CN117148373B - 基于激光雷达和ais全局匹配的船舶识别方法及系统 - Google Patents

基于激光雷达和ais全局匹配的船舶识别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法及系统。其中，该方法通过单帧匹配获取当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；将有效匹配信息转化为二分图；计算二分图中每条边的权值；将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；该方法结合了单帧匹配和全局匹配，获得全局最优的匹配结果；显著提高船闸卡口AIS匹配的正确率。

Description

基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶检测技术领域，具体而言，涉及一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法及系统。
背景技术
目前基于激光雷达和AIS的船舶识别方法采用的主要模式是：在对激光雷达和AIS信息融合处理前，为了提高信号的质量要对原始数据进行预处理，主要包括去除野值、点迹过滤、点迹合并，然后将数据送到融合中心，在融合中心进行时空对准、航迹关联、航迹融合，最终得到目标状态。航迹关联是基于激光雷达和AIS的船舶识别方法的关键技术，当卡口覆盖范围内目标比较稀疏时，数据量较少，航迹关联就比较简单，但是在目标密集、交叉、机动环境较多的环境下，航迹关联就比较复杂。
目前基于激光雷达和AIS的船舶识别方法在船闸卡口进行航迹关联会遇到许多问题，经分析主要有以下几个原因：
1、船闸关闭时，船舶会减速至静止，停泊在卡口内外，船闸打开时，静止船舶会加速依次驶过船闸。在船舶速度较慢和静止时，AIS数据发送间隔时间长，容易出现匹配时正确的AIS数据未更新导致匹配错误的情况；
2、船闸河道狭窄且船舶数量多，船舶之间航行更加紧密，容易出现AIS数据估算位置误差大导致匹配错误的情况；
3、船舶在垂直河道方向上重叠的情况更为频繁，容易出现激光雷达漏扫船舶导致匹配错误的情况；
4、若有船舶未开启AIS设备，容易出现同一AIS数据匹配多条船舶的情况；
5、船闸船舶较多时，会出现有船舶在激光雷达防区范围内长时间停船的情况，导致激光雷达一直扫描到该船，影响其他船舶匹配。
发明内容
本发明实施例中提供一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法及系统，以解决现有技术中基于激光雷达和AIS的船舶识别方法在船闸卡口进行航迹关联存在的匹配正确率低的问题。
为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法，该方法包括：S1、通过激光雷达获取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，以及通过AIS服务器获取最近时刻多个第二船舶的AIS信息并根据其预测当前时刻多个第二船舶的AIS信息；将当前时刻每个第一船舶的激光雷达信息与当前时刻多个第二船舶的AIS信息进行单帧匹配得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；S2、当其中一个第一船舶从预定范围内驶出时，将该时刻作为当前时刻，将该第一船舶作为目标船舶；获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；S3、将有效匹配信息转化为二分图；根据有效匹配信息中当前时刻所有第一船舶的激光雷达信息，获取当前时刻所有第一船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点；根据有效匹配信息中最近时刻所有第二船舶的AIS信息，预估当前时刻所有第二船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点/>，将顶点/>和顶点/>的有效匹配信息对应生成二分图的边；其中，/>；/>；S4、根据预设的匹配距离权重、预设的X轴坐标值权重、预设的船速权重、预设的船长权重、第一船舶的激光雷达信息、第二船舶的AIS信息计算二分图中每条边的权值；S5、将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；S6、重复S2~S5，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
可选的，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息包括：若当前个第一船舶在驶入预定范围的时刻到当前时刻的激光雷达信息少于等于3帧，则将当前个第一船舶的匹配信息过滤；若当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息次数少于等于3条，则将该匹配信息过滤；计算当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息的所有匹配距离的方差；若所有匹配距离的方差大于预设方差阈值，则将该匹配信息过滤。
可选的，当前边的权值根据以下公式计算：
