TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Mariusz WĄś 1 Radar, Nawigaca AUTOMATYCZNE WYKRYWANIE ECH POCHODZĄCYCH OD OZNAKOWANIA RADAROWEGO I OBIEKTÓW STREFY PRZYBRZEśNEJ NA WSKAŹNIKU RADARU NAWIGACYJNEGO W artyule przedstawiono metody wyrywania ech pochodzących od obietów charaterystycznych na obrazie radarowym. Pierwsza metoda opiera się o obrazy radarowe przetworzone do postaci inwariantne. Kolena to wyrywanie tych ech z reprezentaci rastrowe obrazu. Całość wyonue się w celu zautomatyzowania procesu wyznaczania pozyci obserwowane w nawigaci radarowe. AN AUTOMATIC ECHOES DETECTION ON RADAR DISPLAY DERIVING FROM A COSTAL OBJECTS AND NAVIGATIONAL MARKS The article presents two methods of distinguishing radar response echoes detection presented on the radar picture. First method is based on an invariant radar picture representation, next one, on an raster image. Both are invented and very useful for an positioning process automatization during radar navigation. WSTĘP Na awenach przybrzeŝnych, gdzie prowadzona est Ŝegluga, wystawione est oznaowanie radarowe umoŝliwiaące bezpieczne prowadzenie nawigaci. Oznaowanie to informue nawigatora o niebezpieczeństwach nawigacynych a taŝe umoŝliwia wyznaczanie pozyci z wyorzystaniem metod nawigaci radarowe. Pozyca ta oreślana charateryzue się wzrostem e doładności w miarę zbliŝania się do oznaowania. Ta więc rozmieszczenie oznaowania radarowego na awenach przybrzeŝnych nie est przypadowe. W sład ego mogą wchodzić: pławy, stawy i pozostałe znai pływaące i stałe opisuące wyznaczone strefy rozgraniczenia ruchu, tory wodne, odosobnione niebezpieczeństwa, aweny ograniczone głęboością, aweny zamnięte dla Ŝeglugi itp. Inne znai wystawione wzdłuŝ linii brzegowe to oznaowanie portowe i brzegowe niezbędne do wyznaczania pozyci metodami terestrycznymi: oznaowanie świetlne taie a: latarnie, stawy, nabieŝni główi portów i budowle hydrotechniczne. Więszość tych elementów wyposaŝona est w refletory radarowe wyróŝniaące e spośród szeregu ech widocznych na eranie radaru. Część z nich wyposaŝona est w transpondery tzw. Racon y. 1 Instytut Nawigaci i Hydrografii Morsie, Aademia Marynari Woenne w Gdyni
3644 Mariusz WĄś Istniee eszcze edna grupa znaów obietów mogących wchodzić w sład oznaowania radarowego awenu przybrzeŝnego. Są to obiety charateryzuące się duŝą powierzchnią sutecznego odbicia. Ich echo wyróŝnia się na tle zobrazowania radarowego a szczególnie na tle wszelich szumów i załóceń. Nawigator moŝe być pewny, Ŝe obiety te będą zawsze widoczne na radarze. Stanowią one taie elementy a: budowle, szczyty wzniesień i gór, strome lifowe wybrzeŝe i inne odosobnione obiety na lądzie i morzu (np. eletrownie wiatrowe, wieŝe ościołów, ominy oraz ednosti stoące na otwicy itp.). radarowe oznaowanie nawigacyne strefy przybrzeŝne zazwycza est wystarczaące. Oznacza to, Ŝe nawigator est w stanie bezpiecznie prowadzić nawigacę w aŝdych warunach hydrometeorologicznych. Za wystawianie i monitorowanie stanu oznaowania odpowiada administraca morsa danego państwa (w Polsce Urzędy Morsie w Gdyn Słupsu i Szczecinie). Zawarte est to w odpowiednich przepisach i onwencach międzynarodowych. W strefie przybrzeŝne nawigaca prowadzona est na podstawie obserwaci wzroowe lub techniczne elementów charateryzuących tą strefę. śaden nawigator nie będzie wyznaczał pozyci z radionawigacynych systemów satelitarnych idąc torem wodnym lub podczas podeścia do portów i manewrowania w wewnątrz nich. Przechodząc obo stawy, stoąc w nabieŝniu lub miaąc pławę ardynalną, obowiąziem nawigatora est doonanie pomiaru parametru nawigacynego i wyznaczenie pozyci obserwowane. Całość ww. oznaowania nawigacyno-radarowego wchodzi w sład strutury nawigacyne wyorzystywane do wyznaczania pozyci metodami terestrycznymi. Ze względu na róŝnorodność warunów hydrometeorologicznych pozyca