珠三角內(nèi)河航道電子地圖的矢量化設(shè)計(jì)方法

［摘要］文章根據(jù)珠三角內(nèi)河航運(yùn)的特點(diǎn)，提出應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，進(jìn)行內(nèi)河航道矢量化電子地圖設(shè)計(jì)和制作的方法。該方法采用區(qū)域平均濾波和航道曲線插值擬合等算法，按照“點(diǎn)線面”三個圖層采集航道地理信息數(shù)據(jù)，自動形成矢量化的航道地理信息數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，建立珠三角內(nèi)河航道電子地圖開發(fā)系統(tǒng)，并完成了珠三角航道電子地圖的矢量化和地理信息的數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的珠三角內(nèi)河航道電子地圖，精度良好、界面清楚、運(yùn)算效率高、數(shù)據(jù)庫的更新和維護(hù)簡便，能滿足內(nèi)河船舶監(jiān)控和預(yù)警的實(shí)際應(yīng)用要求。

［關(guān)鍵詞］珠三角內(nèi)河航道；電子地圖；矢量化；設(shè)計(jì)；監(jiān)控

［基金項(xiàng)目］廣東省交通廳科技項(xiàng)目“內(nèi)河船舶監(jiān)督預(yù)警通信管理系統(tǒng)” (編號：2005-12)

［作者簡介］賴云靈，廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電子地圖和船舶預(yù)警系統(tǒng)，廣東廣州，510800；王貴恩，廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：控制系統(tǒng)與模式識別，廣東廣州，510800；孫永林，廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用，廣東廣州，510800

［中圖分類號］ TP391 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2009）04-0024-0003

一、引言

珠江三角洲毗鄰港澳，地緣優(yōu)勢得天獨(dú)厚，其內(nèi)河航運(yùn)在華南地區(qū)綜合運(yùn)輸體系中扮演著非常重要的角色，是廣州、深圳等沿海港口的主要集疏運(yùn)方式，主要為沿海港口服務(wù)，其中廣州港約1/3的集疏運(yùn)任務(wù)由內(nèi)河承擔(dān)。根據(jù)廣東省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃，“十一五”期間，廣東省將建設(shè)和完善以“三縱三橫三線”為骨干航道的珠江三角洲現(xiàn)代化航道網(wǎng)。計(jì)劃至2010年，1000噸以上內(nèi)河航道里程達(dá)到1080公里，約占全省內(nèi)河航道里程的9％。珠三角內(nèi)河航道的重要性和發(fā)展前景不言而喻。內(nèi)河電子地圖是航運(yùn)管理部門對內(nèi)河航道進(jìn)行日常管理、水上安全監(jiān)管等工作的重要基礎(chǔ)資料。

在內(nèi)河船舶監(jiān)督預(yù)警通信管理系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)和制作內(nèi)河航道矢量電子地圖是管理軟件子系統(tǒng)的一個重要組成部分。目前電子地圖的設(shè)計(jì)在陸地交通的應(yīng)用較廣泛，但由于內(nèi)河航道地理復(fù)雜，范圍廣泛[1][2]，而現(xiàn)有的內(nèi)河航道特別是珠江三角洲地區(qū)，電子地圖未完全實(shí)現(xiàn)矢量化，且成本高昂，不能滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用要求，因而自主開發(fā)了珠三角內(nèi)河航道電子地圖矢量化設(shè)計(jì)方法，通過圖像處理的算法，按“點(diǎn)線面”三個層面采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在小區(qū)域的航道圖能夠自主采集河道地理數(shù)據(jù)，并形成矢量化的航道電子地圖。

圖像處理是從三維環(huán)境的圖像抽取、描述和解釋信息的過程，可以劃分為感覺、預(yù)處理、分割、描述、識別和解釋6個主要部分[3][4]，而電子地圖的設(shè)計(jì)分為數(shù)字化預(yù)處理和矢量化兩個作業(yè)流程[5]。按照上述流程，通過不同的算法和數(shù)據(jù)庫，開發(fā)完成了珠三角航道電子地圖，該方法也可應(yīng)用于其他內(nèi)河航道電子地圖的設(shè)計(jì)。

