航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法及實(shí)現(xiàn)

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(1.大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真與控制交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116026;2.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法及實(shí)現(xiàn)

張新宇1,2,陳華1,姚舜1,陳向1

(1.大連海事大學(xué)航海動(dòng)態(tài)仿真與控制交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116026;2.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116026)

為生成任意范圍內(nèi)的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)以滿足航海模擬器對(duì)雷達(dá)圖像連續(xù)性的要求，提出一種航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法。從多種比例尺的S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖中提取出海圖數(shù)據(jù)作為雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)，提出一種基于前向距離的離群點(diǎn)索引算法裁剪該數(shù)據(jù)的邊界線，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分段并構(gòu)建緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)合并去重，根據(jù)待拼接原始海圖比例尺和數(shù)據(jù)密度的大小提出基于中值連接法和誤差分配理論的衰減連接法進(jìn)行圖像縫隙的自動(dòng)連接。用VC++編程實(shí)現(xiàn)航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成軟件的開發(fā)，其功能包括文件選擇、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)篩選、邊界線裁剪和雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)合并。以江蘇洋口港的93張海圖為例，生成的大范圍雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)連續(xù)，能達(dá)到邏輯無(wú)縫、物理無(wú)縫的圖像拼接效果，能滿足航海模擬器的實(shí)際需求。

船舶工程;雷達(dá)仿真數(shù)據(jù);離群點(diǎn)索引;誤差分配;航海模擬器;電子海圖

Abstract: In order to simulate marine radar image to meet the practical need of maritime simulator, the algorithm for generating the simulating signal according to the electronic chart data extracted from multi-scale S-57 standard electronic chart data is put forward. The algorithm is designed in the following way：The boundary lines of the charts are cut off first with the outliers index algorithm based on forward distance; the chart data are segmented into groups and merged and deduplicated in a buffer; and the average connection method and the attenuation connection method based on error distribution theory are used to fill the gap between two images automatically according to the size of scale and data density of charts. A marine radar simulation data generation software is developed in VC ++ programming. The functions of the software include the selection of documents, data extraction, charts filtering, boundary line clipping and radar simulation data merging. The software is tested with 93 charts covering the waters of Yangkou Port, Jiangshu province, China. The radar image produced by the software looks continuous and smooth, and satisfies the requirement of practical use.

Keywords: ship engineering; radar image simulation; outliers index; error distribution; maritime simulator; electronic chart

近年來(lái)，航海模擬器中生成雷達(dá)圖像所采用的方法一般是通過提取S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖中的陸地岸線和燈標(biāo)數(shù)據(jù)，以本船模擬船位為中心，采用圓周掃描的方式求出每個(gè)瞬時(shí)掃描線與目標(biāo)線段的交點(diǎn)，由交點(diǎn)沿掃描線向目標(biāo)內(nèi)側(cè)延伸，延伸線段采用以Bresenham算法為基礎(chǔ)的回波生成方法，實(shí)時(shí)生成雷達(dá)圖像。[1]利用該方法生成的雷達(dá)圖像存在一定的局限性，只能讀取單張S-57標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖數(shù)據(jù)，當(dāng)模擬船舶航行的范圍超出單張海圖的范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至消失等情況，模擬的真實(shí)感下降。為解決該問題，YAO等[1]提出基于前向角的邊界線裁剪算法、直接接邊法及單側(cè)衰減接邊法，這些方法基本上能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像的無(wú)縫拼接，但在裁剪邊界線和合并數(shù)據(jù)時(shí)容易誤刪雷達(dá)數(shù)據(jù)，影響圖像的生成精度。

此外，在制圖學(xué)和地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域有不少關(guān)于數(shù)據(jù)處理和圖像縫隙拼接的研究。隋春光等[2]給出實(shí)現(xiàn)數(shù)字海圖無(wú)縫拼接的具體步驟；韓光瞬等[3]通過分析圖幅與要素之間的關(guān)系，將圖幅編號(hào)與要素的相關(guān)屬性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)跨圖幅要素的自動(dòng)搜索和拼接；劉允等[4]提出一套適用于大比例尺地形圖數(shù)據(jù)接邊的程序設(shè)計(jì)方法，采取人機(jī)交互的方式完成大比例尺地形圖數(shù)據(jù)接邊工作;黃會(huì)平等[5]運(yùn)用等高線的幾何關(guān)系和屬性特征篩選對(duì)接邊等高線，提出分幅等高線智能化接邊的約束條件和算法，實(shí)現(xiàn)等高線的無(wú)縫拼接；張贏等[6]提出基于矢量ID映射的“虛拼接”算法，解決數(shù)字地圖圖幅自動(dòng)接邊算法在處理大區(qū)域大數(shù)據(jù)量圖幅接邊時(shí)效率低的問題。以上方法在數(shù)據(jù)無(wú)縫拼接方面取得了一定的研究成果，但都僅限于比例尺相同的圖幅拼接。

