0 引　言

受港口航道狭窄、航道水深限制性强等因素的影响，船舶航行密度大、操作余地有限制，易导致船与船舶的碰撞事故或触礁现象，这会加重船舶的损坏程度，严重时会威胁船员人身安全^[1]。

长期以来，国内外学者针对这一问题开展研究，并设计了船舶检索海图。但受到船舶数量的影响，检索海图的实时性还有待提升。

为此，谭凯中^[2]提出面向过程的海洋时空数据分布式存储与并行检索方法，该方法根据海洋时空数据分布特征，构建数据组织模型。通过设计R树空间数据索引方法，提升海洋时空数据查询效率。然而，该方法构建的模型不完善，存在调和平均数不佳的问题。

为了解决上述方法存在的问题，本文提出电子海图目标信息快速检索方法。

1 电子海图空间数据索引结构并确立检索区域 1.1 建立电子海图空间数据索引结构

不同格式的电子海图在投影时方式不同，为此，本文采用墨卡托投影方法对电子海图实施投影转换，从中取得电子海图坐标系后，将其转换成地理经纬度，该方程表达式定义如下：

$ \left( {w,j} \right) = \phi _{org}^{ - 1}\left( {\frac{{{X_{org}}}}{{K \times s \times f}}} \right) + \left( {{w_0},{j_0}} \right) 。$

(1)

式中： $ \left( {w,j} \right) $ 表示地理经纬度信息； $ {X_{org}} $ 表示电子海图地理要素图上相对坐标； $ K $ 表示放大倍数； $ s $ 表示地图比例尺； $ f $ 表示缩放比例； $ \phi _{org}^{ - 1} $ 表示地理投影映射； $ \left( {{w_0},{j_0}} \right) $ 表示海图下角点的地理经纬度。由此即可得到电子海图地理经纬度。

由于电子海图的要素位置主要由地理经纬度确定，因此采用投影变换方法构建空间索引数据结构。

由于电子海图信息较多，若将全部目标信息放置数据索引结构中会出现检索复杂的问题，为此建立适应式空间索引结构与船舶电子海图数据3种格式的对应关系图，如图1所示。

基于图1，进一步构建船舶电子海图空间数据索引结构表，如表1所示。

1.2 确定电子海图目标信息检索区域

电子海图检索判断点、线、面与海图矩形区域之间的相交速度较快，因此选取矩形区域用作电子海图目标信息检索区域。以碍航物对船舶带来的危险程度为划分条件，将静态物标划分成3种区域，分别是危险预警区、紧迫局面区、紧迫危险区。依据选取的矩形区域，确定该检索区域，如图2所示。

以港口水域船舶的动态参数及电子海图检索区域为主，进一步确立电子海图目标信息检索区域模型如下：

$ A = V\left( {\frac{t}{2} + \frac{{56.2}}{{K\delta }} + \tan \frac{\theta }{2}} \right) + \frac{{RL}}{2}\cos \theta + P。$

(2)

式中： $ V $ 表示航速； $ t $ 表示操舵时间； $ K $ 表示系数； $ \delta $ 表示舵角； $ \theta $ 表示改向角； $ R $ 表示旋回半径； $ L $ 表示船长； $ P $ 表示定位精度。

再次获取电子海图目标信息检索区域半宽度：

$ NE = \tan \frac{\theta }{2} \cdot \frac{V}{{K\delta }} \cdot \sin \theta + \frac{L}{2}\sin \theta + \frac{B}{2} + P 。$

(3)

式中： $ NE $ 表示半宽度； $ B $ 表示船宽。当 $ \theta = 5^\circ $ ， $ \theta = 10^\circ $ ， $ \theta = 15^\circ $ 时，即为船舶电子海图目标信息3个检索区域的长度及宽度。

2 电子海图目标信息检索 2.1 电子海图目标信息语义关联指向特征提取

假设在电子海图空间数据索引结构中与海图目标语义信息数据类别为 $ m $ ，海图目标语义特征信息流为 $ \left\{ {{x_i}} \right\} $ ，那么在空间数据索引结构中检索数据时所需时间间隔为 $ j $ ，利用下式计算船舶电子海图目标信息自相关函数：

$ {C_x}\left( j \right) = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 0}^{N = 1} {{x_i}}。$

(4)

式中： $ {C_x}\left( j \right) $ 表示自相关函数； $ N $ 表示采集的海图目标信息样本数量^[3]。

假设 $ O $ 中的子集由 $ E $ 标定，由于空间数据索引结构中海图目标信息语义指向特征均独立，为此计算船舶电子海图目标语义自相关信息：

$ E\left\{ {{h_1}\left( {{y_1}} \right) + {h_2}\left( {{y_2}} \right)} \right\} = E\left\{ {{h_1}\left( {{y_1}} \right)} \right\}E\left\{ {{h_2}\left( {{y_2}} \right)} \right\}，$

(5)