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其中，为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>的边；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有有效匹配信息的匹配距离的平均值，与预设距离阈值的相对误差；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的第二船舶中心点X轴坐标值关于激光雷达信息的第一船舶中心点X轴坐标值的相对误差的均值；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的速度关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的船长关于激光雷达信息的船长的相对误差的均值；/>为预设的匹配距离权重；/>为预设的X轴坐标值权重；/>为预设的船速权重；/>为预设的船长权重。
可选的，在所述S5之后，包括：将目标船舶的所有有效匹配信息清除。
可选的，在所述S2之前，包括：将预设时间前的所有最佳匹配结果清除。
可选的，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息还包括：若有效匹配信息中的当前AIS信息已经存在于预设时间内的最佳匹配结果中，则将该当前AIS信息的有效匹配信息过滤。
可选的，所述S1包括：S11、以激光雷达所在的经纬度坐标点为原点，根据点云数据建立激光雷达坐标系，根据参考点的经纬度信息及参考点在激光雷达坐标系中的坐标信息建立激光雷达坐标系和经纬度的映射关系，以及计算激光雷达坐标系中X轴方向与正北方向夹角，并标记为航道垂直方位角；S12、读取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，当根据激光雷达信息无法判定出当前个第一船舶的航向时，将该当前个第一船舶的激光雷达信息删除，反之，计算当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点，并将其转换为激光雷达经纬度信息；S13、每隔预定时间接收预定范围内的船舶AIS信息，根据最近时刻的多个第二船舶AIS信息预估当前时刻多个第二船舶的AIS信息；AIS信息包括经纬度信息；S14、根据当前时刻多个第二船舶的AIS信息中的对地航向和航道垂直方位角，将多个第二船舶的对地航向转换为激光雷达坐标系中的映射航向，筛选与当前个第一船舶的航向一致的AIS信息，记为待匹配AIS信息；S15、根据当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息和待匹配AIS信息的经纬度信息，计算当前个第一船舶与待匹配AIS信息的所有待匹配距离，若小于预设匹配距离阈值，则将对应的待匹配AIS信息作为当前个第一船舶的匹配AIS信息；将当前个第一船舶的激光雷达信息、当前个第一船舶的匹配AIS信息、当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息、匹配AIS信息的经纬度信息、当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点、当前时刻以及匹配AIS信息的匹配距离标记为一条匹配信息；S16、重复S14~S15，得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息。
另一方面，本发明提供了一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别系统，该系统包括：单帧匹配单元，用于通过激光雷达获取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，以及通过AIS服务器获取最近时刻多个第二船舶的AIS信息并根据其预测当前时刻多个第二船舶的AIS信息；将当前时刻每个第一船舶的激光雷达信息与当前时刻多个第二船舶的AIS信息进行单帧匹配得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；过滤单元，用于当其中一个第一船舶从预定范围内驶出时，将该时刻作为当前时刻，将该第一船舶作为目标船舶；获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；转化单元，用于将有效匹配信息转化为二分图；根据有效匹配信息中当前时刻所有第一船舶的激光雷达信息，获取当前时刻所有第一船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点；根据有效匹配信息中最近时刻所有第二船舶的AIS信息，预估当前时刻所有第二船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点/>，将顶点/>和顶点/>的有效匹配信息对应生成二分图的边；其中，/>；；计算单元，用于根据预设的匹配距离权重、预设的X轴坐标值权重、预设的船速权重、预设的船长权重、第一船舶的激光雷达信息、第二船舶的AIS信息计算二分图中每条边的权值；最佳匹配单元，用于将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；循环单元，用于重复过滤单元、转化单元、计算单元和最佳匹配单元，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
可选的，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息包括：若当前个第一船舶在驶入预定范围的时刻到当前时刻的激光雷达信息少于等于3帧，则将当前个第一船舶的匹配信息过滤；若当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息次数少于等于3条，则将该匹配信息过滤；计算当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息的所有匹配距离的方差；若所有匹配距离的方差大于预设方差阈值，则将该匹配信息过滤。
