以圖像處理為基礎的船舶航行軌跡分析

文/范曉君

經濟全球化的發展，世界各國之間的出現了越來越頻繁的商品貿易，海上集裝箱運輸具有較高的安全性，并且成本較低，實際的運輸量也相對較大，因此，海上集裝箱這種運輸方式獲得了很大的發展。由于在近幾年的發展過程中，海上航線的密度在不斷的提升，并且船舶的數量也在不斷的增多，在航行過程中由于受到天氣因素的影響，導致運輸事故頻繁發生，這不僅會對運輸公司產生巨大的經濟損失，同時也會造成嚴重的人員傷亡。因此，就需要相關人員深入研究船舶航行軌跡分析，使船舶的航行安全性能夠得到提升。

1 圖像處理技術以及計算機視覺的發展以及研究現狀

在圖像處理技術以及計算機視覺技術中，其出發點都是通過利用圖像傳感設備，從而獲取目標物體所產生的圖像，同時也要借助計算機技術對圖像進行分析以及處理，并從其中提取出有需要的特征信息。

在現階段的發展過程中，圖像處理技術以及計算機視覺技術的發展主要依靠的就是兩個領域中的技術，一個是高性能的圖像傳感器以及計算機等相關的硬件設備方面的技術，另一個則是計算機視覺理論計算法等相關的軟件技術。在以圖像處理技術為基礎的船舶航行軌跡分析建設過程中，對計算機的軟硬件系統體系結構以及發展進程進行研究，能夠起到十分重要的作用。

攝影測量主要就是指通過對攝像機所獲取到的圖像進行分析處理，從而對圖像中存在的物體的形狀以及位置等相關的參數進行明確。一般來說，根據攝影的距離可以將攝影測量劃分為三種，分別是：航天攝影測量、近景攝影測量以及航空攝影測量。在近景攝影測量當中主要包括在工業方面以及工程測量當中的應用。近景攝影測量中的主要原理就是通過利用三角形交會法，從不同的位置以及不同的方向中出發，對同一個物體進行拍照，并且通過利用圖像處理技術以及攝影測量處理技術，最終獲取到精準的物體三維坐標，從而達到尺寸測量的目的。對于海上船舶進行航行測量的主要方法就包括雷達測量以及衛星遙感測量。而遙感測量屬于最為常用的一種船舶航行軌跡測量方式，同時也是最主要的一種方式。與傳統的測量方法相比較而言，遙感測量主要具有以下四個特點：

（1）遙感測量屬于非接觸式的具有高分辨率的測量方式，能夠很好的適應海上較為復雜并且苛刻的測量環境；

圖1：海上船舶的遙感測量系統結構組成圖

（2）能夠在瞬間獲取到相對較多的被測量的船舶航行的特征點的信息，具有較高的測量效率；

（3）在對物體的幾何信息以及位置信息進行獲取的過程中，應用遙感測量能夠達到更好的效果；

（4）具有較高的自動化程度，并且很容易進行操作。

對于海上船舶進行遙感測量的測量系統結構如圖1所示。

2 以圖像處理為基礎的船舶航行軌跡分析

在海上交通管理部門以及運營部門當中，最主要的工作就是要對負責海域內的傳播進行監控以及做好相關的交通管理工作。本文通過對船舶的航行軌跡圖像進行采集分析，從而預測船舶的航行軌跡，最終有效降低海上交通的發生率。

2.1 船舶航行軌跡圖像的像素平滑濾波技術

對于船舶的航行軌跡圖像進行預處理有著十分重要的作用。在船舶的圖像采集過程中，遙感衛星會受到霧氣以及云層等因素的干擾，并且由于遙感設備自身也具有一定的噪音。因此，就會導致初始的船舶軌跡圖像當中含有大量的噪點，這就需要相關人員對圖像進行預處理，使圖像能夠達到降噪以及濾波。在本文中主要是以圖像處理為基礎，對船舶的航行軌跡遙感圖像進行了幀間差分法以及像素平滑濾波技術。首先，船舶航行軌跡的遙感圖像模型應當是：在該模型當中，代表的是遙感圖像當中的目標像素函數，代表的是遙感圖像當中的海天背景，而代表的就是遙感圖像當中的干擾像素模型。主要的來源就包括外界環境所產生的影響以及圖像采集裝置和傳輸裝置本身所產生的噪聲。

