基于多源遙感衛(wèi)星的海面艦船目標(biāo)檢測(cè)方法

孫越嬌,雷武虎,胡以華,趙楠翔,任曉東

(1.脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037; 2.電子制約技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230037)

1 引 言

在海洋遙感領(lǐng)域,艦船作為海上運(yùn)輸載體和重要軍事目標(biāo),其自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,無論在民用還是軍事領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。由于光學(xué)衛(wèi)星遙感圖像直觀易理解,容易解譯,在海域艦船檢測(cè)方面具有SAR衛(wèi)星遙感圖像不能比擬的優(yōu)勢(shì)[2],因此,目前對(duì)于衛(wèi)星遙感圖像的研究重點(diǎn)已經(jīng)從SAR衛(wèi)星遙感圖像慢慢轉(zhuǎn)向光學(xué)衛(wèi)星遙感圖像[3]。基于光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像的艦船目標(biāo)檢測(cè)方面的技術(shù)文獻(xiàn)也在逐漸增多,Jubelin等人[4]提出了一種多尺度中高分辨率的艦船檢測(cè)算法,龔志成等人[5]提出基于鄰域分析的海洋遙感圖像艦船檢測(cè)方法,王衛(wèi)衛(wèi)等人[6]利用結(jié)構(gòu)紋理分解檢測(cè)海洋艦船目標(biāo),此外,還有許多學(xué)者也研究了可見光遙感圖像艦船檢測(cè)[7-14]。

靜止軌道光學(xué)成像衛(wèi)星具有可對(duì)大范圍指定區(qū)域進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)等低軌衛(wèi)星無法比擬的優(yōu)勢(shì)。但是其成像距離遠(yuǎn),空間分辨率通常較低(數(shù)十米量級(jí)),艦船在圖像上成像面積小,可利用的顯著特征信息較少,同時(shí)還受到云層、海浪等干擾,這使得僅利用靜止軌道遙感衛(wèi)星對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)比較困難。而低軌高分辨率光學(xué)衛(wèi)星雖然其觀測(cè)周期較長(zhǎng),但是其空間分辨率較高,艦船目標(biāo)在圖像上成像面積大,能夠捕捉目標(biāo)更多的細(xì)節(jié),有利于艦船目標(biāo)的檢測(cè)。

針對(duì)以上問題,本文提出綜合利用高分辨率遙感圖像與靜止軌道遙感圖像進(jìn)行艦船目標(biāo)檢測(cè)的方法。首先對(duì)靜止軌道衛(wèi)星圖像進(jìn)行目標(biāo)預(yù)檢測(cè),然后利用衛(wèi)星圖像的地理信息,在高分辨率遙感衛(wèi)星圖像中確定候選目標(biāo)區(qū)域,最后對(duì)候選目標(biāo)區(qū)域中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)判別,剔除虛警。該方法不僅能有效檢測(cè)出重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)的多個(gè)運(yùn)動(dòng)艦船目標(biāo),而且為后續(xù)對(duì)運(yùn)動(dòng)艦船的監(jiān)視跟蹤打下基礎(chǔ),為靜止軌道遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域持續(xù)監(jiān)視提供技術(shù)支撐。

2 基于多源遙感衛(wèi)星圖像的海上艦船目標(biāo)檢測(cè)方法

2.1 基本原理

基于多源遙感衛(wèi)星的海上艦船目標(biāo)檢測(cè)的原理框圖如圖 1 所示。

圖1 多源遙感衛(wèi)星艦船目標(biāo)檢測(cè)流程框圖

2.2 靜止軌道遙感衛(wèi)星圖像目標(biāo)預(yù)檢測(cè)

2.2.1 多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat融合處理

首先利用多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat形態(tài)學(xué)濾波對(duì)海洋背景圖像進(jìn)行預(yù)處理,抑制背景,增強(qiáng)目標(biāo),提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度。由于圖像中的目標(biāo)可能具有不同的尺度特性,若對(duì)整幅圖像采用單一的結(jié)構(gòu)元素做處理,會(huì)丟失圖像的細(xì)節(jié)信息。因此,根據(jù)艦船目標(biāo)的形狀特征,選擇不同方向、不同尺度的直線及方形結(jié)構(gòu)元素組合構(gòu)造多結(jié)構(gòu)元素,如圖2所示。

圖2 不同的結(jié)構(gòu)元素類型

將不同結(jié)構(gòu)、尺度元素的top-hat濾波結(jié)果進(jìn)行一定融合處理,公式如下:

(1)

