一种基于激光源点云数据进行航道交通量监测的方法与流程

本发明涉及一种航道交通量监测方法，属于海上航行器的交通控制系统技术领域。

背景技术：

船舶交通量是指单位时间内通过水域中某一确定地点的所有船舶的数目、方向、船只类型、船速、总吨位和实载货量等信息。是表征一个水域水上交通状况的最基本的量。目前，内河航运中，主要通过以下几种方式获取船舶交通量信息:雷达成像技术、视频监控技术、红外成像技术、AIS监控方式和人工方式等。

目前，雷达成像系统己经广泛应用于船舶交通管理系统VTS中，成为船舶检测方法中重要的方法。其主要优点是观测范围大、主动测量，船舶位置信息和流量信息容易获取。它不受天气条件影响，可以在任何能见度条件下工作。雷达成像系统的不足之处在于，作为一种测量无线电回波的技术手段，它必然存在一定的盲区，易受到波浪、建筑物、群山等障碍物的影响，从而限制了它的作用范围。最主要的不足是雷达所成图像所包含的信息中，并无船舶尺寸、吨位、数量等精确信息。

视频监控技术已经可以在复杂背景中对目标进行一定程度的自动识别，但视频识别算法尚不完善，并且严重依赖光照条件，黑夜、大雾等环境条件对其影响非常大。

红外成像技术对视频监控的一种重要补充，它主要利用热红外辐射来产生被观察场景的红外辐射图。但也是一种基于半人工辅助的监控系统，目标的获取需要人来辅助完成。同时，红外成像的监控范围和视频监控类似，都十分有限。

AIS监控方式能够获取船舶的详细身份信息，属于精确测量的方式，但是这种方式的缺点在于，它的监管是被动式的，即要求船舶安装了AIS，且AIS设备正常工作才可完全发挥作用。

尽管出现了各种自动化船舶检测方式，但鉴于前文所提的种种限制，人工统计至今仍是管理部门最为常用的方法。主要包括，定点定期统计与甚高频喊话统计两种。人工统计方式，对于船舶尺寸吨位等数据无法精确统计，也容易出现人为错误，且不能做到全天候。

从总体上来讲，在内河航运系统中，迄今还没有一个能够稳定运行的，可以应对全天候相对比较复杂的环境考验的，实用的交通量检测系统。目前常用的船舶流量检测手段在一定程度上实现了船舶监控的功能，但无论是在准确性还是在精度方面，都存在一定的不足，因此研制一套使用方便、无需上船安装终端设备，并且能够自动、实时地检测船舶流量的监控系统，是目前整个内河航道系统的普遍性需求。它可以变目前的人工抽样为主的交通量推算方式为多点全天候交通量统计，以先进技术和设备为内河航道交通提供准确的交通量数据依据。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种基于激光源点云数据进行航道交通量监测的方法。

本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于激光源点云数据进行航道交通量监测的方法，执行如下步骤:

1）架设测量系统，所述测量系统包括至少两台激光器，其中一台为主测激光器，其余为辅助激光器；

2）将所述激光器得到的点云数据进行预处理；

3）利用预处理后的点云数据构建船舶模型；

4）根据所述船舶模型以及实时水位值来分析船舶轮廓特征、船舶航向、船速及船舶载重吨位以实现对航道交通量的监测；

所述船舶轮廓特征包括船长、船宽、船舶出水高度。

上述技术方案的改进是：步骤4）中的实时水位值测量过程如下，

1）在无船经过时，所述主测激光器扫描水面并得到水面距离数据，依据所述水面距离数据建立以所述主测激光器为原点O的空间极坐标系，并建立以所述主测激光器为原点O′的空间直角坐标系；

2）对所述水面距离数据进行空间极坐标系到空间直角坐标系的转换；

3）在所述空间直角坐标系中进行描绘，若当Ymax-Ymin<K时，WL = Ymax；若Ymax-Ymin≥K则回到步骤1）重新获取水面距离数据，直至最终确认实时水位值；

K为阈值，WL为实时水位值。

上述技术方案的改进是：步骤4）中船宽测量过程如下，

当有船经过所述测量系统所覆盖的测量区域时，对扫描到的扫描数据进行空间极坐标到空间直角坐标的转换，并在所述空间直角坐标系中绘制出来主测图形A；

以所述实时水位值为基础，提取所述主测图形A中的船体部分,所述船体在所述空间直角坐标系X方向的差值即为船宽值。

上述技术方案的改进是：步骤4）中的船舶航向测量过程如下，

从所述测量系统的激光器中任意选取两个激光器，一个为上行激光器，一个为下行激光器；

若所述上行激光器先监测到船舶通过，则所述船舶航向为下行；

若所述下行激光器先监测到船舶通过，则所述船舶航向为上行。

上述技术方案的改进是：步骤4）中的船速测量及船长测量过程如下，

当所述主测激光器第一次扫描到船舶数据时，记录纵坐标为Y1，所述主测激光器与所述测量系统的测速激光器之间夹角为α，船速V=

T3为所述主测激光器第一次扫描到船舶数据的时间，T1为所述测速激光器第一次扫描到船舶数据的时间；

当船舶的船尾经过所述主测激光器后，记录时间T2，船长L = V *（T2-T1）。

上述技术方案的改进是：步骤4）中的船舶载重吨位确定过程如下，根据所述船舶轮廓特征使用多远回归的方式获得载重吨位和长宽及型深的吨位计算公式，使用测量的船长船宽及型深代入吨位计算公式计算船舶吨位。