式中， $ \left\{ {{h_1}\left( {{y_1}} \right)} \right\} $ 和 $ \left\{ {{h_2}\left( {{y_2}} \right)} \right\} $ 表示独立的语义自相关信息。

假设语义波束指向的时延尺度系数标定为 $ \tau $ ，对电子海图目标信息词频的连续检索标定为 $ x\left( t \right) $ ，利用下式获取自相关函数：

$ C\left( \tau \right) = \mathop {\lim }\limits_{T \to \infty } \frac{1}{T}\int_{ - \frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} {x\left( t \right) + x\left( {t + \tau } \right) + {\rm{d}}} \tau。$

(6)

式中： $ C\left( \tau \right) $ 表示自相关函数； $ x\left( {t + \tau } \right) $ 表示文本提取率； $ d $ 表示常数。当 $ C\left( \tau \right) $ 的取值与0相接近时，则说明电子海图目标信息检索结果可靠性强。为此在检索目标信息时，采用关键词索引方法进一步提取电子海图目标信息语义关联指向特征^[4]，用下式定义：

$ W\left( {X,Y} \right) = \frac{{P\left( {X \cap Y} \right)}}{{P\left( X \right) + P\left( Y \right) - P\left( {X \cap Y} \right)}}。$

(7)

式中： $ W\left( {X,Y} \right) $ 表示关联指向性特征； $ P\left( X \right) $ 表示目标词频检索信息 $ X $ 的概率密度函数； $ P\left( Y \right) $ 表示 $ Y $ 的概率密度函数； $ P\left( {X \cap Y} \right) $ 表示关联检索词频信息。

2.2 动态拾取海图数据法

根据提取的电子海图目标信息语义指向性特征，将其作为指向性索引路径，结合动态拾取海图信息法进一步检索船舶区域内的目标信息。

依据确立的检索区域，平均划分检索区域宽度，共划分为 $ n $ 份，形成多个检索圆。采用动态拾取海图数据法拾取检索圆中的海图数据特征，判断出该区域内的危险碍航物。基于动态拾取海图法的电子海图目标信息快速检索流程如图3所示。

3 实验与分析

为了验证电子海图目标信息快速检索方法的整体有效性，采用本文方法（方法1）、基于分层回溯算法的搜索方法（方法2）、关键词秘密同态检索方法（方法3）设计如对比测试。

检索电子海图目标信息前，首先提取电子海图目标信息特征，供查询扩展使用。基于方法1、方法2和方法3，分别检索电子海图目标信息特征。

以电子海图目标信息碍航物为主，需检索的信息包括：“明礁”、“暗礁”、“沉船”、“水下钢管”、“渔栅”等。评价指标如下：

查准率 $ \Pr ecision $ ，该指标可有效测试出电子海图目标信息检索准确率，其公式为：

$ {Pr}ecision=\frac{检索出的目标信息数量}{检索的目标信息总量}。$

(8)

查全率 $ {Re} call $ ，该指标指可检索的相关海图目标信息，该公式表示为：

$ {Re}call=\frac{检索出的目标信息数量}{船舶电子海图全部目标信息}。$

(9)

以上2种指标的调和平均数 $ F-测试值 $ ，可反映出检索性能：

$ F-测试值=\frac{2\times {Re}call\times {Pr}ecision}{{Re}call+{Pr}ecision}。$

(10)

根据以上设置条件，提取“明礁”、“暗礁”、“水下钢管”3种碍航物的信息特征，根据提取结果，采用3种方法对目标信息实施查全率对比测试，测试结果如表2所示。

分析可知，方法1在检索3种目标信息时，查全率均在99.0%以上，方法2、方法3在检索时，查全率都随着目标信息特征增加逐渐减少，且整体下降效果明显，可见方法1对3种碍航物目标信息的检索更加全面。

以选取的5种碍航物为准，采用方法1、方法2和方法3分别对电子海图目标信息检索查准率实施测试，验证船舶电子海图目标信息检索效果，测试结果如图4所示。可知，由于选取的目标信息碍航物不同，所以提取的目标信息特征量均不相同。在目标信息碍航物特征一致的情况下，3种方法对各个目标信息的查准率有所差异。经对比发现，方法1对各个目标信息的查准率明显优于其余2种方法，而方法2和方法3的整体查准率略显逊色，由此可见方法1的查准率较高，验证了该方法的检索效果较强。

综合测试方法1、方法2和方法3对“明礁”、“暗礁”、“水下钢管”3种目标信息的调和平均数，从而反映出3种方法的检索性能，具体测试结果如图5所示。

分析可知，综合3种目标信息的调和平均数，发现方法1的调和平均数最高，说明方法1的综合检索性能最强。这是因为该方法确定了电子海图目标信息检索区域，提升了电子海图目标信息检索精度，从而增强了目标信息快速检索效果，使其具备更高的有效性。

4 结　语

检索船舶电子海图目标信息时存在实时性低的问题，为此提出电子海图目标信息快速检索方法。该方法在电子海图目标信息快速检索中发挥重要作用，有长远的发展前景。