CN111899564B - 一种监测船舶违规关闭ais行为的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测船舶违规关闭AIS行为的方法，依次通过：利用安装在桥梁上的热红外相机采集下方水面船舶图像并赋予热红外图像上每一个像素对应一组经度和纬度信息；基于船舶烟囱是水上唯一热源识别具有高温特征的像素确定船舶烟囱所处的经度和纬度信息；利用船舶自动识别系统同步获取桥下所有合规开启AIS的船舶的GPS定位数据；对合规开启AIS的船舶和热红外图像获取的船舶进行匹配以判断监测视野中是否存在违规关闭AIS的船舶；该监测船舶违规关闭AIS行为的方法能够高效识别出违规关闭AIS行为船舶并自动抓拍违规船舶，有助于提高海事安全监管的技术水平。

Description

一种监测船舶违规关闭AIS行为的方法
技术领域
本发明涉及海事执法设施技术领域，特别涉及一种监测船舶违规关闭AIS行为的方法。
背景技术
船舶AIS系统是船舶自动识别系统(Automatic Identification System)的简称，通过甚高频(VHF)频道向附近水域船舶及岸台广播自身信息的系统，信息内容包括船名、呼号等静态信息和实时GPS定位、航速等动态信息。为了确保水上通航的安全，互知身份和位置，船舶航行时必须按照规定开启AIS系统。然而，一些船舶在进行违规作业时会采用关闭AIS系统以逃避海事执法力量的监管，例如禁渔期捕鱼行为、海上走私倒卖行为、江河湖海非法挖沙行为、内河船舶非法海运等。
目前，海事执法人员一般采用的船舶巡查方法，即海巡船随机巡逻，通过人为观察周边的船舶以及电子海图上显示的船舶AIS信息，具有很大的随机性和偶然性；而且，由于海巡船本身开启AIS，极易被防备。因此需要针对上述问题设计一种更加高效和高准确率的监测船舶违规关闭AIS行为的实施方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种依托桥梁的地利优势通过相机实时监控过往船舶以实现准确、高效判断出其是否存在违规关闭AIS行为的监测方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种监测船舶违规关闭AIS行为的方法，步骤如下：
S1、在横跨水面的桥梁一侧安装热红外相机，并根据热红外相机的安装位置确定其监测视野覆盖在下方水面上的实际梯形水平面范围与其热红外图像上的梯形水平面范围之间的比例关系，以得到热红外图像上各像素所对应地实际位置处的经度和纬度，以赋予热红外图像上每一个像素对应一组经度和纬度信息；
S2、利用安装在桥梁上的热红外相机对其下方水面进行连续地热红外图像采集，每一帧热红外图像同时记录有采集时间t；
S3、基于船舶烟囱是水上唯一热源，通过在每一帧热红外图像中识别具有高温特征的像素确定热红外图像是否采集到船舶烟囱，并根据具有高温特征的像素在热红外图像中的位置确定船舶烟囱所处的经度和纬度信息，进而得到在监测期间出现在监测视野中的每条船舶在从初始出现在监测视野时刻t1至监测视野消失时刻tn的连续航行轨迹：[(t1,xs1,ys1)，(t2,xs2,ys2)，(t3,xs3,ys3)......(tn,xsn,ysn)]；其中，xs和ys分别为某一时刻船舶烟囱的经度和纬度；
S4、在进行步骤S3的同时，利用船舶自动识别系统同步获取桥下所有合规开启AIS的船舶的GPS定位数据，以获得在监测期间出现在监测视野中的每条合规开启AIS的船舶的连续航行轨迹：[(t1,xAIS1,yAIS1)，(t2,xAIS2,yAIS2)，(t3,xAIS3,yAIS3)......(tn,xAISn,yAISn)]；其中，xAIS和yAIS分别为某一时刻船舶自动识别系统的GPS记录的经度和纬度；
S5、对由步骤S3和步骤S4得到的两份船舶的连续航行轨迹结果进行轨迹重合度识别，依据两份船舶的连续航行轨迹是否能一一对应匹配以判断监测视野中是否存在违规关闭AIS的船舶；当检测到出现违规关闭AIS的船舶则启动安装在热红外相机邻侧的高清相机进行图像采集。
优选，在步骤S1中，热红外相机安装在上行航道的正上方或下行航道的正上方，且镜头以斜向朝下的方式设置；设置在热红外相机邻侧的高清相机的水面采集视野≥热红外相机的监测视野。