可选的，当前边的权值根据以下公式计算：
；
其中，为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>的边；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有有效匹配信息的匹配距离的平均值，与预设距离阈值的相对误差；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的第二船舶中心点X轴坐标值关于激光雷达信息的第一船舶中心点X轴坐标值的相对误差的均值；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的速度关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的船长关于激光雷达信息的船长的相对误差的均值；/>为预设的匹配距离权重；/>为预设的X轴坐标值权重；/>为预设的船速权重；/>为预设的船长权重。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法，本发明对激光雷达扫描的每帧进行一次AIS单帧匹配，在船舶驶出激光雷达防区范围后对所有匹配数据进行全局匹配，获得可信度更高的匹配结果；目前基于激光雷达和AIS的船舶识别方法不采纳船速较低和静止的AIS数据进行匹配，针对船闸环境，对驶入船闸船舶的AIS数据进行跟踪，将驶入船闸后船速降低和静止船舶的AIS数据用于匹配，确保匹配时AIS数据的全面性，减少正确的AIS数据未更新导致的匹配错误；针对船闸环境，在全局匹配中对每条匹配信息计算权值，使用KM算法对多个激光雷达数据和多个AIS数据进行匹配，获得全局最优的匹配结果；记录过去一段时间的匹配结果，同一AIS数据仅保留最优的匹配结果，不进行重复匹配，避免船舶未开启AIS设备却匹配到其他船舶AIS数据的情况；过滤长时间存在激光雷达防区内的船舶，减少对其他船舶匹配的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的获取当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的单帧匹配单元的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
目前基于激光雷达和AIS的船舶识别方法在船闸卡口进行航迹关联会遇到许多问题，经分析主要有以下几个原因：
1、船闸关闭时，船舶会减速至静止，停泊在卡口内外，船闸打开时，静止船舶会加速依次驶过船闸。在船舶速度较慢和静止时，AIS数据发送间隔时间长，容易出现匹配时正确的AIS数据未更新导致匹配错误的情况；
2、船闸河道狭窄且船舶数量多，船舶之间航行更加紧密，容易出现AIS数据估算位置误差大导致匹配错误的情况；
3、船舶在垂直河道方向上重叠的情况更为频繁，容易出现激光雷达漏扫船舶导致匹配错误的情况；
4、若有船舶未开启AIS设备，容易出现同一AIS数据匹配多条船舶的情况；
5、船闸船舶较多时，会出现有船舶在激光雷达防区范围内长时间停船的情况，导致激光雷达一直扫描到该船，影响其他船舶匹配。
为解决上述问题，本发明提供了一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法，图1是本发明实施例提供的一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
S1、通过激光雷达获取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，以及通过AIS服务器获取最近时刻多个第二船舶的AIS信息并根据其预测当前时刻多个第二船舶的AIS信息；将当前时刻每个第一船舶的激光雷达信息与当前时刻多个第二船舶的AIS信息进行单帧匹配得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；
具体的，图2是本发明实施例提供的获取当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息的流程图，如图2所示，所述S1包括：
S11、以激光雷达所在的经纬度坐标点为原点，根据点云数据建立激光雷达坐标系，根据参考点的经纬度信息及参考点在激光雷达坐标系中的坐标信息建立激光雷达坐标系和经纬度的映射关系，以及计算激光雷达坐标系中X轴方向与正北方向夹角，并标记为航道垂直方位角；
在河道的卡口处，安装卡口激光雷达及AIS设备。具体的，在卡口岸边的立杆上安装卡口激光雷达及AIS设备。
激光雷达每隔一定时间会进行一次扫描或检测到船舶经过时进行一次扫描，得到一帧三维图像作为激光雷达信息，图像中包括多个第一船舶，即可获取多个第一船舶的激光雷达信息；
图像中包括点云数据，每个点均具有对应的坐标信息，以横坐标为0的一系列点的连线作为Y轴，以纵坐标为00的一系列点的连线作为X轴，以激光雷达的安装点为原点，建立激光雷达坐标系。本实施例中，将原点向河对岸做的垂线作为X轴，与X轴垂直的经过原点的线为Y轴。
参考点为实际的河道中固定的参照物，例如桥墩。根据参照物在地图中的位置可以确定其经纬度，同理也可确定原点对应的经纬度。
根据参考点的经纬度及其在激光雷达坐标系中的坐标信息可以建立激光雷达坐标系和经纬度的映射关系，以及计算激光雷达坐标系中X轴方向与正北方向（约地磁南极）夹角，并标记为航道垂直方位角；
S12、读取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，当根据激光雷达信息无法判定出当前个第一船舶的航向时，将该当前个第一船舶的激光雷达信息删除，反之，计算当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点，并将其转换为激光雷达经纬度信息；
