一种海上船舶海冰监测方法和系统与流程

本发明涉及海上船舶遥感监测技术领域，具体涉及一种海上船舶海冰监测方法和系统。

背景技术：

世界大洋约有3～4％的面积被海冰覆盖，一方面海冰对全球气候、热量平衡、水量平衡有重要影响；另一方面海冰对船舶航行、海底采矿及极地海洋考察等形成严重障碍，甚至造成特大灾害，因此各国都对海冰进行了密切的监测。

冬季我国北方海域的海冰会对船舶通航造成严重的影响和安全隐患，我国的渤海和黄海北部近岸海域冬季常有海冰出现，由于每年冬季气候条件不同，各年出现的海冰灾情具有很大的差异性，当冰情严重时，渤海和黄海北部沿岸港口和航道会被坚冰封锁，海面被厚冰覆盖，导致船只阻滞冰中，航运被迫中断，海上生产被迫停止，海洋工程设施遭到损坏。2009年冬季，渤海、黄海出现了30年以来最严重的海冰灾害，据山东省海洋与渔业厅不完全统计，仅山东省渔业直接经济损失就超过22亿元，受灾渔民损失惨重，因此有必要对冬季寒冷天气下重点海域的海冰进行监测，以及时采取应对措施。

目前业内常用的海冰监测的方法为遥测法，遥测法是应用现代科学技术建立的先进方法。这种方法可以完全依赖仪器本身进行观测，如利用卫星遥感能及时、同步、大范围观测海冰，微波遥感数据穿透性强，在海冰监测中发挥重要的作用，海冰监测利用微波遥感卫星数据sar具有全天时、全天候、多波段、多极化工作方式、可变测视角、穿透能力强等特点，sar图像中含有丰富的地表纹理结构信息，由于海冰对微波雷达的回波能力比海水强，色调比周围的海水更亮，二者对比度较大，因而可利用海冰在sar图像上表现出的不同散射特性提取海冰区域的相关信息，根据海冰卫星图片能直观地一目了然地展示海冰的分布情况。且sar作为一种主动式有源微波传感器,因其具有全天时、全天候、多波段、多极化工作方式、可变测视角、穿透能力强等特点，使得sar数据在海冰监测和预报方面具有举足轻重的地位。

目前基于sar影像海冰分类方法都是根据某一时刻海冰在sar影像上的呈现特征进行分类识别，并进行预处理工作。然而传统的预处理工作并非是针对海冰目标，并没有分析其散射特性和光谱特性有针对性的对其特征进行增强，无法辅助海冰信息进行精确识别。

技术实现要素：

为解决现有技术在海冰监测中存在的问题，本发明提供了一种海上船舶海冰监测方法，通过采用微波遥感卫星数据sar结合自动筛选和精细化筛选这两级筛选，实现对海冰的精细信息提取和分类，提高了海冰监测效率，能够对冬季重点海域的海冰进行监测，为船舶进出港和正常航行提供安全预警，本发明还涉及一种海上船舶海冰监测系统。

本发明的技术方案如下：

一种海上船舶海冰监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步骤：根据海冰监测的应用需求获取遥感数据；

第二步骤：针对海冰目标，根据获取的遥感数据的散射特性和光谱特性制定针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，实现特征增强以生成遥感图像和辅助数据；

第三步骤：将生成后的遥感图像和辅助数据针对海冰信息采用自动识别方法对海冰区域进行预筛选；

第四步骤：通过人机交互的工具对预筛选后的海冰区域进行细筛选和判读，实现对海冰的详细标绘、大小和面积计算，得到海冰监测结果。

优选地，还包括第五步骤：将海冰监测结果进行反馈，对产生的碍航影响和对临近海域船只的影响进行预警，并将预警信息反馈至用户。

优选地，还包括第六步骤：将得到的海冰监测结果和相关信息进行数据组织管理、存储和归档。

优选地，所述第一步骤是根据海冰监测的应用需求提出遥感数据的获取需求，并根据获取需求生成订单需求，将订单需求反馈至基础平台以便其根据订单需求完成数据的获取、下载和输出，从而获取遥感数据。