更优选，相机的水平方位角为与航道方向一致，俯仰角为斜向下45°。
优选，步骤S3的具体实施方式为：设定温度阈值并在每一帧热红外图像中识别出的温度值大于温度阈值的像素，作为表征船舶烟囱的高温像素；将相邻的高温像素定义为表征同一船舶烟囱的高温像素，并在表征同一船舶烟囱的高温像素中取位于中心位置处的高温像素作为表征船舶烟囱位置的像素，其对应的经度和纬度为船舶在图像采集时刻t下的经、纬度位置(xs,ys)。
进一步地，步骤S5的具体实施方式为：
i)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量与经过步骤S5识别到的航行轨迹数量相同，则直接判定所有船舶均合规开启AIS；
ii)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量仅为一条，而经过步骤S5未识别到的航行轨迹，则直接判定该船舶违规关闭AIS；
iii)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量与经过步骤S5识别到的航行轨迹数量均为多条，且经过步骤S3识别到的航行轨迹数量多于经过步骤S4识别到的航行轨迹数量，则利用轨迹重叠度将步骤S4识别到的每条航行轨迹分别与步骤S3识别到的多条航行轨迹进行匹配，剩余未能匹配的航行轨迹所对应的船舶则直接判定为违规关闭AIS。
其中，利用轨迹重叠度对航行轨迹进行匹配的方法为：将步骤S4得到的某条航行轨迹依次与每条由步骤S3得到的航行轨迹中相同采集时间下的经、纬度进行水平距离偏差计算：dn＝sqrt((xsn-xAISn)2+(ysn-yAISn)2)，并求取平均值
Figure BDA0002543666400000031
最终在多组平均值计算结果中取平均值
Figure BDA0002543666400000032
最小值对应的航行轨迹为与之相匹配的航行轨迹。
与现有技术相比，该监测船舶违规关闭AIS行为的方法依托桥梁的地利优势，将热红外相机安装在桥梁上以实现对过往桥梁的船舶进行实时拍摄，并通过将图像分析技术与船舶自动识别系统进行联用，高效识别出违规关闭AIS行为船舶并自动抓拍违规船舶，有助于提高海事安全监管的技术水平。
附图说明
图1为本发明的监测船舶违规关闭AIS行为的方法的流程图；
图2为本发明的实施例中安装在桥梁上的热红外相机对下方水面上某一艘船舶的热红外图像进行采集的示意图；
图3为本发明的实施例中利用热红外相机所采集到的下方水面上某一艘船舶的热红外图像的示意图；
图4为本发明的实施例中对通过热红外图像分析和船舶自动识别系统获得的航行轨迹进行匹配的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，该监测船舶违规关闭AIS行为的方法的具体实施步骤如下：
步骤一、安装监测图像采集装置：
1)在横跨水面的桥梁一侧，且位于上行航道的正上方或下行航道的正上方的位置处安装一台热红外相机，同时在热红外相机的邻侧安装有一台高清相机；对应地，在热红外相机和高清相机上方桥梁上还安装有内置有小型工控机和与小型工控机连接的无线信号收发器的控制柜；热红外相机和高清相机分别与小型工控机连接，用于接收热红外相机采集的热红外图像和高清相机拍摄的高清相片并存储，并通过无线信号收发器将热红外图像和/或高清相片传输至远端控制器上；同时远端控制器还可以通过无线信号收发器向小型工控机发送启动高清相机拍摄照片的指令或调整热红外相机图像采集间隔的指令；
在具体实施过程中，热红外相机和高清相机均以镜头斜向朝下一定角度，如斜向朝下45°，的方式设置；另外，由于高清相机用于对判断为违规关闭AIS的船舶进行抓拍拍照，因此高清相机对于水面区域的采集视野应包括并大于热红外相机对水面区域监测视野，使违规关闭AIS的船舶即使开出了热红外相机对水面区域监测视野，也可以成功被高清相机抓拍到；
