吳清松，王　琪，應(yīng)劍云，謝　鳴

(1.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江 杭州 310007)

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基于Matlab的DGPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化與走航觀測(cè)

吳清松1，王琪2，應(yīng)劍云1，謝鳴1

(1.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江 杭州 310007)

摘要:本文利用Matlab設(shè)備控制工具箱，實(shí)現(xiàn)DGPS數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與實(shí)時(shí)可視化，并用于ADCP斷面走航觀測(cè)。根據(jù)在舟山海域連續(xù)28 h的現(xiàn)場(chǎng)ADCP斷面走航觀測(cè)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，每秒鐘更新1次航跡、當(dāng)前船速與航向等信息，可滿足實(shí)時(shí)可視化的要求。本系統(tǒng)的工作只需要準(zhǔn)備1張導(dǎo)航底圖，且操作簡(jiǎn)單、信號(hào)穩(wěn)定，連續(xù)工作28 h均沒有出現(xiàn)DGPS信號(hào)中斷的情況。

關(guān)鍵詞:Matlab; DGPS數(shù)據(jù); 可視化; ADCP走航觀測(cè)

0引言

目前，美國(guó)Coastal海洋圖像公司開發(fā)的Hypack軟件[1]和美國(guó)Trimble公司開發(fā)的HYDROpro軟件是國(guó)內(nèi)外較為常用的水文測(cè)量軟件，這些軟件同時(shí)具備一定的繪圖功能。此外，廣州中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司開發(fā)的Haida海洋測(cè)量軟件也可用于測(cè)深導(dǎo)航。這些商業(yè)水文測(cè)量軟件功能強(qiáng)大，同時(shí)也較為昂貴，且需要通過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)來掌握。而在ADCP斷面走航等水文觀測(cè)方面，只需要實(shí)時(shí)可視化的導(dǎo)航功能，完全可以不需要商業(yè)水文綜合測(cè)量軟件。

近年來，Matlab正成為海洋研究中越來越重要的工具，可用于時(shí)間序列分析、空間數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理、圖像處理等。Matlab設(shè)備控制工具箱(Instrument Control Toolbox)①M(fèi)athworks. Instrument control toolbox user’s guide. 2014.提供了一個(gè)增強(qiáng)的串口功能包，可以用來與串口設(shè)備連接、通信、配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

基于以上原因，本研究利用Matlab軟件完成了一套ADCP走航觀測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)。該觀測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，且可以借助Matlab強(qiáng)大的繪圖功能，滿足走航定位與觀測(cè)等方面的需求。

1導(dǎo)航底圖與地理配準(zhǔn)

1.1導(dǎo)航底圖

Matlab支持的圖形文件格式有BMP、CUR、GIF、HDF、ICO、JPG、PBM、PCX、PGM、PNG、PPM、RAS、TIFF和XWD等。在有網(wǎng)絡(luò)的條件下，可以直接用Matlab從網(wǎng)絡(luò)下載所需經(jīng)緯度范圍的谷歌地圖[2]；在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以截取所需范圍的海圖或者AutoCAD圖等作為導(dǎo)航底圖。圖1中的導(dǎo)航底圖為谷歌地圖，圖中區(qū)域?yàn)橹凵绞嗅綅u近岸水域，圖中黑色實(shí)線為規(guī)劃的ADCP走航斷面布置，共布設(shè)了7條走航斷面，總長(zhǎng)度約為6.5 km。

圖1　導(dǎo)航底圖與走航斷面布置Fig.1　Background map and plan lines of ship-mounted ADCP

1.2地理配準(zhǔn)的原理

圖像數(shù)字化過程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。來源于掃描儀掃描的底圖，由于圖紙變形等原因會(huì)產(chǎn)生誤差，在底圖成圖時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行編輯處理和空間校正，盡量消除成圖工作過程產(chǎn)生的誤差，滿足研究工作的需求。來源于衛(wèi)星遙感圖像的底圖，由于各種傳感器傳播路徑、成像機(jī)制不同等原因, 圖像間可能出現(xiàn)相對(duì)平移、旋轉(zhuǎn)、比例縮放等，因此不能直接進(jìn)行配準(zhǔn), 而必須首先進(jìn)行空間校正。

校正過程實(shí)質(zhì)上是坐標(biāo)變換的過程[3]，定義變換前圖形坐標(biāo)(x,y)與變換后圖形坐標(biāo)(x′,y′)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。為了達(dá)到較好的校正效果，控制點(diǎn)應(yīng)盡量選取在圖形四周，特別是邊界和頂點(diǎn)，以避免圖形校正不能滿幅。一般情況下，控制點(diǎn)的選取應(yīng)在4個(gè)以上且分布均勻。

