鐘亮，劉小生

(江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

海上空間及資源在人類(lèi)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨向于全球化，船舶的海上貿(mào)易航行以及漁業(yè)的遠(yuǎn)洋捕撈活動(dòng)日漸頻繁，海上船舶航行的安全監(jiān)測(cè)變得尤為重要[1]。

實(shí)現(xiàn)大范圍海上船舶的安全監(jiān)測(cè)，最重要的是識(shí)別提取出船只的位置信息。盡管目前有多種方法對(duì)海上船舶進(jìn)行識(shí)別追蹤，例如利用雷達(dá)數(shù)據(jù)或者高分辨率光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)并結(jié)合相應(yīng)的檢測(cè)算法提取船舶目標(biāo)[2-3]，但其中光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)受天氣影響較大，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率存在不確定性，并且提取精度受到相應(yīng)算法的影響，因此存在較大的局限性。雷達(dá)的顯著優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)太陽(yáng)光照，且不受霧、云和雨的阻擋，因而具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)[4]，特別是合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)的出現(xiàn)，更為目標(biāo)識(shí)別帶來(lái)較大的發(fā)展[5]，其也成為目前較為主流的目標(biāo)識(shí)別手段。但此方法成本相對(duì)較高、海上影像校正難度較大，對(duì)于大范圍、小目標(biāo)的識(shí)別缺乏通用性[6]。因此尋求更加多樣化的海上船舶提取方法對(duì)于海上船舶安全監(jiān)測(cè)具有重要意義。

隨著夜間燈光數(shù)據(jù)研究的發(fā)展，研究人員普遍發(fā)現(xiàn)其能夠有效反應(yīng)出人類(lèi)的空間活動(dòng)特征[7-9]。此前有國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用Suomi國(guó)家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(suomi national polar-orbiting partnership，SNPP)搭載的可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite，VIIRS)拍攝的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶的跟蹤和漁業(yè)管理的研究[10-11]，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)能夠較好地反映出與漁業(yè)資源相關(guān)的船只信息；也有學(xué)者利用SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)提取海上油氣平臺(tái)目標(biāo)[12]，并取得較好的效果。由于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)公布時(shí)為月平均數(shù)據(jù)且分辨率有限，因此對(duì)于大型漁場(chǎng)和固定目標(biāo)的檢測(cè)具有較好的效果，而對(duì)于單個(gè)船只的動(dòng)態(tài)追蹤檢測(cè)缺乏可行性。

目前由我國(guó)武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同研發(fā)制作的珞珈一號(hào)新型夜光遙感衛(wèi)星于2018年6月2號(hào)成功在軌運(yùn)行，并持續(xù)穩(wěn)定地傳回全球范圍的夜間燈光影像[13]。其作為全球首顆專(zhuān)業(yè)夜光遙感衛(wèi)星，也是目前國(guó)際上第三顆具備夜間燈光數(shù)據(jù)拍攝能力的衛(wèi)星，采用了大相對(duì)孔徑像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)、異形遮光罩雜光抑制、大像元高靈敏成像器件以及雙星敏定姿和雙頻GPS定軌等手段，實(shí)現(xiàn)了高靈敏、高精度和大動(dòng)態(tài)范圍的夜間燈光成像技術(shù)。使得拍攝的夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到SNPP-VIIRS數(shù)據(jù)的5倍以上，并且具有更強(qiáng)的光感能力[14]。此外，珞珈一號(hào)發(fā)布的數(shù)據(jù)為單日拍攝的影像，因此將其用于海上船舶的提取研究具有合理性和可行性。

本文以廣東省近海的局部海域作為研究對(duì)象，采用了中值濾波技術(shù)和雙參數(shù)恒虛警率(constant false-alarm rate，CFAR)方法檢測(cè)夜間海上船舶目標(biāo)，之后結(jié)合Landsat-8影像對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，旨在為海上船舶的航行安全提供多樣化的監(jiān)測(cè)手段。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選取廣東省近海局部海域。鑒于廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，沿海港口較多，其中作為華南最大綜合性樞紐港的廣州港通達(dá)80多個(gè)國(guó)家和各個(gè)地區(qū)的300多個(gè)港口，并與國(guó)內(nèi)100多個(gè)港口通航，貨物日吞吐量巨大。因此在附近海域存在大量的船只，以該區(qū)域作為船舶提取的研究區(qū)域具有代表性。

