船舶探测与识别

来源：https://vis-webcontent.s3.amazonaws.com/quickguides/SAR+Essentials/Ship+Detection/index.html#/

第 1 课，共 1 课

船舶探测与识别

在本快速指南中，您将：

• 打开并显示一幅地理编码的 Sentinel-1 影像。
• 使用 SAR Ship Detection（SAR船舶检测）工具自动探测船舶。
• 导入存储在 Microsoft Excel 电子表格中的自动识别系统 (AIS) 数据。
• 创建船舶位置与轨迹的 shapefile 文件。匹配 AIS 记录的船舶将使用其名称进行进一步标注。

样本数据

本快速指南中的练习使用一幅 Sentinel-1 地理编码影像进行演示。请下载下方的 ZIP 文件，并将其内容解压到您计算机上的某个目录中。

[SAREssentials_ShipDetection.zip

30.9 MB

下载箭头下方带水平线](assets/SAREssentials_ShipDetection.zip)

• 文件名：sentinel1_146_20161016_165333021_IW__VV_slc_list_geo.dat。同时包含一个 ENVI 头文件 (.hdr) 和一个 ENVI SARScape 文件 (.sml)。
• 获取日期：2016年10月16日
• 来源：欧盟，哥白尼 Sentinel-1 影像

还包括一个来自丹麦海事局的 2016 年 10 月 16 日的 AIS 数据样本文件，该文件从 AIS Data(在新标签页中打开) 网站下载。文件为逗号分隔值 (CSV) 格式。

背景知识

船舶探测包括以下步骤：

• 基于可选的参考 shapefile 或 OpenStreetMap© 海岸线掩膜陆地区域。
• 识别具有显著后向散射的目标。
• 将感兴趣的目标添加到 shapefile 文件中。

船舶探测算法基于双参数恒虚警率 (CFAR) 检测器。它是一种自适应阈值算法，用于识别后向散射显著强于周围背景的目标。在潜在目标周围会设置一个保护窗口，随后将其丢弃以避免虚假效应 (Crisp, 2004)。所有窗口在 SAR 影像上每次移动一个像素。后向散射值超过指定阈值的像素被视为目标（船舶）。它们的位置会被写入输出 shapefile 文件。

探测过程完成后，如果您在此工作流中提供了相应的 AIS 记录，则会将船舶位置与它们进行比较。AIS 是为船舶识别、跟踪和搜救行动而开发的航海数字定位系统。AIS 消息提供关于船舶身份、位置、速度、航向和其他相关信息。有关 AIS 存储库和标准的更多信息，请参阅 SAR Ship Detection 帮助主题。

数据要求

SAR Ship Detection 工具接受单视复型 (SLC) 或地理编码的 1/2/3 级数据。它还需要能够正确校准的数据。如果发现原始数据中存在不正确的校准参数，它会发出警告消息并停用固定的后向散射阈值。要重新启用后向散射阈值，您必须提供一个与影像后向散射水平一致的新阈值。

提示：要检查您的影像是否适用于 SAR Ship Detection 工具，请在 工具箱 的 SAR Essentials 文件夹中运行 SAR Compatibility Check 工具。更多信息请参阅 SAR Essentials: Check Data Compatibility 快速指南。

打开并显示 Sentinel-1 影像

您将在本练习中使用的 Sentinel-1 影像已地理编码到 WGS-84 地理坐标系。在运行 SAR Ship Detection 工具之前，您需要打开并显示该影像。

1 从菜单栏选择 文件 > 打开。将出现一个打开对话框。
2 转到您保存本快速指南样本数据的位置。
3 选择文件 sentinel1_146_20161016_165333021_IW__VV_slc_list_geo.dat，然后点击打开。影像将被添加到图层管理器并显示在图像窗口中。
4 点击工具栏中的 缩放到全图 按钮以查看 Sentinel-1 影像的完整范围。

挪威的斯卡恩镇在影像左侧可见。北海环绕着这个半岛。

运行 SAR Ship Detection 工具

1 在工具箱中，转到 SAR Essentials 文件夹并展开 Target Detection 文件夹。
2 双击 SAR Ship Detection 工具。将出现 SAR Ship Detection 对话框，从 Data Preprocessing（数据预处理）面板开始。Input（输入）选项卡处于活动状态。
3 点击 Input Image（输入影像）字段旁边的浏览按钮。
4 选择文件 sentinel1_146_20161016_165333021_IW__VV_slc_list_geo.dat 并点击打开。

5 点击 Export（导出）选项卡。
6 为 Geocoded results（地理编码结果）选择 No（否）选项。Sentinel-1 影像已经过地理编码。
7 将 Grid Size（网格大小）字段留空。
8 输出 shapefile 文件将被写入 ENVI Output Directory（输出目录）首选项中指定的目录。要指定不同的输出文件夹，请点击 Output Folder（输出文件夹）旁边的浏览按钮并选择一个不同的文件夹。

