本发明专利技术公开一种用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置及其测量方法，装置包括光学变焦高清机芯、高分辨率微波雷达、升降支腿、可控速云台、高强组装板和USB式处理器；光学变焦高清机芯通过升降支腿安装在可控速云台上，用于拍摄水面船舶图像；高分辨率微波雷达通过高强组装板固定于光学变焦高清机芯上方，用于探测水面船舶的空间位置；所述可控速云台旋转带动光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达的视场同步变化；所述USB式处理器分别与光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达连接，根据光学变焦高清机芯拍摄的水面船舶图像和高分辨率微波雷达探测得到的水面船舶的空间位置得到水面船舶实际尺寸。此种技术方案安装简便，可远距离测量水面船舶尺寸。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于尺寸测量，具体涉及一种用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置及其测量方法。
技术介绍
1、据统计，目前我国各类桥梁总数已经突破110万座。其中，全国航道上建设的桥梁占比重大，承载着人们的出行和货物运输任务，是连接两岸交通基础设施中的重要组成部分。对于沿江和沿海航道而言，船舶流量较大、航速较高，且船舶呈现大型化发展趋势，通航环境日益复杂，导致水域船舶由于其高度超过桥梁通航净空而擦碰主梁的事件时有发生。此外，对于一些低等级航道中的中小桥梁，其通航净宽较小，也容易受到超宽船舶的撞击。船舶的撞击可能导致桥梁结构的破坏甚至倒塌，严重威胁着人们的生命和财产安全。因此有必要对水域船舶尺寸进行测量，提前发现不满足桥梁通航要求的船舶，以保障船桥安全。
2、为了判断水面船舶尺寸是否超出桥梁通航要求，目前常用的做法是在桥梁通航孔主梁安装激光雷达，对接近的船舶进行扫描，通过点云技术得到水面船舶尺寸。然而激光雷达的探测范围有限，商用激光雷达的扫描范围大多在百米以内。即使发现了尺寸超限的船舶，也难以给桥梁管理部门预留足够的处置时间。还有一种做法是根据桥梁通航净空要求，在两岸使用激光线进行对射，船舶高度超出激光线的高度即被判定为超高。但该方法对仪器设备的安装要求高，需要两岸预留出足够的激光设备架设空间，实现难度大，且无法测量船舶的实际尺寸。
技术实现思路
1、本专利技术的目的，在于提供一种用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置及其测量方法，其安装简便，可远距离测量水面船舶尺寸。
2、为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：
3、一种用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置，包括船舶二维像素特征采集装置、船舶三维空间特征采集装置、升降支腿、可控速云台、高强组装板和usb式处理器；
4、其中，光学变焦高清机芯通过升降支腿安装在可控速云台上，用于拍摄水面船舶图像；高分辨率微波雷达通过高强组装板固定于光学变焦高清机芯上方，用于探测水面船舶的空间位置；所述可控速云台旋转带动光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达的视场同步变化；
5、所述usb式处理器分别与光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达连接，根据光学变焦高清机芯拍摄的水面船舶图像和高分辨率微波雷达探测得到的水面船舶的空间位置得到水面船舶实际尺寸。
6、上述usb式处理器分别通过usb接头与光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达连接。
7、上述船舶二维像素特征采集装置具有帧-焦-角记录功能，能够记录每一帧图像对应的船舶二维像素特征采集装置的焦距和可控速云台的旋转角度；船舶二维像素特征采集装置输出的每一张图像都包含对应的帧号、焦距以及云台旋转角度信息。
8、其中，根据高强组装板的形态确定船舶二维像素特征采集装置与船舶三维空间特征采集装置之间的相对位置，所述相对位置取决于如下4个参数，船舶三维空间特征采集装置坐标系原点or、船舶二维像素特征采集装置坐标系原点oc、船舶三维空间特征采集装置俯仰角α、船舶二维像素特征采集装置俯仰角β；采用如下粒子群优化算法确定所述4个参数：
9、设船舶三维空间特征采集装置采集的水面船舶目标经纬度坐标p在二维像素坐标系上的投影点为p*，船舶二维像素特征采集装置采集的同一水面船舶目标的像素坐标为po，p*与po的偏差用距离|p*po|表示，|p*po|为关于oc,or,α,β的函数：
10、|p*po|＝m(oc,or,α,β)
11、则对于世界坐标系中的任意位置船舶i，i＝1,2,…,n，粒子群优化算法的目标函数为：
12、
13、粒子群优化算法如下：
14、minimize mi(oci,ori,αi,βi)
15、subjected to
16、
17、式中参数的上、下横线分别表示对应参数的上、下限约束；n为所有图像中水面船舶的数量。
18、基于如前所述的用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置的测量方法，包括如下步骤：
19、根据船舶二维像素特征采集装置拍摄的水面船舶图像，识别确定水面船舶目标；
20、对识别的所述水面船舶进行裁剪，提取目标边缘图像，得到水面船舶的最大像素高度h、最大像素宽度w及像素面积s；
