航海雷达仿真数据生成算法及实现

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(1.大连海事大学 航海动态仿真与控制交通行业重点实验室, 辽宁 大连 116026;2.大连理工大学 水利工程学院， 辽宁 大连 116026)

航海雷达仿真数据生成算法及实现

张新宇1,2,陈华1,姚舜1,陈向1

(1.大连海事大学航海动态仿真与控制交通行业重点实验室,辽宁大连116026;2.大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116026)

为生成任意范围内的雷达仿真数据以满足航海模拟器对雷达图像连续性的要求，提出一种航海雷达仿真数据生成算法。从多种比例尺的S-57标准电子海图中提取出海图数据作为雷达仿真原始数据，提出一种基于前向距离的离群点索引算法裁剪该数据的边界线，存储数据分段并构建缓冲区进行数据合并去重，根据待拼接原始海图比例尺和数据密度的大小提出基于中值连接法和误差分配理论的衰减连接法进行图像缝隙的自动连接。用VC++编程实现航海雷达仿真数据生成软件的开发，其功能包括文件选择、数据提取、数据筛选、边界线裁剪和雷达仿真数据合并。以江苏洋口港的93张海图为例，生成的大范围雷达仿真数据连续，能达到逻辑无缝、物理无缝的图像拼接效果，能满足航海模拟器的实际需求。

船舶工程;雷达仿真数据;离群点索引;误差分配;航海模拟器;电子海图

Abstract: In order to simulate marine radar image to meet the practical need of maritime simulator, the algorithm for generating the simulating signal according to the electronic chart data extracted from multi-scale S-57 standard electronic chart data is put forward. The algorithm is designed in the following way：The boundary lines of the charts are cut off first with the outliers index algorithm based on forward distance; the chart data are segmented into groups and merged and deduplicated in a buffer; and the average connection method and the attenuation connection method based on error distribution theory are used to fill the gap between two images automatically according to the size of scale and data density of charts. A marine radar simulation data generation software is developed in VC ++ programming. The functions of the software include the selection of documents, data extraction, charts filtering, boundary line clipping and radar simulation data merging. The software is tested with 93 charts covering the waters of Yangkou Port, Jiangshu province, China. The radar image produced by the software looks continuous and smooth, and satisfies the requirement of practical use.

Keywords: ship engineering; radar image simulation; outliers index; error distribution; maritime simulator; electronic chart

近年来，航海模拟器中生成雷达图像所采用的方法一般是通过提取S-57标准电子海图中的陆地岸线和灯标数据，以本船模拟船位为中心，采用圆周扫描的方式求出每个瞬时扫描线与目标线段的交点，由交点沿扫描线向目标内侧延伸，延伸线段采用以Bresenham算法为基础的回波生成方法，实时生成雷达图像。[1]利用该方法生成的雷达图像存在一定的局限性，只能读取单张S-57标准的电子海图数据，当模拟船舶航行的范围超出单张海图的范围时，会出现图像数据不准确甚至消失等情况，模拟的真实感下降。为解决该问题，YAO等[1]提出基于前向角的边界线裁剪算法、直接接边法及单侧衰减接边法，这些方法基本上能实现雷达图像的无缝拼接，但在裁剪边界线和合并数据时容易误删雷达数据，影响图像的生成精度。

此外，在制图学和地理信息系统等领域有不少关于数据处理和图像缝隙拼接的研究。隋春光等[2]给出实现数字海图无缝拼接的具体步骤；韩光瞬等[3]通过分析图幅与要素之间的关系，将图幅编号与要素的相关属性结合，实现跨图幅要素的自动搜索和拼接；刘允等[4]提出一套适用于大比例尺地形图数据接边的程序设计方法，采取人机交互的方式完成大比例尺地形图数据接边工作;黄会平等[5]运用等高线的几何关系和属性特征筛选对接边等高线，提出分幅等高线智能化接边的约束条件和算法，实现等高线的无缝拼接；张赢等[6]提出基于矢量ID映射的“虚拼接”算法，解决数字地图图幅自动接边算法在处理大区域大数据量图幅接边时效率低的问题。以上方法在数据无缝拼接方面取得了一定的研究成果，但都仅限于比例尺相同的图幅拼接。

对此，提出一种航海雷达仿真数据生成算法生成任意范围的雷达仿真数据，对该算法进行软件设计并将其应用到航海模拟器中，使生成的雷达仿真数据满足航海模拟器对图像连续性的要求。