對(duì)此，提出一種航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法生成任意范圍的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)，對(duì)該算法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)并將其應(yīng)用到航海模擬器中，使生成的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)滿足航海模擬器對(duì)圖像連續(xù)性的要求。

1 航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法

航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法包括以下5個(gè)步驟：

(1)數(shù)據(jù)提取，從多種比例尺的S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖中提取出海圖數(shù)據(jù)作為雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)；

(2)數(shù)據(jù)篩選，根據(jù)需要對(duì)提取出的雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，在保證雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)精度的前提下盡量減少數(shù)據(jù)量；

(3)數(shù)據(jù)邊界線裁剪，提出基于前向距離的離群點(diǎn)索引算法裁剪雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)邊界線；

(4)數(shù)據(jù)自動(dòng)合并，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分段并構(gòu)建緩沖區(qū)，刪去落在緩沖區(qū)內(nèi)的精度較小的冗余數(shù)據(jù)。

(5)圖像縫隙的自動(dòng)連接，提出基于中值連接法和誤差分配理論的衰減連接法自動(dòng)連接圖像縫隙。

1.1 數(shù)據(jù)提取

從多種比例尺的S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖中提取出需要的岸線數(shù)據(jù)作為雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)，將從每幅海圖中提取出的原始數(shù)據(jù)保存到一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，并以相應(yīng)的海圖名字命名。

1.2 數(shù)據(jù)篩選

按照國(guó)際航道組織(International Hydrographic Organization，IHO)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，S-57標(biāo)準(zhǔn)海圖根據(jù)航海用途的不同分為總圖、大洋航行圖、沿海航行圖、近岸航行圖、港內(nèi)航行圖和靠離泊用圖等6類。[7]一般在航海實(shí)踐中利用雷達(dá)瞭望時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋捍笱蠛叫锌捎?2～24 n mile量程；沿岸航行可用6～12 n mile量程；狹水道航行應(yīng)遠(yuǎn)近量程兼用，以2～6 n mile為主。[8]因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選時(shí)采取以港口為圓心、相應(yīng)量程為半徑的圓周范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)文件，將超出該范圍的數(shù)據(jù)文件刪除。

1.3 數(shù)據(jù)邊界線的裁剪

圖1為雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)C1412650，通過觀察可發(fā)現(xiàn)，組成邊界線的坐標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于岸線的坐標(biāo)點(diǎn)較為分散，因此提出基于前向距離的離群點(diǎn)索引算法對(duì)邊界線進(jìn)行裁剪。該算法包括以下3個(gè)步驟：

圖1 雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)C1412650

(1)搜索每個(gè)對(duì)象點(diǎn)在前向半徑R范圍內(nèi)的近鄰；

(2)設(shè)M是一個(gè)離群點(diǎn)的R鄰域內(nèi)的最大對(duì)象數(shù)目，若對(duì)象點(diǎn)的M+1個(gè)近鄰被發(fā)現(xiàn)，則對(duì)象點(diǎn)就不是離群點(diǎn)；

(3)若M為離群點(diǎn)則刪除，否則保留。

圖2 雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)C1412650平均距離散點(diǎn)圖

圖3 裁剪后的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)C1412650

1.4 數(shù)據(jù)合并

在制作S-57標(biāo)準(zhǔn)海圖過程中，一個(gè)完整的地物難免被分離到2個(gè)甚至更多數(shù)據(jù)文件中，使得同一地物被分割成若干部分。[9]由于海圖的分幅作用，連續(xù)的海岸線會(huì)被分割到不同的圖幅中，且海圖的疊幅部分必然存在冗余數(shù)據(jù)(見圖4)。

