基于多源遥感数据的船只动态监测解决方案

1.监测方法

    为了快速准确地提取船只目标，船只监测方法采取由粗到精的策略，首先从大幅图像中快速提取出候选区域，利用反映舰船目标的最为明显且计算量小的一些特征，确定出舰船目标可能存在的区域; 然后再利用精细特征对候选区域进一步确认分析，找出真实的舰船目标。

    以钓鱼岛(黄岩岛)为例，以中低分影像为基础，同时结合高分影像，建立本地数据库，对海岛周边进行周期性动态监测，一旦发现海岛周边出现可疑目标，则立即查询符合该位置、时间要求的高分卫星影像，对海岛周边的船只进行有效辨识。同时， 尽可能收集有效数据源，鉴别出船只的功能类型。

图 1 船只监测组成框架图

    1.1 遥感监测方法

    遥感可从多波段、多时相和全天候角度获得全球观测数据，这在海洋监测领域是其他任何方法技术无可替代的。鉴于当前多源遥感技术快速发展，从千米到亚米级级遥感数据源的不断出现，对于海域船只变化监测成为了现实。为了快速与高效的准确把握船只信息，分别采用不同的遥感数据源，采用多尺度遥感监测方法、静态遥感图像分析方法和动态遥感图像分析方法。

    1.1.1  多尺度遥感监测方法

    目前基于卫星的船只监测技术和方法能对海面船只、船尾迹成像，获取船只的信息。随着国际遥感事业的发展，特别是近几年我国遥感事业的发展，中低分数据的免费获取成为可能，同时不同的数据源和重访周期加大了每一天数据源获取的可能，利用多源的中低分数据可实现定量遥感监测，反演出监测区域的海面温度、反照率等信息，为海岛船只的监测实现效率与经济最大化；此外，微波遥感技术也迅速发展，微波遥感技术具有全天时、全天候的工作能力，不受云、雨、雾的影响，并可在夜间工作，这使得微波遥感在海洋观测领域有着特殊、广泛的应用。

    在海域监测中，以区域尺度、局地、单位和功能四个尺度实现船只的监测。区域尺度海洋船只监测主要以国家环境卫星、中巴卫星遥感数据源为主，中低分辨率影像可实现区域网格化，提高实现预警能力，同时国际中低分辨率卫星影像其最大的优点是更新周期较快，可实现时间分辨率的互补过多星复合监测的手段，可实现最短 3- 12 小时一次的动态监测。在确定可疑目标物存在的同时，为了排除云遮挡、海浪等一些外界条件对影像辨识的影响，在局地尺度上辨析目标物是否存在。在完全确定船只存在的同时，利用高分辨率影像，结合监测分析系统，以单位尺度去辨析船只的数量。在辨析船只数量的基础上，利用高分影像(雷达数据、航片)通过船只纹理轮廓特征辨识船只的种类，尽可能利用中国雷达海域监测系统（船只唯一频率标示）与亚米及航片或相关影像共同结合辨析船只籍贯，提高辨识的准确性。

图 2 海洋岛屿船只监测遥感方法思路设计

    1.1.2  静态遥感图象分析法

    是以某一固定时相的遥感影像为基础，采用通过对图象实施波段组合、变换增强处理，结合定量遥感反演（海域温度、反照率等指标），确定可疑目标范围、位置、船只类型等信息。

    1.1.3  动态遥感图象分析法

    在确定海域船只目标的同时，最大限度的获取该区域范围影像产品，实现多源、多时序的海域船只监测，确保对海岛周边进行周期性动态监测。

2.技术路线

    中低分辨率卫星图像具有覆盖范围广、观测周期短等优点，数据量相对较小，而高分辨率图像中目标清晰细节丰富，但数据量庞大，直接从高分辨率图像中检测目标耗时相当多，且易受其他目标复杂背景的干扰，因此从中低分辨率遥感图像着手进行舰船检测，进而引导高分辨率图像的舰船识别，是实现大范围区域内舰船目标快速普查与舰船目标区域重点详查的有效途径。

    根据海域岛屿船只监测实际要求，整个技术过程由 4 部分组成：投影设计和控制数据层的建立，遥感数据和地形图等信息源数据的处理，定量遥感反演，船只定性与定量分析。

图 3 海域岛屿动态监测总体技术路线

    2.1  数学基础

    2.1.1  地图投影设计

    为了便于检索、查询和管理区域空间数据库各层面的数据，需要同一的坐标系和地图投影。 在此方案中采用的坐标系为北京 1954 坐标，地图投影为 6 度带高斯- 克吕格横轴等角切圆柱投影。具体参数设计如下:

    坐  标  系：北京 1954 坐标

    投  影：6 度带高斯- 克吕横轴等角切圆柱投影

    中央经线：6°*X- 3° （X 为带号）

    坐标原点：位于赤道与中央经线的交点

    X 轴偏移：500000+X*1000000

    Y 轴偏移：0

    椭球：Krasovsky

    a = 6378245.0000

    b = 6356863.0188

    扁率倒数  = 298.3

    投影比例尺 1∶1（即为实际大地坐标）

    单位：米

    2.1.2  一级控制点设计

    一级控制点包括经纬度控制点和方里网控制点。经纬度控制点按 1：5 万国家基础地形图分幅标准进行设计。

图 4 海域 1:5 万控制网设计

图 5 方里网控制点分布图

    2.1.3  二级控制图层的设计

    在 1:5 万控制网设计的同时，对监测区域的高分遥感影像及其它栅格图像纠正以 1:1 万或更大比例尺进行控制设计。由于地形图存在较大的几何畸变，为此按照项目精度要求，依据控制点层，以矢量对图像方式，采用二次多项式和有限元方法进行局部控制几何纠正，最终以 TIFF 格式存盘备用。

    2.2  数据处理

    2.2.1 影像处理

    影像处理主要包括对一系列多源数据的处理操作，其目的是抑制杂波背景，增强和凸显目标，去除由于各种因素造成的对船只监测的干扰，尽可能地提高船只监测的准确性和可靠性。影像处理主要包括滤波处理、云监测与插补、大气校正、地形校正、辐射定标、波段融合等。

图 6 数字正射影像（DOM）制作流程

    2.2.2 基础地理数据

    基础地理数据的建立主要为保证船只信息提取的正确性，经过遥感影像与实地考察相结合，建立了遥感影像目视解译标志库，提取岛屿周边环境土地利用/覆盖状况，避免中低分遥感影像反演岛屿周边状况造成影响，最终建立各专题信息数据库。基础地理数据库的建立主要考虑海岛与海岸带的土地利用/覆盖结构、海岛礁石信息、地貌特征、潮间带、围填海区域等。

    2.2.3 遥感反演

    利用环境卫星、海洋三号等产品对监测区域的海面温度与反照率进行反演，目的在区域尺度监测快速辨识可疑目标。以环境小卫星产品为例，反演海水表面温度。

    对于 HJ- 1B 卫星 CCD2- Band2 绿波段、 IRS- Band6 中红外波段和 IRS- Band8 热红外波段，其辐亮度图像定标公式见下表。表中 A、g(单位为 DN/(W(m - 2(sr- 1μm - 1))为绝对定标系数增益，L0、 b 为偏移量。

表 1 HJ-1B 卫星定标公式

    利用热辐射传输方程求解温度需要知道实时的大气廓线数据，而这部分数据又很难获得且求解复杂，所以研究人员基于热辐射传输方程作了一定的假设，并利用统计回归的方法提出两种简单易用的单通道反演模型: 一种是覃志豪提出的单窗算法;  另一种是 Jimenez - Munoz 和 Sobrino 提出的普适性单通道算法。段四波、阎广建等人经过研究认为这两种模型反演结果总的趋势比较接近，但是后者反演经度更高。故反演海面温度采用 Jimenez - Munoz 和 So- brino 提出的单通道算法，模型如式:

3.船只信息提取实例分析

    3.1  监测类别体系建立

    监测目标物：船只；

    船只类型：一般货船、油船、集装箱、客船、渔船、军舰以及不详；

    船只类型鉴别标示：船只造型、配备武器设备(炮口口径、炮种)、雷达设备装置、船体设计造型等；

    国籍：本国或外国。

    3.2  船只遥感信息提取

    首先利用中低分变率数据源反演监测区域温度与反照率，利用空间分析模块运算格网奇异值(同一客观条件下)。同时，搜集历史数据，建立同一区域下的网格温度波谱图，为现时数据的反演提供可靠对比依据。

    其次，在确定有网格奇异值时，尽可能收集同一时间分辨率下的中分辨率遥感影像，利用图像增强等处理，判别网格奇异值范围是否为船只，排除其他要素的可能性（云层、海浪、分布等）。

    最后，在以网格化方式(栅格分辨率)确定船只存在的同时，首先考虑国产高分影像数据源（中巴资源 02B、资源 3 号），在时间尺度不匹配的情况下，收集或订购天绘一号、资源一号等高分影像，按照特征提取与分类相结合原则辨识船只轮廓及船只数量，根据纹理特征及光谱特征辨识船只类型(渔船、军用船只及国家舰船)，同时结合基础地理要素分析船只行驶环境。

图 7 船只提取示意图