1 航海雷达仿真数据生成算法

航海雷达仿真数据生成算法包括以下5个步骤：

(1)数据提取，从多种比例尺的S-57标准电子海图中提取出海图数据作为雷达仿真原始数据；

(2)数据筛选，根据需要对提取出的雷达仿真原始数据进行筛选，在保证雷达仿真原始数据精度的前提下尽量减少数据量；

(3)数据边界线裁剪，提出基于前向距离的离群点索引算法裁剪雷达仿真原始数据边界线；

(4)数据自动合并，存储数据分段并构建缓冲区，删去落在缓冲区内的精度较小的冗余数据。

(5)图像缝隙的自动连接，提出基于中值连接法和误差分配理论的衰减连接法自动连接图像缝隙。

1.1 数据提取

从多种比例尺的S-57标准电子海图中提取出需要的岸线数据作为雷达仿真原始数据，将从每幅海图中提取出的原始数据保存到一个数据文件中，并以相应的海图名字命名。

1.2 数据筛选

按照国际航道组织(International Hydrographic Organization，IHO)标准分级，S-57标准海图根据航海用途的不同分为总图、大洋航行图、沿海航行图、近岸航行图、港内航行图和靠离泊用图等6类。[7]一般在航海实践中利用雷达瞭望时，应选择适当的量程：大洋航行可用12～24 n mile量程；沿岸航行可用6～12 n mile量程；狭水道航行应远近量程兼用，以2～6 n mile为主。[8]因此，在进行数据筛选时采取以港口为圆心、相应量程为半径的圆周范围内的数据文件，将超出该范围的数据文件删除。

1.3 数据边界线的裁剪

图1为雷达仿真原始数据C1412650，通过观察可发现，组成边界线的坐标点相对于岸线的坐标点较为分散，因此提出基于前向距离的离群点索引算法对边界线进行裁剪。该算法包括以下3个步骤：

图1 雷达仿真原始数据C1412650

(1)搜索每个对象点在前向半径R范围内的近邻；

(2)设M是一个离群点的R邻域内的最大对象数目，若对象点的M+1个近邻被发现，则对象点就不是离群点；

(3)若M为离群点则删除，否则保留。

图2 雷达仿真原始数据C1412650平均距离散点图

图3 裁剪后的雷达仿真数据C1412650

1.4 数据合并

在制作S-57标准海图过程中，一个完整的地物难免被分离到2个甚至更多数据文件中，使得同一地物被分割成若干部分。[9]由于海图的分幅作用，连续的海岸线会被分割到不同的图幅中，且海图的叠幅部分必然存在冗余数据(见图4)。

图4 连续的海岸线被分割在不同的图幅中

对于同一地图目标而言，其在大尺度地图上的精细度和复杂度是小于在小尺度地图上的精细度及复杂度的。[10]因此，可认为大比例尺海图数据的精度比小比例尺海图数据的精度高，当比例尺相同的2幅海图存在叠幅部分时，密度大的海图数据的精度显然比密度小的海图数据的精度高。

合并算法流程见图5。合并2个雷达仿真数据文件时，首先判断2个数据文件的比例尺是否相同，若相同，则判断其数据的密度大小，以密度大的数据为基准；若比例尺不相同，则以大比例尺数据为基准，将基准数据分成若干段，每段构建一个缓冲区；若精度较小的数据落在这些缓冲区中的任意一个之中，则将其删除，否则保留；将合并成的数据作为新的雷达仿真数据文件继续与下一个数据文件合并，以此类推，直到全部数据文件合并完为止。

图5 合并算法流程

1.5 图像缝隙自动连接

由于海图的分幅作用，来自于不同海图的数据之间必然产生缝隙，图像缝隙的存在使得原本连续的海岸线被打断，在航海模拟器中使用时给图像造成一个空白区域。为填补该空白区域并使图像保持原有的趋势，提出基于中值连接法和误差分配理论的衰减连接法自动连接图像缝隙。

1.5.1中值连接法

对于比例尺相同的2幅图的缝隙，采用中值连接法进行接边，即取2个接边端点的平均值作为接边中点。设连接前的两点坐标为(x1,y1)和(x2,y2)，则接边中点坐标满足

(1)

1.5.2基于误差分配理论的衰减连接法

对于比例尺不同的2幅图，提出基于误差分配理论的衰减连接法，即以基准比例尺数据为基准，对于小比例尺海图，将误差合理地分配给待接边点及其邻近点,使接边处线段过渡光滑。根据测量学中的误差分配理论,将每个点视作一个测站,采用线上距离作为权来分配误差。[11]由于有多幅海图参与接边,且海岸线一般都不是水平或竖直的,因此不是单纯纠正单一方向的误差,设计实现该算法同时纠正X轴和Y轴的坐标误差。

(2)