圖4 連續(xù)的海岸線被分割在不同的圖幅中

對(duì)于同一地圖目標(biāo)而言，其在大尺度地圖上的精細(xì)度和復(fù)雜度是小于在小尺度地圖上的精細(xì)度及復(fù)雜度的。[10]因此，可認(rèn)為大比例尺海圖數(shù)據(jù)的精度比小比例尺海圖數(shù)據(jù)的精度高，當(dāng)比例尺相同的2幅海圖存在疊幅部分時(shí)，密度大的海圖數(shù)據(jù)的精度顯然比密度小的海圖數(shù)據(jù)的精度高。

合并算法流程見圖5。合并2個(gè)雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)文件時(shí)，首先判斷2個(gè)數(shù)據(jù)文件的比例尺是否相同，若相同，則判斷其數(shù)據(jù)的密度大小，以密度大的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)；若比例尺不相同，則以大比例尺數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)分成若干段，每段構(gòu)建一個(gè)緩沖區(qū)；若精度較小的數(shù)據(jù)落在這些緩沖區(qū)中的任意一個(gè)之中，則將其刪除，否則保留；將合并成的數(shù)據(jù)作為新的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)文件繼續(xù)與下一個(gè)數(shù)據(jù)文件合并，以此類推，直到全部數(shù)據(jù)文件合并完為止。

圖5 合并算法流程

1.5 圖像縫隙自動(dòng)連接

由于海圖的分幅作用，來(lái)自于不同海圖的數(shù)據(jù)之間必然產(chǎn)生縫隙，圖像縫隙的存在使得原本連續(xù)的海岸線被打斷，在航海模擬器中使用時(shí)給圖像造成一個(gè)空白區(qū)域。為填補(bǔ)該空白區(qū)域并使圖像保持原有的趨勢(shì)，提出基于中值連接法和誤差分配理論的衰減連接法自動(dòng)連接圖像縫隙。

1.5.1中值連接法

對(duì)于比例尺相同的2幅圖的縫隙，采用中值連接法進(jìn)行接邊，即取2個(gè)接邊端點(diǎn)的平均值作為接邊中點(diǎn)。設(shè)連接前的兩點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1)和(x2,y2)，則接邊中點(diǎn)坐標(biāo)滿足

(1)

1.5.2基于誤差分配理論的衰減連接法

對(duì)于比例尺不同的2幅圖，提出基于誤差分配理論的衰減連接法，即以基準(zhǔn)比例尺數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)于小比例尺海圖，將誤差合理地分配給待接邊點(diǎn)及其鄰近點(diǎn),使接邊處線段過渡光滑。根據(jù)測(cè)量學(xué)中的誤差分配理論,將每個(gè)點(diǎn)視作一個(gè)測(cè)站,采用線上距離作為權(quán)來(lái)分配誤差。[11]由于有多幅海圖參與接邊,且海岸線一般都不是水平或豎直的,因此不是單純糾正單一方向的誤差,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該算法同時(shí)糾正X軸和Y軸的坐標(biāo)誤差。

(2)

式(2)中：n值為待接邊線段所有點(diǎn)的個(gè)數(shù)。隨著n值的增大，Pn/(P1+P2+…+Pn)的值逐漸減小，達(dá)到衰減的目的。

2 算法實(shí)現(xiàn)及實(shí)例驗(yàn)證

2.1 算法實(shí)現(xiàn)

軟件采用VC++編程[12]，利用其函數(shù)庫(kù)功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。軟件界面見圖6，“選擇文件”用于選擇需要的原始海圖，點(diǎn)擊“提取數(shù)據(jù)”按鈕從選擇的各個(gè)文件中提取需要的雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)，然后根據(jù)IHO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提取的各個(gè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行篩選；在點(diǎn)擊“篩選數(shù)據(jù)”按鈕時(shí)，根據(jù)其航海用途和與參考點(diǎn)的距離對(duì)模擬航行時(shí)涉及到的比例尺海圖進(jìn)行篩選。由于邊界線的裁剪算法是基于前向距離的，因此在裁剪邊界線之前須先計(jì)算出任一點(diǎn)及其鄰近點(diǎn)的距離以尋找出較為分散的離散點(diǎn)，鄰近點(diǎn)的個(gè)數(shù)由用戶根據(jù)不同圖的情況自行設(shè)定。

