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基于多源遙感數(shù)據(jù)的船只動態(tài)監(jiān)測解決方案 已有2人參與
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1.監(jiān)測方法 為了快速準確地提取船只目標，船只監(jiān)測方法采取由粗到精的策略，首先從大幅圖像中快速提取出候選區(qū)域，利用反映艦船目標的最為明顯且計算量小的一些特征，確定出艦船目標可能存在的區(qū)域; 然后再利用精細特征對候選區(qū)域進一步確認分析，找出真實的艦船目標。 以釣魚島(黃巖島)為例，以中低分影像為基礎(chǔ)，同時結(jié)合高分影像，建立本地數(shù)據(jù)庫，對海島周邊進行周期性動態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)海島周邊出現(xiàn)可疑目標，則立即查詢符合該位置、時間要求的高分衛(wèi)星影像，對海島周邊的船只進行有效辨識。同時， 盡可能收集有效數(shù)據(jù)源，鑒別出船只的功能類型。  圖 1 船只監(jiān)測組成框架圖 1.1 遙感監(jiān)測方法 遙感可從多波段、多時相和全天候角度獲得全球觀測數(shù)據(jù)，這在海洋監(jiān)測領(lǐng)域是其他任何方法技術(shù)無可替代的。鑒于當(dāng)前多源遙感技術(shù)快速發(fā)展，從千米到亞米級級遙感數(shù)據(jù)源的不斷出現(xiàn)，對于海域船只變化監(jiān)測成為了現(xiàn)實。為了快速與高效的準確把握船只信息，分別采用不同的遙感數(shù)據(jù)源，采用多尺度遙感監(jiān)測方法、靜態(tài)遙感圖像分析方法和動態(tài)遙感圖像分析方法。 1.1.1 多尺度遙感監(jiān)測方法 目前基于衛(wèi)星的船只監(jiān)測技術(shù)和方法能對海面船只、船尾跡成像，獲取船只的信息。隨著國際遙感事業(yè)的發(fā)展，特別是近幾年我國遙感事業(yè)的發(fā)展，中低分數(shù)據(jù)的免費獲取成為可能，同時不同的數(shù)據(jù)源和重訪周期加大了每一天數(shù)據(jù)源獲取的可能，利用多源的中低分數(shù)據(jù)可實現(xiàn)定量遙感監(jiān)測，反演出監(jiān)測區(qū)域的海面溫度、反照率等信息，為海島船只的監(jiān)測實現(xiàn)效率與經(jīng)濟最大化;此外，微波遙感技術(shù)也迅速發(fā)展，微波遙感技術(shù)具有全天時、全天候的工作能力，不受云、雨、霧的影響，并可在夜間工作，這使得微波遙感在海洋觀測領(lǐng)域有著特殊、廣泛的應(yīng)用。 在海域監(jiān)測中，以區(qū)域尺度、局地、單位和功能四個尺度實現(xiàn)船只的監(jiān)測。區(qū)域尺度海洋船只監(jiān)測主要以國家環(huán)境衛(wèi)星、中巴衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源為主，中低分辨率影像可實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)格化，提高實現(xiàn)預(yù)警能力，同時國際中低分辨率衛(wèi)星影像其最大的優(yōu)點是更新周期較快，可實現(xiàn)時間分辨率的互補過多星復(fù)合監(jiān)測的手段，可實現(xiàn)最短 3- 12 小時一次的動態(tài)監(jiān)測。在確定可疑目標物存在的同時，為了排除云遮擋、海浪等一些外界條件對影像辨識的影響，在局地尺度上辨析目標物是否存在。在完全確定船只存在的同時，利用高分辨率影像，結(jié)合監(jiān)測分析系統(tǒng)，以單位尺度去辨析船只的數(shù)量。