基于纹理识别的航海雷达溢油监测系统

索永峰，杨 神化，陈国权

(集美大学航海学院，福建 厦门 361021)

基于纹理识别的航海雷达溢油监测系统

索永峰，杨 神化，陈国权

(集美大学航海学院，福建 厦门 361021)

为了实时监测海面溢油情况，根据航海雷达特点，梳理出一条利用航海雷达进行溢油监测的技术路线，主要涵盖系统框架设计、核心油膜提取算法等.其中，系统框架采用DSP处理芯片，对雷达视频信号进行采样处理，选用PCI接口便于拓展应用，选取基于纹理识别的方法用于油膜提取.该技术路线理论可为后期深入研究和系统开发提供理论基础.

溢油；航海雷达；遥感；实时监测；图像处理

0 引言

近年国内外频繁的海上溢油事故，给海洋环境造成严重污染，也使海洋溢油监测研究成为遥感应用技术的一个研究热点.而纵观国内外相关领域研究，更多研究者把重点聚焦于星载SAR在溢油检测中的应用[1-5]，这种传统星载和航空SAR只能事后对海上大规模溢油事故进行有限时间取样分析，如果将基于X波段的船载航海雷达应用于受控海域溢油检测，则可在事故发生初期及时获取海面溢油数据，为海事部门和海洋环保部门提供应急处理参考，为采取应急反应争取时间.

航海雷达与合成孔径雷达溢油监测原理相似，都是向海面发射微波信号，该信号与海面相互作用，由接收器接收后向散射信号经处理后形成图像[1-2].雷达回波图像对目标表面粗糙度反应敏感，利用这一特点可进行海上溢油监测.溢油事件发生后，油类物质会迅速扩散，并在海洋表面形成一层油膜，该油膜区域会形成Bragg波，并且对海面重力毛细波产生阻尼[3-4]，从而抑制雷达信号的后向散射，使得油膜区域在图像上显示为较暗的区域，而周围的波浪则形成明暗混杂的背景数据[5].

目前基于航海X波段雷达的溢油探测的研究国内鲜有，国外虽已有相关产品，但对其关键技术仍未公开，各方面实验数据也表明该项技术仍处于研究阶段.航海X波段雷达遥感遥测技术具有实时、稳定、便捷、经济等优点，使其在近海、海洋平台等溢油检测领域具有巨大的应用前景.本文试图总结前人经验，并结合星载SAR溢油检测方法，探讨一套适于航海雷达回波特点的海上溢油监测关键技术，为随后相关实验和产品研发奠定理论基础.

1 系统设计框架

基于航海雷达的溢油监测系统包括收发单元、雷达信号处理板和计算机，如图1所示.系统收发单元由单台X波段雷达或多台X波段雷达组成的雷达链构成.雷达回波经接口箱接入中心处理计算机，中心计算机的雷达回波处理单元，因计算量极大，可能造成计算机应用系统不稳定，故设计使用硬件级的雷达信号处理板卡来实现雷达模数转换和图像处理功能.本文下述所用雷达回波预处理方法及油膜提取算法功能模块，均依赖该模块运行.该硬件雷达信号处理单元可采用高速DSP处理芯片，以PCI插口的方式与计算机主板集成.

2 油膜提取核心算法

海面油膜对海面毛细波、短重力波的阻尼作用使得其在雷达回波图像上呈低散射区，据此可以利用雷达图像进行油膜检测.然而雷达自身系统电路、海上环境和船舶摇摆等因素，造成实际雷达原始回波图像存在大量干扰噪声，虽然多张回波图像平均后，可以提高图像质量，但仍然不够清晰.通常增加雷达系统带宽或采用一系列滤波可以减少噪声，本系统在此基础上，为有效分辨出溢油等小物标，拟将回波图像纹理做为油膜重要特征给予考虑，这样可有效提高图像分割效果.