具体的，以当前个第一船舶为例，由于当前个第一船舶具有一定长度，且不确定AIS设备安装在当前个第一船舶的哪个位置，本实施例中将第一船舶的中间点近似为AIS设备的安装位置，以该点在激光雷达坐标系中的坐标信息作为对应第一船舶的坐标点。
根据激光雷达信息中的当前个第一船舶的X轴最大值、X轴最小值、Y轴最大值、Y轴最小值计算得到当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点，并将其根据激光雷达坐标系和经纬度的映射关系转换为激光雷达经纬度信息。
S13、每隔预定时间接收预定范围内的船舶AIS信息，根据最近时刻的多个第二船舶AIS信息预估当前时刻多个第二船舶的AIS信息；AIS信息包括经纬度信息；
每隔预定时间接收卡口附近船舶的AIS服务器发送的船舶AIS信息，由于激光雷达的扫描范围是一个半径固定的扇形区域（预定范围），因此只读取进入预定范围内的船舶AIS信息。
进一步的，定时接收到船舶AIS信息之后，将数据存入数据库中，以方便读取、删除。在此基础上，每隔预定时间读取在预定范围内的船舶AIS信息，以此数据作为后续匹配数据，可使匹配结果更加准确。其中，预定时间为5分钟，预定范围为距离激光雷达原点1000米的扇形区域。
因为激光雷达拍摄的时刻与接收船舶AIS信息的时刻不相同，在获取到最新雷达信息的时刻（当前时刻），根据最近时刻的多个第二船舶AIS信息预估当前时刻多个第二船舶的AIS信息；AIS信息包括经纬度信息；
其中，当前时刻拍摄到的多个第一船舶（例如：A船舶、B船舶、C船舶）与最近时刻接收到的多个第二船舶（例如：B船舶、C船舶、D船舶）有交叉。
S14、根据当前时刻多个第二船舶的AIS信息中的对地航向和航道垂直方位角，将多个第二船舶的对地航向转换为激光雷达坐标系中的映射航向，筛选与当前个第一船舶的航向一致的AIS信息，记为待匹配AIS信息；
AIS信息中包括对地航向，若航道垂直方位角为45度（其一直不变），假设当前时刻当前个第二船舶的AIS信息中的对地航向为90度，其在航道垂直方位角的顺时针180度以内，则其在激光雷达坐标系中的映射航向为右，假设当前时刻当前个第二船舶的AIS信息中的对地航向为0度，其在航道垂直方位角的逆时针180度以内，则其在激光雷达坐标系中的映射航向为左。
通过当前方法得到每个第二船舶的映射航向，判断其是否与当前个第一船舶的航向一致，若一致，记一致的第二船舶的AIS信息为待匹配信息。
S15、根据当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息和待匹配AIS信息的经纬度信息，计算当前个第一船舶与待匹配AIS信息的所有待匹配距离，若小于预设匹配距离阈值，则将对应的待匹配AIS信息作为当前个第一船舶的匹配AIS信息；将当前个第一船舶的激光雷达信息、当前个第一船舶的匹配AIS信息、当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息、匹配AIS信息的经纬度信息、当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点、当前时刻以及匹配AIS信息的匹配距离标记为一条匹配信息；
假设待匹配信息有3个，则得到3个待匹配距离，若有两个待匹配距离小于预设匹配距离阈值，则会对应得到两条匹配信息。
S16、重复S14~S15，得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息。
对当前时刻的每个第一船舶重复S14~S15，得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；例如：上述中A船舶对应两条匹配信息，B船舶对应两条匹配信息，C船舶对应一条匹配信息。
重复S1，可以得到每个时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息。
在一个可选的实施方式中，本申请还包括：滞留船舶过滤模块，即步骤S12中，读取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，若当前个第一船舶的激光雷达信息是第一次出现，保存当前个第一船舶的激光雷达信息以及出现时间，否则计算当前时刻和当前个第一船舶的激光雷达信息第一次出现时间的间隔，若大于预设时间（例如300秒），则丢弃当前时刻当前个第一船舶的激光雷达信息不进行单帧匹配。
在一个可选的实施方式中，本申请中还包括：船舶跟踪模块，即步骤S13中：每隔预定时间接收预定范围内的船舶AIS信息，若接收到的AIS信息中当前个第二船舶的船速小于第一预设速度阈值，在数据库中查询5分钟内是否存在当前个第二船舶的AIS数据，若存在，则视为当前个第二船舶驶入船闸后减速至静止，将当前个第二船舶的AIS信息存入数据库，否则，视为当前个第二船舶的AIS信息为无效数据不采纳。
在一个可选的实施方式中，本申请中还包括：停船起步匹配模块，即步骤S13中，根据最近时刻的多个第二船舶AIS信息预估当前时刻多个第二船舶的AIS信息；AIS信息包括经纬度信息；若最近时刻的当前个第二船舶AIS信息中的船速小于第二预设速度阈值，由于船速较小当前个第二船舶实际位置变化不大，则不进行预估，在步骤S15中，直接使用最近时刻的当前个第二船舶AIS信息中的经纬度信息。在步骤S14中，由于最近时刻当前个第二船舶的船速较小，其AIS信息中的对地航向变化误差大，不进行对地航向的转化直接视为与当前个第一船舶的实际航向一致。