二、航道地圖的預(yù)處理

獲取理想的高質(zhì)量圖像是進(jìn)行圖像處理與分析的重要一步，采用非矢量化的內(nèi)河航道平面圖（可由高精度紙質(zhì)航道圖掃描獲得），通常包含各種各樣的隨機(jī)噪聲和畸變，可采用圖像預(yù)處理技術(shù)，增強(qiáng)高層次視覺的分析和識別能力。對原始圖像中的噪聲和畸變進(jìn)行消除或修正，突出有用信息，抑制無用信息，使輸出圖像的質(zhì)量得到一定程度的改善，便于計(jì)算機(jī)對圖像分析、識別和理解。

（一）處理窗口和閾值的確定

為提高系統(tǒng)處理速度，可采用縮小處理窗口的方法，以去除冗余信息，減小后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量。縮小窗口就是要找出一個完整包含航道圖像又盡可能小的矩形。此矩形由左上角LeftTop（ilt，jlt）和右下角RightBottom（irb，jrb）確定。本系統(tǒng)中采集的每幅地圖的經(jīng)緯度區(qū)間為30′×20′，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)屏幕，按照每分18個像素點(diǎn)計(jì)算，則每幅圖像像素點(diǎn)為540×360，數(shù)據(jù)量約為512KB。

在窗口的確定過程中，首先必須區(qū)分本區(qū)域航道點(diǎn)和背景點(diǎn)，利用像素灰度級對像素進(jìn)行分類，這是基于假設(shè)圖像中每個區(qū)域是由許多灰度級近似的像素組成。航道和背景灰度級有明顯的差別時，在圖像的灰度直方圖中會有明顯的峰值，只要適當(dāng)選取閾值，即可對圖像進(jìn)行分割?；叶戎狈綀D是用以表示圖像灰度分布統(tǒng)計(jì)特性的圖表，它包含圖像豐富的信息。

（二）自調(diào)整閾值法

由于掃描航道圖時光照條件的影響，航道平面圖中存在灰度值差異，所以應(yīng)根據(jù)灰度值差異自動調(diào)整閾值T，其選擇方法是求出背景最大灰度值Fbmax，再加上估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差δ，即T=Fbmax+δ。設(shè)背景圖像的灰度直方圖中，每個灰度級出現(xiàn)的頻數(shù)為P（i），則在P（i）不為0的灰度級中最大的一個為Fbmax。

（1）

其中X∈[0，1，2，…255]，EX為樣本X的數(shù)學(xué)期望，EX2為X2的數(shù)學(xué)期望，DX為方差。

（三）圖像濾波

實(shí)際獲得平面航道圖都會受到干擾而含有噪聲。引起噪聲的原因很多，例如數(shù)字化過程中的量化噪聲。圖像在生成和傳輸過程中，也會受到各種噪聲的干擾和影響使圖像的質(zhì)量變差[6]。反映在圖像上，噪聲使原本均勻和連續(xù)變化的灰度突然增大或減小，形成一些虛假的邊緣輪廓，或者表現(xiàn)為一些孤立的像素點(diǎn)，其灰度值與其鄰域像素的灰度值有顯著不同。為降低噪聲對地圖精度的影響，采用領(lǐng)域平均法對圖像進(jìn)行濾波處理。

領(lǐng)域平均法是一種局部空域處理算法，設(shè)一幅圖像F（x，y）為M×N的陣列，濾波后的圖像為G（x，y），它的每個像素的灰度值由其領(lǐng)域像素灰度值的平均值決定，即

式中x=0，1，…，M-1，y=0，1，…，N-1，S是以x、y為中心的領(lǐng)域的點(diǎn)的集合，m是S內(nèi)的總點(diǎn)數(shù)。這種濾波算法簡單、計(jì)算機(jī)速度快；但它的主要缺點(diǎn)是在降低噪聲的同時，使圖像的邊緣模糊。為了減小這種效應(yīng)，可采用閾值法，根據(jù)下列準(zhǔn)則形成濾波的圖像：

