CN111914624A - 利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭ais行为的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法，依次通过：1)获取高分辨率卫星影像并剔除陆地部分；2)将具有多波段特征的卫星影像转换为对水体敏感的灰度图以突出船舶，并根据卫星影像自带的地理信息得到每条船舶的地理位置；3)调取同一片水域在t‑1min至t+1min的时间段内的所有船舶的AIS数据；4)获得每条合规开启AIS的船舶在t时刻的位置(t,xAIS,yAIS)；5)将4)对卫星影像下的船舶与合规开启AIS的船舶进行配，未匹配的船舶即代表未合规开启AIS的船舶；该方法可实现快速掌握大范围区域内船舶违规关闭AIS行为，有助于指导海事执法力量开展针对性的精准检查，进而提高海事安全监管的技术水平。

Description

利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法
技术领域
本发明涉及对船舶违规关闭AIS行为的检查方法技术领域，特别涉及一种利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭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。船舶的巡查办法是海巡船随机巡逻，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。高分辨率卫星对地观测具备“瞬间定格”地表所有景物的能力，包括水上的船舶；结合海事主管部门接收到的船舶AIS数据，可通过比对识别到违规关闭AIS的船舶，有助于识别该违规行为的热点区域和热点船型，指导海事执法力量开展针对性的精准检查，有助于降低航运的安全风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高分辨率卫星影像实现准确、高效判断出船舶违规关闭AIS行为的方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法，步骤如下：
S1、获取高分辨率卫星在t时刻采集的某片水域的卫星影像，并将其与包含有该片水域的电子地图相叠加，以将卫星影像中的陆地部分剔除仅留下水域部分；
S2、将具有多波段特征的卫星影像转换为对水体敏感的灰度图，以区分水体部分和水体中的各条船舶；进而根据卫星影像自带的地理信息，得到每条船舶中心位置处的经度和纬度(xs,ys)，作为表征船舶在卫星影像采集时刻下的地理位置；
S3、在进行步骤S1的同时，根据卫星影像的拍摄范围从海事AIS数据库中调取同一片水域在t-1min至t+1min的时间段内的所有船舶的AIS数据，以提取每一条合规开启AIS的船舶的动态定位数据，进而得到每一条合规开启AIS的船舶在t-1min至t+1min的时间段内的航行轨迹：[(t1,x1,y1)，(t2,x2,y2)，(t3,x3,y3)......(tn,xn,yn)]，其中，tn为数据采集时刻，xn为tn时刻某船舶的经度，yn为tn时刻某船舶的纬度；
S4、通过对每条合规开启AIS的船舶在t时刻前的位置(ta,xa,ya)和在t时刻后的位置(tb,xb,yb)进行线性插值计算：
xAIS＝((t-ta)×xb+(tb-t)×xa)/(tb-ta)；
yAIS＝((t-ta)×yb+(tb-t)×ya)/(tb-ta)；
得到每条合规开启AIS的船舶在t时刻的位置(t,xAIS,yAIS)；
S5、对由步骤S2得到的各条船舶在t时刻下的位置与由步骤S4得到各条船舶在t时刻下的位置进行比，将与步骤S2中某条船舶距离偏差最小的合规开启AIS的船舶作为与之匹配的同一条船舶，最终未匹配的船舶即代表未合规开启AIS的船舶。
进一步地，步骤S2的具体实施步骤为：
S201、由于每个卫星影像是由至少包括有红光波段图像、绿光波段图像、蓝光波段图像和红外波段图像构成的多波段图像，因此，首先将卫星影像分离为不同波段的图像，进而选取对水体敏感的单一波段的图像作为灰度图，或通过对多个不同波段的图像进行组合得到对水体敏感的灰度图；
其中，如果卫星影像中包含有对水体敏感的中红外波段图像，则该波段图像可以直接灰度图进行后续处理；如果卫星影像中不包含中红外波段图像则可以通过对若干个波段图像进行组合运算，得到对水体敏感的灰度图；
S202、设定区别水体和船舶的灰度阈值，以将灰度图中大于灰度阈值的像素定义为水体像素并赋值为0，小于或等于灰度阈值的像素定义为船舶像素并赋值为1，进而得到水体显示为黑色，船舶显示为白色的船舶识别图像；