S2、当其中一个第一船舶从预定范围内驶出时，将该时刻作为当前时刻，将该第一船舶作为目标船舶；获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；
例如：激光扫描到一条第一船舶（假设B1船舶）从预定范围（激光雷达防区范围）内驶出时，将该时刻作为当前时刻，B1船舶作为目标船舶，获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；
具体的，若当前个第一船舶在驶入预定范围的时刻到当前时刻的激光雷达信息少于等于3帧，则将当前个第一船舶的匹配信息过滤；
若当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息次数少于等于3条，则将该匹配信息过滤；
计算当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息的所有匹配距离的方差；若所有匹配距离的方差大于预设方差阈值，则将该匹配信息过滤。
S3、将有效匹配信息转化为二分图；根据有效匹配信息中当前时刻所有第一船舶的激光雷达信息，获取当前时刻所有第一船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点；根据有效匹配信息中最近时刻所有第二船舶的AIS信息，预估当前时刻所有第二船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点/>，将顶点/>和顶点/>的有效匹配信息对应生成二分图的边；其中，/>；/>；
假设，为3，/>为4，3个第一船舶根据实际航行方向前后记录为/>，/>，/>；4个第二船舶根据实际航行方向前后记录为/>，/>，/>，/>。顶点/>和顶点/>之间存在有效匹配信息，顶点/>和顶点/>之间存在有效匹配信息，顶点/>和顶点/>之间存在有效匹配信息，则顶点/>和顶点/>，/>，/>之间均存在一个边，类似的，顶点/>和顶点/>，/>之间均存在一个边，顶点/>和顶点/>，/>之间均存在一个边。
S4、根据预设的匹配距离权重、预设的X轴坐标值权重、预设的船速权重、预设的船长权重、第一船舶的激光雷达信息、第二船舶的AIS信息计算二分图中每条边的权值；
当前边的权值根据以下公式计算：
；
其中，为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>的边；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有有效匹配信息的匹配距离的平均值（假设有4条匹配信息，则是4个匹配距离的平均值），与预设距离阈值的相对误差；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的第二船舶中心点X轴坐标值关于激光雷达信息的第一船舶中心点X轴坐标值的相对误差的均值（即上述中4个中心点X轴坐标值相对误差的均值）；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的速度关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值（即上述中4个速度相对误差的均值）；/>为当前第/>个顶点与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的船长关于激光雷达信息的船长的相对误差的均值（即上述中4个船长相对误差的均值）；/>为预设的匹配距离权重；/>为预设的X轴坐标值权重；/>为预设的船速权重；/>为预设的船长权重。
S5、将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；
例如通过KM算法（权值最大优先策略的匈牙利算法）获取顶点与顶点/>为最佳匹配结果；
在所述S5之后，包括：将目标船舶的所有有效匹配信息清除。
即将顶点与顶点/>的有效匹配信息清除，顶点/>与顶点/>的有效匹配信息清除，顶点/>与顶点/>的有效匹配信息清除。
S6、重复S2~S5，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
当B2船舶从预定范围（激光雷达防区范围）内驶出时，将该时刻作为当前时刻，B2船舶作为目标船舶，获取B2船舶的最佳匹配结果。依次类推，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
在一个可选的实施方式中，本申请还包括：匹配结果过滤模块，即在所述S2之前，
将预设时间前（本申请设置为30分钟前）的所有最佳匹配结果清除。即30分钟以外的最佳匹配结果是过时的，可以再进行匹配，30分钟以内的不能再匹配，否则就是重复匹配。
在一个可选的实施方式中，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息还包括：
若有效匹配信息中的当前AIS信息已经存在于预设时间内的最佳匹配结果中，则将该当前AIS信息的有效匹配信息过滤。
例如：上一次最佳匹配结果中，顶点已经和顶点/>为最佳匹配结果，则当前次最佳匹配结果中（即获取顶点/>的最佳匹配结果中），直接将顶点/>和顶点/>的有效匹配信息过滤。
图3是本发明实施例提供的一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：
单帧匹配单元201，用于通过激光雷达获取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，以及通过AIS服务器获取最近时刻多个第二船舶的AIS信息并根据其预测当前时刻多个第二船舶的AIS信息；将当前时刻每个第一船舶的激光雷达信息与当前时刻多个第二船舶的AIS信息进行单帧匹配得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；
