珠三角内河航道电子地图的矢量化设计方法

沿海企业与科技COASTAL ENTERPRISES AND SCIENCE &TECHNOLOGY 2009年第04期(总第107期)NO.04,2009(Cumulatively NO.107)珠三角内河航道电子地图的矢量化设计方法赖云灵，王贵恩，孙永林［摘要］文章根据珠三角内河航运的特点，提出应用数字图像处理技术，进行内河航道矢量化电子地图设计和制作的方法。

该方法采用区域平均滤波和航道曲线插值拟合等算法，按照“点线面”三个图层采集航道地理信息数据，自动形成矢量化的航道地理信息数据库。

在此基础上，建立珠三角内河航道电子地图开发系统，并完成了珠三角航道电子地图的矢量化和地理信息的数据采集。

试验结果表明，所开发的珠三角内河航道电子地图，精度良好、界面清楚、运算效率高、数据库的更新和维护简便，能满足内河船舶监控和预警的实际应用要求。

［关键词］珠三角内河航道；电子地图；矢量化；设计；监控［基金项目］广东省交通厅科技项目“内河船舶监督预警通信管理系统”(编号：2005-12)［作者简介］赖云灵，广东交通职业技术学院讲师，研究方向：电子地图和船舶预警系统，广东广州，510800；王贵恩，广东交通职业技术学院副教授，研究方向：控制系统与模式识别，广东广州，510800；孙永林，广东交通职业技术学院副教授，研究方向：计算机应用，广东广州，510800［中图分类号］TP391［文献标识码］A［文章编号］1007-7723（2009）04-0024-0003一、引言珠江三角洲毗邻港澳，地缘优势得天独厚，其内河航运在华南地区综合运输体系中扮演着非常重要的角色,是广州、深圳等沿海港口的主要集疏运方式，主要为沿海港口服务，其中广州港约1/3的集疏运任务由内河承担。

根据广东省内河航运发展规划，“十一五”期间，广东省将建设和完善以“三纵三横三线”为骨干航道的珠江三角洲现代化航道网。

计划至2010年，1000吨以上内河航道里程达到1080公里，约占全省内河航道里程的9％。

珠三角内河航道的重要性和发展前景不言而喻。

内河电子地图是航运管理部门对内河航道进行日常管理、水上安全监管等工作的重要基础资料。

在内河船舶监督预警通信管理系统中，设计和制作内河航道矢量电子地图是管理软件子系统的一个重要组成部分。

目前电子地图的设计在陆地交通的应用较广泛，但由于内河航道地理复杂，范围广泛[1][2]，而现有的内河航道特别是珠江三角洲地区，电子地图未完全实现矢量化，且成本高昂，不能满足本系统的应用要求，因而自主开发了珠三角内河航道电子地图矢量化设计方法，通过图像处理的算法，按“点线面”三个层面采集数据，实现在小区域的航道图能够自主采集河道地理数据，并形成矢量化的航道电子地图。

图像处理是从三维环境的图像抽取、描述和解释信息的过程，可以划分为感觉、预处理、分割、描述、识别和解释6个主要部分[3][4]，而电子地图的设计分为数字化预处理和矢量化两个作业流程[5]。

按照上述流程，通过不同的算法和数据库，开发完成了珠三角航道电子地图，该方法也可应用于其他内河航道电子地图的设计。

二、航道地图的预处理获取理想的高质量图像是进行图像处理与分析的重要一步，采用非矢量化的内河航道平面图（可由高精度纸质航道图扫描获得），通常包含各种各样的随机噪声和畸变，可采用图像预处理技术，增强高层次视觉的分析和识别能力。

对原始图像中的噪声和畸变进行消除或修正，突出有用信息，抑制无用信息，使输出图像的质量得到一定程度的改善，便于计算机对图像分析、识别和理解。

（一）处理窗口和阈值的确定为提高系统处理速度，可采用缩小处理窗口的方法，以去除冗余信息，减小后续处理的数据量。

缩小窗口就是要找出一个完整包含航道图像又尽可能小的矩形。

此矩形由左上角LeftTop （ilt ，jlt ）和右下角RightBottom （irb ，jrb ）确定。

本系统中采集的每幅地图的经纬度区间为30′×20′，为适应计算机屏幕，按照每分18个像素点计算，则每幅图像像素点为540×360，数据量约为512KB 。

在窗口的确定过程中，首先必须区分本区域航道点和背景点，利用像素灰度级对像素进行分类，这是基于假设图像中每个区域是由许多灰度级近24似的像素组成。

航道和背景灰度级有明显的差别时，在图像的灰度直方图中会有明显的峰值，只要适当选取阈值，即可对图像进行分割。

灰度直方图是用以表示图像灰度分布统计特性的图表，它包含图像丰富的信息。

（二）自调整阈值法由于扫描航道图时光照条件的影响，航道平面图中存在灰度值差异，所以应根据灰度值差异自动调整阈值T，其选择方法是求出背景最大灰度值Fbmax，再加上估计标准差δ，即T=Fbmax+δ。