研究數(shù)據(jù)選取2018年9月拍攝的珞珈一號(hào)夜間燈光影像(數(shù)據(jù)來(lái)源于“高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用網(wǎng)”)，此數(shù)據(jù)在發(fā)布時(shí)已通過(guò)系統(tǒng)幾何糾正，影像定位精度達(dá)到300 m，分辨率為130 m，因此無(wú)需再進(jìn)行影像校正工作，可直接用于相關(guān)研究。研究區(qū)域及數(shù)據(jù)如圖1所示。此外，考慮到夜間在海上存在較為明顯的燈光輻射僅可能由3種原因產(chǎn)生，1種即為船舶燈光，其他2種分別為島嶼建筑燈光和海上油氣平臺(tái)廢氣燃燒產(chǎn)生的燈光，而島嶼和油氣平臺(tái)特征明顯且位置相對(duì)固定。因此，為了分析珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用于海上船舶提取的結(jié)果，本文利用Landsat-8遙感影像作為檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)Landsat-8遙感影像剔除研究區(qū)域內(nèi)的海上島嶼與油氣平臺(tái)，進(jìn)而得出最終的船舶位置信息。

圖1 研究數(shù)據(jù)及區(qū)域

2 研究方法

2.1 中值濾波

夜間燈光影像在拍攝時(shí)，會(huì)受到由傳感器自身老化以及外部環(huán)境例如大氣折射、月光照射、極光等因素的干擾，導(dǎo)致拍攝的夜間燈光影像存在大量的噪聲[15-16]。此種噪聲輻射值較小，對(duì)于大型船只燈光的識(shí)別不會(huì)產(chǎn)生影響，但會(huì)影響小型船只的提取精度。同時(shí)，船只燈光具有獨(dú)立性、小范圍性和高亮度值的特點(diǎn)，且各個(gè)獨(dú)立船只的燈光輻射值表現(xiàn)出明顯的邊緣性特征。因此，為了減小雜光的影響，增強(qiáng)小型船只燈光信號(hào)的識(shí)別強(qiáng)度，本文利用中值濾波對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

中值濾波是一種非線(xiàn)性的影像平滑方法，它在保持其邊緣特征的同時(shí)能夠達(dá)到弱化背景噪聲的作用[17]，因此能夠突出小型船只燈光輻射值的邊緣信息，進(jìn)而達(dá)到提高小型船只識(shí)別精度的目的。方法是將夜間燈光影像劃分為3×3或5×5等奇數(shù)大小的柵格模塊，將該模塊內(nèi)每一柵格點(diǎn)內(nèi)的燈光亮度值設(shè)置為該點(diǎn)柵格模塊窗口內(nèi)的中值，輸出模型為：

f(x，y)=Median{g(x-m，y-n)，(m，n∈W)}

(1)

式中：g(x，y)，f(x，y)分別為原始模塊和輸出模塊；W為柵格模塊；m、n為對(duì)應(yīng)的柵格行列號(hào)。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，珞珈一號(hào)夜間燈光影像分辨率為130 m，而船只燈光輻射范圍的直徑為3～8個(gè)柵格，如果選擇較大的中值濾波窗口例如5×5或者7×7則可能會(huì)過(guò)濾掉小型船只的燈光及融合距離較近的船只，如圖2所示，而選擇過(guò)大的窗口進(jìn)行濾波會(huì)影響下一步船舶檢測(cè)的精度。因此為能夠較好地保留小型船只燈光信息，本文選取較小的中值濾波窗口對(duì)影像進(jìn)行濾波處理。

