[发明专利]一种基于航迹时域差分的航迹分段方法

说明书

本发明公开了一种基于航迹时域差分的航迹分段方法，包括如下步骤：1)提取原始航迹数据中包含必要信息的航迹点作为可用航迹数据，并进行插值拟合处理，减少因数据缺失或采样间隔差异对采样点空间密度分布的影响；2)根据采样点的经纬度计算得到航迹点的航程数据，并采用差分法对航迹做多阶差分处理，在多阶差分数据的基础上通过归一化方法求得航程损失与航速标准差的平衡点，确定差分步长；3)计算原始航迹数据的平均航速作为分段阈值，实现航迹分段。本发明采用差分法来进行航迹分段，解决了基于速率阈值划分的分段过多问题，可动态确定差分步长，保证航程计算损失和停留区边界失真较小的前提下实现航迹的准确划分。且方法的时间效率更优。

技术领域

本发明涉及航迹分段方法领域，具体地说，特别涉及到一种基于航迹时域差分的航迹分段方法。

背景技术

轨迹是指符合一定条件的动点所组成的图形，航迹作为轨迹的一种，指的是船舶和水上飞行器等航行时的轨迹。航迹数据通常是按照一定采集频率获得的连续时空点序列，每个航迹点都记录了移动对象在该点的时间、位置以及方向、速度等移动对象的运动信息。针对海上移动目标的行为分析、规律发现、特征检测等航迹数据挖掘成果可为海上交通安全、生物迁徙规律、渔渔船作业等实际应用领域提供技术支撑，已成为研究热点。

航迹数据具有周期长、信息密度低且不均、单条数据量大、采样间隔不统一等特点，给航迹数据的处理、分析和信息挖掘带来了困难与挑战。

航迹分段可根据船行速度或单位时间内的路程长短将航迹分为停留与行驶两部分。停留是船在某一位置停留超过一定时间(如货船入港后下锚，装卸货物等)，或是在一定区域内徘徊、迂回等状态，且此过程也超过一定时间(如海上勘测、考察等)。行驶是船舶在停留区之间的移动过程状态，正常速度高于停留状态。其中停留部分能体现船行目的等重要活动信息，是分段研究的主要目标。合理的航迹分段算法可以有效提取出停留航段信息，减少航迹冗余、提高航迹的信息密度，达到压缩数据体积，降低处理成本的目的。

现有技术中基于速率的分段方法归纳起来主要可以分为以下三类：

(1)基于速率的分段

Krumm等人针对由GPS定位误差造成停留识别错误的问题做出改进，通过定义时间阈值与平均速度阈值并计算超过该时间阈值内的平均速度是否低于速度阈值，来划分轨迹的停留。彭祥文等人通过设置的船舶转向角阈值和速度变化率阈值进行轨迹分段，计算得到相邻轨迹点的航行差值以及速率变化后与预先设定的值比较，满足其中一个则以该点为断点进行轨迹划分。这类方法适合移动方向变化不大的轨迹，如果目标在停留区内迂回移动会影响目标平均速度的计算，从而影响划分结果，且移动目标速度波动频繁时，容易造成航迹分段过多，失去提取重要航迹段的意义。

(2)基于候选停留区的航迹分段。

Alvares等人通过预先定义重点区域的边界和大小，再判断航迹在区域内的停留时间是否达到阈值来获取停留信息。类似的，齐凌艳等人定义抽取子轨迹要考虑的三个因素：时间阈值、距离阈值、地标，通过计算目标到达地标位置后在停留区内的移动距离、到达及离开时间，判断是否满足设置阈值，来获取轨迹的停留信息。此类方法都需要预先确定候选停留区或兴趣点信息，若用户无法获取或者获取不完整都将直接失去这些重要航迹停留段，导致分段错误。且海上区域边界不明确，没有陆地上严格的道路网络，因此该方法不适用于海上航迹划分。

(3)基于聚类的分段。

杜胜兰等人采用DBSCAN算法对武汉大学校内的大量学生轨迹进行处理，结合校园超市、教学楼等地理信息提取停留特征，用于分析武大学生的特定群体行为。该类方法会因为不均的采样密度造成空间上相邻但实际停留时间较长的航迹被错误分为一段的问题，且同一区域空间相邻的航迹段不一定时间连续，也有被错位分段的可能。权宇澄等人提出了以时间为聚类核心距的DBSCAN改进算法，该算法一定程度上解决了上文中提到的问题，但并没有说明核心距大小的确定方法，且该方法的时间复杂度较高。

发明内容