在辨析船只數(shù)量的基礎(chǔ)上，利用高分影像(雷達數(shù)據(jù)、航片)通過船只紋理輪廓特征辨識船只的種類，盡可能利用中國雷達海域監(jiān)測系統(tǒng)(船只唯一頻率標示)與亞米及航片或相關(guān)影像共同結(jié)合辨析船只籍貫，提高辨識的準確性。  圖 2 海洋島嶼船只監(jiān)測遙感方法思路設(shè)計 1.1.2 靜態(tài)遙感圖象分析法 是以某一固定時相的遙感影像為基礎(chǔ)，采用通過對圖象實施波段組合、變換增強處理，結(jié)合定量遙感反演(海域溫度、反照率等指標)，確定可疑目標范圍、位置、船只類型等信息。 1.1.3 動態(tài)遙感圖象分析法 在確定海域船只目標的同時，最大限度的獲取該區(qū)域范圍影像產(chǎn)品，實現(xiàn)多源、多時序的海域船只監(jiān)測，確保對海島周邊進行周期性動態(tài)監(jiān)測。 2.技術(shù)路線 中低分辨率衛(wèi)星圖像具有覆蓋范圍廣、觀測周期短等優(yōu)點，數(shù)據(jù)量相對較小，而高分辨率圖像中目標清晰細節(jié)豐富，但數(shù)據(jù)量龐大，直接從高分辨率圖像中檢測目標耗時相當(dāng)多，且易受其他目標復(fù)雜背景的干擾，因此從中低分辨率遙感圖像著手進行艦船檢測，進而引導(dǎo)高分辨率圖像的艦船識別，是實現(xiàn)大范圍區(qū)域內(nèi)艦船目標快速普查與艦船目標區(qū)域重點詳查的有效途徑。 根據(jù)海域島嶼船只監(jiān)測實際要求，整個技術(shù)過程由 4 部分組成：投影設(shè)計和控制數(shù)據(jù)層的建立，遙感數(shù)據(jù)和地形圖等信息源數(shù)據(jù)的處理，定量遙感反演，船只定性與定量分析。  圖 3 海域島嶼動態(tài)監(jiān)測總體技術(shù)路線 2.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 2.1.1 地圖投影設(shè)計 為了便于檢索、查詢和管理區(qū)域空間數(shù)據(jù)庫各層面的數(shù)據(jù)，需要同一的坐標系和地圖投影。 在此方案中采用的坐標系為北京 1954 坐標，地圖投影為 6 度帶高斯- 克呂格橫軸等角切圓柱投影。具體參數(shù)設(shè)計如下: 坐 標 系：北京 1954 坐標 投 影：6 度帶高斯- 克呂橫軸等角切圓柱投影 中央經(jīng)線：6°*X- 3° (X 為帶號) 坐標原點：位于赤道與中央經(jīng)線的交點 X 軸偏移：500000+X*1000000 Y 軸偏移：0 橢球：Krasovsky a = 6378245.0000 b = 6356863.0188 扁率倒數(shù) = 298.3 投影比例尺 1∶1(即為實際大地坐標) 單位：米 2.1.2 一級控制點設(shè)計 一級控制點包括經(jīng)緯度控制點和方里網(wǎng)控制點。經(jīng)緯度控制點按 1：5 萬國家基礎(chǔ)地形圖分幅標準進行設(shè)計。  圖 4 海域 1:5 萬控制網(wǎng)設(shè)計  圖 5 方里網(wǎng)控制點分布圖 2.1.3 二級控制圖層的設(shè)計 在 1:5 萬控制網(wǎng)設(shè)計的同時，對監(jiān)測區(qū)域的高分遙感影像及其它柵格圖像糾正以 1:1 萬或更大比例尺進行控制設(shè)計。由于地形圖存在較大的幾何畸變，為此按照項目精度要求，依據(jù)控制點層，以矢量對圖像方式，采用二次多項式和有限元方法進行局部控制幾何糾正，最終以 TIFF 格式存盤備用。 2.2 數(shù)據(jù)處理 2.2.1 影像處理 影像處理主要包括對一系列多源數(shù)據(jù)的處理操作，其目的是抑制雜波背景，增強和凸顯目標，去除由于各種因素造成的對船只監(jiān)測的干擾，盡可能地提高船只監(jiān)測的準確性和可靠性。影像處理主要包括濾波處理、云監(jiān)測與插補、大氣校正、地形校正、輻射定標、波段融合等。  圖 6 數(shù)字正射影像(DOM)制作流程 2.2.