基于GeoTIFF的航海雷達圖像的生成

葉明君

(浙江國際海運職業技術學院航海工程學院，浙江舟山 316021)

0 引言

在對海員的培訓、適任評估及科研中，航海雷達模擬器起著越來越重要的作用.國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)2010 年修正的《1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約》(也稱STCW公約馬尼拉修正案，于2012年1月1日起生效)也對雷達/ARPA模擬器提出一些明確的要求.隨著航海事業的蓬勃發展，用戶對雷達模擬器在逼真度上的要求也越來越高.

目前已有很多與真實感相關的雷達模擬器研制技術.如任鴻翔等［1］通過建立三維場景庫模擬雷達圖像，取得較好的三維效果.張闖等［2］為解決當前航海雷達仿真器中雷達回波圖像不真實問題，提出基于OpenGL建模的模擬航海雷達回波方法，利用HIS顏色模型模擬雷達回波強度，取得一定成效.文獻［3］從雷達圖像形成的原理出發生成圖像，模擬效果逼真但實時性較差.

通過對以往相關文獻及成果的閱讀及分析可以發現，現有模擬方法的信息源大多來自電子海圖，在建立數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)時，高程信息也來自電子海圖中的等高線信息.但是，電子海圖提供的高程信息相對不完備.所以本文嘗試用一種新的高程信息來源進行遮擋判斷，進而模擬雷達圖像.

1 GeoTIFF文件的獲取及高程信息解析

1.1 GeoTIFF文件的來源

航天飛機雷達地形測繪使命(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)的數據是由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)以及德國與意大利航天機構共同合作完成測量，通過美國“奮進”號航天飛機上搭載的SRTM系統完成的.SRTM的覆蓋范圍從北緯60°至南緯56°，約占全球面積的80%(1.195 6×108km2)，見圖1.

圖1 SRTM覆蓋范圍

SRTM系統獲取的雷達影像數據量約9.8萬億字節，經過兩年多的數據處理，制成DEM.這些雷達影像以GeoTIFF格式保存下來.

1.2 GeoTIFF圖像格式

GeoTIFF是由超過160家與遙感，GIS，制圖，測量相關的公司和組織一致努力的成果，旨在建立一種基于TIFF的地理參考柵格圖像交換格式.Geo－TIFF圖像文件實際上是一個TIFF 6.0文件，它繼承TIFF 6.0文件結構，把信息編碼在一些TIFF未使用的保留標簽中.這些信息包括許多地理編碼信息，如圖像上點的經緯度、坐標等，但純TIFF格式文件很難存儲、讀取這些地理信息.而GeoTIFF在TIFF的基礎上定義地理標簽(Geo Tag)，用以定義和存儲坐標系統、投影信息等.

GeoTIFF使用Geo Key把眾多的信息元素編碼到6個標簽中，存放GeoTIFF信息的標簽是Geo Key Directory Tag，Geo Double Params Tag，Geo Ascii Params，這些標簽用一組無符號整型的陣列表示地球上的點［4－6］，對這個陣列進行空間變換就可以把地球上各點的地理信息轉換為平面圖像上的信息.

1.3 從GeoTIFF圖像解析高程信息

模型空間是GeoTIFF特別引入的坐標空間，用于描述數據所對應的地理位置，即實際的經緯度坐標，遙感的數據信息就是用模型空間表示的.本文的雷達模擬圖像的生成基于帶有DEM的柵格空間(表示平面圖像的空間)，因此必須經過空間變換才能被使用.

要從模型空間解析出柵格空間，必須知道這兩種空間之間的變換關系.若柵格空間與模型空間之間的對應關系只存在縮放和平移關系，設(x，y，z)為模型空間點坐標，(I，J，K)為柵格空間點坐標，那么這兩個空間之間的變換公式［7－8］可表示為

由式(1)可以看出，只需已知3個線性無關的點就能解出變換陣列M，兩個空間之間的對應關系也就能被確定.

根據式(1)，若知道柵格中一點 ( I0，J0，K0)對應于模型空間點 ( x0，y0，z0)的縮放比例是 Sx，Sy，Sz，則式(1)可改寫為

式中:

由式(1)和(2)就可以將地理信息轉換為下一步判斷所需的帶DEM的柵格信息.

1.4 將高程的判斷轉換為像素的判斷

經過解析得到帶DEM的柵格信息后，由于各個像元點的高程值已知，提出一種新的通過像素值代替高程值的遮擋判斷方式.本文模擬所用的Geo－TIFF數據是一張6 000×6 000的圖像(見圖2).通過上述解析，已知各個像元點的高程，可利用高程值代替像素值生成一幅新的圖像(見圖3).

2 掃描線上的遮擋判斷

2.1 遮擋判斷原理

所謂遮擋判斷就是根據電磁波的直線傳播原理，由近及遠把目標點排序，然后遍歷這些交點，根據目標的高度及雷達發射脈沖的寬度判斷哪些點可以顯示、哪些點被遮擋.遮擋判斷示意圖見圖4.

由圖4可直觀地看出:A，B，D，E處未被遮擋，可以生成回波;C處被遮擋，不能產生屏幕回波.

