一种船基雷达水边界自动测量方法技术

本发明专利技术涉及一种船基雷达水边界自动测量方法，包括以下步骤：将雷达与卫星罗经固定安装在船上，将卫星罗经实时获取的定位、定向数据标记到对应的雷达影像中；雷达影像数据预处理，首先得到船的航迹，搜索面积最大的图斑作为优势图斑，雷达影像按等圆心角划分为若干个扇形的辐条影像，计算出每个辐条影像的扫描中心位置和真实方位角；将每一像素的真实坐标转换到起始扫描时刻雷达中心位置为原点的坐标系中，生成一幅扫描中心位置和方位角统一的新雷达影像；将新雷达影像进行二值化处理，搜索得到若干条方向一致的闭合边界。本发明专利技术实现了水边界数据的自动化采集与矢量化水边界的高精度、智能化提取，能够显著提高水边界测量的精度、效率和实效性。

【技术实现步骤摘要】
一种船基雷达水边界自动测量方法
本专利技术涉及一种船基雷达水边界自动测量方法，属于水文测量与大地测量

技术介绍
江、河、湖、海水体边界作为重要的水文和地形特征，其测绘成果是水利、交通等涉水工程建设及运行的基础依据，为防洪减灾、水资源管理提供技术支撑。目前，水边界测量仍普遍采用GNSS(全球定位系统)或全站仪等接触式测量方法，工作效率低，劳动强度大。尤其在水边界存在崩岸、浅水淤泥滩、芦苇、陡坡地形等复杂情形，存在测点难以到达、通视条件差、视线严重遮挡、信号屏蔽及安全风险等问题，导致水边界无法施测。国内外关于水边界提取方面的研究，主要集中于海岸线的提取，主要方法有基于航空/航天遥感影像的水边界提取方法、基于DTM/DEM的水边界提取方法。基于遥感影像的水边界提取精度受制于遥感影像的空间分辨率，往往精度较低，且验证困难，无法满足大比例尺地形测量的精度要求，更致命的弱点是时效性差；基于DEM的水边界提取精度受制于DEM分辨率和精度，由于缺乏水下及岸滩高精度DEM，再考虑到河岸地形和水边界频繁变化，往往导致该方法失效。综上所述，现有水边界测量方法的精度、效率、时效性、成本方面都难以满足实际生产要求，探索新的水边界提取方法与手段，是该领域亟待进一步研究解决的重要问题。
技术实现思路
本专利技术要解决技术问题是：提供一种可以提高水边界测量的精度、效率的船基雷达水边界自动测量方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种船基雷达水边界自动测量方法，包括以下步骤：步骤一、设备安装将雷达与卫星罗经分别固定安装在船体上，并标定雷达与卫星罗经的相对位姿以及雷达与罗经的钟差，得到雷达与卫星罗经的相对位置和相对方位参数；步骤二、数据获取根据雷达的扫描数据实时生成雷达影像，同时将卫星罗经实时获取的定位、定向数据标记到对应的雷达影像中；步骤三、雷达影像数据预处理，包括以下步骤：1)基于卫星罗经的定位数据和定向数据，将定位数据转换到统一的直角坐标系；然后根据转换后的定位数据按照时序连线，得到船的航迹；2)对雷达影像进行图斑分析，搜索面积最大的图斑作为优势图斑；统计优势图斑中各像素到雷达中心的最近距离，并统计优势图斑面积与雷达影像的面积比，剔除优势图斑面积与雷达影像的面积比小于预设比值的雷达影像，同时剔除优势图斑中各像素到雷达中心的最近距离小于预设距离的雷达影像；3)将雷达影像按等圆心角划分为若干个扇形的辐条影像，根据雷达影像扫描的起止时间，经线性插值得出每个辐条影像的扫描时间，再根据第1)步得到的航迹，计算出每个辐条影像的扫描中心位置和真实方位角；4)根据每一辐条影像的扫描中心位置和真实方位角，逐像素计算对应的真实坐标，并将每一像素的真实坐标转换到起始扫描时刻雷达中心位置为原点的坐标系中，生成一幅扫描中心位置和方位角统一的新雷达影像；步骤四、水边界提取，包括以下步骤：a)将每一幅新雷达影像进行二值化处理得到二值化图像，按统一起始方位和顺序遍历二值化图像中当前像素的8邻域像素，将找到的下一个边界点作为新的起始搜索位置，采用递归算法同步进行边界点检测，最终得到若干条方向一致的闭合边界，并剔除长度小于设定阈值的闭合边界；b)根据每一幅新雷达影像的起始扫描时刻的雷达扫描中心位置和方位角，计算每一幅新雷达影像按照第a)步中得到的闭合边界的像素点对应的地面坐标，得到矢量化的水边界。