圖2 中值濾波處理

2.2 雙參數(shù)CFAR方法

虛警率是指?jìng)刹煸O(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)將噪聲或其他干擾信號(hào)誤判為有效目標(biāo)信號(hào)的概率，而通過(guò)設(shè)置恒定的虛警率能夠在信號(hào)檢測(cè)中得到穩(wěn)定的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，其在目標(biāo)檢測(cè)以及信號(hào)處理領(lǐng)域具有重要的價(jià)值。CFAR方法目前主要有雙參數(shù)CFAR和全局CFAR 2種典型算法，隨著研究的發(fā)展，CFAR算法逐漸與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法結(jié)合，使得提取效果進(jìn)一步優(yōu)化[18]。而根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的特性，眾多學(xué)者也設(shè)計(jì)出了基于單元平均(cell averaging，CA)、最大選擇(greatest of，GO)、最小選擇(smallest of，SO)、有序統(tǒng)計(jì)(ordered statistics，OS)等CFAR檢測(cè)器，為目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)的更大的發(fā)展。目前，CFAR算法已經(jīng)廣泛用于船舶、車(chē)輛、海上油氣平臺(tái)以及其他目標(biāo)的識(shí)別[19]。本文采用雙參數(shù)CFAR方法對(duì)珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶檢測(cè)，目的是以基本的CFAR方法驗(yàn)證珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)用于夜間海上船舶目標(biāo)提取的可行性。

CFAR方法是通過(guò)影像中各個(gè)柵格點(diǎn)的像素值與門(mén)限值的關(guān)系來(lái)判定其是否為有效目標(biāo)，其中門(mén)限值的大小可以通過(guò)虛警率和背景噪聲的概率密度函數(shù)確定，計(jì)算方法為：

(2)

式中：Pfa為虛警率；T為檢測(cè)門(mén)限；f(x)為背景噪聲概率密度函數(shù)。

而雙參數(shù)CFAR方法作為經(jīng)典算法，其假設(shè)背景噪聲符合高斯分布模型，通過(guò)設(shè)置3個(gè)滑動(dòng)窗口遍歷影像實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，如圖3所示。其中保護(hù)窗口也稱(chēng)空心窗口，設(shè)置該窗口的目的是將目標(biāo)與背景噪聲分隔，保證用于統(tǒng)計(jì)背景噪聲特性的區(qū)域(背景窗口)中不包含有效目標(biāo)柵格；在保護(hù)窗口中還存在一個(gè)目標(biāo)窗口，通過(guò)目標(biāo)窗口中的檢測(cè)柵格遍歷保護(hù)窗口進(jìn)而檢測(cè)出目標(biāo)。

圖3 雙參數(shù)CFAR滑窗

根據(jù)上述方法，利用檢測(cè)門(mén)限的目標(biāo)判定模型為：

(3)

(4)

(5)

基于珞珈一號(hào)夜間燈光影像，結(jié)合中值濾波和雙參數(shù)CFAR算法的船舶檢測(cè)流程圖如圖4所示。

圖4 珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)船舶檢測(cè)流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 中值濾波處理結(jié)果

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域的夜間燈光影像進(jìn)行中值濾波處理后，背景噪聲值得到有效的弱化，且對(duì)船只燈光的邊緣信息影響較小。為了更好地突顯出船只燈光信息與噪聲的特點(diǎn)，本文通過(guò)建立夜間燈光輻射場(chǎng)的形式進(jìn)行說(shuō)明，同時(shí)以X-Z軸和Y-Z軸視圖進(jìn)行展現(xiàn)，目的是以平面視角更好地展示出燈光的細(xì)節(jié)特征。結(jié)果如圖5所示，圖5(a)和圖5(b)為中值濾波處理前的燈光輻射值，而圖5(c)和圖5(d)為處理后的燈光輻射值，其中標(biāo)記了2處去噪前后燈光輻射值變化較為明顯的區(qū)域，可看出中值濾波方法對(duì)于小型船只燈光具有較好的突顯效果，在保留邊緣特征的同時(shí)增強(qiáng)了船舶燈光的識(shí)別強(qiáng)度，表明其作為船舶提取的初步方法是有效的。

