基于BP神经网络的SAR影像水面舰船检测

分析了水面舰船的SAR成像能力和探测优势。在总结已有的舰船检测方法的基础之上,根据舰船目标在SAR图像中的成像特点,提出了利用BP神经网络实现SAR水面舰船目标识别实验。进一步利用形态学方法对检测结果进行修整,结合已知的SAR图像的像元大小,提取舰船的长度和宽度信息,同时利用原始图像的经纬度内插实现舰船目标中心的定位。结果表明,BP神经网络具有很强的自适应性,在低信噪比的情况下,也能够取得良好的效果。     

基于格网化邻域查询的海上船舶救援搜索方法

海洋渔业是高风险行业,各类海洋灾害频繁发生,海上航行、作业环境复杂,因此,海上快速救援对保护渔民的生命财产安全具有重要意义。本文基于空间剖分的格网化编码,提出一种根据有效救援距离和失事船舶位置进行邻域搜索以查找失事船只相邻和最邻近可供救援的船只的方法,其中有效救援距离通过救援船舶的类型和航速来设定,根据有效救援距离设置不同的编码搜索长度。本文将模拟实验区域设定为我国东海海域,随机生成1×10⁴个船位点,在时间检索效率和内存占用两方面,实验结果表明,与传统的船舶间距离的计算方法相比,基于格网化邻域搜索的查询方法编码后船位数据较编码转换前船位数据占用内存空间减少56.47%,同时,编码后检索运算的用户时间是编码前用户时间的17.67%,因此,基于格网化邻域搜索的查询方法占用内存小,且运算效率较高,能够有效提升对遇险船舶邻域救援船只的查询效率。     

上海外高桥港区停泊船聚类分析与异常检测

停泊船空间分布规律挖掘,在海事监管、港口管理和航运公司船队管理方面有着重要意义。现有研究主要针对船舶停泊点进行空间聚类以识别码头和锚地,缺乏对码头、锚地内船舶停泊特征分析,及码头和锚地外的异常停船的检测。因此,利用海量船舶自动识别系统（AIS）数据探索船舶停泊规律显得很有必要,且具备可行性。根据海况设定停泊速度阈值和停泊位置变化量阈值,建立停船判定模型。按港区、船型筛选,获取2016年1至11月外高桥港区集装箱船停泊记录。根据类中心点密度和聚类数量,设定邻域半径（ε）和邻域密度（MinPts）,采用密度聚类（DBSCAN）算法对船舶停泊点进行密度聚类,并将聚类结果与外高桥港区码头、锚地分布图进行比较,生成可疑停船列表。对比船舶历史轨迹,明确可疑停船列表中船舶真实停泊记录,筛选出异常停船。研究发现,2016年1至11月外高桥港区船舶异常停泊点位于圆圆沙锚地至吴淞口锚地间的南港水道和江亚南沙锚地附近的南港水道航段。船舶停泊前、后位置变化幅度小,而速度变化幅度大,推测船舶突发故障是其异常停泊的原因。海事主管部门（MSA）可根据船舶水上移动通信业务识别码（MMSI）快速锁定航运公司,加强岸上船舶安全管理。船舶停泊位置和时间能够记录船舶发生故障地点及其持续时间,为船队管理提供重要依据。     