其中,f為原始圖像；r為處理后圖像；n表示結(jié)構(gòu)元數(shù)目；ω表示加權(quán)系數(shù)；b為結(jié)構(gòu)元。

圖3給出了預(yù)處理的示例。

圖3(c)、(d)為top-hat形態(tài)學(xué)濾波結(jié)果灰度圖及三維圖,圖3(e)、(f)為本文方法進(jìn)行預(yù)處理的結(jié)果灰度圖及三維圖,由圖可知,多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat形態(tài)濾波雖然背景抑制效果稍遜于top-hat形態(tài)濾波,但是其對(duì)弱小目標(biāo)的增強(qiáng)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過top-hat形態(tài)濾波,增強(qiáng)了目標(biāo)與背景的對(duì)比度。

圖3 預(yù)處理的示例

2.2.2 自適應(yīng)閾值分割

對(duì)預(yù)處理后的圖像采用基于圖像均值的自適應(yīng)閾值分割方法[15]分割出目標(biāo)。具體算法如式(2)～(4)所示。

T1=meanfx,y

(2)

(3)

Tk+1=(mean(f(fk=1))+mean(f(fk=0)))/2

(4)

迭代直到e=Tk+1-Tk滿足一定的參考條件,取分割閾值T=Tk+1,將圖像分割成兩個(gè)部分。

由于閾值分割的不完整,可能存在單個(gè)艦船目標(biāo)由多個(gè)鄰近連通域組成的情形,利用區(qū)域增長(zhǎng)法對(duì)各個(gè)預(yù)檢測(cè)目標(biāo)的連通域進(jìn)行標(biāo)記。針對(duì)一幅圖像中可能存在多個(gè)艦船目標(biāo)的情況,利用海上運(yùn)動(dòng)的艦船目標(biāo)之間都存在一定的安全距離這一條件作為聚類條件,對(duì)連通域進(jìn)行聚類,得到預(yù)檢測(cè)結(jié)果。

2.3 高分辨率遙感圖像艦船目標(biāo)檢測(cè)

2.3.1 候選目標(biāo)區(qū)域確定

(1)設(shè)靜止軌道衛(wèi)星圖像大小為m×n,對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)：經(jīng)度為L(zhǎng)ong1～Long2,緯度為L(zhǎng)at1～Lat2。利用2.2中方法對(duì)靜止軌道衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理得到目標(biāo)在圖像中的坐標(biāo),記為x,y,則目標(biāo)的地理坐標(biāo)為:

(5)

(6)

(2)設(shè)高分辨率衛(wèi)星圖像大小為m′×n′,對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)：經(jīng)度為L(zhǎng)ong1′～Long2′,緯度為L(zhǎng)at1′～Lat2′,則目標(biāo)在圖像中的位置為(x′,y′):

(7)

(8)

圖4 候選目標(biāo)區(qū)域示意圖

2.3.2 艦船目標(biāo)判別

在高分辨率衛(wèi)星圖像的候選目標(biāo)區(qū)域內(nèi)對(duì)預(yù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行艦船目標(biāo)的最終判別。本文利用最小外接矩形提取目標(biāo)的形狀特征[5,16]作為判別依據(jù):

(1)艦船長(zhǎng)度L,Lmin≤L≤Lmax；

根據(jù)艦船外形的規(guī)定參數(shù)、先驗(yàn)知識(shí)設(shè)定具體的門限值。同時(shí)滿足上述3個(gè)條件時(shí),判斷為艦船目標(biāo),否則剔除。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文算法的有效性,采用matlab仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。

實(shí)驗(yàn)1為靜止軌道衛(wèi)星圖像目標(biāo)預(yù)檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)。

本文采用16 m分辨率的光學(xué)遙感圖像作為原始圖像來模擬靜止軌道遙感衛(wèi)星圖像,圖像來自Google Earth,圖像大小為512×512；實(shí)驗(yàn)1分別采用多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat濾波算法和top-hat濾波算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,然后進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割檢測(cè)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 靜止軌道衛(wèi)星圖像目標(biāo)預(yù)檢測(cè)結(jié)果

