一种基于sar数据的船舶动态跟踪与行为模式识别方法
【专利摘要】本发明的目的在于基于雷达SAR技术，结合GPS、AIS等通信技术对海岸线覆盖范围以外的公共海域内所有航行船只的类型及行为模式进行识别和动态监测，实现海上危险目标物信息的提取、分析，为正确部署安全措施提供技术依据。
【专利说明】—种基于SAR数据的船舶动态跟踪与行为模式识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种船舶行为动态监测系统，特别涉及一种船舶航行动态数据库更新和行为模式识别的系统，以及该系统各功能的实现方法。
【背景技术】
[0002]船舶行为动态监测方法有AIS船舶自动识别系统、GPS、雷达探测技术等。AIS系统通过无线电通信技术实现船舶信息传输与管理，目的在于识别船舶，协助进行目标跟踪，简化信息交换以及提供额外的信息，该方法适用于近海船舶监管和海上船舶避碰。
[0003]传统的GPS船舶动态监测通过接收卫星定位信号获取船舶位置、航向和航速等信息，实现对船舶的日常管理和应急搜救工作，但该方法无法获取相邻船舶船名、船号、吃水深等静态信息，且只适用于监测具备GPS接收装置的船只，无法实现对海上所有船只的综合动态管理。
[0004]合成孔径雷达(SAR)探测是一种主动式微波遥感，工作方式不受云、雨、雾的影响，可实现全天时、全天候监测，尤其适用于海洋遥感监测。SAR影像可用于海上船舶目标监测、船舶类型识别，本发明将集成SAR数据、AIS系统等船舶监测系统，实现船舶动态跟踪及船舶航行模式识别。
【发明内容】
[0005]本技术方案基于高分辨率星载SAR数据，通过信号处理和模式识别方法，得到船舶本身及周围的相关信息，综合3S技术、自动识别系统(AIS)、卫星AIS、船只监测系统(VMS)、远程识别及跟踪(LRIT)、以及其他可用的现场数据，实现对船舶行为全天时、全天候分析，鉴定船舶身份，预测船舶下一步行动，对海上船舶信息进行近实时分析与发布，实现低成本、快速、大范围的海上交通监测。
[0006]合成孔径雷达(SAR)是主动式微波遥感，是一种通过接收传感器本身发射的电磁波束的回波信号来识别目标物的技术，因微波具有极强的穿透能力，其工作不受云、雨、雾的影响，可实现全天时、全天候对地观测，是一种非常有效的海上船舶监测技术，对海洋遥感有特殊意义。本发明涉及两方面的内容，其一是构建船舶类型动态数据库，其二是船舶行为模式的分析及预测。
[0007]1.船舶类型动态数据库构建
本发明基于高时间和空间分辨率的SAR影像数据，依据图像成像特征，借助船舶自动识别系统，提取海上船舶位置、类型等信息，并实时对目标船只类型进行更新和管理，从而构建船舶类型动态数据库，实现远海船舶近实时动态监控管理。
[0008]a)船只提取
海上船只船长由10米到上百米不等，因此对海上目标船舶的大小、类型、航向监测与分析采用高分辨率星载SAR影像数据实现。基于高分辨率星载SAR数据的船舶类型识别首先对雷达影像前期数据处理，包括影像几何纠正，对纠正后影像进行灰度值分割，其次根据SAR影像灰度信息实现海上船只目标的提取。
[0009]b)船舶类型识别
海上航行船只类型多样，包括客船、货船、油轮、集装箱船、渔船，个别区域有不明船只分布(海盗船)，通过对海上船舶类型的识别实现可疑船舶信息的实时获取，有助于及时采取有效应对措施从而保障船舶自身安全。船舶类型识别依据地面识别系统资料(卫星AIS船舶自动识别系统、LRIT远程识别跟踪系统、VMS船只监测系统)，SAR影像上船只形状、大小及长度纹理等成像特征及周边环境。