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù) 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的建立主要為保證船只信息提取的正確性，經(jīng)過遙感影像與實地考察相結(jié)合，建立了遙感影像目視解譯標志庫，提取島嶼周邊環(huán)境土地利用/覆蓋狀況，避免中低分遙感影像反演島嶼周邊狀況造成影響，最終建立各專題信息數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫的建立主要考慮海島與海岸帶的土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)、海島礁石信息、地貌特征、潮間帶、圍填海區(qū)域等。 2.2.3 遙感反演 利用環(huán)境衛(wèi)星、海洋三號等產(chǎn)品對監(jiān)測區(qū)域的海面溫度與反照率進行反演，目的在區(qū)域尺度監(jiān)測快速辨識可疑目標。以環(huán)境小衛(wèi)星產(chǎn)品為例，反演海水表面溫度。 對于 HJ- 1B 衛(wèi)星 CCD2- Band2 綠波段、 IRS- Band6 中紅外波段和 IRS- Band8 熱紅外波段，其輻亮度圖像定標公式見下表。表中 A、g(單位為 DN/(W(m - 2(sr- 1μm - 1))為絕對定標系數(shù)增益，L0、 b 為偏移量。  表 1 HJ-1B 衛(wèi)星定標公式 利用熱輻射傳輸方程求解溫度需要知道實時的大氣廓線數(shù)據(jù)，而這部分數(shù)據(jù)又很難獲得且求解復(fù)雜，所以研究人員基于熱輻射傳輸方程作了一定的假設(shè)，并利用統(tǒng)計回歸的方法提出兩種簡單易用的單通道反演模型: 一種是覃志豪提出的單窗算法; 另一種是 Jimenez - Munoz 和 Sobrino 提出的普適性單通道算法。段四波、閻廣建等人經(jīng)過研究認為這兩種模型反演結(jié)果總的趨勢比較接近，但是后者反演經(jīng)度更高。故反演海面溫度采用 Jimenez - Munoz 和 So- brino 提出的單通道算法，模型如式:  3.船只信息提取實例分析 3.1 監(jiān)測類別體系建立 監(jiān)測目標物：船只; 船只類型：一般貨船、油船、集裝箱、客船、漁船、軍艦以及不詳; 船只類型鑒別標示：船只造型、配備武器設(shè)備(炮口口徑、炮種)、雷達設(shè)備裝置、船體設(shè)計造型等; 國籍：本國或外國。 3.2 船只遙感信息提取 首先利用中低分變率數(shù)據(jù)源反演監(jiān)測區(qū)域溫度與反照率，利用空間分析模塊運算格網(wǎng)奇異值(同一客觀條件下)。同時，搜集歷史數(shù)據(jù)，建立同一區(qū)域下的網(wǎng)格溫度波譜圖，為現(xiàn)時數(shù)據(jù)的反演提供可靠對比依據(jù)。 其次，在確定有網(wǎng)格奇異值時，盡可能收集同一時間分辨率下的中分辨率遙感影像，利用圖像增強等處理，判別網(wǎng)格奇異值范圍是否為船只，排除其他要素的可能性(云層、海浪、分布等)。 最后，在以網(wǎng)格化方式(柵格分辨率)確定船只存在的同時，首先考慮國產(chǎn)高分影像數(shù)據(jù)源(中巴資源 02B、資源 3號)，在時間尺度不匹配的情況下，收集或訂購天繪一號、資源一號等高分影像，按照特征提取與分類相結(jié)合原則辨識船只輪廓及船只數(shù)量，根據(jù)紋理特征及光譜特征辨識船只類型(漁船、軍用船只及國家艦船)，同時結(jié)合基礎(chǔ)地理要素分析船只行駛環(huán)境。  圖 7 船只提取示意圖 當(dāng)您看完上面的利用遙感數(shù)據(jù)獲取船只信息后，有沒有感覺茅塞頓開呢?地理國情監(jiān)測云平臺是一個專門提供生態(tài)環(huán)境、土地利用等方面解決方案的平臺，為科研工作者助力。 |
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