2.1 雷达数字信号处理

实时的数据采集是雷达信号数字处理必不可少的前提，特别对雷达微弱信号的检测，良好且不失真的数据采集是处理的关键．为了解决雷达信号数据量大、实时性强等问题，需采用独立设计的雷达信号处理卡，对采集到的原始雷达信号进行模数转换，然后用专用数字信号处理芯片与大规模可编程逻辑器件结合进行信号处理.此外，利用高性能DSP芯片和IPCI接口芯片，可有效提高雷达信号处理板卡的通用性和扩展能力，为溢油监测系统能够支持更多品牌的收发单元提供硬件保证.该雷达信号处理板卡采用一款具有高速浮点运算能力的TI 6000 系列的芯片TMS320C6713PYP200，最高运算速度达到1350 MIPS，同时使用XILINX 公司的20 万门FPGA XC2S200PQ208，以及CYPRESS 公司的CY7C68013 USB2.0 协议芯片，为DSP系统搭建起高速数据通路，采用了模数转换芯片AD9240，该转换芯片具有极高的采样频率和转换速率，转换速率达到10 MHz，可以满足雷达视频采集的要求.

雷达的数字信号处理过程如图2所示.数字信号处理模块以DSP作为核心处理器，DSP外接PROM和SRAM，其中，EEPROM存放程序代码用于DSP的bootloader，SRAM为数据空间的扩展用于存储多次回波数据.首先，雷达上单元发出的视频信号，经过高速AD采样后送入FIFO缓存，然后雷达根据处理情况读取FIFO中的采样数据.而雷达上单元发出的方位信号、船首信号、触发信号等经过FPGA逻辑转换以后接DSP的外部中断，DSP根据中断作相应的数据处理.FPGA作为DSP的辅助器，协助DSP控制其外设器件.另外，在数字信号处理模块测试板上设置了串口模块用于调试和测试.

图2 雷达数字信号处理流程图

2.2 坐标转换

初步处理后的数字雷达视频图像是以极坐标方式存在的，通过极坐标系和屏幕直角坐标系转换方程，处理数字化的雷达视频图像，使雷达视频图像从极坐标转换到笛卡尔坐标，便于进一步与电子海图叠加，显示和岸壁剔除.极坐标系和屏幕直角坐标系的对应关系如图3所示.

2.3 滤波处理

雷达成像过程中产生并随机分布的或明或暗的斑点与小物标回波交织在一起，破坏了回波原始边缘和纹理特征，增加了计算机对雷达回波图像的处理难度.除了雷达内部硬件系统造成的噪声之外，更为严重的噪声来自于海面上的海浪回波，如果天气情况不好，还会受到雨雪影响，因此有必要在对溢油进行分析识别之前对雷达图像进行滤波处理.

常用的除噪滤波算法有Lee滤波，改进的Lee滤波，Frost滤波，Kuan滤波，Gamma Map滤波等.文献[7]对均值滤波、中值滤波、局部滤波、Lee滤波、Lee-Sigma滤波、Frost滤波和Gamma-map滤波进行了试验比较，试验表明Lee滤波和Gamma-map滤波效果最好.Nasser的研究表明，在航海雷达回波滤波处理中，Gamma滤波具有最好的边缘保持特性，并且适合于各种海况[6].本文拟选择Gamma滤波用于滤波处理.

2.4 纹理识别

纹理分析识别的方法归结起来主要有两大类，一是统计分析方法，二是结构分析方法.前者从图像属性的统计分析出发，后者着力于找出纹理单元，然后从结构组成上探索纹理的规律，或者直接去探求纹理构成的结构规律.从历史发展与当前的进展看，统计方法仍然占据主导地位.统计分析方法主要有灰度共生矩阵法、分形分维法和马尔可夫随机场法等，其中共生矩阵法被广泛应用，它不仅考虑像元灰度值，而且考虑像元灰度值的分布空间关系.此外，为量化矩阵的相似性，便于计算机对图像纹理进行纹理分析，Haralick等人由灰度共生矩阵提出了14种特征，Nasser等人对这些特征变量做了主成份分析[6]，他们通过对三起溢油事故航海雷达回波原始数据的分析，得知，能量、熵、对比度三个特征向量在三起事故中所占影响比例分别达到98.57%，97.13%，96.88%.本系统考虑运行实时性要求，也选取这三个特征向量，它们已经包含绝大多数纹理特征信息，能够满足系统精度要求.