9 点击 下一步 按钮。处理完成后，将出现 Ship Detection（船舶探测）面板。

设置船舶探测参数

Ship Detection 面板列出了几个参数，您可以根据您的特定影像进行调整以获得最佳结果。根据输入影像特征提供了默认值。它们提供了一个良好的起点，并且在大多数情况下效果良好；但是，您仍然可以尝试不同的设置以改进船舶探测。

1 将 Land Mask Shape File Name（陆地掩膜形状文件名）字段留空。这是用于指定一个可选的陆地区域多边形 shapefile 文件。船舶探测算法将不处理多边形内的像素。如果您未提供 shapefile（如本练习中），工具将自动应用从 OpenStreetMap 派生的陆地掩膜。
2 保持 Land Mask Buffer Size [m]（陆地掩膜缓冲区大小 [米]）的默认值 50。将在陆地掩膜周围应用 50 米的缓冲区。
3 保持 Target Window Size [m]（目标窗口大小 [米]）的默认值 75。将使用 75 米的目标窗口来探测目标（船舶）。
4 保持 Guard Window Size [m]（保护窗口大小 [米]）的默认值 400。保护窗口包围着目标窗口。保护窗口内的像素从背景估计中排除。其目的是避免重复目标。
5 保持 Background Window Size [m]（背景窗口大小 [米]）的默认值 1000。将使用 1000 米的窗口来估计背景统计信息。

提示：供将来参考，如果您的影像中包含多艘彼此靠近的船舶，请尝试减小 Guard Window Size [m] 和 Background Window Size [m] 的值。这将增加探测到所有船舶的概率。

6 将 Minimum Ship Backscatter value [dB]（最小船舶后向散射值 [dB]）设置为 -6。这是在目标窗口中用于判断一个像素是否被视为目标（船舶）的阈值。在 Sentinel-1 影像中，接受 -2 dB 的默认值将导致每艘船有多个探测点，如下方左图所示。通常，大多数船舶在整个表面上表现出持续的高后向散射。其他船舶则表现出不一致的后向散射，如下例所示。这可能导致软件为同一艘船识别出多个点。将最小后向散射值减小到 -6 可以解决此问题。

但请记住，降低最小后向散射值可能会导致更多的误报。

7 在 Output File Prefix（输出文件前缀）字段中输入 Skagen。

8 点击 下一步 按钮。工具将前进到 AIS Matching（AIS 匹配）面板。

选择 AIS 数据

在本练习中，您将提供一个来自丹麦海事局 (DMA) 的 2016 年 10 月 16 日的 AIS 数据样本文件，该文件从 AIS Data(在新标签页中打开) 网站下载。文件为逗号分隔值 (CSV) 格式。

有关不同 AIS 存储库和格式的更多信息，请点击工具底部的蓝色帮助按钮，然后点击 阅读更多 链接以查看 SAR Ship Detection 帮助主题。如果您的 AIS 数据格式与预定义选项（如 NOAA 或 DMA）不同，本主题也解释了如何创建自定义模板。

1 点击 AIS format（AIS 格式）下拉列表并选择 ais_csv_DK。这对应于丹麦海事局 (DMA) 提供的 AIS 历史数据（CSV 格式）的结构。
2 点击 Input AIS（输入 AIS）字段旁边的浏览按钮，然后选择文件 aisdk_20161016_053-054.csv。
3 保持 Output File Prefix（输出文件前缀）字段中的 Skagen 条目。

4 点击 下一步 按钮。处理完成后，工具将前进到 Finish（完成）面板。各种 shapefile 和标注被添加到图层管理器并显示在图像窗口中：您将在下一节中检查这些图层。

检查结果

展开以下部分以了解有关每个输出图层的更多信息。

匹配点

具有匹配 AIS 记录的船舶位置存储在一个名为 Skagen_sar_ais_matched_points.shp 的点 shapefile 文件中。记录用红色十字准线符号标记，如下方第一张图所示。要查看船舶名称和标记符号，请在图层管理器中打开相关的图层。

匹配轨迹

匹配 SAR 探测到的船舶的 AIS 轨迹存储在一个名为 Skagen_sar_ais_matched_tracks.shp 的 shapefile 文件中。轨迹以黄色显示。

未匹配点

没有匹配 AIS 记录的探测到的船舶存储在一个名为 Skagen_sar_ais_NOmatched_points.shp 的点 shapefile 文件中。记录用蓝色十字准线符号标记，如下方第一张图所示。

要查看红色符号标记，请在图层管理器中打开 Skagen_sar_ais_NOmatched_points_symbol.anz 标注图层。

未匹配轨迹

未匹配任何 SAR 探测到的船舶的 AIS 轨迹存储在一个名为 Skagen_ais_sar_NOmatched_tracks.shp 的 shapefile 文件中。它们以绿色显示。在斯卡恩港可见几条小轨迹，但在开阔海域则没有。

本快速指南到此结束。

其他资源

• Crisp, D. J. "合成孔径雷达影像中船舶探测的最新技术"。澳大利亚政府，国防部，爱丁堡，DSTO 信息科学实验室，DSTO-RR-0272, 1-115 (2004)。
• SAR Essentials: Estimate the Velocity of Moving Objects 快速指南

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