大或偏小值的影響，因此選擇三角形面積的中位數(shù)作為面積閾值
[0011]2、步驟3中，利用最小二乘法曲線擬合距離閾值與所保留點(diǎn)數(shù)關(guān)系，選定最優(yōu)距離閾值D，具體做法是，利用最小二乘法曲線擬合距離閾值與點(diǎn)的函數(shù)公式，依據(jù)距離閾值-點(diǎn)數(shù)最優(yōu)擬合曲線，找到該曲線快速下降的最大曲率點(diǎn)，該點(diǎn)處的距離閾值為最優(yōu)距離閾值D，代表壓縮率與質(zhì)量間的最大平衡點(diǎn)。
[0012]3、步驟5中，使海域面積和抽稀精度達(dá)到平衡，評(píng)估因子包括:
1)、面積比:方向線與自然岸線分別與內(nèi)水及內(nèi)陸圍合的海陸面積比；
2)、壓縮率:矢量數(shù)據(jù)壓縮掉的數(shù)據(jù)量與壓縮前的數(shù)據(jù)量之比；
3)、誤差面積:抽稀后曲線偏離原曲線的面積之和，該指標(biāo)反映了抽稀后曲線與原曲線的貼近程度。
[0013]4、步驟7中，領(lǐng)?；c(diǎn)加密的具體步驟如下:
步驟a、相鄰領(lǐng)?；c(diǎn)之間連線在三維坐標(biāo)系下的三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影距離之和若大于加密距離S，則轉(zhuǎn)至步驟b，否則不進(jìn)行加密；
步驟b、根據(jù)兩領(lǐng)?；c(diǎn)的大地坐標(biāo)，利用大地主題反解，求出兩領(lǐng)海基點(diǎn)的大地線長(zhǎng)度L和正方位角A;
步驟c、若所述兩領(lǐng)海基點(diǎn)的大地線長(zhǎng)度L大于加密距離S，則需要進(jìn)行[L/S]個(gè)點(diǎn)的加密；
步驟d、根據(jù)大地主題正解，以距離d、正方位角A為已知條件，求解第一個(gè)加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)和反方位角；第一個(gè)加密點(diǎn)的反方位角減去180°得到第一個(gè)加密點(diǎn)的正方位角；以第一個(gè)加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)、正方位角及加密距離s為已知條件，推求第二個(gè)加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)以及其反方位角，以此類推，直到獲得所有加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)；其中d=S%s+0.5*s，運(yùn)算符％表示取余數(shù)。
[0014]5、步驟b中，使用高斯平均引數(shù)反解公式或貝塞爾主題反解算法，計(jì)算兩點(diǎn)間大地線長(zhǎng)度和正反方位角。
[0015]一種基于自然岸線數(shù)據(jù)提取領(lǐng)?；€的方法，主要包括基于改進(jìn)型道格拉斯-普克算法的自然岸線抽稀方法和基于地球橢球面大地線解算的領(lǐng)?；€加密算法，以進(jìn)行領(lǐng)?；€劃定。本發(fā)明在抽稀過(guò)程中提取對(duì)海域面積影響較大的自然岸線凸點(diǎn)作為分段點(diǎn)，接著利用相鄰分段點(diǎn)作為道格拉斯-普克算法的首尾點(diǎn)，以基于最小二乘法的擬合曲線選定最優(yōu)距離閾值，進(jìn)行逐段抽稀，可在保證達(dá)到較高精度及壓縮率的情況下保障國(guó)家海洋權(quán)益。加密算法中，算法以地球橢球面上大地線的解算為基礎(chǔ)，在相鄰領(lǐng)?；c(diǎn)間擬合大地線，進(jìn)而利用大地主題解算原理對(duì)于相鄰基點(diǎn)間進(jìn)行加密計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中對(duì)距離判斷條件和加密點(diǎn)位置進(jìn)行了改進(jìn)，提高了計(jì)算速率，領(lǐng)?；c(diǎn)的位置分布也更加合理。并且，本發(fā)明領(lǐng)?；€的自動(dòng)提取方法具有較高的運(yùn)算效率。
【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017]圖1改進(jìn)型分段道格拉斯-普克算法流程圖。
