一种海底矿区可通行性地图获取方法

本发明涉及一种地图获取方法的，具体涉及一种海底矿区可通行性地图获取方法。

背景技术：

1、海洋是地球上最大的资源宝库，海底和滨海地区蕴藏着丰富的矿产资源，包括金属、非金属、能源和稀有元素等。海洋矿产资源对于人类的经济发展和科技进步有着重要的意义，各个国家都加紧了对于海洋资源的探测，水下机器人和深海采矿车逐渐成为了研究热点。

2、我国海洋资源丰富，为了摸清我国海域内的矿产资源，并为未来更好的利用海洋资源，国内很多研究人员加入到了对深海采矿车的研究中。海底矿区的采矿车要进行正常的作业需要为它提供路径规划和导航，现有的技术中通常结合海洋矿区的数字高程模型(dem)数据来为深海矿车提供路径规划和导航，但海洋地形特征多样，地质结构复杂，在地形急剧起伏和不稳定地质条件下，dem的基础地形信息无法为深海矿车的路径规划和通行提供安全准确的行驶策略，也会降低深海采矿车的通行和作业效率。

技术实现思路

1、针对现有技术中基于数字高程模型基础地形数据无法为深海采矿车提供安全准确的行驶策略以及深海采矿车通行和作业效率低的技术问题，本技术提供了一种海底矿区可通行性地图获取方法，为深海采矿车提供更加安全准确且高效的通行策略和指导。

2、本技术中的一种海底矿区可通行性地图获取方法，包括如下步骤：

3、步骤一，采用声学感知设备获取海底地形高程数据，并对获取到的海底地形高程数据进行数据预处理；

4、步骤二，基于处理后的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图；

5、步骤三，根据深海采矿车的几何通过性对所述海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，所述风险梯度衰减图表征海底矿区中各区域的潜在碰撞风险等级；

6、步骤四，根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化可通行性地图；

7、步骤五，基于风险梯度衰减图和所述归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图。

8、在本技术的一个实施例中，步骤一中进一步具体包括：

9、获取多波束前视声纳所收集的海底地形高程数据，对海底地形高程数据进行数据清洗以消除异常数据点；

10、对清洗后的数据进行数据校准，并对校准后的数据进行数据插值与平滑处理，得到处理后的地形高程数据。

11、在本技术的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：建立3*3窗口，利用8邻域窗口内的地形高程数据分别计算海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图。

12、在本技术的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：

13、地形坡度利用三阶反距离平方差分法计算，具体包括：设中心点的高程值为z(i，j)，根据中心点8邻域内各栅格的高程数据计算地形坡度：

14、

15、

16、

17、θascepct＝arctan(slopex/slopey)；

18、其中，slopex为坡度在x方向的变化率，slopey为坡度在y方向的变化率，d为网格分辨率，θslope为坡度，θascepct为坡向，且坡向数据以正北方向为0°，沿顺时针方向为正向，0°≤θascepct≤360°。

19、在本技术的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：

20、所述地形起伏度利用地形起伏度指数(tri)来计算：

21、tri(i，j)＝sqrt(∑((z(i+m，j+n)-z(i，j))2)

22、其中，tri(i，j)是地形高程数据数据中第i行、第j列单元的地形起伏度指数，z(i，j)表示窗口中心点的高程，z(i+m，j+n)为中心点8邻域的高程，m和n的取值集合为{-1，0，1}，∑表示对所有8邻域栅格求和。

23、在本技术的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：

24、地形粗糙度信息，通过窗口中心点和8邻域栅格的高程数据的标准差跟窗口内平均高程的比值来计算：

25、

26、其中，zi为中心栅格8邻域窗口内各栅格的高程值，zavg为窗口内各栅格的平均高程。

27、在本技术的一个实施例中，步骤二基于处理后的地形高程数据分别提取海底矿区的地形坡度信息、地形起伏度信息、地形粗糙度信息以及地形阶跃变化值，建立海底矿区地形信息图，包括：

28、地形的阶跃变化以该窗口内最大高程点与最小高程点之间的差值来计算：

29、h＝zmax-zmin

30、其中，zmax为窗口内的最大高程值，zmin为窗口内的最小高程值。

31、在本技术的一个实施例中，步骤三中根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的风险梯度衰减图，包括：

32、获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差；

33、根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度、最大地形坡度、最大地形粗糙度和最大地形阶跃差对获取的海底矿区地形信息图进行二值化处理，得到由(0，1)组成的栅格地图，其中1表示障碍物区域，0表示可通行区域；

34、根据各栅格与障碍物区域的距离形成深海采矿车与障碍物的风险梯度衰减图，具体公式如下：

35、

36、其中r(c)表示风险等级，不同的数值代表不同的风险等级，数值越高表示越靠近障碍物，风险等级越高，反之风险等级越低，d为当前栅格距离障碍物边缘的实际距离，s1，s2，s3，s4为风险梯度等级临界值，其中s1≤s2≤s3≤s4。

37、在本技术的一个实施例中，步骤四中根据深海采矿车的几何通过性对海底矿区地形信息图进行处理，得到海底矿区的归一化通行性地图包括：

38、获取深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度rmax、最大地形粗糙度trimax和最大地形阶跃差hmax；

39、根据深海采矿车可通行的最大地形起伏度θmax、最大地形坡度rmax、最大地形粗糙度trimax和最大地形阶跃差hmax对海底矿区地形信息图中各栅格的地形起伏度θ、地形坡度r、地形粗糙度tri和地形阶跃差h进行归一化计算；

40、基于归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差计算海底矿区的归一化通行性t：

41、

42、其中，α1，α2，α3，α4为非负数，且满足α1+α2+α3+α4＝1，θn、rn、trin、hn分别为归一化后的地形起伏度、地形坡度、地形粗糙度和地形阶跃差；

43、根据归一化通行性t的值建立海底矿区的归一化通行性地图，其中t值越低，栅格的可通行性等级越高，深海采矿车通过该区域的安全性越高。

44、在本技术的一个实施例中，步骤五中基于风险梯度衰减图和归一化可通行性地图构建海底矿区的可通行地图，包括：融合所述风险梯度衰减图和归一化通行性地图，得到海底矿区可通行性地图。

45、本技术通过先进的环境感知设备精准采集海底地形高程数据，并基于获取的海底地形高程数据来计算海底矿区的关键地形特征，得到海底矿区的地形信息图，结合采矿车的几何通行能力对海底矿区的地形信息图进行处理，分别得到海底矿区风险梯度衰减图和归一化的通行性地图，将风险梯度衰减图与归一化的通行性地图进行融合，得到可视化的海底矿区可通行性地图。海底矿区可通行性地图有助于当采矿车行进到障碍物边缘进行作业时，可视化与障碍物的风险等级，并实时显示整个地图的通行性水平，为采矿车的安全行驶和路径规划提供了有力的保障，大大提高了采矿车的通行和作业效率。