优选地，第一步骤所述遥感数据的获取需求为sar数据的波段选择、光学多光谱数据的波段选择、观测时间选择和/或极化方式。

优选地，所述第二步骤是根据制定的针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，对光学图像进行针对海冰信息光谱特性的光谱选择和计算，实现对图像的特征增强以生成遥感图像；基于sar数据参数提取的结果对海冰信息的纹理特征进行增强以生成辅助数据；

和/或，所述第二步骤还包括针对海冰信息的格式解析、几何校正及辐射校正处理。

优选地，所述第三步骤是利用sar海冰图像分割方法完成对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取。

一种海上船舶海冰监测系统，其特征在于，包括依次连接的数据获取模块、海冰信息预处理模块、海冰区域预筛选模块和海冰区域细筛选模块，

所述数据获取模块，根据海冰监测的应用需求获取遥感数据；

所述海冰信息预处理模块，针对海冰目标，根据获取的遥感数据的散射特性和光谱特性制定针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，实现特征增强以生成遥感图像和辅助数据；

所述海冰区域预筛选模块，将生成后的遥感图像和辅助数据针对海冰信息利用自动识别方法实现对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取；

所述海冰区域细筛选模块，提供人机交互的工具对预筛选后的海冰区域进行筛选和判读，实现对海冰的详细标绘、大小和面积计算，获取海冰监测结果。

优选地，还包括海冰监测结果反馈与预警模块，所述海冰监测结果反馈与预警模块将海冰监测结果进行反馈，对产生的碍航影响和对临近海域船只的影响进行预警，并将预警信息反馈至用户；

和/或，还包括归档管理模块，所述归档管理模块用于将得到的海冰监测结果和相关信息进行数据组织管理、存储和归档。

优选地，所述海冰信息预处理模块是根据制定的针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，对光学图像进行针对海冰信息光谱特性的光谱选择和计算，实现对图像的特征增强以生成遥感图像；基于sar数据参数提取的结果对海冰信息的纹理特征进行增强以生成辅助数据；

和/或，所述海冰区域预筛选模块是利用sar海冰图像分割方法完成对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及一种海上船舶海冰监测方法，利用卫星遥感监测海冰，针对海冰目标，根据获取的遥感数据的散射特性和光谱特性制定针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，实现特征增强以生成遥感图像和辅助数据，本发明在步骤中涉及的数据为sar遥感数据(称为微波遥感数据，微波遥感卫星数据sar)，微波遥感数据穿透性强，在海冰监测中发挥重要的作用。海冰监测利用微波遥感卫星数据sar具有全天时、全天候、多波段、多极化工作方式、可变测视角、穿透能力强等特点，sar图像中含有丰富的地表纹理结构信息。由于海冰对微波雷达的回波能力比海水强，色调比周围的海水更亮，二者对比度较大，因而可从sar图像中提取海冰区域的相关信息。第二步骤是进行海冰数据预处理，主要功能是为海冰监测系统提供所需的各种格式的影像数据，提高系统的兼容性。能对遥感数据进行系统几何校正、辐射校正、斑点噪声过滤等预处理过程，为进行海冰识别做好准备，该步骤与常规预处理不同，本发明主要针对海冰目标，在分析其散射特性和光谱特性的基础上，制定针对海冰信息的sar图像极化特征分解与合成算法，并实现特征增强；基于sar数据参数提取的结果对海冰信息的纹理特征进行增强；对光学图像进行针对海冰信息光谱特性的光谱选择和计算，实现对图像的特征增强。再结合第三步骤和第四步骤依次对海冰区域进行预筛选和进一步的精细筛选，自动筛选和精细化筛选--两级筛选更有针对性，提高了海冰信息监测的准确性。海水与海冰的电磁波特性差异很大，使得雷达波在海冰和海水中的传播有显著区别，在冰水接触面上形成强烈的雷达发射层，海冰部分在雷达图像上表现出丰富的回波现象，而海水部分则呈现出强烈的衰减与吸收现象。因此可以利用海冰在sar图像上表现出的不同散射特性实现对海冰的信息提取。本发明可以实现利用不同类型传感器遥感影像(以sar数据为主)实现对海冰资源的信息自动提取，同时提供人工辅助功能，实现对海冰的精细信息提取和分类。由于海冰分类主要依赖于对小范围内的表面粗糙特征(如表面粗糙度、海冰的介电常数、雷达波束方向等)，因此还利用sar数据极化信息和纹理特征等辅助海冰信息的识别，能够对冬季重点海域的海冰进行监测，为船舶进出港和正常航行提供安全预警。

