本发明涉及近岸航道疏浚与维护领域，更具体的说，是涉及一种基于ais的近岸航道水深利用率计算方法。
背景技术：
为保障进出港口船舶的安全，通常需要对近岸航道进行定期或不定期的维护。无论是采用水深动态维护方法还是水深静态维护方法，在确定疏浚周期时都充分考虑了回淤速度、设计水深和设计可航水深等因素。在此，在确定疏浚周期时，可引入实际水深利用情况这一因素来进一步提高经济效益比。然而，目前对于近岸航道区域水深利用情况的估计方法较少，且用于直观表征水深利用程度的指标也较少。有学者提出利用实际交通流与理论交通流的比值，船舶占用航道时间与港口航道的通航历时的比值，边缘水域处输送货物价值的量化值作为航道利用率的量化指标，但这些指标都未考虑海域水深情况和水深利用主体的吃水特征。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于ais的近岸航道水深利用率计算方法，解决以往量化指标中未考虑海域水深情况和水深利用主体的吃水特征的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种基于ais的近岸航道水深利用率计算方法，包括以下步骤：
步骤一，ais数据处理：初步筛选出目标区域内的船舶，并对初步筛选数据进行质量控制；
步骤二，水深利用率量化计算样本确定：从步骤一筛选出的目标区域内船舶中再次筛选出采用非乘潮方式进出港的船舶，作为水深利用率量化计算样本；
步骤三，目标区域模型构建：依据ais报文中船舶位置数据，通过arcmap将船舶位置标记到底图上形成航迹图，找出航迹线密集区，并简化航迹线，目标区域内所有简化航迹线构成目标区域模型；
步骤四，构建水深利用率量化模型，量化目标区域的水深利用状况：
其中，η综为目标区域综合水深利用(率)状况，ωi为目标区域内水深利用率量化计算样本中第i条船舶的权重，n为目标区域内作为水深利用率量化计算样本的船舶数量，m为选取构成简化航迹线的水深点数，di为目标区域内水深利用率量化计算样本中第i条船舶的吃水，hj为选取构成简化航迹线的第j个水深点处海图水深值。
步骤一中所述的初步筛选出目标区域内的船舶：将ais报文解析成可读性信息后，通过目标区域边界坐标构建边界函数并依据ais报文中船舶位置属性筛选船舶，得到初步筛选数据。
步骤一中所述的对初步筛选数据进行质量控制：删除ais报文中有属性明显错误、同一mmsi对应不同类别船舶、吃水值为非正数和吃水值小于1米的记录。
步骤二中所述的水深利用率量化计算样本确定：通过目标区域的海图水深、目标区域港口对进出港船舶富余水深的要求和船舶吃水，从筛选出的目标区域内船舶中再次筛选出采用非乘潮方式进出港的船舶，作为水深利用率量化计算样本。
步骤三中所述的简化航迹线的原则：依据选用的海图上水深点密度和航迹走势，依次在航迹线横截面上选取最深水深点，所选水深点连线即为简化航迹线。
步骤四中所述水深利用率量化模型以ais报文中船舶吃水与目标区域海图水深的比值作为航道水深利用情况最基本的量化指标。
步骤四中所述水深利用率量化模型以所选取的简化航迹线上各点处水深利用率之和与所选取的构成简化航迹线水深点数的比值作为单船在其对应简化航迹线上的平均水深利用率。
步骤四中所述水深利用率量化模型以目标区域内水深利用率量化计算样本中每条船舶吃水与总船舶吃水的比值作为由单船在其对应简化航迹线上的平均水深利用率计算综合水深利用率的权重。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明充分利用ais数据，以ais报文中船舶吃水与目标区域海图水深的比值作为航道水深利用情况最基本的量化指标，该指标与当前存在的指标相比，全面考虑海域水深情况和水深利用主体的吃水特征，使以船舶吃水和海图水深的比值作为水深利用率最基本的量化指标能够更加合理、直观的表征近岸航道水深利用状况，为港口航道疏浚与维护提供相应的指导。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面对本发明作进一步的描述。