图4是本发明实施例提供的单帧匹配单元的结构示意图，如图4所示，所述单帧匹配单元201包括：
标记子单元2011，用于以激光雷达所在的经纬度坐标点为原点，根据点云数据建立激光雷达坐标系，根据参考点的经纬度信息及参考点在激光雷达坐标系中的坐标信息建立激光雷达坐标系和经纬度的映射关系，以及计算激光雷达坐标系中X轴方向与正北方向夹角，并标记为航道垂直方位角；
转换子单元2012，用于读取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，当根据激光雷达信息无法判定出当前个第一船舶的航向时，将该当前个第一船舶的激光雷达信息删除，反之，计算当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点，并将其转换为激光雷达经纬度信息；
预估子单元2013，用于每隔预定时间接收预定范围内的船舶AIS信息，根据最近时刻的多个第二船舶AIS信息预估当前时刻多个第二船舶的AIS信息；AIS信息包括经纬度信息；
筛选子单元2014，用于根据当前时刻多个第二船舶的AIS信息中的对地航向和航道垂直方位角，将多个第二船舶的对地航向转换为激光雷达坐标系中的映射航向，筛选与当前个第一船舶的航向一致的AIS信息，记为待匹配AIS信息；
距离匹配子单元2015，用于根据当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息和待匹配AIS信息的经纬度信息，计算当前个第一船舶与待匹配AIS信息的所有待匹配距离，若小于预设匹配距离阈值，则将对应的待匹配AIS信息作为当前个第一船舶的匹配AIS信息；将当前个第一船舶的激光雷达信息、当前个第一船舶的匹配AIS信息、当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息、匹配AIS信息的经纬度信息、当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点、当前时刻以及匹配AIS信息的匹配距离标记为一条匹配信息；
循环匹配子单元2016，用于重复筛选子单元、距离匹配子单元，得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息。
过滤单元202，用于当其中一个第一船舶从预定范围内驶出时，将该时刻作为当前时刻，将该第一船舶作为目标船舶；获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；
所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息包括：
若当前个第一船舶在驶入预定范围的时刻到当前时刻的激光雷达信息少于等于3帧，则将当前个第一船舶的匹配信息过滤；
若当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息次数少于等于3条，则将该匹配信息过滤；
计算当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息的所有匹配距离的方差；若所有匹配距离的方差大于预设方差阈值，则将该匹配信息过滤。
转化单元203，用于将有效匹配信息转化为二分图；根据有效匹配信息中当前时刻所有第一船舶的激光雷达信息，获取当前时刻所有第一船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点；根据有效匹配信息中最近时刻所有第二船舶的AIS信息，预估当前时刻所有第二船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点/>，将顶点/>和顶点的有效匹配信息对应生成二分图的边；其中，/>；/>；
计算单元204，用于根据预设的匹配距离权重、预设的X轴坐标值权重、预设的船速权重、预设的船长权重、第一船舶的激光雷达信息、第二船舶的AIS信息计算二分图中每条边的权值；
当前边的权值根据以下公式计算：
；
其中，为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>的边；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有有效匹配信息的匹配距离的平均值，与预设距离阈值的相对误差；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的第二船舶中心点X轴坐标值关于激光雷达信息的第一船舶中心点X轴坐标值的相对误差的均值；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的速度关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值；/>为当前第/>个顶点/>与当前第/>个顶点/>对应的所有AIS信息的船长关于激光雷达信息的船长的相对误差的均值；/>为预设的匹配距离权重；/>为预设的X轴坐标值权重；/>为预设的船速权重；/>为预设的船长权重。
最佳匹配单元205，用于将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；
循环单元206，用于重复过滤单元、转化单元、计算单元和最佳匹配单元，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