基于多源数据和船舶停留轨迹语义建模的港口目标识别

港口目标识别是海事船舶监管的重中之重,船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）所获取的船舶活动信息,可为港口目标识别提供高时相和高精度的船舶航行数据。为了探究AIS数据在港口目标识别中的应用,提出一种基于多源数据和船舶停留轨迹语义建模的港口目标识别方法。通过数据挖掘和语义信息增强构建船舶停留轨迹语义模型,识别船舶港口停留轨迹;建立基于随机森林的船舶停留方式分类模型,分类船舶泊位停留轨迹和船舶锚地停留轨迹,并利用空间逐级合并方法提取港口泊位和港口锚地;综合船舶泊位停留轨迹、道路、海岸线、水深、土地利用与土地覆盖等数据,顾及情景-领域知识实现港口目标识别。基于2017年96 790艘船舶的超8300万条AIS轨迹记录,应用本文方法识别南海研究区的港口目标。实验结果表明,本文方法对于船舶轨迹停留行为总体分类精度为0.9477, Kappa系数为0.8948。提取出南海研究区447个港口区域,与Google Earth影像叠加验证结果表明,提取结果均位于真实的港口影像内,相较于Natural Earth数据集中包含的南海区域24个港口点位,提取结果的完整性大大增强。因此,基于多源数据和船舶停留语义建模的港口目标识别方法对于港口目标识别具有较高的准确性和完整性。此外,该方法提取的港口区域可为基于遥感影像的港口目标识别提供靶区,从而提高大区域甚至全球范围内港口目标动态识别的效率。     

台湾海峡船舶定线制设计的数据空间处理与分析

船舶定线制是指定船舶在水上某些区域航行时所遵循或采用的航线、航路或通航分道的一种制度,是水上交通繁忙区域实施有效管理的主要手段,是对航路合理规划、有效利用的重要方法,代表着水上船舶航行秩序管理的发展方向。本文针对台湾海峡船舶定线制设计中对船舶交通数据的空间处理及分析需求,经过大量实测数据分析和实践验证,提出了一些符合台湾海峡船舶定线制设计的数据空间处理及分析方法,并就船舶定线制推荐方案的空间表达形式作了简要介绍。     

基于AIS数据的船舶行为特征挖掘与预测:研究进展与展望

船舶行为特征挖掘与预测是水上智能交通系统的重要研究内容,也是交通运输工程领域的关键科学问题。为系统研究基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）数据的船舶行为特征挖掘与预测的研究现状与发展趋势,本文首先针对Web of Science(WOS)和中国知网（China National Knowledge Infrastructure, CNKI）收录的文献,用知识图谱分析软件VOSviewer对文献关键词进行处理,从文献计量学的角度生成高频关键词的聚类图谱和趋势演化。然后对基于AIS数据的水上交通要素挖掘、船舶行为聚类和船舶行为预测3个主题的研究内容、方法、存在问题进行了系统分析和展望,研究结果表明：① 在基于AIS的水上交通要素挖掘方面,主要集中在对AIS数据中表征船舶行为空间特征和交通流的时间特征单独挖掘分析,缺乏对AIS数据的时间、空间以及环境因素特征的关联挖掘,对于如何进行交通要素的关联融合挖掘研究还有待深入探索;② 在船舶行为聚类方面,研究主要是运用无监督聚类方法研究船舶航迹点和航迹段聚类,得到船舶航行行为模式的时空分布和船舶操纵意图辨识模型,然而融合多维特征的船舶轨迹的相似性计算方法、聚类参数的自适应选取以及船舶行为的语义特征建模有待进一步研究;③ 在船舶行为预测方面,主要集中在基于动力学方程、传统智能算法和深度循环神经网络的船舶行为预测研究,考虑船舶行为的随机性、多样性和耦合性的特点,运用混合神经网络模型以及神经网络与向量机、注意力机制相结合的模型实现多维的船舶航行行为特征的实时预测将是新的研究方向。最后提出了基于语义模型的船舶行为特征挖掘、基于深度卷积神经网络的船舶行为的预测和基于知识图谱的船舶行为特征挖掘和预测结果可视化等有待进一步研究的方向。     

基于特征概率函数的双阈值分割海面溢油检测

 海面溢油对生态环境造成了严重危害,故及早发现和尽快处理对降低事故影响和经济损失起着至关重要的作用。合成孔径雷达(SAR)是观测海面溢油、快速检测和事故态势分析判断的有效技术途径。本文针对SAR图像的海面溢油检测,提出了一种特征概率函数的双阈值分割方法。首先,通过高低阈值分割提取不同层次的灰度信息,再利用密度估计提取灰度的空间分布信息,然后,通过构建概率函数对油膜和类油膜区域进行形态学分类,最后,结合辅助信息,获得最终的海面溢油检测结果。本文利用香港中文大学卫星地面站接收的ENVISAT ASAR图像开展实验,结果表明,本文提出的方法能够准确地排除由风场或者水流场导致的低散射区域,有效地检测和识别生成不久的中型油膜,从而有助于溢油事故的早期预警与处置。     