obserwowana powinna być wyznaczona na podstawie obserwaci radarowe. Wyorzystanie do tego celu radaru dae oleną zaletę aą est moŝliwość zautomatyzowania całego procesu wyznaczenia pozyci. Automatyzaca powinna być szeroo rozumiana. Począwszy od procesu obserwac reestraci i pomiaru parametrów nawigacynych, poprzez identyfiacę obserwowanego oznaowania i sończywszy na obliczeniu szeroości i długości geograficzne pozyci obserwowane ednosti własne. Poprzez bieŝące uzupełnianie strutury o znai nie maące swoich odpowiedniów na mapie nawigacyne ale charateryzuące się silnym, ednostowym i stałym echem radarowym uzysuemy interatywność strutury. Pozyca taiego obietu moŝe być stale lub czasowo oznaczona na mapie a obiet moŝe być przymowany do obserwaci w procesie prowadzenia nawigaci. Na poniŝszym rysunu przedstawiono fragment mapy strefy przybrzeŝne oraz ego odpowiedni widoczny na wsaźniu radarowym. Wyszczególnione zostały elementy charaterystyczne awenu identyfiowane na obrazie radarowym. Oznaczono taŝe obiety na obrazie radarowym, tóre nie maą swoich odpowiedniów na mapie. Są to obiety stałe wyszczególnione ao echo o duŝe amplitudzie sygnału.
AUTOMATYCZNE WYKRYWANIE ECH POCHODZĄCYCH... 3645 Rys. 1. Oznaowanie radarowe awenu przybrzeŝnego (Zatoa Gdańsa). Fragment mapy nawigacyne oraz obraz radarowy awenu 1. EKSTRAKCJA PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH Z OBRAZU RADAROWEGO Estraca puntów charaterystycznych z obrazu radarowego będzie rozumiana ao wyróŝnienie spośród wszystich puntów obrazu tych, tóre mogą posłuŝyć do wyznaczania pozyci obserwowane metodami terestrycznymi. Źródłem puntów charaterystycznych na eranie radaru moŝe być linia brzegowa, echa radarowe fragmentów lądu oraz poedyncze, odosobnione echa radarowe występuące na morzu. W literaturze [1] opisana est metoda pozysiwania puntów charaterystycznych z obrazu radarowego przedstawionego w postaci inwariantu onturowego. Przedstawiaąc obraz radarowy w reprezentaci inwariantne moŝna wydobyć z obrazu punty wyróŝniaące się i naleŝące do linii brzegowe. Są to zazwycza główi portów, cyple, mola i inne przedstawiaące zmienność linii brzegowe. Metoda inwariantna pomia całowicie pozostałe punty obrazu radarowego, tóre mogą stanowić oznaowanie
3646 Mariusz WĄś nawigacyno-radarowe awenu. Dlatego teŝ niezbędna est dodatowa analiza obrazu radarowego. Proces estraci puntów charaterystycznych z obrazu powinien być wieloetapowy. Punty charaterystyczne linii brzegowe wyznaczane mogą być z reprezentaci inwariantne. Badaąc reprezentace rastrową obrazu radarowego moŝemy wyznaczyć szereg puntów charaterystycznych występuących na ladzie i morzu. Dodatowo spośród wszystich odosobnionych ech radarowych moŝna wyznaczyć echa nieruchome wyorzystuąc do tego celi moŝliwość automatycznego śledzenia ech oraz cyfrową transmisę danych nawigacynych NMEA stosowanych w radarze. Wszystie etapy mogą przebiegać równolegle gdyŝ aŝdy z nich orzysta z inne reprezentaci cyfrowe obrazu radarowego. Rys. 2. Schemat procesu estraci puntów charaterystycznych z obrazu radarowego WyŜe wymienione metody bazuą na obrazach cyfrowych pozysanych w procesie reestraci obrazów. W dalszym etapie obrazy radarowe przechodzą transformace do bardzie uŝytecznych reprezentaci 2. WYZNACZANIE PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH Z INWARIANTU OBRAZU RADAROWEGO Doładne przedstawienie algorytmu estraci puntów charaterystycznych z obrazu radarowego wymaga starannego zdefiniowania inwariantu. Obraz w te reprezentaci został opisany w wielu opracowaniach np. [2], [3], [4]. W literaturze opisane est wyorzystanie tzw. inwariantu onturowego, tóry przedstawia obraz linii brzegowe zapisany w uładzie biegunowym. KaŜdy pisel linii brzegowe reprezentowany est przez współrzędne biegunowe t. namiar i odległość względna mierzona od pozyci anteny radarowe.