S203、根据由步骤S202处理得到的船舶识别图像，将所有相邻的船舶像素定义为同一条船舶；并根据卫星影像自带的地理信息，将构成同一条船舶的全部船舶像素的经度和纬度分别进行求和并取平均值，得到表征船舶的中心像素的经度和纬度(xs,ys)。
进一步地，在上述步骤S201中，在步骤S201中，灰度图为对绿光波段图像和红外波段图像进行归一化水体指数计算得到的灰度图；其中，归一化水体指数NDWI的计算公式为：NDWI＝(DN绿-DN红外)/(DN绿+DN红外)。
进一步地，步骤S5的具体实施方法为：对每一个卫星影像识别到的船舶位置(xs,ys)和每一个合规开启AIS船舶的位置(xAIS,yAIS)，计算距离上的偏差d：d＝sqrt((xs-xAIS)2+(ys-yAIS)2)；每一轮计算后，取d值最小的一对船舶作为完成匹配的相同船舶，并将该对船舶数据剔除，继续下一轮计算和匹配，直至所有合规开启AIS的船舶完成匹配，最终留下的未能匹配的船舶即代表未合规开启AIS的船舶。
与现有技术相比，该利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法通过利用高分辨率卫星影像识别船舶实际行驶情况并结合海事AIS数据，实现快速掌握大范围区域内船舶违规关闭AIS行为，有助于指导海事执法力量开展针对性的精准检查，进而提高海事安全监管的技术水平。
附图说明
图1为本发明的利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法的流程图；
图2为本发明的实施例的步骤S1中获取的某片水域的高分辨率卫星影像；
图3为本发明的实施例的步骤S2中从多波段的高分辨率卫星影像中获取对水体敏感的灰度图；
图4为本发明的实施例中经过步骤S2得到的船舶识别图像；
图5为本发明的实施例中经过步骤S4得到的基于插值算法得到各合规船舶在卫星影像采集时刻的位置标记的示意图；
图6为本发明的实施例中经过步骤S5得到的卫星定位船舶和AIS定位船舶之间存在偏差的示意图。
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，该利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法的具体实施步骤为：
步骤一、获取监测水域的卫星影像并剔除非水域区域：
获取高分辨率卫星在t时刻采集的某片水域的卫星影像，如图2所示；然后将其与包含有该片水域的电子地图相叠加，以将卫星影像中的陆地部分剔除仅留下水域部分；
步骤二、根据卫星影像获取船舶的实际航行情况：
S201、将卫星影像分离为不同波段的图像，进而通过对绿光波段图像和红外波段图像进行归一化水体指数计算得到的灰度图；具体地，该归一化水体指数NDWI计算基于各像素的绿光波段亮度DN绿和红外波段DN红外实现，计算公式为：NDWI＝(DN绿-DN红外)/(DN绿+DN红外)；
S202、如图3所示，将具有多波段特征的卫星影像转换为对水体敏感的灰度图，设定区别水体和船舶的灰度阈值，以将灰度图中大于灰度阈值的像素定义为水体像素并赋值为0，小于或等于灰度阈值的像素定义为船舶像素并赋值为1，进而得到水体显示为黑色，船舶显示为白色的船舶识别图像，如图4所示；
S203、根据由步骤S202处理得到的图像，将所有相邻的船舶像素定义为同一条船舶；并根据卫星影像自带的地理信息，将构成同一条船舶的全部船舶像素的经度和纬度分别进行求和并取平均值，得到表征船舶的中心像素的经度和纬度(xs,ys)；
步骤三、获取相同水域内所有船舶的AIS数据：
S301、根据卫星影像的拍摄范围从海事AIS数据库中调取自t-1min至t+1min的时间段内的所有船舶的AIS数据，以提取每一条合规开启AIS的船舶的动态定位数据，进而得到每一条合规开启AIS的船舶在t-1min至t+1min的时间段内的航行轨迹：[(t1,x1,y1)，(t2,x2,y2)，(t3,x3,y3)......(tn,xn,yn)]，其中，tn为数据采集时刻，xn为tn时刻某船舶的经度，yn为tn时刻某船舶的纬度；
S302、从轨迹中剔除每一个轨迹内不在卫星拍摄范围多边形P内的点：1)如果该轨迹内所有的点均不在P内或者只有1个点在P内，则剔除整条轨迹；2)如果该轨迹内部分点不在P内，则剔除这些点，保留在P内的点；
S303、从经过步骤S302保留的轨迹点中进一步剔除其余点位，仅保留t时刻前的点位(ta,xa,ya)和t时刻后的点位(tb,xb,yb)；
步骤四、获取每条合规开启AIS的船舶在卫星影像采集时刻的位置：