利用灰度共生矩阵进行雷达回波图像纹理分析，需要根据雷达实际条件及回波质量，确定回波图像中溢油的纹理共生矩阵特征向量参数，包括计算纹理的方向、步长、窗口大小，以及通过主成分分析等方法确定合适的溢油检测纹理特征向量.

直接使用航海雷达图像进行共生矩阵方向性的研究很少，通过SAR影像所得出的结论也有一定的参考价值，牛莹等人对不同数据源的多幅SAR影像数据进行了0°，45°，90°和135° 4个方向上的实验[7]，通过实验表明：均值、方差、均匀性、熵、二阶距、相关性所表现出方向特性不明显，笔者建议考虑效率的时候不考虑以上6个特征变量的方向性.对比度、相异性纹理值有些跳跃，没有明确规律，但是每个方向特征值都有明显差异，可以达到区分效果，因此也可以不考虑这两个向量的方向性.航海雷达图像的纹理分割，也暂不考虑方向性影响.

为了尽可能发现小的物标，步长一般取1.而对于步长及窗口的确定，目前没有发现专门研究数据，但文献[7]对SAR图像的共生矩阵法纹理提取的实验中发现：均值、方差、协同性三种特征向量随着窗口的增大略有增加，对比度、相异性、一阶距略有减小，熵、相关性则明显增大，各参数表现出不同的规律性，笔者根据图像分割最后效果，建议采用7×7的窗口，系统实际应用中将设置成系统设置，并允许用户根据经验和海况进行调控.

2.5 海图叠加显示

雷达回波图像分析结果经坐标转换后，可叠加到墨卡托投影的电子海图上，利用GDI(Graphic Device Interface，图形设备接口)进行电子海图绘制，为提高绘制效率，避免图像闪烁，必须采用双缓存机制.雷达图像与电子海图叠加显示时，需遵循IHO(International Hydrographic Organization，国际航道组织)S-52标准[11]，按照各层优先级顺序显示图像.首先将图像绘制到缓存区内，等所有层全部绘制完毕后，再调用BitBlt或StretchBlt一次性发送到显卡中.电子海图与雷达图像叠加算法过程描述如下：

1)在缓存中绘制电子海图矢量图

IHO S-52中对电子海图的绘制有明确的标准和建议配色方案，通过查询表(Look-up table)的方式提供给开发人员，查询表包括物标编码、属性、符号化描述、显示优先级、雷达覆盖(OVERRADAR)、IMO(International Maritime Organization，国际海事组织)显示分类和可选分组.显示优先级从0～9，优先级高的要后绘制(后绘制会叠加在更顶层，先绘制的会被叠加覆盖)，编程实现时绘制物标列表要按照优先级进行排序，然后依次绘制.

2)获取雷达图像并叠加绘制.

通过雷达板卡图像缓存获得的雷达回波数据，包括扫描线方位信号、量程信息、像素信息等.雷达图像绘制前，从IHO-S52标准颜色表中找到对应的颜色信息，还原雷达回波图像的颜色，再经过像素点极坐标转换，取得与电子海图地理坐标、显示模式和比例尺相适应的屏幕坐标.雷达回波绘制时，要考虑与电子海图物标绘制的先后问题.IHO S-52查询表的雷达覆盖字段决定了雷达回波物标绘制的先后关系.雷达覆盖字段的可选值有“O”、“S”和空值.O即OVERRADAR，表示物标覆盖雷达回波图像；S即SUPPRESSED，表示回波图像覆盖物标；若该字段为空，默认为物标覆盖雷达回波图像.

3)按照当前主流雷达每扫描一圈4096线的要求，在2.4 s内显示4096根扫描线，即每隔0.586 ms绘制一根扫描线，按标准与电子海图物标在显示缓存中绘制完成后，再一次性拷贝到屏幕上，实现雷达图像与电子海图的流畅叠加显示.