空間變換方法有線性相似、仿射、投影、多項(xiàng)式、分段線性及局部加權(quán)平均等[4]，本文采用的是仿射變換的方法。仿射變換公式為：

x′=ax+by+c

(1)

y′=dx+ey+f

(2)

式中：a～f可通過源控制點(diǎn)和目標(biāo)控制點(diǎn)的坐標(biāo)確定。

1.3地理配準(zhǔn)的Matlab實(shí)現(xiàn)

Matlab導(dǎo)入底圖時(shí)，默認(rèn)以像素為坐標(biāo)軸的刻度單位，沒有坐標(biāo)系統(tǒng)，而DGPS獲取的是當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)。為了在導(dǎo)航底圖中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前DGPS位置，需要把導(dǎo)航底圖綁定到一個(gè)地理坐標(biāo)系，即進(jìn)行圖像配準(zhǔn)[5]。

在Matlab工具箱中，可以利用cp2tform函數(shù)和imtransform函數(shù)完成空間校正與地理配準(zhǔn)：

Tform=cp2tform(input,base,type)；

B=imtransform(A,Tform)；

其中：input為源控制點(diǎn)的像素坐標(biāo)；base為目標(biāo)控制點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；type為空間校正的方法，本文選擇仿射變換算法；A、B分別為配準(zhǔn)前和配準(zhǔn)后的索引圖像。地理配準(zhǔn)后的走航底圖如圖2所示，采用WGS84坐標(biāo)系。地理配置的matlab完整代碼為：

% % 地理配準(zhǔn)

clear

clc

[rgbmap]=imread('底圖', 'jpg');

image(rgb);

inputpoints(1, :) = [122.1517, 29.9500];% 左上角;

inputpoints(2, :) = [122.1517, 29.9375];% 左下角;

inputpoints(3, :) = [122.1650, 29.9500];% 右上角;

inputpoints(4, :) = [122.1650, 29.9375];% 右下角;

basepoints(1, :) = [0.5, 0.5];

basepoints(2, :) = [0.5, 2344.5];

basepoints(3, :) = [2502.5, 0.5];

basepoints(4, :) = [2502.5, 2344.5];

tform=cp2tform(inputpoints,basepoints, 'affine');

[newnaivasha_rgb,x,y] =imtransform(rgb,tform);

X= 122.1517 : (122.1650-122.1517)/5021 : 122.1650;

Y= 29.9375 : (29.9500- 29.9375)/4688 : 29.9500;

imshow(newnaivasha_rgb, 'XData',X, 'YData',Y)

axisxy

axison

gridon

圖2　配準(zhǔn)后的導(dǎo)航底圖Fig.2　Background map after georeferenced

2使用Matlab走航觀測(cè)

2.1通過串口導(dǎo)入DGPS信號(hào)數(shù)據(jù)

走航觀測(cè)時(shí)DGPS采樣頻率約為1 Hz，需要確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。Matlab設(shè)備控制工具箱(Instrument Control Toolbox)提供了一個(gè)增強(qiáng)的串口功能包，可以用來與串口設(shè)備連接、通信、配置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

以DGPS-MAX型號(hào)的DGPS為例，該型號(hào)DGPS串口協(xié)議為RS232，輸出協(xié)議為NMEA 0183，波特率為9600。導(dǎo)入DGPS信號(hào)數(shù)據(jù)的Matlab實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3　Matlab與DGPS的連接與信號(hào)傳輸方式Fig.3　Method of connection and signal transmission between Matlab and DGPS

2.2DGPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化

DGPS-MAX默認(rèn)采樣間隔約為1 s，為了把DGPS的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)顯示，還需要計(jì)算同步的船頭航行方向。

2.2.1 船頭方向的計(jì)算

船頭方向可根據(jù)連續(xù)2個(gè)采樣時(shí)刻的DGPS位置確定。假設(shè)t0時(shí)刻DGPS的位置在(x0,y0)，t1時(shí)刻DGPS的位置在(x1,y1)，如圖4所示。船頭方向角θ計(jì)算公式為：

θ=atan2(y1-y0,x1-x0)

(3)

由于反正切函數(shù)atan的取值在(-π/2, π/2)之間，僅分布于第一和第四象限，這里采用四象限的反正切函數(shù)atan2(圖4)，取值在(-π, π)之間。

圖4　四象限反正切函數(shù)計(jì)算示意圖Fig.4　Sketch chart of the four-quadrant inverse tangent method

圖1中ADCP走航觀測(cè)區(qū)域僅約為1 km×1 km，球坐標(biāo)投影的誤差基本可以忽略，因此在計(jì)算θ時(shí)，可以直接用經(jīng)緯度坐標(biāo)(lon, lat)代替平面直角坐標(biāo)(x,y)。

2.2.2 ADCP位置的修正

(4)

(5)

圖5　ADCP與DGPS相對(duì)于船舶的位置示意圖Fig.5　Sketch map of relative positions of ADCP and DGPS on the boat