本发明涉及的海上船舶海冰监测系统，该系统与上述的海上船舶海冰监测方法相对应，可理解为是一种实现上述海上船舶海冰监测方法的系统，包括依次连接的数据获取模块、海冰信息预处理模块、海冰区域预筛选模块和海冰区域细筛选模块，以及可进一步设置的海冰监测结果反馈与预警模块和归档管理模块，各模块相互协同工作，通过海冰区域预筛选模块利用自动识别方法实现对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取，再由海冰区域细筛选模块提供人机交互的工具对海冰区域进行进一步筛选和判读，提供标绘和计算工具，实现对海冰的详细标绘和大小、面积计算功能，获取海冰覆盖的精细信息，得到海冰监测结果。所述海冰监测结果反馈与预警模块将监测结果进行反馈，对可能产生的碍航影响和对临近海域船只的影响进行预警，并将预警信息反馈至用户。本发明所述系统利用不同类型传感器遥感影像(以sar数据为主)实现对海冰资源的信息自动提取，同时提供了人工辅助功能，微波遥感卫星数据sar结合自动筛选和精细化筛选这两级筛选，实现对海冰的精细信息提取和分类，提高了海冰监测效率。

附图说明

图1是本发明海上船舶海冰监测方法的流程图。

图2是本发明海上船舶海冰监测方法的优选流程图。

图3是深度协同稀疏编码网络结构图。

图4是本发明海上船舶海冰监测方法的另一优选流程图。

图5是本发明海上船舶海冰监测系统的优选结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种海上船舶海冰监测方法，该方法的流程图如图1所示，依次包括以下步骤：

第一步骤：根据海冰监测的应用需求获取遥感数据(微波遥感数据)；具体步骤如图2所示的优选流程图，首先要对数据进行任务规划，根据海冰监测的应用需求提出遥感数据的获取需求(即数据获取任务规划，如sar数据的波段，光学多光谱数据的波段选择、极化方式、观测时间选择)，并根据获取需求生成订单需求，将订单需求通过外部接口反馈至基础平台，基础平台根据订单需求完成数据的获取、下载和遥感数据的输出等工作。

第二步骤：针对海冰目标，根据获取的遥感数据的散射特性和光谱特性制定针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，实现特征增强以生成遥感图像和辅助数据；该步骤为独特的述海冰信息预处理步骤，具体步骤如图2所示的优选流程图，将输入的遥感数据针对海冰进行sar数据格式解析、几何及辐射校正、图像特征增强和数据参数提取的预处理工作，预处理工作主要是为海冰监测提供所需的各种格式的影像数据，提高系统的兼容性，对遥感数据进行系统几何校正、辐射校正、斑点噪声过滤等预处理过程，并为海冰识别做好准备，本发明具体的预处理工作针对海冰目标，在分析其散射特性和光谱特性的基础上，制定了针对海冰信息的sar图像极化特征分解与合成算法，实现对其特征增强，特征增强主要包括纹理特征增强和图像特征增强，优选是基于sar数据参数提取的结果对海冰信息的纹理特征进行增强，以及对光学图像进行针对海冰信息光谱特性的光谱选择和计算，实现对图像的特征增强，进而形成遥感图像和辅助数据。进一步地，可以基于深度协同稀疏编码网络进行特征优化并提取数据参数，如图3所示，深度协同稀疏编码网络不仅可以有效优化近邻像素特征组来提高识别精度,而且能有效抑制sar图像相干斑噪声的影响。深度协同稀疏编码网络计算效率较高，该网络具有优异的特征表示能力，尤其在图像尺寸较大时表现出更好的效率，并有效抑制相干斑噪声影响，通过对图像实现特征优化，提取数据参数，提高了sar图像目标识别精度，输出识别结果。

