基于GeoTIFF的航海雷达图像的生成

叶明君

(浙江国际海运职业技术学院航海工程学院，浙江舟山 316021)

0 引言

在对海员的培训、适任评估及科研中，航海雷达模拟器起着越来越重要的作用.国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)2010 年修正的《1978年海员培训、发证和值班标准国际公约》(也称STCW公约马尼拉修正案，于2012年1月1日起生效)也对雷达/ARPA模拟器提出一些明确的要求.随着航海事业的蓬勃发展，用户对雷达模拟器在逼真度上的要求也越来越高.

目前已有很多与真实感相关的雷达模拟器研制技术.如任鸿翔等［1］通过建立三维场景库模拟雷达图像，取得较好的三维效果.张闯等［2］为解决当前航海雷达仿真器中雷达回波图像不真实问题，提出基于OpenGL建模的模拟航海雷达回波方法，利用HIS颜色模型模拟雷达回波强度，取得一定成效.文献［3］从雷达图像形成的原理出发生成图像，模拟效果逼真但实时性较差.

通过对以往相关文献及成果的阅读及分析可以发现，现有模拟方法的信息源大多来自电子海图，在建立数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)时，高程信息也来自电子海图中的等高线信息.但是，电子海图提供的高程信息相对不完备.所以本文尝试用一种新的高程信息来源进行遮挡判断，进而模拟雷达图像.

1 GeoTIFF文件的获取及高程信息解析

1.1 GeoTIFF文件的来源

航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)的数据是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)以及德国与意大利航天机构共同合作完成测量，通过美国“奋进”号航天飞机上搭载的SRTM系统完成的.SRTM的覆盖范围从北纬60°至南纬56°，约占全球面积的80%(1.195 6×108km2)，见图1.

图1 SRTM覆盖范围

SRTM系统获取的雷达影像数据量约9.8万亿字节，经过两年多的数据处理，制成DEM.这些雷达影像以GeoTIFF格式保存下来.

1.2 GeoTIFF图像格式

GeoTIFF是由超过160家与遥感，GIS，制图，测量相关的公司和组织一致努力的成果，旨在建立一种基于TIFF的地理参考栅格图像交换格式.Geo－TIFF图像文件实际上是一个TIFF 6.0文件，它继承TIFF 6.0文件结构，把信息编码在一些TIFF未使用的保留标签中.这些信息包括许多地理编码信息，如图像上点的经纬度、坐标等，但纯TIFF格式文件很难存储、读取这些地理信息.而GeoTIFF在TIFF的基础上定义地理标签(Geo Tag)，用以定义和存储坐标系统、投影信息等.

GeoTIFF使用Geo Key把众多的信息元素编码到6个标签中，存放GeoTIFF信息的标签是Geo Key Directory Tag，Geo Double Params Tag，Geo Ascii Params，这些标签用一组无符号整型的阵列表示地球上的点［4－6］，对这个阵列进行空间变换就可以把地球上各点的地理信息转换为平面图像上的信息.

1.3 从GeoTIFF图像解析高程信息

模型空间是GeoTIFF特别引入的坐标空间，用于描述数据所对应的地理位置，即实际的经纬度坐标，遥感的数据信息就是用模型空间表示的.本文的雷达模拟图像的生成基于带有DEM的栅格空间(表示平面图像的空间)，因此必须经过空间变换才能被使用.

要从模型空间解析出栅格空间，必须知道这两种空间之间的变换关系.若栅格空间与模型空间之间的对应关系只存在缩放和平移关系，设(x，y，z)为模型空间点坐标，(I，J，K)为栅格空间点坐标，那么这两个空间之间的变换公式［7－8］可表示为

由式(1)可以看出，只需已知3个线性无关的点就能解出变换阵列M，两个空间之间的对应关系也就能被确定.

根据式(1)，若知道栅格中一点 ( I0，J0，K0)对应于模型空间点 ( x0，y0，z0)的缩放比例是 Sx，Sy，Sz，则式(1)可改写为

式中:

由式(1)和(2)就可以将地理信息转换为下一步判断所需的带DEM的栅格信息.

1.4 将高程的判断转换为像素的判断

经过解析得到带DEM的栅格信息后，由于各个像元点的高程值已知，提出一种新的通过像素值代替高程值的遮挡判断方式.本文模拟所用的Geo－TIFF数据是一张6 000×6 000的图像(见图2).通过上述解析，已知各个像元点的高程，可利用高程值代替像素值生成一幅新的图像(见图3).

2 扫描线上的遮挡判断

2.1 遮挡判断原理

所谓遮挡判断就是根据电磁波的直线传播原理，由近及远把目标点排序，然后遍历这些交点，根据目标的高度及雷达发射脉冲的宽度判断哪些点可以显示、哪些点被遮挡.遮挡判断示意图见图4.

由图4可直观地看出:A，B，D，E处未被遮挡，可以生成回波;C处被遮挡，不能产生屏幕回波.

图4 遮挡判断示意图

2.2 遮挡判断的两种情况

雷达回波的形成，除考虑遮挡以外，还要考虑雷达天线的高度，因此对遮挡的判断就分成两种情况:(1)扫描线上的初始点高于雷达天线;(2)扫描线上的初始点低于雷达天线.第2种情况又可细分成两种类型:(a)当前点高于前一可见点;(b)当前点低于前一可见点.