2.2.3 DGPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化

可視化的圖形操作步驟為：根據(jù)不斷獲得的DGPS經(jīng)緯度坐標(biāo)，在導(dǎo)航底圖上逐時(shí)顯示船舶已走過的航跡(圖6中紅點(diǎn))；根據(jù)船舶當(dāng)前坐標(biāo)、船舶形狀和船頭方向，顯示船舶當(dāng)前位置與航向(圖6中的船舶符號(hào))；根據(jù)當(dāng)前船舶位置與前一時(shí)刻船舶位置的比較，計(jì)算當(dāng)前船速，并在導(dǎo)航底圖上顯示。圖6所示為走航觀測(cè)期間的瞬時(shí)截圖。

圖6　DGPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化界面的瞬時(shí)截圖Fig.6　Real-time visualization of the DGPS data and its instantaneous screenshot

測(cè)驗(yàn)期間，在研究區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)28 h的ADCP斷面走航觀測(cè)，每間隔1 h完成1次斷面走航潮流觀測(cè)。整個(gè)觀測(cè)期間，本系統(tǒng)工作非常穩(wěn)定，航跡、當(dāng)前船速、當(dāng)前船舶位置等要素隨DGPS數(shù)據(jù)約每秒鐘更新1次，實(shí)時(shí)可視化工作狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)異常情況。圖7為28次斷面觀測(cè)的航跡全部顯示在導(dǎo)航底圖上的最終結(jié)果，從圖中可以看出，在本系統(tǒng)的導(dǎo)航下，船舶行駛路線與規(guī)劃路線吻合較好，誤差主要來自船員的駕駛技術(shù)以及潮流的影響。

圖7　連續(xù)28次ADCP走航斷面觀測(cè)的DGPS軌跡分布圖Fig.7　Tracks of DGPS from 28-hour continuous ship-mounted ADCP survey

3結(jié)語

Matlab正成為海洋研究中越來越重要的工具，本文研究表明，通過借助Matlab設(shè)備控制工具箱(Instrument Control Toolbox)，可與DGPS設(shè)備連接，用于ADCP走航等水文觀測(cè)項(xiàng)目的實(shí)時(shí)可視化。

通過在舟山市岙山島附近水域的應(yīng)用表明，本套走航觀測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，長(zhǎng)時(shí)間工作較為穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，導(dǎo)航精度可靠，誤差主要來自船員的駕駛技術(shù)以及潮流的影響。

相較于商業(yè)軟件，本套走航觀測(cè)導(dǎo)航系統(tǒng)雖然功能簡(jiǎn)單，但在ADCP走航觀測(cè)等水文測(cè)量方面足夠用。此外，借助于Matlab強(qiáng)大的腳本語言和繪圖功能，本系統(tǒng)還將繼續(xù)完善。

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[5] TRAUTH M H. MATLAB Recipes for Earth Sciences[M]. 3rd ed. Heidelberg: Springer,2010: doi:10.1007/978-3-642-12762-5.

收稿日期:2015-09-12修回日期:2016-03-31

基金項(xiàng)目:國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目資助(201105009)；國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目資助(JG1204)

作者簡(jiǎn)介:吳清松(1982-)，男，福建漳州市人，高級(jí)工程師，主要從事海洋水文和近海動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:273955582@qq.com

中圖分類號(hào):P715

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-909X(2016)02-0060-05

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.008

Real-time visualization of the DGPS data based on Matlab and its application in ship-mounted observation

WU Qing-song1, WANG Qi2, YING Jian-yun1, XIE Ming1

(1.KeyLaboratoryofEngineeringOceanography,SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China; 2.MarineMonitoringandForecastingCenterofZhejiangProvince,Hangzhou310007,China)

Abstract:Based on the Instrument Control Toolbox in Matlab, DGPS signal data can be received via the serial port, so this technique can be used for real-time visualization in ship-mounted ACDP survey. The method was tested at Zhoushan sea area for 28-hour continuous ship-mounted ADCP observation. During the test, the real-time visualization system worked fine, tracks of DGPS, the speed of the vessel, and the direction of the vessel renewed automatically every second, which was satiable the requirement of real-time visualization. The only thing we need to do before the survey is to prepare one background map, the system is stable and is easy to use, and the most important, the system workes stably during the 28-hour observation.

Key words:Matlab; DGPS data; real-time visualization; ship-mounted ACDP survey

吳清松，王琪，應(yīng)劍云，等.基于Matlab的DGPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化與走航觀測(cè)[J].海洋學(xué)研究,2016,34(2):60-64,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.008.

WU Qing-song, WANG Qi, YING Jian-yun，et al. Real-time visualization of the DGPS data based on Matlab and its application in ship-mounted observation[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(2):60-64, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.008.