第三步骤：将生成后的遥感图像和辅助数据针对海冰信息采用自动识别方法对海冰区域进行预筛选；也就是说，预处理后的遥感图像和相关辅助数据，首先利用自动识别的方法(如基于sar图像的极化信息、散射信息等具体算法)对海冰范围进行预筛选，优选地，可利用sar海冰图像分割方法完成对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取。

第四步骤：通过人机交互的工具对预筛选后的海冰区域进行细筛选和判读，实现对海冰的详细标绘、大小和面积计算，得到海冰监测结果；也就是说，在前面的预筛选完成后，再进行精细筛选，获取海冰覆盖的精细信息，得到海冰监测结果。

第五步骤：如图2所示，将海冰监测结果进行反馈，对可能产生的碍航影响和对临近海域船只的影响进行预警，并将预警信息反馈至用户。实现海冰监测信息的发布，发布给指挥中心，由指挥中心为船舶进出港和正常航行提供安全预警信息服务。

第六步骤：如图2所示，将产生的监测结果和一些相关的信息进行数据组织管理和归档。

本发明海上船舶海冰监测方法的另一实施例如图4所示，其侧重于基于深度学习的海冰目标信息提取流程图，海冰数据预处理是先提取纹理特征和结构特征，并对此进行格式解析，通过设定训练样本与测试样本进而进行几何校正，并完成图像增强(图中未示出)，基于深度协同稀疏编码网络进行特征优化并提取数据参数。再进行海冰区域预筛选和细筛选，即如图中所示的进行联合稀疏表示，以训练样本为字典，求各个测试样本在字典上的稀疏表示，完成测试样本的初步筛选；再计算测试样本稀疏重构后在各个子字典上的残差，判决类别标签，完成测试样本的详细筛选，识别结果形态学平滑处理并输出，完成整个流程。

本发明还涉及了一种海上船舶海冰监测系统，该系统与上述海上船舶海冰监测方法相对应，可理解为是实现上述方法的系统，该系统的优选结构如图5所示，包括依次连接的数据获取模块、海冰信息预处理模块、海冰区域预筛选模块、海冰区域细筛选模块、海冰监测结果反馈与预警模块和归档管理模块。数据获取模块，根据海冰监测的应用需求获取遥感数据；海冰信息预处理模块，针对海冰目标，根据获取的遥感数据的散射特性和光谱特性制定针对海冰信息的极化sar图像特征分解与合成算法，实现特征增强以生成遥感图像和辅助数据，具体可以是对光学图像进行针对海冰信息光谱特性的光谱选择和计算，实现对图像的特征增强以生成遥感图像，基于sar数据参数提取的结果对海冰信息的纹理特征进行增强以生成辅助数据；海冰区域预筛选模块将生成后的遥感图像和辅助数据针对海冰信息利用自动识别方法实现对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取，优选可利用sar海冰图像分割方法实现对海冰区域的预筛选，实现对大范围海冰信息的自动提取；海冰区域细筛选模块提供人机交互的工具对预筛选后的海冰区域进行进一步筛选和判读，提供标绘和计算工具，实现对海冰的详细标绘和大小、面积计算功能，获取海冰覆盖的精细信息，得到海冰监测结果；海冰监测结果反馈与预警模块将海冰监测结果进行反馈，对产生的碍航影响和对临近海域船只的影响进行预警，并将预警信息反馈至用户，可以将海冰监测信息发布给指挥中心，由指挥中心为船舶进出港和正常航行提供安全预警信息服务；归档管理模块用于将得到的海冰监测结果和相关信息进行数据组织管理、存储和归档。

本发明所述系统利用不同类型传感器遥感影像(以sar数据为主)实现了对海冰资源的信息自动提取，并提供了人工辅助功能，且由于海冰分类主要依赖于对小范围内的表面粗糙特征(如表面粗糙度、海冰的介电常数、雷达波束方向等)，因此在系统中还利用了sar数据极化信息和纹理特征等辅助海冰信息的识别，实现了对海冰的精细信息提取和分类，微波遥感卫星数据sar结合自动筛选和精细化筛选这两级筛选，提高了海冰监测效率。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。