本申请使用船舶跟踪模块和停船起步匹配模块，保证船舶能匹配到低速和静止的有效AIS信息，同时避免保存其他停泊在AIS防区的无效船舶AIS数据；改变AIS匹配策略，使用多次单帧匹配和全局匹配的结合，每条船舶的匹配结果可信度更高，在多船舶多AIS信息的情况下获得匹配距离最小优先策略的最大匹配结果；使用匹配结果过滤模块，保证一条船舶的AIS数据在一定时间内只匹配最多一次，同一AIS数据匹配多条船舶的情况；使用滞留船舶过滤模块，当有船舶在激光雷达防区范围内长时间停船时，减少匹配计算的干扰。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法，本发明对激光雷达扫描的每帧进行一次AIS单帧匹配，在船舶驶出激光雷达防区范围后对所有匹配数据进行全局匹配，获得可信度更高的匹配结果；目前基于激光雷达和AIS的船舶识别方法不采纳船速较低和静止的AIS数据进行匹配，针对船闸环境，对驶入船闸船舶的AIS数据进行跟踪，将驶入船闸后船速降低和静止船舶的AIS数据用于匹配，确保匹配时AIS数据的全面性，减少正确的AIS数据未更新导致的匹配错误；针对船闸环境，在全局匹配中对每条匹配信息计算权值，使用KM算法对多个激光雷达数据和多个AIS数据进行匹配，获得全局最优的匹配结果；记录过去一段时间的匹配结果，同一AIS数据仅保留最优的匹配结果，不进行重复匹配，避免船舶未开启AIS设备却匹配到其他船舶AIS数据的情况；过滤长时间存在激光雷达防区内的船舶，减少对其他船舶匹配的干扰。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别方法，其特征在于，包括：
S1、通过激光雷达获取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，以及通过AIS服务器获取最近时刻多个第二船舶的AIS信息并根据其预测当前时刻多个第二船舶的AIS信息；将当前时刻每个第一船舶的激光雷达信息与当前时刻多个第二船舶的AIS信息进行单帧匹配得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；
S2、当其中一个第一船舶从预定范围内驶出时，将该时刻作为当前时刻，将该第一船舶作为目标船舶；获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；
S3、将有效匹配信息转化为二分图；根据有效匹配信息中当前时刻所有第一船舶的激光雷达信息，获取当前时刻所有第一船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点Bj；根据有效匹配信息中最近时刻所有第二船舶的AIS信息，预估当前时刻所有第二船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点Ai，将顶点Ai和顶点Bj的有效匹配信息对应生成二分图的边；其中，i∈(1,2,……m)；j∈(1,2,……n)；
S4、根据预设的匹配距离权重、预设的X轴坐标值权重、预设的船速权重、预设的船长权重、第一船舶的激光雷达信息、第二船舶的AIS信息计算二分图中每条边的权值；
S5、将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；
S6、重复S2～S5，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息包括：
若当前个第一船舶在驶入预定范围的时刻到当前时刻的激光雷达信息少于等于3帧，则将当前个第一船舶的匹配信息过滤；
若当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息次数少于等于3条，则将该匹配信息过滤；
计算当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息的所有匹配距离的方差；若所有匹配距离的方差大于预设方差阈值，则将该匹配信息过滤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
当前边的权值根据以下公式计算：
其中，wij为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj的边的权值；为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有有效匹配信息的匹配距离的平均值，与预设距离阈值的相对误差；/>为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有AIS信息的第二船舶中心点X轴坐标值关于激光雷达信息的第一船舶中心点X轴坐标值的相对误差的均值；/>为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有AIS信息的速度关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值；/>为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有AIS信息的船长关于激光雷达信息的船长的相对误差的均值；wd为预设的匹配距离权重；wx为预设的X轴坐标值权重；wv为预设的船速权重；wl为预设的船长权重。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述S5之后，包括：
将目标船舶的所有有效匹配信息清除。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述S2之前，包括：
将预设时间前的所有最佳匹配结果清除。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息还包括：
若有效匹配信息中的当前AIS信息已经存在于预设时间内的最佳匹配结果中，则将该当前AIS信息的有效匹配信息过滤。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括：