2)如图2和图3所示，根据热红外相机安装位置的经度、纬度、水平方位角和俯仰角，及其距离下方水面的高度，热红外相机的等效焦距、热红外成像在长度方向上的像素数和热红外成像在宽度方向上的像素数，确定其监测视野覆盖在下方水面上的实际梯形水平面范围与其热红外图像上的梯形水平面范围之间的比例关系，以得到热红外图像上各像素所对应地实际位置处的经度和纬度，这样，热红外图像上每一个像素均赋予了一组经度和纬度信息；
S2、启动热红外相机，并设定其采集热红外图像的时间间隔；利用热红外相机对其下方水面进行连续地热红外图像采集，并将连续采集的热红外图像传输至远端工控机上；其中，每一帧热红外图像同时记录有采集时间t；
S3、远端工控机基于“船舶烟囱是水上唯一热源”这一思路对连续采集的热红外图像进行处理，具体处理方式如下：
S301、设定温度阈值，作为判断像素是否表征船舶烟囱的指标；
S302、在每一帧热红外图像中识别出的温度值大于温度阈值的像素，作为表征船舶烟囱的高温像素；然后将其中相邻的高温像素定义为表征同一船舶烟囱的高温像素；接着在表征同一船舶烟囱的多个高温像素中取位于中心位置处的高温像素作为表征船舶烟囱位置的像素，该像素的经度和纬度为船舶在图像采集时刻t下的经、纬度位置(xs,ys)；
S303、重复步骤S302对连续采集的热红外图像进行相同处理，得到在监测期间出现在监测视野中的每条船舶在从初始出现在监测视野时刻t1至监测视野消失时刻tn的连续航行轨迹：[(t1,xs1,ys1)，(t2,xs2,ys2)，(t3,xs3,ys3)......(tn,xsn,ysn)]；其中，xs和ys分别为某一时刻船舶烟囱的经度和纬度，如图4所示；
S4、在进行步骤S3的同时，利用船舶自动识别系统同步获取桥下所有合规开启AIS的船舶的GPS定位数据，以获得在监测期间出现在监测视野中的每条合规开启AIS的船舶的连续航行轨迹：[(t1,xAIS1,yAIS1)，(t2,xAIS2,yAIS2)，(t3,xAIS3,yAIS3)......(tn,xAISn,yAISn)]；其中，xAIS和yAIS分别为某一时刻船舶自动识别系统的GPS记录的经度和纬度；
S5、对由步骤S3和步骤S4得到的两份船舶的连续航行轨迹结果进行轨迹重合度识别，依据两份船舶的连续航行轨迹是否能一一对应匹配以判断监测视野中是否存在违规关闭AIS的船舶；
具体判断方式为：
i)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量与经过步骤S5识别到的航行轨迹数量相同，则直接判定所有船舶均合规开启AIS；
ii)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量仅为一条，而经过步骤S5未识别到的航行轨迹，则直接判定该船舶违规关闭AIS；
iii)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量与经过步骤S5识别到的航行轨迹数量均为多条，且经过步骤S3识别到的航行轨迹数量多于经过步骤S4识别到的航行轨迹数量，则利用轨迹重叠度将步骤S4识别到的每条航行轨迹分别与步骤S3识别到的多条航行轨迹进行匹配，剩余未能匹配的航行轨迹所对应的船舶则直接判定为违规关闭AIS；
其中，利用轨迹重叠度对航行轨迹进行匹配的方法为：
将步骤S4得到的某条航行轨迹依次与每条由步骤S3得到的航行轨迹中相同采集时间下的经、纬度进行水平距离偏差计算：dn＝sqrt((xsn-xAISn)2+(ysn-yAISn)2)，并求取平均值
Figure BDA0002543666400000061
最终在多组平均值计算结果中取平均值
Figure BDA0002543666400000062
最小值对应的航行轨迹为与之相匹配的航行轨迹；
当远程工控机检测到出现违规关闭AIS的船舶，则通过无线信号收发器向小型工控机发送启动高清相机拍摄照片的指令，启动安装在热红外相机邻侧的高清相机进行图像采集。该高清照片即可作为船舶违规关闭AIS的证据由海上执法人员根据高清照片上违规船舶尾部喷涂的船名信息进行相应地处罚。

Claims (4)

1.一种监测船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、在横跨水面的桥梁一侧安装热红外相机，并根据热红外相机的安装位置确定其监测视野覆盖在下方水面上的实际梯形水平面范围与其热红外图像上的梯形水平面范围之间的比例关系，以得到热红外图像上各像素所对应地实际位置处的经度和纬度，以赋予热红外图像上每一个像素对应一组经度和纬度信息；
