靠泊船舶的多點(diǎn)離岸距離提取技術(shù)

李穎， 盧曉東， 陳晨

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

傳統(tǒng)的船舶靠泊中，船舶靠泊分為自力靠泊、拖輪協(xié)助靠泊、智能靠泊3種方式。自力靠泊主要依靠船舶自身控制設(shè)備進(jìn)行靠泊，僅適合在良好氣象條件下的小型船舶；拖輪協(xié)助靠泊主要依靠船舶和拖輪的配合進(jìn)行靠泊，是現(xiàn)在中大型船舶靠泊的主流方式；智能靠泊主要依靠對(duì)傳入船岸距離信息的分析判斷，對(duì)船舶和拖輪進(jìn)行控制操縱，現(xiàn)在正處在探索實(shí)驗(yàn)階段[1-3]。但無(wú)論哪種方式，船泊在靠泊階段都必須精確地確定船岸距離信息。因?yàn)楫?dāng)船舶以低速接近碼頭時(shí)，舵效減弱，更易受風(fēng)、流的影響，容易失速或靠泊角度過(guò)大，使平行靠泊執(zhí)行起來(lái)更加復(fù)雜，要想避免船舶碰撞，船舶必須跟船岸距離信息盡可能接近平行靠泊，同時(shí)保持穩(wěn)定緩慢的靠泊速度[4]。傳統(tǒng)的船舶靠泊主要依靠引航員、船長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)船岸之間的距離信息進(jìn)行估計(jì)，容易產(chǎn)生較大的偏差，而越來(lái)越大型化船舶在港口操縱的難度也逐漸增加，偏差所帶來(lái)的危害也不斷增加，隨之而來(lái)的就是越來(lái)越高的靠泊事故率[5-6]。

港口的典型非接觸式測(cè)距方法有激光測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距等。雷達(dá)測(cè)距在惡劣、復(fù)雜的環(huán)境下，能進(jìn)行近距離、高精度測(cè)量，但容易受電磁波干擾；超聲波測(cè)距適用范圍廣、分辨率高、成本低、不受煙霧等因素的影響，但其測(cè)距作用距離較短[7-8]。激光測(cè)距具有高精度、高亮度、高效率、高更新率、高視覺(jué)可用性，還有單色性、方向性、相干性，且對(duì)云霧有一定穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)[8-13]，適合港口復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境。

早期利用激光技術(shù)來(lái)進(jìn)行船岸的測(cè)距，雖然檢測(cè)精度較高，但是點(diǎn)式激光尋找目標(biāo)困難，近年來(lái)，三維激光設(shè)備快速發(fā)展，一定程度解決了點(diǎn)式激光檢測(cè)方法尋找目標(biāo)難的問(wèn)題，并能夠提取船岸部分距離信息，但其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法不具有普適性，所提取船岸距離信息不夠全面，且需要大量的人工操作[14-15]。本文設(shè)計(jì)了基于激光三維點(diǎn)云對(duì)船舶多點(diǎn)離岸距離的信息提取模型。

1 船舶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)、高精度立體掃描技術(shù)，不受光照限制，利用激光測(cè)距原理，能夠不接觸被測(cè)物體，高速地獲取測(cè)量對(duì)象表面密集的空間信息，快速生成復(fù)雜場(chǎng)景的三維點(diǎn)云模型[16]，又被為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。