本发明的一种基于ais的近岸航道水深利用率计算方法，目的在水深利用状况量化指标中考虑目标区域的水深状况和水深利用主体的吃水特征，以使得该量化指标能够更加合理、直观的表征近岸航道水深利用状况，进而为港口航道疏浚提供相应的指导。本发明主要由ais数据处理、水深利用率量化计算样本确定、目标区域模型构建、水深利用率量化模型四个部分组成。
(一)ais数据处理
ais数据处理主要是初步筛选出目标区域内的船舶，并对筛选数据进行质量控制。将ais报文解析成可读性信息后，通过目标区域边界坐标构建边界函数并依据ais报文中船舶位置属性筛选船舶，得到初步筛选数据。对初步筛选后的数据作质量控制：删除ais报文中有属性明显错误、同一mmsi对应不同类别船舶、吃水值为非正数和吃水值小于1米(统计分析得出吃水小于1米的船舶主要为港内引航船，吃水值较小且其活动较为频繁，所以不计入水深利用率量化计算样本中)的记录。
(二)水深利用率量化计算样本确定
水深利用率量化计算样本确定主要是从上述初步筛选出的目标区域内船舶中再次筛选出采用非乘潮方式进出港的船舶样本。通过目标区域的海图水深、目标区域港口对进出港船舶富余水深的要求和船舶吃水，从筛选出的目标区域内船舶中再次筛选出采用非乘潮方式进出港的船舶，作为水深利用率量化计算样本。
(三)目标区域模型构建
主要依据ais报文中船舶位置数据构建抽象的目标区域模型。将船舶按照不同吃水等级分类，然后在参考坐标系及其它参数匹配后，依据ais报文中船舶位置数据，通过arcmap将船舶位置标记到底图上形成航迹图，而后据此找出航迹线密集区，并简化航迹线，目标区域内所有简化航迹线构成目标区域模型。其中，简化航迹线的原则：依据选用的海图上水深点密度和航迹走势，依次在航迹线横截面上选取数个最深水深点，所选水深点连线即为简化航迹线。
(四)水深利用率量化模型
水深利用率量化模型主用来量化目标区域的水深利用状况。水深利用率量化模型以ais报文中船舶吃水与目标区域海图水深的比值作为航道水深利用情况最基本的量化指标。以所选取的简化航迹线上各点处水深利用率之和与所选取的构成简化航迹线水深点数的比值作为单船在其对应简化航迹线上的平均水深利用率。在计算目标区域综合水深利用(率)状况时，因不同吃水等级的船舶对综合水深利用率的贡献存在差异，即同一水域，船舶吃水越深其对水深的利用程度越高。因此以目标区域内水深利用率量化计算样本中每条船舶吃水与总船舶吃水的比值作为由单船在其对应简化航迹线上的平均水深利用率计算综合水深利用率的权重。
水深利用率量化模型，通过如下公式计算目标区域综合水深利用(率)状况：
其中，η综为目标区域综合水深利用(率)状况；ωi为目标区域内水深利用率量化计算样本中第i条船舶的权重，其由公式(2)计算所得；n为目标区域内作为水深利用率量化计算样本的船舶数量；m为选取构成简化航迹线的水深点数；di为目标区域内水深利用率量化计算样本中第i条船舶的吃水，单位为米，其值由ais吃水字段提供，且该字段于开航前设置为最大静吃水，当船舶吃水发生变化时，需要船员手动修改，即吃水为动吃水，可表征船舶动态的吃水状态；hj为选取构成简化航迹线的第j个水深点处海图水深值，以米为单位，其由目标区域内最新的大比例电子海图中提取。
尽管上面对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述，在本发明的启示下，在不脱离本发明范围下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。