本专利技术带来的有益效果是：1)本专利技术结合电磁波特性与雷达探测原理，将民用消费级、低功率、低辐射雷达引入水道水边界测绘领域，解决了长期以来困扰着测绘与水文工作者的水边界测绘难题，为水边界测量提供一种切实可行的新方法与新技术手段，全面提高水边界测量的精度、效率、时效性。2)本专利技术高效率、高自动化、易操作，对作业人员的专业技能要求低，可实现无专人值守自动化测量。3)本专利技术精度可靠：综合考虑了各种误差来源，实现了水边界的精细化测量，水边界定位精度可达1m以内。4)本专利技术减少了人力资源投入，而且采用非接触式测量方式，适合各种有人船和无人船，显著降低了劳动强度，解除了陡坡、崩岸等地形条件下作业人员的安全风险。5)本专利技术实现了常规水下地形测量与水边界测量的同步一体化，基本不占用额外的作业时间，有效缩短了河道测量的周期。6)本专利技术硬件成本投入低：GNSS卫星罗经本就是水下地形测量必备的设备，采用的民用雷达也是普通船舶出厂配备的航行安全保障设备，成本低。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是雷达与GNSS卫星罗经位姿标定参数的示意图。图2是剔除闭合边界中的冗余点的示意图。图3是截取闭合边界的示意图。图4是实施例一的结果示意图。图5是实施例二的结果示意图。图6是实施例三的结果示意图。具体实施方式实施例本实施例的船基雷达水边界自动测量方法，包括以下步骤：步骤一、设备安装采用特制支架或其它固定设备，将雷达与GNSS卫星罗经分别安装在船体(含各类型有人船和无人船)顶部，保持相对位置和相对姿态固定，同时，安装位置要避免信号严重遮挡或屏蔽，避免多路径效益。雷达与GNSS卫星罗经通过各自的电缆线接入船舱内电源；将雷达与GNSS卫星罗经的网络数据线接入集线器，再采用网络线将集线器HUB与PC机的网卡连接，如图1所示，其中Y轴为船轴线，左边黑点为雷达位置，右边黑点为GNSS卫星罗经位置，右边箭头为GNSS卫星罗经方向。将雷达与卫星罗经分别固定安装在船体上后，标定雷达与卫星罗经的相对位姿以及雷达与罗经的钟差，标定的目的是获得两种设备的相对位置和相对方位参数，从而根据GNSS卫星罗经实测位置和方位，推算雷达的中心位置和起始扫描方位角。需要标定参数如图2所示，包括GNSS卫星罗经的定位天线中心与雷达中心的相对坐标△X、△Y，卫星罗经基线与雷达扫起始方位角的夹角。为便于量测，可建立一条参考船轴线，选定船体中轴线上某点为原点，Y坐标为船轴方向，航向为正，X轴与Y轴垂直，从而建立一个参考坐标系。在这个坐标系下，通过钢尺精密丈量或免棱镜全站仪测量，得到天线中心与雷达中心的相对坐标△X、△Y，再测定GNSS卫星罗经基线与船轴线的水平夹角。再通过测量水边直线目标，根据目标真实方位、实测方位、GNSS卫星罗经方位，解算雷达扫描起始方位与GNSS卫星罗经基线的相对方位角。步骤二、数据获取根据雷达的扫描数据实时生成雷达影像，同时将卫星罗经实时获取的定位、定向数据标记到对应的雷达影像中。检查GNSS卫星罗经和雷达设备通电后，先开启GNSS卫星罗经，设置数据采集频率和输出数据项目(包含地面坐标、高程、时间、定位状态等)；将PC机的IP地址设置为与GNSS的IP地址位于同一区段，通过集线器、网线将GNSS卫星罗经与PC机网卡连接，采用TCP/IP与NMEA(NationalMarineElectronicsAssociation)通讯协议，实时从GNSS卫星罗经中自动获取数据，并记录GNSS时间与PC机本地时间的时差。等待GNSS卫星罗经定位状态进入浮点解状态，开始雷达数据采集。由于民用雷达本身通常不提供操控面板，通过底层开发的应用程序，实现对雷达的自动化控制和扫描数据传输。雷达的自动化控制依次包括建立与雷达的网络连接、雷达开/关机、雷达解锁、获取/设置雷达参数、启动/终止雷达扫描。