AUTOMATYCZNE WYKRYWANIE ECH POCHODZĄCYCH... 3647 Dla cyfrowego obrazu radarowego zapisanego w postaci: 2 {( n, m) Ν : n < 0, N >, m < 0 > } O c =, M (1) gdzie: O c est zbiorem puntów P c i (n,m) taim Ŝe i = 0,1..,N*M-1, oraz dla załoŝeń, Ŝe liczby oreślaące wielość obrazu N i M przymuą wartości nieparzyste a więc dla aŝdego obrazu moŝemy oreślić punt centralny P o (n o,m o ) ta Ŝe: n o = N 1 M 1, mo = 2 2 (2) inwariant onturowy moŝemy zdefiniować ao funcę g inw przymuącą wartości [6]: ( NR ) c A dla D = ginw ( ) = o c P P c c P D ( NR ) (3) = 0,1,.., n( 360 ) ; D c NR zbiór widocznych puntów (piseli) obrazu leŝących na oreślonym gdzie: ( ) P o P c namiarze (NR), czyli echa radarowe w oreślonym namiarze; odległość wsazanego pisela od środa obrazu (puntu centralnego), odległość echa radarowego od anteny; n stopień zastosowane rozdzielczości inwariantu obrazu radarowego; A pewna załoŝona odległość więsza od zaresu obserwaci. Proponowana metoda estraci puntów charaterystycznych z obrazu radarowego polega na analizie drugie pochodne funci (). Aby edna analiza ta była moŝliwa g inw potrzebna est postać analityczna te funci. Inwariant onturowy musi edna spełniać warune ciągłości i róŝniczowalności w przedziale 0, n 360. Wyznaczenie analityczne postać funci est bardzo trudne. MoŜemy edynie wyznaczyć pewien estymator te funci gˆ inw ( ). Jao e estymator w proponowane metodzie w [1] przyęta została poniŝsza funca: ) g inw ( x σ ) 2( N + M ) 1 g inw, = = 0 2( N + M ) = 0 ( ) ϕ ( x, σ ) ϕ ( x, σ ), (4)
3648 Mariusz WĄś ϕ ( x ) 2 2σ, = e ( x σ ) 2 Działanie algorytmu polega na wyznaczeniu funci z d 2 ) g ( x, σ ) = 2 dx inw (5) dla ustalonego σ w puntach = 0,1,...,2( N + M ) 4 a następnie odszuanie taich, dla tórych: z ( ) > ω z( ) > z( 1) z( ) z( + 1) g ( ) A gdzie ω est parametrem algorytmu pozwalaącym na segregowanie całego zbioru potencalnych puntów charaterystycznych na grupę puntów wyrazistych (dobrze widocznych) czyli taich dla tórych z () > ω oraz słabo wyróŝnialnych dla tórych z () ω. Innym parametrem algorytmu est współczynni σ umoŝliwiaący eliminacę z gˆ inw ( x, σ ) niewielich pofałdowań funci mogących generować niepotrzebnie duŝą ilość puntów charaterystycznych. Zatem parametr ω usuwa z listy puntów charaterystycznych punty mało wyraziste natomiast współczynni σ zapobiega ich generowaniu. Ostatecznie eśli zbiór puntów brzegowych spełniaących warune (6) to punty charaterystyczne obrazu radarowego. PoniŜszy rysune przedstawia dobór optymalnego estymatora funci inwariantu onturowego. Pierwszy wyres przedstawia sytuacę gdzie estymator został dobrany w tai sposób, Ŝe algorytm generue nadmierną liczbę puntów charaterystycznych. Koleny wyres przedstawia inwariant i optymalnie dobrany ego estymator. inv (6)