圖4 遮擋判斷示意圖

2.2 遮擋判斷的兩種情況

雷達回波的形成，除考慮遮擋以外，還要考慮雷達天線的高度，因此對遮擋的判斷就分成兩種情況:(1)掃描線上的初始點高于雷達天線;(2)掃描線上的初始點低于雷達天線.第2種情況又可細分成兩種類型:(a)當前點高于前一可見點;(b)當前點低于前一可見點.

由于是判斷遮擋關系，本文把目標點與雷達天線之間的連線與水平線構成的銳角稱為遮擋角.

2.3 加入雷達分辨力的遮擋判斷

在真實的雷達掃描過程中，還要考慮雷達分辨力.雷達分辨力是指相鄰的兩個物標能夠在雷達熒光屏上被分辨的指數［9］，當河道的船舶比較密集時，高分辨力的雷達可以將這些船舶區分出來.對于雷達在任一方向上的掃描線來說，只需考慮它的距離分辨力.距離分辨力是指在同一個方向

上的兩個相鄰的物標，在熒光屏上能夠被分辨出來的最小間距［10］，示意圖見圖5.

圖5 距離分辨力示意圖

為了簡化計算，在不考慮接收機通頻帶影響的情況下，距離分辨力的計算公式可表示為

式中:C為電磁波的傳播速度;τ為發射脈沖寬度;d為光點直徑;D為屏幕直徑;RD為所用量程.

2.4 綜合算法流程

總體的算法思路如下:

(1)讀入第一個點Ao，它必可見.判斷Ao是否高于雷達天線，是則轉向(2)，否則轉向(3).(2)讀入第i個點Ai，若Ai的遮擋角αi大于前一可見點Ai－1的遮擋角 αi－1，且 Ai的遮擋角大于 Ao點的遮擋角α0，則當前點Ai可見，否則不可見.(3)讀入第i個點Ai，若當前點 Ai高于前一可見點 Ai－1，則轉向(4)，若當前點 Ai低于前一可見點 Ai－1，則轉向(5).(4)若當前點同時低于雷達天線，則當前點可見.(5)若當前點同時高于雷達天線，前一可見點低于雷達天線則當前點可見，前一可見點高于雷達天線，則判斷方法同(2).(6)對于每個判斷可見的當前點，還要計算其是否在前一可見點的距離分辨力之內.若在，則兩點的回波相連;若不在，則兩點的回波不相連.(7)讀完全部交點后，判斷結束.

算法流程見圖6.

3 實驗結果及分析

本文的實驗仿真是基于自主開發的航海雷達模擬器的顯示軟件，軟件基于VS2008 C++開發環境，采用QT4.5和OpenGL混合編程，具有良好的可移植性.

圖6 算法流程

3.1 采用電子海圖作為數據源的仿真

圖7是以往關于雷達模擬圖像的一篇論文中使用 Bresenham算法(直線掃描轉換方法)處理的仿真圖，用該方法每個交點向陸地方向畫線的長度隨機.由圖7可見，為了使回波顯得自然，在岸線往里延伸的回波上加一個指數衰減，但是岸線內部的細節不能得到反映，這使各個方向的回波看起來比較相似.

圖7 采用常規數據源的仿真圖

3.2 采用內部完全填充的仿真

這種方式是檢測到地形的輪廓以后，輪廓內部采用完全填充的方式，見圖8.采用這種顯示方式，岸線的邊緣能夠得到體現，但是不能體現內部細節，與真實的雷達圖像差別較大.

3.3 采用本文數據源和Bresenham算法的仿真

圖8 采用內部完全填充的仿真圖

這種方式是使用本文解析GeoTIFF文件得到的數據源，然后采用Bresenham算法畫線，每條掃描線的長度隨機.采用這種方式所得到的仿真圖，岸線邊緣能夠得到真實體現，但是也不能體現內部的細節，而且掃描線的后沿直線化效果比較明顯.仿真結果見圖9.

圖9 采用本文數據源和Bresenham算法的仿真圖

3.4 采用本文方法及數據源的仿真

圖10 采用本文方法及數據源的仿真圖

采用本文方法進行仿真時設雷達高度為30 m.由圖10可看出，采用本文方法所生成的圖像岸線邊緣比較自然，岸線上的一些地形信息也能夠得到一定的體現.同時，為了更加接近真實的雷達圖像顯示，還加入通過粒子模型所模擬的噪聲.

通過對上述4種仿真方式的比較可以看出，采用本文的數據源及處理方式仿真的逼真度較高，岸線邊緣也比較自然，說明本文采用GeoTIFF文件作為高程源是可行的.

4 結束語

采用新的高程信息源，根據帶有DEM的柵格信息生成一幅新的圖像，在遮擋判斷中把對高程的判斷轉換成對像素的判斷.同時，為了更加真實地體現雷達掃描效果，把雷達的距離分辨力加入遮擋判斷中.

但是，由于目前國內外將GeoTIFF文件用于高程源模擬雷達圖像的研究還很少，沒有相關算法及成熟方法可以借鑒.本文只是驗證利用GeoTIFF文件作為高程源的可行性，今后將進一步利用SRTM所提供的數據源，構建動態的仿真系統.

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