近年來(lái)，脈沖式設(shè)備的點(diǎn)云獲取速度達(dá)到5×104點(diǎn)/s以上，相位式設(shè)備的點(diǎn)云獲取速度達(dá)到50×104點(diǎn)/s以上[17]，徠卡公司生產(chǎn)的新一代超高速三維激光掃描系統(tǒng)的掃描速率達(dá)到了100×104點(diǎn)/s，能在短時(shí)間獲取大量有效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此外，以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)的輕小型設(shè)備迅速發(fā)展，Riegl公司研制的集成VUX的低空無(wú)人旋翼機(jī)掃描系統(tǒng)、測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的低空無(wú)人直升機(jī)掃描系統(tǒng)Heli-Mapping的出現(xiàn)[18]，能夠在多角度對(duì)船舶進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，一定程度上解決了單一視角、單一平臺(tái)的觀測(cè)范圍有限的問(wèn)題，能夠提供物體更加全面、精確的三維點(diǎn)云信息[19]。對(duì)于船舶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，測(cè)量時(shí)要做儀器的檢查，積極分析外部環(huán)境，規(guī)避影響因素，強(qiáng)化人員操作，實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量的專業(yè)性，減小測(cè)量誤差[20]。如圖1所示，將設(shè)備盡量安置在靠泊碼頭泊位岸基的中間邊緣處，使得設(shè)備視角中心線位于靠泊船舶的船中位置，這樣有利于最大化三維激光設(shè)備的視野范圍，獲取盡量多有效的船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 系泊時(shí)的“育鯤輪”Fig.1 “YU KUN” at mooring

2 船舶多點(diǎn)離岸距離的信息提取

本文基于靠泊船舶的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種靠泊船舶的多點(diǎn)離岸距離信息提取模型，該模型更新一幀的船岸距離信息的流程主要分為信息輸入、點(diǎn)云預(yù)處理、距離信息提取、信息輸出4個(gè)步驟。

2.1 船舶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于很多現(xiàn)實(shí)的條件限制，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的視點(diǎn)并不是理想的視點(diǎn)，以三維激光設(shè)備視點(diǎn)為基準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)系需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。如圖2所示，首先將實(shí)際三維激光設(shè)備的坐標(biāo)系遵循右手法則，分別繞z軸、y軸、x軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)α°、β°、γ°。即坐標(biāo)系上的點(diǎn)云坐標(biāo)遵循左手法則，分別繞z軸、y軸、x軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)α°、β°、γ°，然后將旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系延z軸負(fù)方向、x軸正方向、y軸正方向平移Δz、Δx、Δy，即坐標(biāo)系上的點(diǎn)云坐標(biāo)延z軸正方向、x軸正方向、y軸正方向平移Δz、-Δx、-Δy，使理想o與岸基線中點(diǎn)重合，理想xoy面與碼頭岸基平面重合，理想xoz面與碼頭岸基鄰水側(cè)面重合，理想yoz面與碼頭水域中線面重合，就此完成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)從設(shè)備坐標(biāo)系到理想坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。實(shí)際坐標(biāo)系的點(diǎn)preal(p=(px,py,pz))與理想坐標(biāo)系的點(diǎn)pideal能夠通過(guò)矩陣實(shí)現(xiàn)相互的旋轉(zhuǎn)變換。

pideal與preal的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(1)

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

隨著三維激光設(shè)備不斷地發(fā)展，最終獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)量越來(lái)越多，存在著大量的冗余數(shù)據(jù)。例如岸基上的固定設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)于船舶多點(diǎn)離岸距離的獲取會(huì)起到反作用。如圖3所示，精簡(jiǎn)前有I個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中有大量的冗余，通過(guò)設(shè)置泊位的空間范圍(xb min,xb max)、(yb min,yb max)、(zb min,zb max)，將I個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)為J個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減少占用了計(jì)算機(jī)內(nèi)存，提高后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的速度增加數(shù)據(jù)提取的時(shí)效性。

(2)

圖2 設(shè)備坐標(biāo)系到理想坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換Fig.2 Transformation from the device coordinates to the ideal coordinates

圖3 船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)前后結(jié)果Fig.3 Raw point cloud date and simplified point cloud data of the ship

2.2 船舶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理及輸出

2.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的切割

船舶為減小航行阻力，船殼被設(shè)計(jì)成流線型，因此船殼上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，不容易出現(xiàn)局部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，但是船殼曲率大(艏舷等)處、近水面處，容易出現(xiàn)大片的點(diǎn)云缺失；主甲板上的上層建筑表面非流線型，且有玻璃等影響因素，點(diǎn)云數(shù)據(jù)容易局部缺失。為在盡可能小的點(diǎn)云處理范圍內(nèi)，獲取盡可能全面的船舶多點(diǎn)離岸距離信息，理想的點(diǎn)云處理范圍為主甲板下方的船殼附近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和船舯處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是不同噸位、類型的船舶主甲板的高度和船舯處位置并不是一個(gè)固定的值。為盡可能解決上述問(wèn)題，本文在虛擬邊緣法[21]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了船舶點(diǎn)云條狀切割法，方法將靠泊船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)等分為若干區(qū)域，點(diǎn)云數(shù)量多的區(qū)域更可能包含更豐富船舶離岸距離信息，也就是更可能為理想的點(diǎn)云處理區(qū)域。