圖5 中值濾波處理結(jié)果

3.2 CFAR檢測(cè)結(jié)果

在中值濾波處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)滑窗檢測(cè)原理對(duì)夜間燈光影像進(jìn)行船舶檢測(cè)。在檢測(cè)前需要設(shè)置相應(yīng)窗口參數(shù)，當(dāng)保護(hù)窗口設(shè)置過(guò)大時(shí)會(huì)增加檢測(cè)虛警數(shù)，過(guò)小時(shí)則會(huì)漏檢部分有效目標(biāo)；背景設(shè)置窗口過(guò)大時(shí)影像中過(guò)于鄰近的目標(biāo)則會(huì)漏檢，過(guò)小時(shí)則無(wú)法有效確立目標(biāo)周?chē)谋尘霸肼暤奶匦?；而目?biāo)窗口設(shè)置理論上越小越好，但是過(guò)小的目標(biāo)窗口會(huì)降低檢測(cè)效率。根據(jù)珞珈一號(hào)夜間燈光影像中船舶燈光輻射范圍大概為3～8個(gè)像素柵格，本文設(shè)置保護(hù)區(qū)域窗口為9×9，工作區(qū)域窗口為24×24，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行CFAR檢測(cè)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，僅利用雙參數(shù)CFAR方法對(duì)原始的夜間燈光影像進(jìn)行船舶檢測(cè)效果較差，出現(xiàn)大量的虛警目標(biāo)，這可能是由于海面反射船舶燈光而造成的斑點(diǎn)噪聲干擾了檢測(cè)結(jié)果；而通過(guò)中值濾波處理的后的影像，斑點(diǎn)噪聲得到有效抑制，虛警目標(biāo)減少并且漏檢數(shù)較少。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)船舶檢測(cè)結(jié)果

為了更好地對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，圖6所示顯示了提取結(jié)果的局部視圖，其中圖5(a)為原始的夜間燈光影像，圖5(c)對(duì)有效船舶燈光進(jìn)行了標(biāo)記處理(綠色框標(biāo)記)。從圖5(d)中可看出，CFAR檢測(cè)結(jié)果中出現(xiàn)較多的虛警目標(biāo)(紅色框標(biāo)記)，而且有3處目標(biāo)漏檢(黃色框標(biāo)記)，而對(duì)原始的影像進(jìn)行中值濾波處理后，CFAR檢測(cè)結(jié)果中虛警目標(biāo)顯著減少，但還存在漏檢目標(biāo)，如圖5(e)所示。

圖6 珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)船舶檢測(cè)結(jié)果局部視圖

3.3 船舶提取結(jié)果及分析

結(jié)合中值濾波與雙參數(shù)CFAR方法對(duì)原始夜間燈光影像進(jìn)行去噪，船舶燈光提取結(jié)果效果較好。考慮到船舶燈光存在一定的輻射范圍，為了進(jìn)一步確定船舶的所在的精確位置，將提取的單個(gè)船舶燈光范圍中最亮的輻射值所在的柵格判斷為船舶所在的精確位置，進(jìn)而確定出船舶位置的經(jīng)緯度。

對(duì)于提取出的有效燈光，并非全部為船舶燈光，其中可能包含部分島嶼建筑燈光以及海上油氣平臺(tái)生產(chǎn)時(shí)的廢氣燃燒產(chǎn)生的燈光。為了驗(yàn)證船舶的提取結(jié)果，通過(guò)Landsat-8 遙感影像進(jìn)行分析，該影像空間分辨率達(dá)到30 m，而海上油氣平臺(tái)以及島嶼目標(biāo)均在100 m以上，且船舶、島嶼及油氣平臺(tái)特征差異較大，因此能夠進(jìn)行識(shí)別。海上發(fā)光源目標(biāo)特征如圖7所示，從圖中可看出，島嶼目標(biāo)較大判讀較為方便；而船舶目標(biāo)一般呈現(xiàn)出長(zhǎng)條狀，且運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)伴隨尾浪特征；油氣平臺(tái)則為方形，目標(biāo)較小，可見(jiàn)度較好的條件下還可識(shí)別出廢氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙霧。