AUTOMATYCZNE WYKRYWANIE ECH POCHODZĄCYCH... 3649 300 250 200 g in w ( ) 150 100 50 0 1 70 139 208 277 346 415 484 553 622 691 760 829 898 967 1036 1105 1174 1243 1312 1381 1450 1519 1588 1657 1726 1795 1864 1933 300 250 200 g in w ( ) 150 100 50 0 1 70 139 208 277 346 415 484 553 622 691 760 829 898 967 1036 1105 1174 1243 1312 1381 1450 1519 1588 1657 1726 1795 1864 1933 Rys.3. Optymalny dobór estymatora funci inwariantu onturowego Wynii poszuiwania optymalnego estymatora inwariantu i wyznaczenia na ego podstawie puntów charaterystycznych przedstawiono na poniŝszym rysunu. Kolorem Ŝółtym oznaczono punty charaterystyczne wyznaczone przez optymalnie dobrana funcę inwariantu onturowego. Rys. 4. Wyznaczone punty charaterystyczne estymowanych funci inwariantu onturowego 3. WYZNACZANIE PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH Z RASTROWEGO OBRAZU RADAROWEGO Więszość współczesnych radarów prezentue wizualizacę cyfrową w artezańsim uładzie współrzędnych. Obraz radarowy wyświetlany est na wsaźniach w postaci macierzy wadratowe o równe ilości piseli w wierszach i w olumnach. Posiada on struturę rastrową. Obraz tai moŝe być zapisany w pamięci omputera ao bitmapa czyli siata prezentuąca edną lub trzy warstwy olorów (edna 256 odcieni szarości; trzy 256 odcieni olorów: czerwony R, zielony G, niebiesi B). W więszości radarów nawigacynych stosowane są zazwycza dwa lub trzy olory główne do odróŝnienia
3650 Mariusz WĄś poszczególnych elementów zobrazowania radarowego: echo i woda, i ewentualnie do wyświetlane grafii pomocnicze (wetory ruchu, strefy awizyc itp.). Pierwotny obraz radarowy przedstawiony est w odcieniach szarości i est logicznym rozwinięciem obrazu binarnego, gdzie wystąpienie echa radarowego było sygnalizowane olorem białym. W te reprezentaci poziom wzmocnienia tego echa wyróŝnione est odpowiednio dobranym poziomem szarości. Obrazy zapisane są z precyzą 8 bitową. Tai obraz przechowywany est w macierzy dwuwymiarowe. Dane mieszczą się w "ednym anale". Pisele są poedynczymi elementami o wartości od 0 do 255 (8 bitów pamięci). Reestruąc obraz naleŝy pamiętać o optymalnym ustawieniu zobrazowania radarowego. Wartości wzmocnień i zasięgowe regulaci wzmocnienia muszą być dobrane ta aby nie załócić informaci widoczne na zobrazowaniu radarowym. Obraz radarowy przechowywany w pamięci omputera ao raster stanowi zbiór danych ciągłych, tóre zmieniaą się w zaleŝności od miesca w obserwowane przestrzeni: warunów hydrometeorologicznych, uształtowania linii brzegowe i występowania róŝnorodnych obietów itd. Zbiorem danych ciągłych moŝe być regularna siata puntów prezentuąca obraz radarowy, ale zapisana ao wetor. Punty węzłowe rozłoŝone równomiernie na obrazie radarowym przypisane maą poszczególne (równomiernie rozłoŝone) współrzędne geograficzne. KaŜdy punt obrazu radarowego przedstawiony ao wartość dysretna prezentue oleną współrzędną, tóra informue o wystąpieniu lub brau echa radarowego. Obraz radarowy zapiszemy ao wetor opisany na zbiorze liczb rzeczywistych: O ( ϕ, λ, W ) 0 : ϕ < 0,90 >, λ < 0,180 = W < 0, K > ϕ, λ, W R K N 0 >, (7) gdzie: lub ϕ, λ współrzędne geograficzne poszczególnych piseli obrazu w nawigacynym uładzie współrzędnych; W poziom wzmocnienia pisela obrazu identyfiowanego ao echo radarowe; O = W ( x, y, W ) : x < 0, N >, y < 0, M >, < 0, K > x, y, W R K N (8) w artezańsim uładzie współrzędnych dla N i M oreślaących wymiary obrazu radarowego. JeŜeli aŝdy punt obrazu radarowego będzie reprezentowany przez wartość ego wzmocnienia W to estraca puntów charaterystycznych polegać będzie na wyszuaniu taich puntów, tórych wzmocnienie est więsze od pewne zadane wartości progowe oraz gdzie ich sąsiedztwo charateryzue się mnieszą lub równą wartością W. Zatem poszuuemy taich W tóre spełniaą zaleŝność:
AUTOMATYCZNE WYKRYWANIE ECH POCHODZĄCYCH... 3651 W i+ 1, + 1 i+ 1, + 1 i 1, + 1 i 1, 1 i+ 1, 1 i 1, 1 dla i = 1,..., N = 1,..., M > W prog (9) W przypadu wystąpienia więsze liczby puntów sąsiednich o taie same wartości W, punt charaterystyczny reprezentowany est przez pisel leŝący nabliŝe puntu o centralnego P. W inne sytuac eŝeli szereg puntów sąsiednich (naleŝących do sąsiednich namiarów) leŝących w równe odległości od środa eranu na tą samą wartość wzmocnienia W to punt charaterystyczny reprezentowany est przez pisel leŝący na środowym namiarze z całego zaresu namiarów piseli sąsiednich. Rys. 5. Estraca puntów charaterystycznych z bitmapy Wartością W prog regulować moŝna nadmiar lub niedomiar puntów charaterystycznych wyznaczonych na eranie radarowych. Pamiętać naleŝy o optymalnym doborze te wartości. 4. ZAKOŃCZENIE Obecnie prowadzi się badania maące na celu zautomatyzowanie całego procesu prowadzenia nawigaci. Automatyzaca nawigaci radarowe to eden z elementów podlegaących rozpracowaniu. NaleŜą do nich: automatyzacę reestraci obrazów radarowych, cyfrowe przetwarzanie tych obrazów, automatyzacę estraci puntów charaterystycznych oraz wyorzystanie ich do wyznaczenia pozyci. We wszystich etapach estraci puntów charaterystycznych naleŝy pamiętać o odpowiednim doborze zaresu obserwaci. Zares powinien zapewnić dostępność niezbędne liczby puntów charaterystycznych występuących w awenie przybrzeŝnym. Nie moŝna doprowadzić do sytuaci gdzie radar nie obemował będzie swoim zaresem linii brzegowe i oznaowania
3652 Mariusz WĄś występuącego w awenie. NaleŜy pamiętać taŝe, Ŝe zbyt mała liczba dostępne informaci moŝe spowodować pogorszenie doładności wyznaczone pozyci lub e utratę. Przedstawione powyŝe metody wyrywania ech pochodzących od obietów charaterystycznych ułatwiaą automatyzacę procesu wyznaczenia pozyci obserwowane. 5. BIBLIOGRAFIA [1] Praczy T., Application of bearing and distance trees to the identification of landmars of the coast, International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, Volume 17, number 1, str. 87-98. 2007. [2] WąŜ M., Metoda wyznaczania pozyci orętu za pomocą porównania obrazu radarowego z mapą morsą. Rozprawa dotorsa, Gdynia 2000. [3] WąŜ M., Nowa D. Wetorowy obraz radarowy, VI Międzynarodowe Sympozum Nawigacyne, AM, Gdynia 2005, str. 271-276. [4] WąŜ M., Praczy T., Automatic radar navigation system, VIII International Conference Russian shipbuilding and shipping, port activities, ocean and offshore developments. NEVA 2005, St. Petersburg str. 45-46.