點(diǎn)云條狀切割法(圖4)步驟如下：

黍子對(duì)土壤和茬口要求不嚴(yán)，除嚴(yán)重鹽堿地及低洼易澇地以外均可種植。在粘性土壤種黍子，由于土壤結(jié)構(gòu)緊密，扎根困難，加之黍粒小，內(nèi)含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)少，造成缺苗或死苗現(xiàn)象，但這種土壤保水保肥力強(qiáng)，對(duì)黍子后期生長(zhǎng)有利。沙性土壤結(jié)構(gòu)疏松，土溫上升快，利于黍苗頂土，較適宜黍子生長(zhǎng)，但后期易脫肥旱哀，要加強(qiáng)肥料供應(yīng)。

1)設(shè)定理想點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理數(shù)量的切割閾值r(r∈R+)、間距l(xiāng)(l∈R+)、子間隔系數(shù)c(c∈R+),確定初始點(diǎn)云切割區(qū)間[tl,th]。

2)船舶精簡(jiǎn)后的J個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿坐標(biāo)軸方向按等間距l(xiāng)分為K份，各區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)量為ak，選取點(diǎn)云數(shù)量為M的區(qū)域作為候選點(diǎn)云范圍：

M=maxak,k=1,2,…,K

3)Mr,l=cl，回到步驟2)。

圖4 船舶點(diǎn)云條狀切割法的流程Fig.4 Flow chart of the strip-cutting method of point cloud data of the ship

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪

由于設(shè)備精度、操作者的經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境因素等帶來(lái)的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些噪點(diǎn)，這些點(diǎn)夾雜在點(diǎn)云處理范圍內(nèi)，會(huì)讓船長(zhǎng)、引航員、智能靠泊系統(tǒng)對(duì)船舶的方位距離信息產(chǎn)生誤判斷，所以要對(duì)船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪，將噪點(diǎn)剔除。其中弦高差法[22]、統(tǒng)計(jì)濾波法[23]、半徑濾波法[24]對(duì)于點(diǎn)云有良好的去噪效果，而一個(gè)好的點(diǎn)云降噪算法應(yīng)該是簡(jiǎn)潔的、高效的、有較強(qiáng)魯棒性的，弦高差法在點(diǎn)云起始點(diǎn)為噪點(diǎn)情況下會(huì)將大量噪點(diǎn)保留，正常點(diǎn)云剔除；統(tǒng)計(jì)濾波法、半徑濾波法則以機(jī)器學(xué)習(xí)的經(jīng)典算法K近鄰法為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)濾波法計(jì)算每個(gè)點(diǎn)到附近的點(diǎn)的歐氏距離，半徑濾波法計(jì)算每點(diǎn)附近的一定半徑的球體內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量，2種方法對(duì)每點(diǎn)計(jì)算開(kāi)銷較大。由于船殼是流線型的，相近的點(diǎn)云的py應(yīng)該是漸變的，當(dāng)出現(xiàn)框內(nèi)py劇烈變化的點(diǎn)云時(shí)，大概率就是離群噪點(diǎn)，同時(shí)，離群噪點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)少于船舶點(diǎn)云的數(shù)量，根據(jù)以上離群噪點(diǎn)和船舶點(diǎn)云的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)中點(diǎn)去噪法。