数据采集时，根据实际工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船基雷达水边界自动测量方法，包括以下步骤：步骤一、设备安装将雷达与卫星罗经分别固定安装在船体上，并标定雷达与卫星罗经的相对位姿以及雷达与罗经的钟差，得到雷达与卫星罗经的相对位置和相对方位参数；步骤二、数据获取根据雷达的扫描数据实时生成雷达影像，同时将卫星罗经实时获取的定位、定向数据标记到对应的雷达影像中；步骤三、雷达影像数据预处理，包括以下步骤：1)基于卫星罗经的定位数据和定向数据，将定位数据转换到统一的直角坐标系；然后根据转换后的定位数据按照时序连线，得到船的航迹；2)对雷达影像进行图斑分析，搜索面积最大的图斑作为优势图斑；统计优势图斑中各像素到雷达中心的最近距离，并统计优势图斑面积与雷达影像的面积比，剔除优势图斑面积与雷达影像的面积比小于预设比值的雷达影像，同时剔除优势图斑中各像素到雷达中心的最近距离小于预设距离的雷达影像；3)将雷达影像按等圆心角划分为若干个扇形的辐条影像，根据雷达影像扫描的起止时间，经线性插值得出每个辐条影像的扫描时间，再根据第1)步得到的航迹，计算出每个辐条影像的扫描中心位置和真实方位角；4)根据每一辐条影像的扫描中心位置和真实方位角，逐像素计算对应的真实坐标，并将每一像素的真实坐标转换到起始扫描时刻雷达中心位置为原点的坐标系中，生成一幅扫描中心位置和方位角统一的新雷达影像；步骤四、水边界提取，包括以下步骤：a)将每一幅新雷达影像进行二值化处理得到二值化图像，按统一起始方位和顺序遍历二值化图像中当前像素的8邻域像素，将找到的下一个边界点作为新的起始搜索位置，采用递归算法同步进行边界点检测，最终得到若干条方向一致的闭合边界，并剔除长度小于设定阈值的闭合边界；b)根据每一幅新雷达影像的起始扫描时刻的雷达扫描中心位置和方位角，计算每一幅新雷达影像按照第a)步中得到的闭合边界的像素点对应的地面坐标，得到矢量化的水边界。...

【技术特征摘要】
2018.04.16 CN 20181033912891.一种船基雷达水边界自动测量方法，包括以下步骤：步骤一、设备安装将雷达与卫星罗经分别固定安装在船体上，并标定雷达与卫星罗经的相对位姿以及雷达与罗经的钟差，得到雷达与卫星罗经的相对位置和相对方位参数；步骤二、数据获取根据雷达的扫描数据实时生成雷达影像，同时将卫星罗经实时获取的定位、定向数据标记到对应的雷达影像中；步骤三、雷达影像数据预处理，包括以下步骤：1)基于卫星罗经的定位数据和定向数据，将定位数据转换到统一的直角坐标系；然后根据转换后的定位数据按照时序连线，得到船的航迹；2)对雷达影像进行图斑分析，搜索面积最大的图斑作为优势图斑；统计优势图斑中各像素到雷达中心的最近距离，并统计优势图斑面积与雷达影像的面积比，剔除优势图斑面积与雷达影像的面积比小于预设比值的雷达影像，同时剔除优势图斑中各像素到雷达中心的最近距离小于预设距离的雷达影像；3)将雷达影像按等圆心角划分为若干个扇形的辐条影像，根据雷达影像扫描的起止时间，经线性插值得出每个辐条影像的扫描时间，再根据第1)步得到的航迹，计算出每个辐条影像的扫描中心位置和真实方位角；4)根据每一辐条影像的扫描中心位置和真实方位角，逐像素计算对应的真实坐标，并将每一像素的真实坐标转换到起始扫描时刻雷达中心位置为原点的坐标系中，生成一幅扫描中心位置和方位角统一的新雷达影像；步骤四、水边界提取，包括以下步骤：a)将每一幅新雷达影像进行二值化处理得到二值化图像，按统一起始方位和顺序遍历二值化图像中当前像素的8邻域像素，将找到的下一个边界点作为新的起始搜索位置，采用递归算法同步进行边界点检测，最终得到若干条方向一致的闭合边界，并剔除长度小于设定阈值的闭合边界；b)根据每一幅新雷达影像的起始扫描时刻的雷达扫描中心位置和方位角，计算每一幅新雷达影像按照第a)步中得到的闭合边界的像素点对应的地面坐标，得到矢量化的水边界。2.根据权利要求1所述的船基雷达水边界自动测量方法，其特征在于：步骤三中，根据邻域像素，采用反距离加权插值法插值出新雷达影像中空白像素的灰度值；具体方法如下：遍历新雷达...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋建平，杨彪，周建红，韦立新，王华，严丽英，曹贯中，
申请(专利权)人：长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32