式中T′是一個規(guī)定的非負(fù)閾值，當(dāng)一點(diǎn)和它們的領(lǐng)域平均值不超過某個閾值T′時，仍保留這點(diǎn)的灰度值，這樣使濾波后的圖像比領(lǐng)域平均法模糊度減小。當(dāng)某些點(diǎn)的灰度值與各領(lǐng)域的灰度值差別較大時，必是噪聲，則以領(lǐng)域平均值代替，可較好地改善濾波效果。

三、航道地圖的矢量化

根據(jù)圖像的直方圖，取代表航道線形等對象所處的灰度區(qū)域，在圖像灰度變換的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二值化和多值化處理，選擇值為1的像素點(diǎn)，采用二次插值、三次插值等近似算法進(jìn)行擬合[7]，采樣并提取該點(diǎn)的經(jīng)緯度等位置信息，實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣追蹤。航道圖的矢量化過程如圖1所示，形成航道地理數(shù)據(jù)庫如圖2所示。

航道圖像近似于由橢圓和直線構(gòu)成的環(huán)路，其中對于橢圓曲線的擬合，采用在插值約束條件下相鄰兩段曲線曲率半徑r之差的平方和最小的方法[8]，即

上式的最小值求解采用共軛梯度法，先沿函數(shù)值下降最快的規(guī)定方向，然后沿與該方向共軛的方向進(jìn)行搜索，能夠迅速達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)。

按照上述設(shè)計(jì)原則，應(yīng)用C++ Builder開發(fā)了內(nèi)河航道矢量化電子地圖的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，通過模擬航跡，并加以關(guān)鍵點(diǎn)的注釋，較好地實(shí)現(xiàn)了內(nèi)河航道電子地圖的設(shè)計(jì)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)所開發(fā)的珠江三角洲內(nèi)河航道電子地圖的精度，應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的內(nèi)河船舶監(jiān)控系統(tǒng)和船載遠(yuǎn)程終端，進(jìn)行實(shí)際測試。2008年8月，實(shí)驗(yàn)時以“新鶴山”號高速客輪，搭載遠(yuǎn)程終端沿珠江三角洲鶴山至香港段內(nèi)河航道航行，通過GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送GPS位置信息，并通過監(jiān)控中心實(shí)時監(jiān)視內(nèi)河船舶的運(yùn)行軌跡，以測試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能和航道電子地圖的精度。監(jiān)控實(shí)驗(yàn)自動發(fā)送位置信息的間隔時間為1min，監(jiān)控界面為自主開發(fā)的珠江三角洲內(nèi)河航道電子地圖。

由監(jiān)控界面可以看出，內(nèi)河航道電子地圖（鶴山-香港段）能夠較好地實(shí)時跟蹤實(shí)際航跡，航道電子地圖界面友好、特征突出、運(yùn)算效率高、數(shù)據(jù)庫的更新和維護(hù)簡便，滿足本項(xiàng)目系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用要求。

五、結(jié)語

應(yīng)用數(shù)字圖像處理的方法，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)河航道電子地圖的預(yù)處理和矢量化，并成功地應(yīng)用于“內(nèi)河船舶監(jiān)督預(yù)警通信管理系統(tǒng)”項(xiàng)目。試驗(yàn)結(jié)果表明，所繪制的珠江三角洲內(nèi)河航道矢量化電子地圖，精度和實(shí)時性滿足應(yīng)用要求，該方法可實(shí)際應(yīng)用于內(nèi)河航道電子地圖的設(shè)計(jì)和制作。目前本系統(tǒng)的地理信息包括航道的經(jīng)緯度、障礙物、水文等，航道水深僅按平面圖標(biāo)注劃分為4個等級，還有其他信息如橋梁、沉船等障航物的信息采樣和注釋還有待深入研究。

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