動(dòng)態(tài)中點(diǎn)去噪法(圖5)的步驟如下：

1)設(shè)定去噪組容量B，閾值系數(shù)f(f∈R+)；

2)將點(diǎn)云范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照pt(t=x,z)值進(jìn)行升序排列，將數(shù)據(jù)分成N組，第N組所缺數(shù)據(jù)向前補(bǔ)齊；

s.t.n∈{1,2，…,N}

ε=fDa

2.2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的篩選

降噪后的靠泊船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，鄰近2點(diǎn)間隔可能只有厘米級(jí)，對(duì)船長(zhǎng)、引航員、智能靠泊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍不夠直觀，仍需要進(jìn)一步的處理。采用等距離篩選法，能夠大大減少數(shù)據(jù)的密度，使得船舶多點(diǎn)離岸信息點(diǎn)云能夠在合適距離，減少信息重復(fù)閱讀，加快船長(zhǎng)、引航員、自動(dòng)化靠泊系統(tǒng)對(duì)船岸方位距離的判斷。

如圖6所示，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的等距離篩選步驟如下：

1)設(shè)定t(t=x,z)方向的等距離差Dt。

2)從降噪后點(diǎn)云按照pt進(jìn)行降序排列，從tmax向坐標(biāo)軸的負(fù)方向方向等距離取點(diǎn)。距離外的第一個(gè)點(diǎn)選取點(diǎn)，被選取點(diǎn)自動(dòng)成為新距離起算點(diǎn)；沒(méi)有新的距離起算點(diǎn)時(shí)，選取此時(shí)范圍內(nèi)的tmin點(diǎn)作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)束點(diǎn)。

3)篩選后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按t軸方向降序輸出。

圖5 動(dòng)態(tài)中點(diǎn)去噪法的流程Fig.5 Flow chart of the dynamic mid-point denoising method

3 應(yīng)用實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文提出的模型的有效性，采用對(duì)“海洋島”號(hào)客滾船的靠泊點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，首先運(yùn)用船舶點(diǎn)云條狀切割法確定船舶點(diǎn)云處理范圍，設(shè)置初始z軸切割間隔lz=1 m，子間隔系數(shù)cz=0.1，z軸點(diǎn)云切割閾值rz=500，初始x軸切割間隔lx=10 m，子間隔系數(shù)cx=0.1，x軸點(diǎn)云切割閾值rx=200，切割效果如圖7所示，最終的點(diǎn)云處理范圍避開(kāi)了船舶點(diǎn)云缺失處，能夠自動(dòng)確定合適的船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理范圍。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的等距離篩選Fig.6 Isometric filtering method for point cloud data

圖7 船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的切割過(guò)程Fig.7 The cutting process of ship point cloud data

然后通過(guò)動(dòng)態(tài)中值去噪法剔除點(diǎn)云數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的噪點(diǎn)，去噪組容量B=3，去噪閾值系數(shù)f=5，沿pz方向切割的點(diǎn)云數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)潛在噪點(diǎn)，沿px方向切割的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的Dnb和去噪閾值ε的數(shù)值關(guān)系如圖8所示，絕大部分的點(diǎn)的Dnb遠(yuǎn)小于去噪閾值ε，最終剔除了6個(gè)潛在噪點(diǎn)。

圖8 Dnb與閾值ε的關(guān)系Fig.8 The relationship between Dnb and the threshold ε

圖9 輸出點(diǎn)位置的可視化Fig.9 Visualization of output point positions

4 結(jié)論

1)本文建立了船舶多點(diǎn)離岸距離提取模型，將三維激光設(shè)備獲取的靠泊船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)處理、距離提取、信息輸出等過(guò)程，最后提取出船舶多點(diǎn)離岸距離信息。

2)本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型能夠比較全面、精確的提取船舶不同位置的距離信息，可視化后的距離信息能更好了解船舶相對(duì)于碼頭岸基的方位、姿態(tài)、位置等信息。

3)本文提取的多點(diǎn)離岸距離信息，能幫助對(duì)靠泊作業(yè)進(jìn)行調(diào)整，使船舶更近似平行靠泊，靠泊位置更接近碼頭水域中部，留出靠泊船舶與碼頭岸基、岸基上的基礎(chǔ)設(shè)施的安全距離余量，從而提高船舶靠泊的安全系數(shù)。