基于SAR和AIS的角度最近邻数据关联方法

提升海上态势感知能力是构建智慧海洋的重要环节。针对目前海上目标研究单源传感器存在感知盲区,多源传感器数据关联易受杂波干扰、在密集区表现不佳等问题,本文基于合成孔径雷达(SAR)和船舶自动识别系统(AIS)数据,提出一种抗干扰性强的角度最近邻数据关联方法,充分利用SAR与AIS船舶目标的空间角度关系,提高船舶目标在密集区域点迹关联的准确性。首先,对AIS数据进行时空滤波,实现数据粗关联,构建关联分析的数据候选集;然后,从时空数据的空间关系角度出发,在灰狼优化和匈牙利算法的启发下,利用点迹对特征向量矩阵进行运算,实现对多源空间数据的优化关联;最后结合数据几何关系对结果进行置信度评估。本文选取5幅SAR影像与AIS数据进行实验,并基于SAR影像数据及船舶轨迹点分布密度设计仿真实验,结果表明,本文所提出的角度最近邻数据关联方法,在密集分布情况下,关联精度为传统NN、GNN算法的3.62和4.61倍,运行时间为1.69 s,相较于NN算法仅增长1.36 s,仅占GNN运行时间的0.49%,在运行时间增长不大的情况下具有更强的抗干扰能力,在密集区域仍能取得较好的关联效果。     

重要经济发展区域间海运网络时空演变特性分析

“海上丝绸之路”沿线国家（MSR）、金砖国家（BRICS）、美日韩（AJK）是重要经济发展区域。研究其海运网络的时空演变规律有助于国家层面的贸易竞争均衡分析,对海运战略科学部署和智慧应对具有十分重要的意义。AIS（Automatic Identification System）数据具有实时性,且已基本覆盖全球港口的近海区域,能为海运网络提供及时分析的数据支撑。本文利用AIS数据挖掘MSR、BRICS、AJK的运输网络时空演变规律,结果表明,MSR散货、集装箱、油轮的内部网络结构的变化明显大于AJK和BRICS,说明“一带一路”倡议促进了MSR的内部海运贸易;MSR、AJK和BRICS的外部网络结构变化2013-2016年都较大,说明“一带一路”倡议的实施期间,MSR、AJK和BRICS 3个区域之间的海运贸易变化较大;3个区域的集装箱、油轮吞吐量加权的内外部海运网络结构2015-2016年较2013-2014年更为稳定,随着“一带一路”倡议的实施,这3个区域内部和区域之间的吞吐量加权海运网络结构变化幅度逐步减小。“一带一路”倡议对不同的经济发展区域的影响不同,对MSR的内外部海运网络结构都产生了一定影响,对BRICS散货、集装箱、油轮型海运网络的影响呈现差异化特征,对AJK内部海运网络没有影响,对AJK的外部网络产生了部分影响。提高MSR的海运贸易吞吐量,提升MSR在海运网络中的贸易地位,仍是当前的发展重点。     