上述技术方案的改进是：根据船舶出水高度、实时水位值以及预设的空重载阈值进行船舶的空重载判断，当船舶出水高度与实时水位值的差值大于空重载阈值时，船舶为空载；当船舶出水高度与实时水位值的差值小于空重载阈值时，船舶为重载。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明通过激光器扫描水面实时水位，根据水位变化确定船只通过时的交通量，由于是激光点扫描不受天气等因素的影响；利用安装于桥梁上的多个激光器，并结合实时水位值的变化，以分析船舶轮廓特征、船舶航向、船速及船舶载重吨位以实现对航道交通量的监测。

它可以变目前的人工抽样为主的交通量推算方式为多点全天候交通量统计，以先进技术和设备为内河航道交通提供准确的交通量数据依据，在免去了一定的人工成本的基础上，同时还保证了获取数值的准确性。由于该方法不需要预先登记，因此也不会使得数据监测处于被动状态，可以准确的知道当前通过船只的交通量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的测量系统的示意图。

图2是本发明实施例的水位图。

图3是本发明实施例的主测图形A。

具体实施方式

实施例

本实施例的一种基于激光源点云数据进行航道交通量监测的方法，执行如下步骤:

1）架设测量系统，所述测量系统包括至少两台激光器，如图1所示，其中一台为主测激光器，其余为辅助激光器；

2）将所述激光器得到的点云数据进行噪点剔除及Kalman滤波等预处理；

3）利用预处理后的点云数据构建船舶模型；

4）根据所述船舶模型以及实时水位值来分析船舶轮廓特征、船舶航向、船速及船舶载重吨位以实现对航道交通量的监测；

所述船舶轮廓特征包括船长、船宽、船舶出水高度。

本实施例步骤4）中的实时水位值测量过程如下：

1）在无船经过时，所述主测激光器扫描水面并得到水面距离数据，依据所述水面距离数据建立以所述主测激光器为原点O的空间极坐标系，并建立以所述主测激光器为原点O′的空间直角坐标系；

2）对所述水面距离数据进行空间极坐标系到空间直角坐标系的转换；

3）在所述空间直角坐标系中进行描绘，如图2所示，若当Ymax-Ymin<K时，WL = Ymax；若Ymax-Ymin≥K则回到步骤1）重新获取水面距离数据，直至最终确认实时水位值；

K为阈值，WL为实时水位值。

本实施例步骤4）中船宽测量过程如下，

当有船经过所述测量系统所覆盖的测量区域时，对扫描到的扫描数据进行空间极坐标到空间直角坐标的转换，并在所述空间直角坐标系中绘制出来主测图形A，如图3所示；

以所述实时水位值为基础，提取所述主测图形A中的船体部分,所述船体在所述空间直角坐标系X方向的差值即为船宽值。

本实施例步骤4）中的船舶航向测量过程如下，

从所述测量系统的激光器中任意选取两个激光器，一个为上行激光器，一个为下行激光器；

若所述上行激光器先监测到船舶通过，则所述船舶航向为下行；

若所述下行激光器先监测到船舶通过，则所述船舶航向为上行。

本实施例步骤4）中的船速测量及船长测量过程如下，

当所述主测激光器第一次扫描到船舶数据时，记录纵坐标为Y1，所述主测激光器与所述测量系统的测速激光器之间夹角为α，船速V=

T3为所述主测激光器第一次扫描到船舶数据的时间，T1为所述测速激光器第一次扫描到船舶数据的时间；

当船舶的船尾经过所述主测激光器后，记录时间T2，船长L = V *（T2-T1）。

本实施例步骤4）中的船舶载重吨位确定过程如下，根据所述船舶轮廓特征使用多远回归的方式获得载重吨位和长宽及型深的吨位计算公式，使用测量的船长船宽及型深代入吨位计算公式计算船舶吨位。

本实施例根据船舶出水高度、实时水位值以及预设的空重载阈值进行船舶的空重载判断，当船舶出水高度与实时水位值的差值大于空重载阈值时，船舶为空载；当船舶出水高度与实时水位值的差值小于空重载阈值时，船舶为重载。通过激光器扫描数据进行分析，由于激光的直线传播属性和船体本身的遮挡，船体出现在激光扫描器扫描面的不同位置，扫描到的船体完整性有所不同。需要根据船体出现的位置，获取不同侧面出水高数据，根据大量船舶出水高实例测试得出并设定空重载阈值，出水高大于空重再阈值为空载，出水高小于等于空重载阈值为重载。此方式适合内河航运船舶，经测试，准确率在95%左右。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。