以图像处理为基础的船舶航行轨迹分析

文/范晓君

经济全球化的发展，世界各国之间的出现了越来越频繁的商品贸易，海上集装箱运输具有较高的安全性，并且成本较低，实际的运输量也相对较大，因此，海上集装箱这种运输方式获得了很大的发展。由于在近几年的发展过程中，海上航线的密度在不断的提升，并且船舶的数量也在不断的增多，在航行过程中由于受到天气因素的影响，导致运输事故频繁发生，这不仅会对运输公司产生巨大的经济损失，同时也会造成严重的人员伤亡。因此，就需要相关人员深入研究船舶航行轨迹分析，使船舶的航行安全性能够得到提升。

1 图像处理技术以及计算机视觉的发展以及研究现状

在图像处理技术以及计算机视觉技术中，其出发点都是通过利用图像传感设备，从而获取目标物体所产生的图像，同时也要借助计算机技术对图像进行分析以及处理，并从其中提取出有需要的特征信息。

在现阶段的发展过程中，图像处理技术以及计算机视觉技术的发展主要依靠的就是两个领域中的技术，一个是高性能的图像传感器以及计算机等相关的硬件设备方面的技术，另一个则是计算机视觉理论计算法等相关的软件技术。在以图像处理技术为基础的船舶航行轨迹分析建设过程中，对计算机的软硬件系统体系结构以及发展进程进行研究，能够起到十分重要的作用。

摄影测量主要就是指通过对摄像机所获取到的图像进行分析处理，从而对图像中存在的物体的形状以及位置等相关的参数进行明确。一般来说，根据摄影的距离可以将摄影测量划分为三种，分别是：航天摄影测量、近景摄影测量以及航空摄影测量。在近景摄影测量当中主要包括在工业方面以及工程测量当中的应用。近景摄影测量中的主要原理就是通过利用三角形交会法，从不同的位置以及不同的方向中出发，对同一个物体进行拍照，并且通过利用图像处理技术以及摄影测量处理技术，最终获取到精准的物体三维坐标，从而达到尺寸测量的目的。对于海上船舶进行航行测量的主要方法就包括雷达测量以及卫星遥感测量。而遥感测量属于最为常用的一种船舶航行轨迹测量方式，同时也是最主要的一种方式。与传统的测量方法相比较而言，遥感测量主要具有以下四个特点：

（1）遥感测量属于非接触式的具有高分辨率的测量方式，能够很好的适应海上较为复杂并且苛刻的测量环境；

图1：海上船舶的遥感测量系统结构组成图

（2）能够在瞬间获取到相对较多的被测量的船舶航行的特征点的信息，具有较高的测量效率；

（3）在对物体的几何信息以及位置信息进行获取的过程中，应用遥感测量能够达到更好的效果；

（4）具有较高的自动化程度，并且很容易进行操作。

对于海上船舶进行遥感测量的测量系统结构如图1所示。

2 以图像处理为基础的船舶航行轨迹分析

在海上交通管理部门以及运营部门当中，最主要的工作就是要对负责海域内的传播进行监控以及做好相关的交通管理工作。本文通过对船舶的航行轨迹图像进行采集分析，从而预测船舶的航行轨迹，最终有效降低海上交通的发生率。

2.1 船舶航行轨迹图像的像素平滑滤波技术

对于船舶的航行轨迹图像进行预处理有着十分重要的作用。在船舶的图像采集过程中，遥感卫星会受到雾气以及云层等因素的干扰，并且由于遥感设备自身也具有一定的噪音。因此，就会导致初始的船舶轨迹图像当中含有大量的噪点，这就需要相关人员对图像进行预处理，使图像能够达到降噪以及滤波。在本文中主要是以图像处理为基础，对船舶的航行轨迹遥感图像进行了帧间差分法以及像素平滑滤波技术。首先，船舶航行轨迹的遥感图像模型应当是：在该模型当中，代表的是遥感图像当中的目标像素函数，代表的是遥感图像当中的海天背景，而代表的就是遥感图像当中的干扰像素模型。主要的来源就包括外界环境所产生的影响以及图像采集装置和传输装置本身所产生的噪声。

遥感凸显的平滑滤波以及帧间差分法的过程主要如下：首先，需要设定出某遥感图像当中的某一个像素点（x,y），其像素灰度应当为f（x,y），那么最终得出的像素平滑滤波函数就应当为：

2.2 船舶航行轨迹遥感图像的边缘检测

图像中最重要的一个特征就是边缘，这主要就是指在图像当中出现屋顶状变化以及灰度急剧变化的像素集合，通常情况下都是存在于背景的边界以及目标的边界中。船舶遥感图像中的边缘区域与其相邻的区域之间存在着十分明显的黑白边界，这就需要利用边缘检测技术，提取出标志点的边缘信息。在实际的船舶遥感图像当中，大部分的边缘都是斜坡式的边缘，在边缘附近的灰度会出现逐渐变化的现象。在斜坡式的边缘位置处，图像灰度的一阶导数应当取最大值，而二阶导数则应当为0。在离散图像当中，通过利用差分的形式能够替代导数。Roberts算子主要就是指将遥感图像当中的对角线方向上存在的两个相邻像素差作为梯度值，并开始进行边缘检测，这种方法被称为是Roberts算子。这种检测方法最终的监测结果相对较为准确，但是很容易受到噪声的影响。Prewitt算子主要就是通过利用遥感图像当中的中心点，上下左右相邻区域当中存在的像素点，对加权差进行计算，这两种像素计算法都具有降噪的能力，同时也具有一定的模糊边缘的效果。

在本文中，针对船舶的航行轨迹进行遥感图像的边缘检测工作的过程如下：

（1）进行高斯滤波，对图像进行平滑去燥；

（2）通过利用一阶导数的差分对梯度的幅值以及方向进行计算，可以通过利用Sobel算子的方式进行计算；

（3）对于梯度幅值，进行非极大值的抑制，也就是说，要对局部梯度幅值出现的最大点进行保留，并将其他的点都设置为0；

（4）边缘连接以及双阈值法检测。双阈值法主要就是指对高阈值以及低阈值进行明确，并且针对疑似边缘点的点，可以通过连通性对其进行再次判定：如果在疑似边缘点的领域当中存在着边缘点，那么就认为该点是边缘点，否则该点就是非边缘点。

3 船舶航行轨迹分析以及应用

将本文中所提出的船舶航行轨迹遥感图像的预处理技术以及边缘检测技术进行结合，在本文中基本上已经将船舶的轨迹特征点提取以及分割进行了实现，并在此基础上，继续将船舶的航行轨迹进行细分，使其能够成为更小的船舶行驶轨迹子段，并以此对航行轨迹进行聚类分析，从而获取船舶的航行轨迹的预测结果。

4 结语

为了能够使海上交通运输事故的发生概率得到有效的控制降低，确保船舶能够安全航行、高效航行。在本文中，主要针对船舶的航行轨迹遥感图分析以及相应的处理技术进行了研究，其中主要包括两个方面，分别是：船舶航行轨迹图像的像素平滑滤波技术以及船舶航行轨迹遥感图像的边缘检测。通过对船舶航行轨迹分析进行研究，能够为改善海上交通的遥感图像处理技术水平提供一定的依据，从而使海上交通安全能够得到一定的保障。