基于海事大数据的港口感知计算

随着港口信息化建设的推进,积累了大量来源多样、结构各异的海事大数据,为了解港口城市的生产力和区域经济发展水平提供了新的契机。本文综合介绍了作者近期关于如何利用海事大数据进行港口感知计算的工作,给出了一个基于海事大数据的港口感知计算框架,利用船舶GPS轨迹、船舶属性、港口地理信息和港口设施参数等多源异构海事大数据,估算出一系列反映港口生产力的指标,从而对港口进行综合评价和比较。首先,利用船舶轨迹和港口地理信息数据,自动检测船舶在港口码头中的靠泊装卸事件;然后,利用船舶属性和港口设施数据,自动估计出每次靠泊装卸事件的货物吞吐量;最后,对各个港口码头的靠泊船数和货物吞吐量进行统计,从而计算出一系列港口生产力指标,包括到港船数、货物吞吐量、码头作业效率和泊位利用率等。在2011年的海事大数据上的实验结果表明,本框架能准确地估算出上述港口生产力指标。同时,以香港为例对上述港口的生产力指标进行分析,探讨基于海事大数据的港口感知计算框架在提高港口生产效率、优化海运航线中的积极作用。     

AIS数据在集装箱港口服务效率的应用研究

港口是物流供应链中的核心环节,港口服务效率会决定整个物流供应链的效率。本文提出了一种基于海量船舶AIS（Automatic Identification System）轨迹数据的港口服务效率计算框架,利用集装箱船舶AIS轨迹、港口地理信息等海事大数据,采用滑动窗口算法等数据挖掘方法判断船舶在港内的状态,估算出反映港口服务效率的AWT/AST指标,从时间维度对港口服务效率评价,为港口管理运营部门和航运公司决策提供参考。并以上海港、宁波港、深圳港、釜山港为例,采用2018年全年全球5600余艘集装箱船舶的AIS轨迹数据,量化评价4个亚洲集装箱港口的服务效率。结果显示:① 船舶抵港泊位作业时间近似正太分布,正太分布均值在14~18 h之间,船舶泊位作业时间集中在10~30 h;② 船舶泊位作业时间与船舶船型大小成正相关,船型越大则泊位作业时间越长;③ 32%的船舶抵达上海港会发生等待时间,体现上海港集装箱码头整体处于供不应求的状态。宁波港整体服务效率较高,船舶发生等待事件较少。作为区域性枢纽港,釜山港近洋区域性运输频繁使得釜山港抵港船舶频率较高。④ 洋山四期码头为自动化码头,其港口装卸工艺与其他码头不同,但其码头作业效率并未高很多。     

Parameterized first-guess spectrum method for retrieving directional spectrum of swell-dominated waves and huge waves from SAR images

A method to retrieve ocean wave spectra from SAR images, named Parameterized First-guess Spectrum Method (PFSM), was proposed after interpretation of the theory to ocean wave imaging and analysis of the drawbacks of the retrieving model generally used. In this method, with additional information and satellite parameters, the separating wave-number is first calculated to determine the maximum wave-number beyond which the linear relation can be used. The separating wave-number can be calculated using the additional information on wind velocity and parameters of SAR satellite. And then the SAR spectrum can be divided into SAR spectrum of wind wave and of swell according to the result of separating wave-number. The portion of SAR spectrum generated by wind wave, is used to search for the most suitable parameters of ocean wind wave spectrum, including propagation direction of ocean wave, phase speed of dominating wave and the angle spreading coefficient. The swell spectrum is acquired by directly inversing the linear relation of ocean wave spectrum to SAR spectrum given the portion of SAR spectrum generated by swell. We used the proposed method to retrieve the ocean wave spectrum from ERS-SAR data from the South China Sea and compared the result with altimeter data. The agreement indicates that the PFSM is reliable.     

基于少量控制点的Radarsat-2影像快速几何纠正技术研究

Radarsat-2卫星依据其搭载的GPS接收机可实现3倍中误差小于60m的精确实时定轨。由此本文提出依据其影像元数据信息实现快速几何纠正的方法,该方法利用少量的几个控制点来消除Radarsat-2影像与待纠正参考系间的系统误差,从而实现Radarsat-2影像的快速几何纠正。本文并依据SAR斜距成像原理的纠正公式和实地采集的GPS数据,验证了元数据中所提供RPF模型的内部精度和外部符合精度。通过实验验证了本快速纠正技术可以获得中误差小于2个像素的平面几何纠正精度。     