通过对每条合规开启AIS的船舶在t时刻前的位置(ta,xa,ya)和在t时刻后的位置(tb,xb,yb)进行线性插值计算：
xAIS＝((t-ta)×xb+(tb-t)×xa)/(tb-ta)；
yAIS＝((t-ta)×yb+(tb-t)×ya)/(tb-ta)；
得到每条合规开启AIS的船舶在t时刻的位置(t,xAIS,yAIS)，如图5所示；
步骤五、将经过步骤二和步骤四得到的两组船舶数据进行匹配：
对每一个卫星影像识别到的船舶位置(xs,ys)和每一个合规开启AIS船舶的位置(xAIS,yAIS)，计算距离上的偏差d：
d＝sqrt((xs-xAIS)2+(ys-yAIS)2)；
如图6所示，每一轮计算后，取d值最小的一对船舶作为完成匹配的相同船舶，并将该对船舶数据剔除，继续下一轮计算和匹配，直至所有合规开启AIS的船舶完成匹配，最终留下的未能匹配的船舶即代表未合规开启AIS的船舶。

Claims (4)

1.一种利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、获取高分辨率卫星在t时刻采集的某片水域的卫星影像，并将其与包含有该片水域的电子地图相叠加，以剔除卫星影像中的陆地部分；
S2、将具有多波段特征的卫星影像转换为对水体敏感的灰度图，以区分水体部分和水体中的各条船舶；根据卫星影像自带的地理信息，得到每条船舶中心位置处的经度和纬度(xs,ys)，作为表征船舶在卫星影像采集时刻下的地理位置；
S3、在进行步骤S1的同时，根据卫星影像的拍摄范围从海事AIS数据库中调取同一片水域在t-1min至t+1min的时间段内的所有船舶的AIS数据，以提取每一条合规开启AIS的船舶的动态定位数据，进而得到每一条合规开启AIS的船舶在t-1min至t+1min的时间段内的航行轨迹：[(t1,x1,y1)，(t2,x2,y2)，(t3,x3,y3)......(tn,xn,yn)]，其中，tn为数据采集时刻，xn为tn时刻某船舶的经度，yn为tn时刻某船舶的纬度；
S4、通过对每条合规开启AIS的船舶在t时刻前的位置(ta,xa,ya)和在t时刻后的位置(tb,xb,yb)进行线性插值计算：
xAIS＝((t-ta)×xb+(tb-t)×xa)/(tb-ta)；
yAIS＝((t-ta)×yb+(tb-t)×ya)/(tb-ta)；
得到每条合规开启AIS的船舶在t时刻的位置(t,xAIS,yAIS)；
S5、对由步骤S2得到的各条船舶在t时刻下的位置与由步骤S4得到各条船舶在t时刻下的位置进行比，将与步骤S2中某条船舶距离偏差最小的合规开启AIS的船舶作为与之匹配的同一条船舶，最终未匹配的船舶即代表未合规开启AIS的船舶。
2.根据权利要求1所述的利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，步骤S2的具体实施步骤为：
S201、将卫星影像分离为不同波段的图像，进而选取对水体敏感的单一波段的图像作为灰度图，或通过对多个不同波段的图像进行组合得到对水体敏感的灰度图；
S202、设定区别水体和船舶的灰度阈值，以将灰度图中大于灰度阈值的像素定义为水体像素并赋值为0，小于或等于灰度阈值的像素定义为船舶像素并赋值为1，进而得到水体显示为黑色，船舶显示为白色的船舶识别图像；
S203、根据由步骤S202处理得到的船舶识别图像，将所有相邻的船舶像素定义为同一条船舶；并根据卫星影像自带的地理信息，将构成同一条船舶的全部船舶像素的经度和纬度分别进行求和并取平均值，得到表征船舶的中心像素的经度和纬度(xs,ys)。
3.根据权利要求2所述的利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，在步骤S201中，灰度图为对绿光波段图像和红外波段图像进行归一化水体指数计算得到的灰度图；其中，归一化水体指数NDWI的计算公式为：NDWI＝(DN绿-DN红外)/(DN绿+DN红外)。
4.根据权利要求1所述的利用高分辨率卫星影像识别船舶违规关闭AIS行为的方法，其特征在于，步骤S5的具体实施方法为：对每一个卫星影像识别到的船舶位置(xs,ys)和每一个合规开启AIS船舶的位置(xAIS,yAIS)，计算距离上的偏差d：d＝sqrt((xs-xAIS)2+(ys-yAIS)2)；每一轮计算后，取d值最小的一对船舶作为完成匹配的相同船舶，并将该对船舶数据剔除，继续下一轮计算和匹配，直至所有合规开启AIS的船舶完成匹配，最终留下的未能匹配的船舶即代表未合规开启AIS的船舶。
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