[0010]本发明集成关联卫星AIS船舶自动识别系统、LRIT远程识别跟踪系统、VMS船只监测系统进行船舶类型信息提取。安装AIS设备的船只通过卫星AIS和LRIT系统将船舶信息信号发送到卫星，并由卫星将信号发送至地面接收站，实现远洋航行船舶的动态监控。系统通过集成卫星AIS、LRIT和VMS系统可获取船舶国籍、类型、位置、方向等信息，根据船舶位置信息确定步骤a)中提取的目标船舶的类型，从而提取出合法安全船舶。
[0011]对于未装载AIS和VMS设备的船只，本发明把船舶的结构特征作为SAR影像提取船舶类型的一种方式。由于不同类型船只的上层建筑存在差异，其在SAR影像上的表现形式也存在不同之处。货轮为了多装载货物，往往将机舱设在船只的尾部；军用舰艇常将驾驶机舱设置在船只中间，四周都装有重型武器，而航空母舰为了给飞机空出飞行跑道，常将机舱设在船体的一侧，甲板上除了机舱外没有其他高层建筑。不同船舶结构特征在影像上的表现特征差异在于目标船舶的峰值差异和峰值在目标船舶的相对位置，因此根据船舶目标的峰值结构可作为船舶类型获取的依据。
[0012]SAR影像上船舶类型分类依据:(I)若船体只有I个较高的峰值且处于船只主轴线的尾部，则判断该船只为油轮；(2)若在船只主轴线上有若干个离散的峰值点且这些峰值点中有I个高峰值信号和比该峰值点信号较矮的若干峰值点，则判断该船只为干(散)货船；(3)若船只有若干连续或相邻很近的峰值点，而且这些峰值点位于船只主轴的两侦L则判断该船为集装箱船。
[0013]c )动态数据库建立
系统通过实时获取最新SAR影像数据，对其进行船舶提取及类型识别，建立海上船舶信息时空数据库，实现船舶数据库近实时动态更新和维护，从而为海上航行安全提供动态监控。
[0014]2.船舶行为模式分析预测
海上船只行为模式差异的分析，可作为分辨海上船只安全与否的依据之一。例如海上正常航行船舶的行为模式是直线航行，遵从固定的规则和模式，而非正常航行船舶的行为模式表现为航行轨迹不规则，航向航速不确定等特征，像海盗船、渔船等，如是海盗则为危险船只，需及时采取正确应对措施保障船舶航行安全。
[0015]船舶在一定时间段内的航行路径、航向、航速信息，可通过全天时、全天候的SAR影像数据分析获取。系统通过实时获取高时间、空间分辨率的SAR影像，获取船舶目标位置及类型特征，提取未被确定为合法船只的多时相船舶信息，通过对多时相非合法船舶目标的对比分析，获取船舶在该时间段内的航行轨迹、航向等行为模式信息。并依据船舶行为模式预测未来几个小时内船舶可能发生的航行轨迹及行为方式。最后通过行为模式的差异进一步判断船舶是否为可疑目标物，以及时对所管理船舶发出警报，便于船舶实施避让、防卫、等措施。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为船舶航行动态数据库构建过程，图2为船舶行为模式分析过程。
【权利要求】
1.综合SAR影像、卫星AIS、船只监测系统(VMS)通讯技术的海上船舶类型分析方法，实现海上所有船只的目标监测及船舶类型分析。
2.系统基于遥感和通讯技术，实时接收卫星影像和AIS等系统信号，通过系统的分析处理，获取船舶类型航向、航速等信息，从而构建船舶航行信息动态数据库，实现近实时海上航行监测。
3.依据船舶信息动态数据库，分析船舶在某一时段内航行轨迹，并预测船舶可能发生的行为模式。
【文档编号】G08G3/00GK103714717SQ201210378956
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2012年10月9日
【发明者】万碧玉, 马蓉, 孙冰, 尹宁 申请人:北京东方道迩信息技术股份有限公司