基于面向对象方法的Sentinel-1A SAR在洪水监测 中的应用

开展Sentinel-1A SAR数据在洪水淹没范围提取和水体变化监测方面的应用研究,对科学有效地管理洪涝灾害有重要意义。合成孔径雷达以其不受天气影响、能穿透云层、覆盖面积广等特点成为灾害监测的重要数据来源。面向对象的方法能有效解决影像的椒盐现象被广泛运用于信息提取研究。本文基于Sentinel-1A SAR数据,利用面向对象的方法构建洪水淹没范围提取流程,绘制灾前、灾中、灾后水体变化监测图,对比分析基于传统像元的提取方法,实现对广西临桂会仙岩溶湿地区域不同时期洪水动态监测。研究表明,Sentinel-1A SAR数据在洪水监测领域有巨大的应用潜力,相较于传统基于像元的方法,面向对象的方法能有效抑制杂斑生成,提高空间信息的利用效率,具有更好的提取精度。     

海上主航迹带边界统计推断与海西航路警戒区布局优化分析

台湾海峡是东北亚各国与东南亚、印度洋沿岸各国间的海上捷径,其交通主流是通行海峡的南北向航次,然而海峡两岸启动大三通后,穿越海峡的客货运船舶日益增多,导致闽台直航航次与台湾海峡南北干线主交通流交叉现象凸显,台湾海峡西侧水域冲突日益加剧。本文根据船舶轨迹观测数据,抽样出通行海峡南北及横穿海峡的航次样本,应用轨迹栅格化方法建立统计推断模型,以概率形式表达南北干线、两岸直航的海运利用分布,推断出2种交通流的主航迹带,识别南北向交通主流与两岸直航交通支流的显著冲突区,以此调整现有警戒区设置方案。研究结果表明：轨迹统计推断法能定量化分析海西现有交通流模式,易于辨识横越海峡的船舶与通行海峡在航船舶的冲突区中心,为优化警戒区布局提供有效的方法支撑;调整后的海西警戒区中心可与台湾本岛西岸港口外侧的直航船舶通过点对接,形成海峡两岸直航的固定航线,可降低台湾海峡船舶冲突隐患,规范台湾海峡的船舶交通秩序。     

Underwater topography detection of Taiwan Shoal with SAR images

Under suitable conditions of tidal current and wind, underwater topography can be detected by synthetic aperture radar (SAR) indirectly. Underwater topography SAR imaging includes three physical processes: radar ocean surface backscattering, the modulation of sea surface short wave spectrum by the variations in sea surface currents, and the modulation of sea surface currents by the underwater topography. The first process is described usually by Bragg scattering theory because the incident angle of SAR is always between 20°–70°. The second process is described by the action balance equation. The third process is described by an ocean hydrodynamic model. Based on the SAR imaging mechanism for underwater topography, an underwater topography SAR detection model and a simplified method for its calculation are introduced. In the detection model, a two-dimensional hydrodynamic model — the shallow water model is used to describe the motion of tidal current. Due to the difficulty of determining the expression of SAR backscattering cross section in which some terms can not be determined, the backscattering cross section of SAR image used in the underwater topography SAR detection is pro-processed by the simulated SAR image of the coarse-grid water depth to simplify the calculation. Taiwan Shoal, located at the southwest outlet of Taiwan Strait, is selected as an evaluation area for this technique due to the occurrence of hundreds of sand waves. The underwater topography of Taiwan Shoal was detected by two scenes of ERS-2 SAR images which were acquired on 9 January 2000 and 6 June 2004. The detection results are compared with in situ measured water depths for three profiles. The average absolute and relative errors of the best detection result are 2.23 m and 7.5 %, respectively. These show that the detection model and the simplified method introduced in the paper is feasible.     