设背景图像的灰度直方图中，每个灰度级出现的频数为P（i），则在P（i）不为0的灰度级中最大的一个为Fbmax。

（1）其中X∈[0,1,2,…255],EX为样本X的数学期望，EX2为X2的数学期望，DX为方差。

（三）图像滤波实际获得平面航道图都会受到干扰而含有噪声。

引起噪声的原因很多，例如数字化过程中的量化噪声。

图像在生成和传输过程中，也会受到各种噪声的干扰和影响使图像的质量变差[6]。

反映在图像上，噪声使原本均匀和连续变化的灰度突然增大或减小，形成一些虚假的边缘轮廓，或者表现为一些孤立的像素点，其灰度值与其邻域像素的灰度值有显著不同。

为降低噪声对地图精度的影响，采用领域平均法对图像进行滤波处理。

领域平均法是一种局部空域处理算法，设一幅图像F（x,y）为M×N的阵列，滤波后的图像为G （x,y），它的每个像素的灰度值由其领域像素灰度值的平均值决定，即（2）式中x=0,1,…,M-1，y=0,1,…,N-1，S是以x、y 为中心的领域的点的集合，m是S内的总点数。

这种滤波算法简单、计算机速度快；但它的主要缺点是在降低噪声的同时，使图像的边缘模糊。

为了减小这种效应，可采用阈值法，根据下列准则形成滤波的图像：（3）式中T′是一个规定的非负阈值，当一点和它们的领域平均值不超过某个阈值T′时，仍保留这点的灰度值，这样使滤波后的图像比领域平均法模糊度减小。

当某些点的灰度值与各领域的灰度值差别较大时，必是噪声，则以领域平均值代替，可较好地改善滤波效果。

三、航道地图的矢量化根据图像的直方图，取代表航道线形等对象所处的灰度区域，在图像灰度变换的基础上，进行二值化和多值化处理，选择值为1的像素点，采用二次插值、三次插值等近似算法进行拟合[7]，采样并提取该点的经纬度等位置信息，实现图像的边缘追踪。

航道图的矢量化过程如图1所示，形成航道地理数据库如图2所示。

图1航道矢量化流程图25图2航道地理信息数据库航道图像近似于由椭圆和直线构成的环路，其中对于椭圆曲线的拟合，采用在插值约束条件下相邻两段曲线曲率半径r之差的平方和最小的方法[8]，即（4）上式的最小值求解采用共轭梯度法，先沿函数值下降最快的规定方向，然后沿与该方向共轭的方向进行搜索，能够迅速达到最优点。

按照上述设计原则，应用C++Builder开发了内河航道矢量化电子地图的应用软件系统，通过模拟航迹，并加以关键点的注释，较好地实现了内河航道电子地图的设计。

四、实验结果为检验所开发的珠江三角洲内河航道电子地图的精度，应用自主设计的内河船舶监控系统和船载远程终端，进行实际测试。

2008年8月，实验时以“新鹤山”号高速客轮，搭载远程终端沿珠江三角洲鹤山至香港段内河航道航行，通过GPRS移动通信网络向监控系统发送GPS位置信息，并通过监控中心实时监视内河船舶的运行轨迹，以测试系统的实际应用性能和航道电子地图的精度。

监控实验自动发送位置信息的间隔时间为1min，监控界面为自主开发的珠江三角洲内河航道电子地图。

由监控界面可以看出，内河航道电子地图（鹤山-香港段）能够较好地实时跟踪实际航迹，航道电子地图界面友好、特征突出、运算效率高、数据库的更新和维护简便，满足本项目系统的实际应用要求。

五、结语应用数字图像处理的方法，实现了内河航道电子地图的预处理和矢量化，并成功地应用于“内河船舶监督预警通信管理系统”项目。

试验结果表明，所绘制的珠江三角洲内河航道矢量化电子地图，精度和实时性满足应用要求，该方法可实际应用于内河航道电子地图的设计和制作。

目前本系统的地理信息包括航道的经纬度、障碍物、水文等，航道水深仅按平面图标注划分为4个等级，还有其他信息如桥梁、沉船等障航物的信息采样和注释还有待深入研究。

［参考文献］［1］李兴锋.基于S-57国际标准的电子地图显示与导航系统［D］.西安电子科技大学,2007.［2］沈庭芝,方子文.数字图像处理及模式识别［M］.北京:北京理工大学出版社,1997.［3］阎顺玺,王晓雷,刘严萍.导航电子地图的设计与制作［J］.交通科技与经济,2008,10（3）.［4］宁永香,刘召芹,谢彩香.基于空间认知理论的移动导航电子地图设计［J］.测绘工程,2007,16（2）.［5］李曙光,荆便顺,尹如军,等.交通电子地图设计和制作［J］.西安公路交通大学学报,2001,21（1）.［6］梅琪,哈力旦·A,帕力旦·吐尔逊.二维图像的基本处理与边缘检测［J］.新疆大学学报,2008,25（2）.［7］花存宏,曾文华,龚丽芳.通用型矢量电子地图系统的设计与实现［J］.现代测绘,2005,28（5）.［8］展益彬,林大均,安琦.图像处理中曲线矢量化的最优化算法［J］.东华大学学报,2008,34（3）.26。