3 结论与后续研究

本文综合SAR研究，采用基于能量、熵和对比度的纹理识别方法用于油膜提取，提出了一种基于航海雷达的实时海洋溢油监测系统架构.该系统架构所选方法在图像质量较好情况下可以满足应用需要.但海上海况复杂多变，干扰因素很多，实际使用X波段雷达进行溢油实时监测，还必须做一些针对性算法优化，特别应该针对海浪情况进行优化，如可根据海浪的传感器进行修正，也可根据当地港口实际情况建立当地风场、流场数学模型，综合考虑这些修正因素，可更好地解决海浪干扰的噪声问题.后续作者将着重从以下几个方面出发，深入对航海雷达在溢油检测领域进行深入的研究：

1)利用航海雷达回波数据，验证灰度共生矩阵窗口选择；

2)设计实验，验证不同种类溢油灰度共生矩阵的方向性特性；

3)考虑使用自适应算法使系统自动选择合适的计算窗口和步长.

总之，利用航海X波段雷达对船舶溢油进行实时监测有其先天性优势，但目前国内外的产品或研究都仅停留在可行阶段，而对其灵敏度、准确率却不敢强调.这主要是因为上述的各种干扰因素的影响，对这些影响的针对性优化处理还有待深入研究.本文仅是作者对该课题研究的初探，大量实验证明了海洋溢油存在明显的混沌特性，后续作者将从混沌理论角度对海洋溢油回波特点进行研究.

[1]魏铼,胡卓玮.SAR影像海洋表面溢油检测方法与实现[J]，遥感技术与应用，2013,28(1):34-42.

[2]薛浩洁.SAR图像海洋表面油膜检测方法研究[D].北京：中国科学院电子学研究所,2004.

[3]薛浩洁,种劲松.SAR图像海洋表面油膜检测方法[J].遥感技术与应用,2004,19(4):290-294.

[4]熊文成,吴传庆,魏斌.SAR图像在韩国溢油监测中的应用[J].遥感技术与应用,2008,23(4):410-414.

[5]邹亚荣,王华,朱海天，等，海上溢油图像分割算法研究[J],海洋环境科学,2009,28(3):313-315.

[6]NASSER MOSTAFA SALEH.Automated oil spill detection with ship borne radar[D].Enschede:International Institute For Geo-Information Science and Earth Observation，2007.

[7]牛莹.基于纹理特征的星载SAR溢油监测研究[D].大连：大连海事大学，2009.

[8]彭博.基于面向对象的海洋溢油检测的研究[D].大连：大连海事大学，2007.

[9]周蓓.X波段雷达海面流场信息提取技术研究[D].青岛：中国海洋大学，2008.

[10]OUDSHOORN H M.The use of radar in hydrodynamic survey[J].Coastal Engineering,1960,7:59-76.

[11]IHO.IHO ecdis presentation library users’ manual[s].Monaco:The International Hydrographic Bureau,1997.

(责任编辑 陈 敏 英文审校 周云龙)

Marine Radar Oil Spillage Surveillance System Based on the Texture Identification

SUO Yong-feng，YANG Shen-hua，CHEN Guo-quan

(Navigation Insitute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

s:This article presents a technical route for real-time oil spillage detection system by using the marine radar.The whole system includes framework,core oil slick extracting algorithm and so on.The radar video signal is sampled and processed by the DSP and the PCI interface is used for expansion.The oil slick extracting algorithm is based on the texture identification.This method is theoretically feasible which may support the theory research basis for further research and system developments.

oil spill；marine radar；remote sensing；real-time monitoring；image processing

2013-06-20

[修回日期]2013-12-26 [基金项目]国家自然科学基金资助项目(51109090)；福建省科技计划重点项目(2012H0030)；厦门市科技计划高校创新项目(3502Z20123019)；福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划资助(JA12181)；集美大学科研基金(ZQ2014002)

索永峰(1981—)，男，讲师，博士，从事航海信息化系统研究.

1007-7405(2014)02-0113-05

TP 274.2

A