[發明專利]一種基于淺水多波束水深數據的水下目標實時分割方法及應用

在審

• 申請號: 202110569967.1
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113567968A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 胡俊;李治遠;豆虎林;吳永亭
• 申請（專利權）人: 自然資源部第一海洋研究所
• 主分類號: G01S7/539
• 分類號: G01S7/539;G01S7/527;G01S7/536;G01S7/56;G01S15/93
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 鄭艷春

本發明公開了一種基于淺水多波束水深數據的水下目標實時分割方法，采用RANSAC平面分割去掉地形背景再結合歐式距離聚類能夠有效分割如石塊、沉船、木頭等水下目標，在分割前和分割后都需要進行濾波處理，根據水深結合多波束系統參數合理地設置閾值是分割成功的關鍵。本發明實現了利用走航多波束快速檢測水下障礙物的目的。第五代淺水多波束系統具有高分辨率、高精度等特性，能夠探測厘米級的水下目標，目前關于聲吶的探測基本上都是基于圖像的檢測，本發明直接基于水深點數據進行檢測并三維重構，在顯示上較二維圖像更直觀。本發明克服了人工目視尋找目標的缺陷，能夠精確給出目標的三維屬性并顯示和標記，有效地提高了水下目標探測的效率。

技術領域

本發明涉及水底地形觀測和水下目標探測技術領域，具體涉及一種基于淺水多波束水深數據的水下目標實時分割方法及應用。

背景技術

隨著長江流域經濟的快速發展，長江已成為世界上通貨量最大、運輸最為繁忙的通航河流，為了維護長江航道通航能力，如何快速高效地進行水下礙航物探測和清理是實現長江航道運力最大化的保障之一。以Kongsberg EM2040、Reson T50P、Sonic2024為代表的第五代淺水多波束測深系統普遍具有寬覆蓋、高精度、高分辨率等特點，不僅能獲得精細的水下地形，還能實現航行障礙物探測、水下建筑物監測、水下物體搜尋、水下清淤掃測等目的，多波束水下測量技術已成為長江航道“數字航道”建設的核心測量技術。

目前，基于多波束的水下目標自動化探測大多利用后向散射圖像和水體圖像數據在后處理時進行，且識別率低，還沒有多波束硬件和軟件利用水深點數據進行實時目標探測的應用。基于三維激光點云的目標識別和重建技術在地面測量中已獲得廣泛應用，而淺水多波束系統同樣能獲得水下目標的高密度點云且分割目標通常較為單一，分割場景簡單，但是目前僅用于定性分析，主要通過測量員利用顯示軟件目視找出目標位置。

點云分割是根據點云的空間、幾何和紋理等特征對點云進行劃分，使得同一劃分點云具有相似特征，目前點云的分割方法主要有基于邊的方法、基于面的方法、基于聚類的方法和混合分割方法，其中基于邊的分割方法優點是速度快，對明顯邊界識別能力強，但是容易受測量噪聲影響，因此不適用于多波束的點云分割；基于面的分割方法主要有區域生長法和RANSAC隨機抽樣一致性算法，這兩種算法都比較依賴給定的平面分割閾值，區域生長法需要設定法線角度差和曲率兩個閾值，而RANSAC算法需要設定離群點到擬合平面的容忍距離；區域生長法能一次性分割出多個平面特征，對規則平面如四四方方的建筑物等分割較好，但是難以處理噪點較多且凹凸不平的地面，因此不適用于多波束的點云分割。基于面的分割方法的缺陷是無法分割出非平面特征，對于多波束數據，平面分割能區分水下的平坦地形背景和混合目標，但是無法將多個目標分割開來。基于聚類的方法利用點云的局部幾何特征參數，例如高斯曲率、平均曲率、法矢量、坐標、距離等進行聚類，為了加速鄰域點的搜索，通常采用KD-tree進行索引，但是聚類算法對噪聲敏感。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：

1、目前，使用多波束掃海技術自動尋找水下目標的方式主要是利用二維圖像數據，還沒有利用三維水深點數據進行水下目標分割和探測的應用。

2、多波束水深數據大多存在噪點，給水下目標的分割造成了極大阻礙。

發明內容

本發明的技術任務是針對現有技術的不足，提供一種基于淺水多波束水深數據的水下目標實時分割方法及應用，能夠解決利用多波束進行水下目標掃測依賴人工目視檢測的問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

1、本發明提供一種基于淺水多波束水深數據的水下目標實時分割方法及應用，包括如下步驟：

S1、實時接收30～50ping多波束原始數據至緩沖區并進行波束點歸位計算；

S2、采用半徑濾波器，以平均水深的3％～5％作為濾波半徑對緩沖區內的水深點進行大尺度噪點濾波；