4. 环境感知与静态地图构建
无人船要“知道自己在哪、周围有什么”，就必须先把外部世界转换成船载计算机能理解的地图。本节聚焦静态地图构建：电子海图、栅格地图、障碍物表示、水深与岸线数据的使用，以及从感知数据到地图的映射流程。静态地图是任务规划与避碰决策的底图，它不随每一帧传感器刷新，但决定了后续动态感知的“坐标系与语义框架”。
一、电子海图：带语义的矢量底图
电子海图（ENC）以 S-57/S-101 标准组织，本质是矢量要素集合：每个要素有几何（点、线、面）、属性（水深、航标类型、禁航区、锚地）和拓扑关系。与图片不同，电子海图可查询、可计算。例如读取一个面要素的 OBJL=71（航道）与 DRVAL1/DRVAL2（可用水深范围），就能判断某区域是否满足吃水要求。工程上常用 GDAL/OGR 或 S-57 解析库把 ENC 转成 GeoJSON 或直接读入内存，再按船位裁剪出局部区域，避免全图加载。
使用电子海图的关键是坐标基准统一。ENC 通常基于 WGS-84 经纬度，而船载局部栅格地图多用米制平面坐标。必须先确定投影（如 UTM 或局部墨卡托），并明确“北向为 +Y、东向为 +X”的约定，全文与图示保持一致。否则海图要素与雷达点云叠加时会出现系统性偏移。
二、栅格地图：把连续世界离散化
栅格地图把关注水域划分为规则网格，每个格子存储一个值。常用两种：占据栅格（0 空闲、1 占据、未知）用于避碰；代价栅格（0~255）用于路径规划，把浅水、禁航区、离岸距离折算成通行代价。分辨率是核心参数：内河航道可取 0.5 m/格，开阔水域可取 2 m/格。分辨率越细，障碍物边界越精确，但内存与计算量按平方增长。
栅格原点与索引约定必须写清楚：设原点 (x0, y0)，分辨率 r，则格 (i, j) 的中心坐标为 x = x0 + (i+0.5)·r，y = y0 + (j+0.5)·r。反算索引用 i = floor((x−x0)/r)。这一组公式是“感知数据落格”的基础，务必在代码与文档中统一。
三、障碍物表示方法
静态障碍物来源不同，表示方式也不同：
- 点障碍：孤立航标、桩、礁石点，用中心点加安全半径表示，落格时把半径覆盖的格子置为占据。
- 线障碍：堤坝、桥墩连线、养殖网箱边界，用折线加膨胀宽度表示，沿线段做栅格化（类似 Bresenham 加粗）。
- 面障碍：浅滩、禁航区、码头，用多边形填充，常用扫描线算法把多边形内部格子置为占据或高代价。
无论哪种，工程上都要做安全膨胀：按船体半宽加安全余量（示例取 1.5 m）向外扩张障碍物，把“船是一个点”的假设转化为“障碍物变大、船为质点”，简化后续规划。膨胀半径必须与船型、航速、定位精度匹配，属于可调参数而非固定值。
四、水深与岸线数据的使用
水深数据来自海图等深线、测深点或公开水深网格。构建时可生成水深栅格：对每个格子取该处水深值，低于船吃水加富余水深（示例：吃水 0.8 m + 富余 0.5 m = 1.3 m）的格子标记为不可通行。等深线是线要素，需先插值成面或栅格，不能直接当边界用。
岸线数据用于界定可航水域边界。把岸线多边形作为“外部障碍”，其内部（陆地侧）置为占据，同时可计算每个可航格到岸线的距离，形成离岸距离场，作为代价栅格的附加项，让规划倾向走航道中央。岸线数据常有简化误差，需与最新影像或现场感知比对后再用。
五、感知数据到地图的映射流程
静态地图构建不是一次性导入，而是“先验底图 + 观测修正”的融合过程。以雷达点云为例，映射分四步：
- 坐标变换：雷达输出为极坐标（距离、方位角），先转船体坐标，再经船位与艏向转局部地图坐标。方位角约定从 +X 轴逆时针为正，与前述坐标系一致。
- 落格：用上面的索引公式把每个点映射到格子。为避免单点噪声造成虚假障碍，采用概率占据更新：命中格按对数几率累加（示例：命中 +0.4，未命中 −0.2），超过阈值（如 0.7）判为占据。
- 与先验融合：海图已知障碍直接置为高置信占据；观测与海图冲突时，保留两者并标记“待确认”，不盲目覆盖先验。
- 膨胀与输出：对融合后的占据栅格做安全膨胀，生成最终避碰层，再与水深、代价层叠加成规划用地图。
六、结果如何判断
地图构建完成后，可从三方面检查：一是几何一致性，把海图岸线与观测点云叠加，看岸线附近点云是否贴合；二是可通行性，抽查若干格子的水深与占据值是否符合预期；三是规划可用性，在已知航道内跑一次规划，看路径是否避开膨胀后的障碍且不穿越浅水区。若出现系统性偏移，优先查投影与原点；若出现零散虚假障碍，优先查落格阈值与噪声过滤。静态地图是后续动态避碰与任务规划的共同基础，其坐标约定与参数版本必须在全船软件中保持一致。