[0018]圖2傳統(tǒng)與改進(jìn)算法下自然岸線抽稀示例圖。
[0019]圖3距離判斷說(shuō)明圖。
[0020]圖4基于地球橢球面大地線解算的加密算法流程圖。
[0021]圖5未加密的領(lǐng)海基線示意圖。
[0022]圖6加密的領(lǐng)?；€示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面以南海海域?yàn)槔鶕?jù)附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明，使本發(fā)明的技術(shù)路線和操作步驟更加清晰。
[0024]本實(shí)施例基于自然岸線數(shù)據(jù)提取領(lǐng)?；€的方法，由改進(jìn)型分段道格拉斯-普克算法(流程圖見(jiàn)圖1)和基于地球橢球面大地線解算的加密算法(流程圖見(jiàn)圖4)構(gòu)成，整體步驟如下:
步驟1、選取凸點(diǎn)一一對(duì)于自然海岸線特征點(diǎn)點(diǎn)集N，利用矢量叉積公式選擇凸點(diǎn)，并存入點(diǎn)集M中。
[0025]道格拉斯-普克算法的特點(diǎn)在于隨著距離閾值的增大，壓縮率變大，但首尾點(diǎn)始終被保留。因此采用分段道格拉斯-普克算法進(jìn)行曲線壓縮，分段點(diǎn)作為分段道格拉斯-普克算法的首尾點(diǎn)，可以始終被保留，壓縮結(jié)果最大程度的保留曲率變化大的特征點(diǎn)。而在自然岸線抽稀生成方向線過(guò)程中，為保障國(guó)家海洋權(quán)益，維護(hù)國(guó)家海域完整，應(yīng)在《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》框架下，盡可能多地保留海岸線凸點(diǎn)，舍去凹點(diǎn)?；谏鲜鰞牲c(diǎn)考慮，本發(fā)明提出以凸點(diǎn)為分段點(diǎn)的分段道格拉斯-普克算法，將凸點(diǎn)作為每個(gè)抽稀分段的首尾點(diǎn)，最大程度地保留了凸點(diǎn)。該算法能在保障國(guó)家海域面積的前提下，最大限度地提高精度和壓縮率。因此算法首先提取自然岸線凸點(diǎn)。
[0026]步驟2、選取分段點(diǎn)一一點(diǎn)集N中的首尾點(diǎn)默認(rèn)為分段點(diǎn)，直接存入分段點(diǎn)集T ;并依次計(jì)算點(diǎn)集M中其余各點(diǎn)與點(diǎn)集N中相鄰兩點(diǎn)組成三角形的面積值S，若S多S0,則點(diǎn)集M中該點(diǎn)判定分段點(diǎn)，存入分段點(diǎn)集T，其中，Stl為預(yù)設(shè)的面積閾值。
[0027]利用面積閾值選取分段點(diǎn)是本算法的重要步驟之一，由于利用矢量叉積公式提取出的自然岸線凸點(diǎn)個(gè)數(shù)往往過(guò)多，如果將所有凸點(diǎn)作為分段點(diǎn)，將達(dá)不到壓縮的效果，因此挑選部分凸點(diǎn)作為分段點(diǎn)?；趪?guó)家海洋利益的需求，本文選取對(duì)海洋面積貢獻(xiàn)大的部分凸點(diǎn)作為分段點(diǎn)。具體方法為:設(shè)定面積閾值S0，依次計(jì)算各凸點(diǎn)與原曲線上相鄰兩點(diǎn)組成的三角形面積值S，若S大于S0，則保留這一點(diǎn)，直至所有點(diǎn)判斷完畢。
[0028]其中，面積閾值Stl可通過(guò)以下方法確定:分別計(jì)算每個(gè)凸點(diǎn)與原曲線中相鄰兩點(diǎn)組成的三角形面積，由于中位數(shù)不受偏大或偏小值的影響，因此選擇三角形面積的中位數(shù)作為面積閾值Sp
[0029]步驟3、確定各分段的最優(yōu)距離閾值D—一對(duì)于相鄰分段點(diǎn)間的自然海岸線特征點(diǎn)點(diǎn)集，選定最優(yōu)距離閾值D。
[0030]本步驟中，利用最小二乘法曲線擬合距離閾值與所保留點(diǎn)數(shù)關(guān)系，選定最優(yōu)距離閾值D，具體做法是，利用最小二乘法曲線擬合距離閾值與點(diǎn)的函數(shù)公式，依據(jù)距離閾值-點(diǎn)數(shù)最優(yōu)擬合曲線，找到該