遙感凸顯的平滑濾波以及幀間差分法的過程主要如下：首先，需要設定出某遙感圖像當中的某一個像素點（x,y），其像素灰度應當為f（x,y），那么最終得出的像素平滑濾波函數就應當為：

2.2 船舶航行軌跡遙感圖像的邊緣檢測

圖像中最重要的一個特征就是邊緣，這主要就是指在圖像當中出現屋頂狀變化以及灰度急劇變化的像素集合，通常情況下都是存在于背景的邊界以及目標的邊界中。船舶遙感圖像中的邊緣區域與其相鄰的區域之間存在著十分明顯的黑白邊界，這就需要利用邊緣檢測技術，提取出標志點的邊緣信息。在實際的船舶遙感圖像當中，大部分的邊緣都是斜坡式的邊緣，在邊緣附近的灰度會出現逐漸變化的現象。在斜坡式的邊緣位置處，圖像灰度的一階導數應當取最大值，而二階導數則應當為0。在離散圖像當中，通過利用差分的形式能夠替代導數。Roberts算子主要就是指將遙感圖像當中的對角線方向上存在的兩個相鄰像素差作為梯度值，并開始進行邊緣檢測，這種方法被稱為是Roberts算子。這種檢測方法最終的監測結果相對較為準確，但是很容易受到噪聲的影響。Prewitt算子主要就是通過利用遙感圖像當中的中心點，上下左右相鄰區域當中存在的像素點，對加權差進行計算，這兩種像素計算法都具有降噪的能力，同時也具有一定的模糊邊緣的效果。

在本文中，針對船舶的航行軌跡進行遙感圖像的邊緣檢測工作的過程如下：

（1）進行高斯濾波，對圖像進行平滑去燥；

（2）通過利用一階導數的差分對梯度的幅值以及方向進行計算，可以通過利用Sobel算子的方式進行計算；

（3）對于梯度幅值，進行非極大值的抑制，也就是說，要對局部梯度幅值出現的最大點進行保留，并將其他的點都設置為0；

（4）邊緣連接以及雙閾值法檢測。雙閾值法主要就是指對高閾值以及低閾值進行明確，并且針對疑似邊緣點的點，可以通過連通性對其進行再次判定：如果在疑似邊緣點的領域當中存在著邊緣點，那么就認為該點是邊緣點，否則該點就是非邊緣點。

3 船舶航行軌跡分析以及應用

將本文中所提出的船舶航行軌跡遙感圖像的預處理技術以及邊緣檢測技術進行結合，在本文中基本上已經將船舶的軌跡特征點提取以及分割進行了實現，并在此基礎上，繼續將船舶的航行軌跡進行細分，使其能夠成為更小的船舶行駛軌跡子段，并以此對航行軌跡進行聚類分析，從而獲取船舶的航行軌跡的預測結果。

4 結語

為了能夠使海上交通運輸事故的發生概率得到有效的控制降低，確保船舶能夠安全航行、高效航行。在本文中，主要針對船舶的航行軌跡遙感圖分析以及相應的處理技術進行了研究，其中主要包括兩個方面，分別是：船舶航行軌跡圖像的像素平滑濾波技術以及船舶航行軌跡遙感圖像的邊緣檢測。通過對船舶航行軌跡分析進行研究，能夠為改善海上交通的遙感圖像處理技術水平提供一定的依據，從而使海上交通安全能夠得到一定的保障。