如圖所示,圖5(a)、(d)、(g)分別為三幅不同的原始圖像,(b)、(e)、(h)為top-hat濾波后檢測(cè)結(jié)果,(c)、(f)、(i)為本文提出的濾波算法檢測(cè)結(jié)果。在第一組實(shí)驗(yàn)中(圖5(a)～(c)),圖像中含有17個(gè)目標(biāo),圖5(b)檢測(cè)出18個(gè)目標(biāo),圓圈為虛警,圖5(c)成功檢測(cè)出17個(gè)目標(biāo)；第二組實(shí)驗(yàn)中(圖5(d)～(f)),圖像中含有目標(biāo)19個(gè),兩種方法都檢測(cè)出17個(gè)目標(biāo),漏檢2個(gè)；第三組實(shí)驗(yàn)中(圖5(g)～(i)),圖像中含有目標(biāo)28個(gè),圖5(h)檢測(cè)出26個(gè)目標(biāo),漏檢2個(gè),圖5(i)成功檢測(cè)出28個(gè)目標(biāo),其中橢圓為本文方法檢測(cè)出而top-hat方法沒能檢測(cè)出的目標(biāo)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,兩種方法對(duì)極小目標(biāo)的檢測(cè)都存在困難,發(fā)生漏檢情況,但是總體來說,多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat濾波后分割的檢測(cè)率,虛警率都優(yōu)于top-hat濾波后分割檢測(cè)。因此,采用多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat濾波能得到更好的預(yù)檢測(cè)效果。

實(shí)驗(yàn)2為高分辨率遙感圖像艦船目標(biāo)檢測(cè)。

圖6為模擬靜止軌道低分辨率衛(wèi)星圖像,分辨率16 m,大小為285×175,方形框?yàn)閷?shí)驗(yàn)1的預(yù)檢測(cè)結(jié)果,由圖可知,預(yù)檢測(cè)目標(biāo)為8個(gè)。取艦船運(yùn)動(dòng)最大速度為30節(jié),低軌高分辨率遙感衛(wèi)星圖像與靜止軌道遙感衛(wèi)星圖像的拍攝間隔時(shí)間為10 s,結(jié)合衛(wèi)星圖像地理位置信息并按照本文2.3.1節(jié)中的公式(5)～(8)可以獲取高分辨率衛(wèi)星圖像中的目標(biāo)候選區(qū)域,在目標(biāo)候選區(qū)域計(jì)算目標(biāo)判別特征如表1所示。

圖6 預(yù)檢測(cè)結(jié)果

目標(biāo)1234長(zhǎng)度16．970646．857932．019221．8619長(zhǎng)寬比1．04353．64533．42．8761矩形度0．73190．72050．82580．7101目標(biāo)5678長(zhǎng)度26．807515．949417．677755．9017長(zhǎng)寬比3．40742．26833．57153．2051矩形度0．87240．882810．7333

根據(jù)艦船外形的規(guī)定參數(shù)、先驗(yàn)知識(shí)取Lmin=10,Lmax=100,Rt=2,Ft=0.7,對(duì)表1中特征參數(shù)進(jìn)行判別,結(jié)果如圖7所示。

圖7 艦船檢測(cè)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,預(yù)檢測(cè)結(jié)果中含有8個(gè)目標(biāo),在經(jīng)過對(duì)高分辨率圖像中的候選目標(biāo)區(qū)域判別后,有效發(fā)現(xiàn)了預(yù)檢測(cè)結(jié)果中的虛假艦船目標(biāo),并將其剔除。此外,對(duì)高分辨率圖像的候選目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行處理,避免了對(duì)整幅圖像處理的龐大計(jì)算量,提高了效率。最后將判別結(jié)果反映到靜止軌道衛(wèi)星圖像(如圖7所示)上,也為后續(xù)對(duì)艦船目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤做了鋪墊。

4 總 結(jié)

結(jié)合靜止軌道遙感衛(wèi)星與低軌高分辨率遙感衛(wèi)星的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種基于多源遙感衛(wèi)星的海面艦船目標(biāo)檢測(cè)方法。實(shí)現(xiàn)了指定大范圍海域艦船目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)與檢測(cè),既克服了靜止軌道遙感衛(wèi)星檢測(cè)結(jié)果可信度低的缺點(diǎn),同時(shí)又克服了低軌高分辨率遙感衛(wèi)星時(shí)效性差的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)與單一結(jié)構(gòu)的top-hat濾波相比,對(duì)靜止軌道遙感衛(wèi)星圖像采用多結(jié)構(gòu)多尺度top-hat濾波能夠更好地增強(qiáng)目標(biāo)與背景的對(duì)比度,提高了目標(biāo)檢測(cè)率,降低了虛警率；(2)結(jié)合高分辨率遙感衛(wèi)星圖像對(duì)靜止軌道遙感衛(wèi)星圖像目標(biāo)預(yù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判別,能夠有效剔除由于靜止軌道衛(wèi)星圖像空間分辨率低造成的海上虛假艦船目標(biāo)?？傊?本文為基于多源遙感衛(wèi)星的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤問題提供了思路,但是只研究了目標(biāo)檢測(cè)階段,缺乏對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)視跟蹤問題的進(jìn)一步探究。因此,在下一步的研究中,可結(jié)合本文方法利用靜止軌道遙感衛(wèi)星對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視跟蹤的研究。

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