S2、利用安装在桥梁上的热红外相机对其下方水面进行连续地热红外图像采集，每一帧热红外图像同时记录有采集时间t；
S3、基于船舶烟囱是水上唯一热源，通过在每一帧热红外图像中识别具有高温特征的像素确定热红外图像是否采集到船舶烟囱，并根据具有高温特征的像素在热红外图像中的位置确定船舶烟囱所处的经度和纬度信息，进而得到在监测期间出现在监测视野中的每条船舶在从初始出现在监测视野时刻t1至监测视野消失时刻tn的连续航行轨迹：[(t1,xs1,ys1)，(t2,xs2,ys2)，(t3,xs3,ys3)......(tn,xsn,ysn)]；其中，xs和ys分别为某一时刻船舶烟囱的经度和纬度；
S4、在进行步骤S3的同时，利用船舶自动识别系统同步获取桥下所有合规开启AIS的船舶的GPS定位数据，以获得在监测期间出现在监测视野中的每条合规开启AIS的船舶的连续航行轨迹：[(t1,xAIS1,yAIS1)，(t2,xAIS2,yAIS2)，(t3,xAIS3,yAIS3)......(tn,xAISn,yAISn)]；其中，xAIS和yAIS分别为某一时刻船舶自动识别系统的GPS记录的经度和纬度；
S5、对由步骤S3和步骤S4得到的两份船舶的连续航行轨迹结果进行轨迹重合度识别，依据两份船舶的连续航行轨迹是否能一一对应匹配以判断监测视野中是否存在违规关闭AIS的船舶；当检测到出现违规关闭AIS的船舶则启动安装在热红外相机邻侧的高清相机进行图像采集；
步骤S5的具体实施方式为：
i)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量与经过步骤S5识别到的航行轨迹数量相同，则直接判定所有船舶均合规开启AIS；
ii)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量仅为一条，而经过步骤S5未识别到的航行轨迹，则直接判定该船舶违规关闭AIS；
iii)若经过步骤S4识别到的航行轨迹数量与经过步骤S5识别到的航行轨迹数量均为多条，且经过步骤S3识别到的航行轨迹数量多于经过步骤S4识别到的航行轨迹数量，则利用轨迹重叠度将步骤S4识别到的每条航行轨迹分别与步骤S3识别到的多条航行轨迹进行匹配，剩余未能匹配的航行轨迹所对应的船舶则直接判定为违规关闭AIS。
2.根据权利要求1所述的监测船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，热红外相机安装在上行航道的正上方或下行航道的正上方，且镜头以斜向朝下的方式设置；设置在热红外相机邻侧的高清相机的水面采集视野≥热红外相机的监测视野。
3.根据权利要求1所述的监测船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，步骤S3的具体实施方式为：设定温度阈值并在每一帧热红外图像中识别出的温度值大于温度阈值的像素，作为表征船舶烟囱的高温像素；将相邻的高温像素定义为表征同一船舶烟囱的高温像素，并在表征同一船舶烟囱的高温像素中取位于中心位置处的高温像素作为表征船舶烟囱位置的像素，其对应的经度和纬度为船舶在图像采集时刻t下的经、纬度位置(xs,ys)。
4.根据权利要求3所述的监测船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，根据轨迹重叠度对航行轨迹进行匹配的方法为：将步骤S4得到的某条航行轨迹依次与每条由步骤S3得到的航行轨迹中相同采集时间下的经、纬度进行水平距离偏差计算：dn＝sqrt((xsn-xAISn)2+(ysn-yAISn)2)，并求取平均值
Figure FDA0003468491940000021
最终在多组平均值计算结果中取平均值
Figure FDA0003468491940000022
最小值对应的航行轨迹为与之相匹配的航行轨迹。
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