式(2)中：n值为待接边线段所有点的个数。随着n值的增大，Pn/(P1+P2+…+Pn)的值逐渐减小，达到衰减的目的。

2 算法实现及实例验证

2.1 算法实现

软件采用VC++编程[12]，利用其函数库功能强大的优点。软件界面见图6，“选择文件”用于选择需要的原始海图，点击“提取数据”按钮从选择的各个文件中提取需要的雷达仿真原始数据，然后根据IHO的相关标准对提取的各个数据文件进行筛选；在点击“筛选数据”按钮时，根据其航海用途和与参考点的距离对模拟航行时涉及到的比例尺海图进行筛选。由于边界线的裁剪算法是基于前向距离的，因此在裁剪边界线之前须先计算出任一点及其邻近点的距离以寻找出较为分散的离散点，邻近点的个数由用户根据不同图的情况自行设定。

图6 软件界面

由于裁剪边界线后的雷达仿真数据用于观察的格式与用于合并的格式不同，因此需分别输出。点击“裁剪边界线用于观察”按钮，将根据裁剪算法裁剪雷达仿真原始数据边界线，输出的数据用于观察裁剪算法的有效性；而点击“裁剪边界线用于合并”按钮，生成的数据将用于合并。

在对要合并的数据文件进行边界线的裁剪后，点击“合并雷达仿真数据”按钮，实现的功能包括将所选数据文件的数据合并去重、将图像缝隙自动连接、生成满足航海模拟器需要的逻辑无缝和物理无缝的连续图像。

2.2 实例验证

以江苏洋口港的93张不同比例尺的海图为例，首先选中这些海图并进行数据提取(见图7)，分别以相应的海图名字对提取的雷达仿真原始数据进行命名存储，然后点击“数据筛选”按钮，弹出“请输入参考点”对话框(见图8)，输入港口中心坐标(-17 038.092,317.481 84)作为参考点，筛选出满足精度要求的11个数据文件(见图9)。分别对11个数据文件进行边界线的裁剪，在裁剪之前先通过观察雷达仿真原始数据找出邻近点个数，例如观察图1，取邻近点个数M=5。通过计算点之间的距离绘成散点图(如图2所示),进而得出裁剪半径，裁剪半径R取3 000。根据得出的邻近点个数5和裁剪半径3 000对雷达仿真原始数据C1412650进行边界线的裁剪，裁剪效果如图3所示。对剩下的10个雷达仿真原始数据文件重复以上裁剪操作，最后点击“合并雷达仿真数据”按钮，对11个裁剪后的雷达仿真数据合并去重并进行缝隙的自动连接(见图10)，不需要的边界线全部被裁剪掉，叠幅部分的冗余数据也被删除，生成的大范围雷达仿真数据满足航海模拟器对雷达仿真图像连续性的要求。

图7 江苏洋口港的93个雷达仿真原始数据文件

图8 输入参考点坐标对话框

图9 筛选后的11个江苏洋口港雷达仿真原始数据文件

图10 合并后的江苏洋口港雷达仿真数据

3 结束语

提出航海雷达仿真数据生成算法，实现多种比例尺的雷达仿真数据的无缝拼接，适用于处理大数据量、多图幅和多种比例尺的海图数据。以VS2013为开发平台，设计出航海雷达仿真数据生成软件，适于处理所有从S-57标准电子海图中提取出的原始数据,生成的雷达仿真数据满足航海模拟器对雷达图像连续性的需求；同时，在等高线拼接、地理信息系统和制图学等领域也有一定的借鉴作用。但是，该算法也存在一定的不足，当雷达仿真原始数据中个别海岸线的数据点相对于边界线上的点较为分散时，该裁剪算法会误删此岸线数据点。下一步可考虑采取前向距离与前向角度相结合的方法裁剪边界线，也可考虑在地理信息系统(Geographic Information System，GIS)平台下生成雷达图像。

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Generation Algorithm for Simulating Marine Radar Image and Software Implementation

ZHANGXinyu1,2,CHENHua1,YAOShun1,CHENXiang1

(1. Laboratory of Marine Simulation and Control, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116026, China)

1000-4653(2016)04-0006-05

U666.158

A

2016-06-25

国家自然科学基金(51309043)；交通运输部应用基础研究项目(2014329225020)；中国博士后科学基金(2014M551095);辽宁省自然科学基金(2014025005)；辽宁省高校杰出青年学者成长计划(LJQ2014052)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132014202)

张新宇(1978—),男,吉林长春人, 副教授，博士生导师，博士后, 从事交通信息工程及控制、航海虚拟现实与仿真技术研究。 E-mail: zhangxy@dlmu.edu.cn