由于是判断遮挡关系，本文把目标点与雷达天线之间的连线与水平线构成的锐角称为遮挡角.

2.3 加入雷达分辨力的遮挡判断

在真实的雷达扫描过程中，还要考虑雷达分辨力.雷达分辨力是指相邻的两个物标能够在雷达荧光屏上被分辨的指数［9］，当河道的船舶比较密集时，高分辨力的雷达可以将这些船舶区分出来.对于雷达在任一方向上的扫描线来说，只需考虑它的距离分辨力.距离分辨力是指在同一个方向

上的两个相邻的物标，在荧光屏上能够被分辨出来的最小间距［10］，示意图见图5.

图5 距离分辨力示意图

为了简化计算，在不考虑接收机通频带影响的情况下，距离分辨力的计算公式可表示为

式中:C为电磁波的传播速度;τ为发射脉冲宽度;d为光点直径;D为屏幕直径;RD为所用量程.

2.4 综合算法流程

总体的算法思路如下:

(1)读入第一个点Ao，它必可见.判断Ao是否高于雷达天线，是则转向(2)，否则转向(3).(2)读入第i个点Ai，若Ai的遮挡角αi大于前一可见点Ai－1的遮挡角 αi－1，且 Ai的遮挡角大于 Ao点的遮挡角α0，则当前点Ai可见，否则不可见.(3)读入第i个点Ai，若当前点 Ai高于前一可见点 Ai－1，则转向(4)，若当前点 Ai低于前一可见点 Ai－1，则转向(5).(4)若当前点同时低于雷达天线，则当前点可见.(5)若当前点同时高于雷达天线，前一可见点低于雷达天线则当前点可见，前一可见点高于雷达天线，则判断方法同(2).(6)对于每个判断可见的当前点，还要计算其是否在前一可见点的距离分辨力之内.若在，则两点的回波相连;若不在，则两点的回波不相连.(7)读完全部交点后，判断结束.

算法流程见图6.

3 实验结果及分析

本文的实验仿真是基于自主开发的航海雷达模拟器的显示软件，软件基于VS2008 C++开发环境，采用QT4.5和OpenGL混合编程，具有良好的可移植性.

图6 算法流程

3.1 采用电子海图作为数据源的仿真

图7是以往关于雷达模拟图像的一篇论文中使用 Bresenham算法(直线扫描转换方法)处理的仿真图，用该方法每个交点向陆地方向画线的长度随机.由图7可见，为了使回波显得自然，在岸线往里延伸的回波上加一个指数衰减，但是岸线内部的细节不能得到反映，这使各个方向的回波看起来比较相似.

图7 采用常规数据源的仿真图

3.2 采用内部完全填充的仿真

这种方式是检测到地形的轮廓以后，轮廓内部采用完全填充的方式，见图8.采用这种显示方式，岸线的边缘能够得到体现，但是不能体现内部细节，与真实的雷达图像差别较大.

3.3 采用本文数据源和Bresenham算法的仿真

图8 采用内部完全填充的仿真图

这种方式是使用本文解析GeoTIFF文件得到的数据源，然后采用Bresenham算法画线，每条扫描线的长度随机.采用这种方式所得到的仿真图，岸线边缘能够得到真实体现，但是也不能体现内部的细节，而且扫描线的后沿直线化效果比较明显.仿真结果见图9.

图9 采用本文数据源和Bresenham算法的仿真图

3.4 采用本文方法及数据源的仿真

图10 采用本文方法及数据源的仿真图

采用本文方法进行仿真时设雷达高度为30 m.由图10可看出，采用本文方法所生成的图像岸线边缘比较自然，岸线上的一些地形信息也能够得到一定的体现.同时，为了更加接近真实的雷达图像显示，还加入通过粒子模型所模拟的噪声.

通过对上述4种仿真方式的比较可以看出，采用本文的数据源及处理方式仿真的逼真度较高，岸线边缘也比较自然，说明本文采用GeoTIFF文件作为高程源是可行的.

4 结束语

采用新的高程信息源，根据带有DEM的栅格信息生成一幅新的图像，在遮挡判断中把对高程的判断转换成对像素的判断.同时，为了更加真实地体现雷达扫描效果，把雷达的距离分辨力加入遮挡判断中.

但是，由于目前国内外将GeoTIFF文件用于高程源模拟雷达图像的研究还很少，没有相关算法及成熟方法可以借鉴.本文只是验证利用GeoTIFF文件作为高程源的可行性，今后将进一步利用SRTM所提供的数据源，构建动态的仿真系统.

［1］任鸿翔，马海洋，张彤.船舶操纵模拟器中三维场景库的雷达图像模拟［J］.中国航海，2010，33(1):7－10.

［2］张闯，张大恒，全东群.基于OpenGL建模技术的航海雷达回波图像生成方法［J］.大连海事大学学报，2010，36(3):61－68.

［3］ARNOLD－BOS A，MARTIN A，KHENCHAF A.A versatile bistatic ＆ polarimetric marine radar simulator［EB/OL］.(2009－09－12)［2012－05－26］.http://www.ensieta.fr/e3i2/publi/ARNLO－D_06a.pdf.

［4］陶海军，杨静，陈军.基于GeoTIFF数据格式的Creator三维地形建模方法研究［J］.软件导刊，2011，10(8):140－142.

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［10］张尚悦，贾传荧，王涌.基于多尺度DEM的雷达仿真图像生成［J］.计算机仿真，2008，25(2):219－222.