圖6 軟件界面

由于裁剪邊界線后的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)用于觀察的格式與用于合并的格式不同，因此需分別輸出。點(diǎn)擊“裁剪邊界線用于觀察”按鈕，將根據(jù)裁剪算法裁剪雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)邊界線，輸出的數(shù)據(jù)用于觀察裁剪算法的有效性；而點(diǎn)擊“裁剪邊界線用于合并”按鈕，生成的數(shù)據(jù)將用于合并。

在對(duì)要合并的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行邊界線的裁剪后，點(diǎn)擊“合并雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)”按鈕，實(shí)現(xiàn)的功能包括將所選數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)合并去重、將圖像縫隙自動(dòng)連接、生成滿足航海模擬器需要的邏輯無(wú)縫和物理無(wú)縫的連續(xù)圖像。

2.2 實(shí)例驗(yàn)證

以江蘇洋口港的93張不同比例尺的海圖為例，首先選中這些海圖并進(jìn)行數(shù)據(jù)提取(見圖7)，分別以相應(yīng)的海圖名字對(duì)提取的雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)進(jìn)行命名存儲(chǔ)，然后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)篩選”按鈕，彈出“請(qǐng)輸入?yún)⒖键c(diǎn)”對(duì)話框(見圖8)，輸入港口中心坐標(biāo)(-17 038.092,317.481 84)作為參考點(diǎn)，篩選出滿足精度要求的11個(gè)數(shù)據(jù)文件(見圖9)。分別對(duì)11個(gè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行邊界線的裁剪，在裁剪之前先通過觀察雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)找出鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)，例如觀察圖1，取鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)M=5。通過計(jì)算點(diǎn)之間的距離繪成散點(diǎn)圖(如圖2所示),進(jìn)而得出裁剪半徑，裁剪半徑R取3 000。根據(jù)得出的鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)5和裁剪半徑3 000對(duì)雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)C1412650進(jìn)行邊界線的裁剪，裁剪效果如圖3所示。對(duì)剩下的10個(gè)雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)文件重復(fù)以上裁剪操作，最后點(diǎn)擊“合并雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)”按鈕，對(duì)11個(gè)裁剪后的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)合并去重并進(jìn)行縫隙的自動(dòng)連接(見圖10)，不需要的邊界線全部被裁剪掉，疊幅部分的冗余數(shù)據(jù)也被刪除，生成的大范圍雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)滿足航海模擬器對(duì)雷達(dá)仿真圖像連續(xù)性的要求。

圖7 江蘇洋口港的93個(gè)雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)文件

圖8 輸入?yún)⒖键c(diǎn)坐標(biāo)對(duì)話框

圖9 篩選后的11個(gè)江蘇洋口港雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)文件

圖10 合并后的江蘇洋口港雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

提出航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成算法，實(shí)現(xiàn)多種比例尺的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)的無(wú)縫拼接，適用于處理大數(shù)據(jù)量、多圖幅和多種比例尺的海圖數(shù)據(jù)。以VS2013為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出航海雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)生成軟件，適于處理所有從S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖中提取出的原始數(shù)據(jù),生成的雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)滿足航海模擬器對(duì)雷達(dá)圖像連續(xù)性的需求；同時(shí)，在等高線拼接、地理信息系統(tǒng)和制圖學(xué)等領(lǐng)域也有一定的借鑒作用。但是，該算法也存在一定的不足，當(dāng)雷達(dá)仿真原始數(shù)據(jù)中個(gè)別海岸線的數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)于邊界線上的點(diǎn)較為分散時(shí)，該裁剪算法會(huì)誤刪此岸線數(shù)據(jù)點(diǎn)。下一步可考慮采取前向距離與前向角度相結(jié)合的方法裁剪邊界線，也可考慮在地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)平臺(tái)下生成雷達(dá)圖像。

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Generation Algorithm for Simulating Marine Radar Image and Software Implementation

ZHANGXinyu1,2,CHENHua1,YAOShun1,CHENXiang1

(1. Laboratory of Marine Simulation and Control, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116026, China)

1000-4653(2016)04-0006-05

U666.158

A

2016-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309043)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329225020)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M551095);遼寧省自然科學(xué)基金(2014025005)；遼寧省高校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃(LJQ2014052)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132014202)

張新宇(1978—),男,吉林長(zhǎng)春人, 副教授，博士生導(dǎo)師，博士后, 從事交通信息工程及控制、航海虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)研究。 E-mail: zhangxy@dlmu.edu.cn