Monitoring cyanobacteria-dominant algal blooms in eutrophicated Taihu Lake in China with synthetic aperture radar images

Monitoring algal blooms by optical remote sensing is limited by cloud cover.In this study,synthetic aperture radar(SAR) was deployed with the aim of monitoring cyanobacteria-dominant algal blooms in Taihu Lake in cloudy weather.The study shows that dark regions in the SAR images caused by cyanobacterial blooms damped the microwave backscatter of the lake surface and were consistent with the regions of algal blooms in quasi-synchronous optical images,confirming the applicability of SAR for detection of surface blooms.Low backscatter may also be associated with other factors such as low wind speeds,resulting in interference when monitoring algal blooms using SAR data alone.After feature extraction and selection,the dark regions were classified by the support vector machine method with an overall accuracy of 67.74%.SAR can provide a reference point for monitoring cyanobacterial blooms in the lake,particularly when weather is not suitable for optical remote sensing.Multi-polarization and multi-band SAR can be considered for use in the future to obtain more accurate information regarding algal blooms from SAR data.     

合成孔径雷达星座发展综述

自1978年第一颗星载SAR——Seasat-A发射以来,世界主要航天大国相继发射了多颗SAR卫星。几十年来,星载SAR传感器的性能不断提高,向着高分辨率、多极化、多模式和星座化等趋势发展。德国和意大利分别完成了SAR-Lupe(5颗)和COSMO-Sky Med(4颗)SAR卫星星座的布署,用于军事侦察或军民两用,欧空局和加拿大也正在积极开发SAR星座任务,甚至一些商业公司也开始研发小卫星SAR星座。SAR星座能够显著提高对地观测能力,既可以通过编队飞行进行双/多站、多角度或干涉成像,还可以通过多星组网大大缩短重访周期,满足对重点区域的密集观测需求。在SAR传感器和卫星平台都越来越小型化、低成本的背景下,星座组网正成为SAR对地观测发展的主要方向之一。     

基于TCP-InSAR的采动区铁路动态沉降监测与时序分析

为高效获取采动区长时间序列形变，监控煤炭开采对矿区铁路的影响，研究一种基于TCP-InSAR(temporarily coherent point interferometric synthetic aperture radar)的采动区铁路形变监测方法。该方法根据时间序列SAR影像间的相干性，选取临时相干点构建Delaunay三角网，并通过离群值探测去除具有相位模糊度的TCP间的弧段，最后采用最小二乘解算得到区域地表变形。实验使用2016-10~2017-04时间段内的15景Sentinel-1A数据，利用TCP-InSAR技术获得某矿区的铁路形变。结果表明，受采动影响，该时间段内铁路最大下沉值为95 mm，最大倾斜坡度为0.37‰。利用TCP-InSAR技术可实现采动区内铁路长时间的动态形变监测。     

基于无人飞行平台的小型Ka波段合成孔径 雷达系统研制

无人飞行平台具有滞空时间长、使用维护方便等优点,在军事侦查打击、国土资源普查、灾害监测等领域的应用日益广泛。合成孔径雷达是一种二维成像雷达,能够得到类似光学图片的雷达图像,具有全天候、高分辨率、宽检测范围等优点,是无人飞行平台的重要载荷之一。然而,受限于无人飞行平台相对较小的空间与负载能力,雷达载荷必须向小型、轻量以及低功耗等方面发展。Ka波段电磁波信号具有波长短、带宽大、关键微波器件的体积小等特点,适合应用于高分辨率微小型雷达载荷。2015年中国科学院电子学研究所面向中小型无人飞行平台,开展了研制的小型高分辨率Ka波段合成孔径雷达工作,并通过试飞验证了雷达性能。本文研究了Ka波段SAR雷达系统各项关键技术,介绍了雷达系统及关键模块设计方案、雷达各工作模式的参数设计和实时成像算法,展示了该雷达在轻型飞行平台上获得的高分辨率飞行图像,并对图像进行了指标分析。试验结果表明：该Ka波段雷达系统成像清晰,图像分辨率优于0.2 m,满足设计指标要求;实测雷达重量低于10 Kg,峰值功耗小于100 W,适用于轻小型无人飞行平台。