21、获取拍摄所述水面船舶图像的船舶二维像素特征采集装置的焦距f、当前可控速云台的旋转角度θ、所述水面船舶图像中船舶的经纬度坐标p，并基于前述水面船舶的最大像素高度h、最大像素宽度w及像素面积s，预测图像中水面船舶的实际尺寸，包括水面船舶的实际高度h和实际宽度w。
22、其中，采用集成学习模型实现水面船舶尺寸的测量，所述集成学习模型包括依次设置的输入层、迁移学习层、边缘检测层、lstm回归层以及输出层；
23、所述输入层将船舶二维像素特征采集装置拍摄的水面船舶图像和船舶三维空间特征采集装置探测得到的水面船舶的空间位置送入迁移学习层；
24、所述迁移学习层对水面船舶图像进行目标检测，识别确定水面船舶目标；
25、所述边缘检测层对迁移学习层识别的船舶进行裁剪，提取目标边缘图像，输出水面船舶的最大像素高度h、最大像素宽度w及像素面积s；
26、所述lstm回归层以图像对应的船舶二维像素特征采集装置的焦距f、图像对应的可控速云台的旋转角度θ、图像中船舶的经纬度坐标p、船舶的最大像素高度h、最大像素宽度w及像素面积s为输入参数，预测图像中船舶的实际尺寸；
27、所述输出层输出水面船舶的实际高度h和实际宽度w。
28、上述lstm回归层在训练时，训练集、验证集、测试集的样本比例为6：2：2。
29、上述集成学习模型的损失函数如下：
30、
31、其中，n为所有图像中水面船舶的数量；hi为第i个目标高度的真实值；为第i个目标高度的预测值；wi为第i个目标宽度的真实值；为第i个目标宽度的预测值；yi为实际标签为目标的概率；pi为被检测为目标的概率。
32、采用上述方案后，本专利技术有如下有益效果：
33、(1)本专利技术融合了高分辨率微波雷达和光学变焦高清机芯的优点，可实现船舶的远距离识别、定位和尺寸测量；
34、(2)本专利技术结构轻便、稳定性强、安装方便，只需配备相应的支架和电源即可正常工作；
35、(3)本专利技术可提供给桥梁管理部门，用于船舶尺寸测量，提前发现超出桥梁通航要求的船舶，也可用于一般性的船舶流量、尺寸统计等任务，适用场景广泛；
36、(4)本专利技术采用了集成学习算法，数据处理性能良好，鲁棒性强。
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【技术保护点】
1.一种用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置，其特征在于：包括船舶二维像素特征采集装置、船舶三维空间特征采集装置、升降支腿、可控速云台、高强组装板和USB式处理器；
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述USB式处理器分别通过USB接头与光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述船舶二维像素特征采集装置具有帧-焦-角记录功能，能够记录每一帧图像对应的船舶二维像素特征采集装置的焦距和可控速云台的旋转角度；船舶二维像素特征采集装置输出的每一张图像都包含对应的帧号、焦距以及云台旋转角度信息。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：根据高强组装板的形态确定船舶二维像素特征采集装置与船舶三维空间特征采集装置之间的相对位置，所述相对位置取决于如下4个参数，船舶三维空间特征采集装置坐标系原点OR、船舶二维像素特征采集装置坐标系原点OC、船舶三维空间特征采集装置俯仰角α、船舶二维像素特征采集装置俯仰角β；采用如下粒子群优化算法确定所述4个参数：
5.基于如权利要求1所述的用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：采用集成学习模型实现水面船舶尺寸的测量，所述集成学习模型包括依次设置的输入层、迁移学习层、边缘检测层、LSTM回归层以及输出层；
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述LSTM回归层在训练时，训练集、验证集、测试集的样本比例为6：2：2。
8.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述集成学习模型的损失函数如下：
...
【技术特征摘要】
1.一种用于水面船舶尺寸测量的智能雷视融合装置，其特征在于：包括船舶二维像素特征采集装置、船舶三维空间特征采集装置、升降支腿、可控速云台、高强组装板和usb式处理器；
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述usb式处理器分别通过usb接头与光学变焦高清机芯和高分辨率微波雷达连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述船舶二维像素特征采集装置具有帧-焦-角记录功能，能够记录每一帧图像对应的船舶二维像素特征采集装置的焦距和可控速云台的旋转角度；船舶二维像素特征采集装置输出的每一张图像都包含对应的帧号、焦距以及云台旋转角度信息。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：根据高强组装板的形态确定船舶二维像素特征采集装置与船舶三维空间特征采集装置之间的相对位置，所述相对位置取决...
【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，曹成斌，肖啸，廖睿轩，茅建校，吴文广，刘俊峰，徐晟，王旭，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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