S11、以激光雷达所在的经纬度坐标点为原点，根据点云数据建立激光雷达坐标系，根据参考点的经纬度信息及参考点在激光雷达坐标系中的坐标信息建立激光雷达坐标系和经纬度的映射关系，以及计算激光雷达坐标系中X轴方向与正北方向夹角，并标记为航道垂直方位角；
S12、读取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，当根据激光雷达信息无法判定出当前个第一船舶的航向时，将该当前个第一船舶的激光雷达信息删除，反之，计算当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点，并将其转换为激光雷达经纬度信息；
S13、每隔预定时间接收预定范围内的船舶AIS信息，根据最近时刻的多个第二船舶AIS信息预估当前时刻多个第二船舶的AIS信息；AIS信息包括经纬度信息；
S14、根据当前时刻多个第二船舶的AIS信息中的对地航向和航道垂直方位角，将多个第二船舶的对地航向转换为激光雷达坐标系中的映射航向，筛选与当前个第一船舶的航向一致的AIS信息，记为待匹配AIS信息；
S15、根据当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息和待匹配AIS信息的经纬度信息，计算当前个第一船舶与待匹配AIS信息的所有待匹配距离，若小于预设匹配距离阈值，则将对应的待匹配AIS信息作为当前个第一船舶的匹配AIS信息；将当前个第一船舶的激光雷达信息、当前个第一船舶的匹配AIS信息、当前个第一船舶的激光雷达经纬度信息、匹配AIS信息的经纬度信息、当前个第一船舶的中心位置在激光雷达坐标系中的坐标点、当前时刻以及匹配AIS信息的匹配距离标记为一条匹配信息；
S16、重复S14～S15，得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息。
8.一种基于激光雷达和AIS全局匹配的船舶识别系统，其特征在于，包括：
单帧匹配单元，用于通过激光雷达获取当前时刻多个第一船舶的激光雷达信息，以及通过AIS服务器获取最近时刻多个第二船舶的AIS信息并根据其预测当前时刻多个第二船舶的AIS信息；将当前时刻每个第一船舶的激光雷达信息与当前时刻多个第二船舶的AIS信息进行单帧匹配得到当前时刻每个第一船舶对应的多条匹配信息；
过滤单元，用于当其中一个第一船舶从预定范围内驶出时，将该时刻作为当前时刻，将该第一船舶作为目标船舶；获取所有第一船舶驶入预定范围的时刻到当前时刻的所有匹配信息；将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息；
转化单元，用于将有效匹配信息转化为二分图；根据有效匹配信息中当前时刻所有第一船舶的激光雷达信息，获取当前时刻所有第一船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点Bj；根据有效匹配信息中最近时刻所有第二船舶的AIS信息，预估当前时刻所有第二船舶的位置，并根据实际航行方向的位置记录为顶点Ai，将顶点Ai和顶点Bj的有效匹配信息对应生成二分图的边；其中，i∈(1,2,……m)；j∈(1,2,……n)；
计算单元，用于根据预设的匹配距离权重、预设的X轴坐标值权重、预设的船速权重、预设的船长权重、第一船舶的激光雷达信息、第二船舶的AIS信息计算二分图中每条边的权值；
最佳匹配单元，用于将二分图中每条边的权值通过KM算法获取目标船舶的最佳匹配结果；
循环单元，用于重复过滤单元、转化单元、计算单元和最佳匹配单元，获取所有第一船舶的最佳匹配结果。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述将所有匹配信息进行过滤得到有效匹配信息包括：
若当前个第一船舶在驶入预定范围的时刻到当前时刻的激光雷达信息少于等于3帧，则将当前个第一船舶的匹配信息过滤；
若当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息次数少于等于3条，则将该匹配信息过滤；
计算当前个第一船舶的激光雷达信息匹配同一个第二船舶的AIS信息的所有匹配距离的方差；若所有匹配距离的方差大于预设方差阈值，则将该匹配信息过滤。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：
当前边的权值根据以下公式计算：
其中，wij为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj的边的权值；为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有有效匹配信息的匹配距离的平均值，与预设距离阈值的相对误差；/>为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有AIS信息的第二船舶中心点X轴坐标值关于激光雷达信息的第一船舶中心点X轴坐标值的相对误差的均值；/>为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有AIS信息的速度关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值；/>为当前第i个顶点Ai与当前第j个顶点Bj对应的所有AIS信息的船长关于激光雷达信息的速度的相对误差的均值；wd为预设的匹配距离权重；wx为预设的X轴坐标值权重；wv为预设的船速权重；wl为预设的船长权重。
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