圖7 海上發(fā)光源特征

根據(jù)上述分析，對(duì)修正后的提取結(jié)果進(jìn)行精度分析后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域影像中的74處有效燈光中包含島嶼建筑燈光6處，油氣平臺(tái)廢氣燃燒光源2處，船舶燈光66處。通過(guò)對(duì)船舶燈光的分析還發(fā)現(xiàn)，不同大小的船舶發(fā)出的燈光輻射值和輻射范圍存在一定差別，船舶噸位越大，其燈光輻射值和輻射范圍越大，從圖5中可以看出該特征。根據(jù)此特點(diǎn)，本文將提取的船舶分為3個(gè)等級(jí)，其中小型船只燈光輻射值數(shù)量級(jí)在0.5E5以下，中型船只燈光輻射值數(shù)量級(jí)在0.5E5～1.5E5之間，大型船舶燈光輻射值數(shù)量級(jí)大于1.5E5。由此得出66處船舶燈光中包含小型船舶燈光12個(gè)，中型船舶燈光41個(gè)，大型船舶燈光13個(gè)，如圖8所示。表明了本文方法能夠真實(shí)有效地提取出海上船舶目標(biāo)，為海上船舶的航行安全提供了更加多樣化的監(jiān)測(cè)手段。

圖8 海上船舶提取結(jié)果

由于缺乏實(shí)時(shí)的夜間海上船只位置檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文以L(fǎng)andsat-8遙感影像通過(guò)剔除海上其他發(fā)光源說(shuō)明了船舶的提取精度，這在一定程度上具有局限性，但利用該數(shù)據(jù)依然能夠有效地證明本文方法用于海上船舶識(shí)別的可行性。隨著珞珈一號(hào)系列衛(wèi)星的研制與開(kāi)發(fā)，在未來(lái)幾年將陸續(xù)發(fā)射具有更高空間分辨率和時(shí)間分辨率的珞珈一號(hào)01業(yè)務(wù)星、具有多角度雷達(dá)視頻成像的高分珞珈一號(hào)02星以及以視頻成像載荷為基礎(chǔ)，具備開(kāi)放軟件平臺(tái)和高性能實(shí)時(shí)處理的高分珞珈一號(hào)03星，為未來(lái)夜間燈光遙感以及目標(biāo)識(shí)別的發(fā)展做出更加巨大貢獻(xiàn)。因此，在后續(xù)研究中還可以對(duì)船舶提取方法進(jìn)一步補(bǔ)充優(yōu)化，以及尋求更加有效的精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)，從而為海上船舶的航行安全提供更好的監(jiān)測(cè)保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

大范圍海上船舶的識(shí)別主要以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使得目前提取船舶目標(biāo)的方法大多以白天為主，缺乏夜間船舶提取的相關(guān)研究。而本文基于珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)，為海上船舶的識(shí)別提供了更加多元化的方法。通過(guò)中值濾波和雙參數(shù)CFAR對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理，進(jìn)而檢測(cè)船舶有效燈光值，之后結(jié)合Landsat-8遙感影像進(jìn)行了精度對(duì)比。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率較高且發(fā)布為單日影像，其高識(shí)別度的燈光特點(diǎn)用于海上船舶提取具有較好的吻合性；通過(guò)中值濾波和雙參數(shù)CFAR方法處理后，影像中的噪聲得到有效地抑制，船舶燈光提取效果顯著。精度驗(yàn)證結(jié)果表明，本文方法應(yīng)用于夜間海上船舶的識(shí)別真實(shí)有效，其對(duì)于船舶海上活動(dòng)的安全監(jiān)測(cè)具有一定的參考價(jià)值。