CN112001962A

CN112001962A - 船舶高度测算方法和***

Info

Publication number: CN112001962A
Application number: CN202010720728.7A
Authority: CN
Inventors: 姜璐; 李沛林; 薛昭
Original assignee: Beijing Theto Optical Science And Technology Development Co ltd
Current assignee: Beijing Theto Optical Science And Technology Development Co ltd
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2040-07-24
Also published as: CN112001962B

Abstract

本申请公开了一种船舶高度测算方法，其包括：获取位于水面上的船舶的三维点云；将三维点云投影到一目标平面上，得到对应的二维点云，目标平面平行于竖直方向；在目标平面内，对二维点云进行处理，拟合得到表示船舶与水面相交位置的直线，即船体‑水面交线；在目标平面内，计算二维点云与拟合得到的船体‑水面交线的最远距离，作为船舶高度。本申请还公开了一种船舶高度测算***。根据本发明实施例，可以使得船舶高度探测工作能够更加灵活地进行，同时有利于减小高度测算的计算量，提高测算效率。

Description

船舶高度测算方法和***

技术领域

本发明涉及一种三维测量技术，具体而言，涉及一种基于激光三维扫描技术的船舶高度测算方法和***。

背景技术

船舶在通过船闸或桥梁时，为了避免因船身或载有的货柜过高而发生碰撞事故，需要对船舶的高度进行远距离遥感测量。为此，人们开发了不同的船舶高度测量技术。例如，基于图像处理的船舶高度测量技术利用摄像头对船舶进行拍摄，然后通过对拍摄得到的图像进行处理得到船舶高度。此外，还开发了基于激光三维扫描的船舶高度测量技术。例如中国专利CN109178234A公开了一种船舶干舷高度测量***，该***利用水位计以及安装在桥梁下方的激光雷达来对船高进行测量，以避免碰撞。

这些现有的船舶高度测量技术主要针对的是例如船舶过桥、过闸时船舶高度的静态或准静态测量监控需求。相应地，现有船舶高度测量技术受到其装置的安装设计和测量原理的影响，工作距离受限，并且无法灵活移动，所以使用的灵活性不足。

此外，对于基于船舶三维数据的高度测算方法而言，完全基于三维数据固然可以搜索到船舶最高点并计算船舶高度，但是这往往对于***的计算能力要求较高，计算时间较长，不利于迅速进行高度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶高度测算方法和***，其至少部分地克服了现有船舶高度测量技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种船舶高度测算方法，该方法包括以下步骤：

a.获取位于水面上的船舶的三维点云；

b.将所述三维点云投影到一目标平面上，得到对应的二维点云，所述目标平面平行于竖直方向；

c.在所述目标平面内，对所述二维点云进行处理，拟合得到表示船舶与水面相交位置的直线，即船体-水面交线；

d.在所述目标平面内，计算所述二维点云与所述拟合得到的船体-水面交线的最远距离，作为船舶高度。

在一些实施例中，所述步骤a包括从所述船舶的侧面对船舶进行激光三维扫描探测。

优选地，所述目标平面大致经过船舶的中心且平行于船舶的前后方向。

在一些实施例中，在所述目标平面中以平行于竖直方向的方向为Z方向，以垂直于竖直方向的方向为Y方向，并且所述步骤c包括：

c-1.在所述二维点云中，对应于不同Y方向坐标值，搜索Z方向位置最低的、来自于船舶上的点，得到船舶底部点云；以及

c-2.在所述目标平面内，基于所述船舶底部点云，拟合得到所述船体-水面交线。

在一些实施例中，所述步骤c-1包括：

c-1-1.在所述目标平面内，通过坐标变换，将所述二维点云映射到平面图像坐标系下的不同像素位置上，得到二维图像点集，其中所述平面图像坐标系下的像素构成沿所述Y方向的行和沿所述Z方向的列；

c-1-2.在所述二维图像点集中，在对应于不同Y方向坐标的每一列中，搜索沿Z方向位置最低的、来自于船舶上的点，得到船体底部图像点集；以及

c-1-3.将所述船体底部图像点集中的至少部分点从所述平面图像坐标系映射回所述二维点云的坐标系中，得到所述二维点云的一个子集，即船舶底部点云。

在所述步骤c-1-1中，所述坐标变换可以包括坐标值四舍五入、坐标值取整和变化坐标比例中的至少一种。

在一些实施例中，所述步骤c-1-2可以包括：

建立所述平面图像坐标系下的掩码图像，该掩码图像中对应于所述二维图像点集的位置上被赋值为1，在其它位置上被赋值为0；以及

在所述掩码图像中，在对应于不同Y方向坐标的每一列中，搜索沿Z方向位置最低的、值为1的点，得到所述船体底部图像点集。

在一些实施例中，所述步骤c-1-3可以包括：

计算所述船体底部图像点集的Z方向坐标的均值，并设定一偏离阈值，将所述船体底部图像点集中Z方向坐标相对于所述均值偏离超过所述偏离阈值的点剔除，得到修正后的船体底部图像点集；以及

将所述修正后的船体底部图像点集从所述平面图像坐标系映射回所述二维点云的坐标系中，得到所述船舶底部点云。

优选地，所述步骤c-2可以包括：利用RANSAC算法拟合所述船体-水面交线。

在一些实施例中，所述步骤c-2可以包括：

在所述目标平面内，基于所述船舶底部点云进行直线拟合，得到初始拟合直线；

计算所述船舶底部点云中各个点到所述初始拟合直线的距离的平均值或标准差值；以及

将所述初始拟合直线沿竖直方向向下平移所述平均值或标准差值的量，得到所述船体-水面交线。

根据本发明的另一个方面，还提供一种船舶高度测算***，该***包括：激光三维扫描装置，用于对船舶进行激光三维扫描探测；和计算装置，其与所述激光三维扫描装置通信相连，并且包括存储器和一个或多个处理器，所述处理器可操作地联接至所述存储器且被构造为执行存储在存储器中的程序代码，以实施以上所述的船舶高度测算方法。

根据本发明实施例的船舶高度测算方法和***通过将船舶高度测算从三维空间中转换到二维平面中进行，将水平面位置的探测转换成船体-水面交线的探测，使得船舶高度探测工作能够更加灵活地进行，同时有利于减小高度测算的计算量，提高测算效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明实施例的船舶高度测算方法的示意性流程图；

图2为目标平面内二维点云的示意图；

图3为根据本发明实施例的船舶高度测算方法的一个示例的示意性流程图；

图4示意性地示出从船舶的侧面对船舶进行激光三维扫描探测；

图5为根据本发明实施例的船舶高度测算***的示意性框图；

图6为可用于根据本发明实施例的船舶高度测算***的光电跟踪平台及其负载的示意图；

图7为基于二维点云搜索船舶底部点云的方法的一个示例；

图8示意性地示出图7所示方法中将二维点云映射到平面图像坐标系中得到二维图像点集的变换方式的一个示例；

图9示意性地示出了对应于图8中所示二维图像点集的掩码图像；

图10示意性地示出了修正船体底部图像点集的一个示例；

图11为基于船舶底部点云获得船体-水面交线的方法的一个示例；以及

图12示意性地示出了通过图11所示方法得到的初始拟合直线和船体-水面交线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为根据本发明实施例的船舶高度测算方法100的示意性流程图。如图1所示，船舶高度测算方法100包括以下处理：

S110:获取位于水面上的船舶的三维点云；

S120:将三维点云投影到一目标平面上，得到对应的二维点云，目标平面平行于竖直方向；

S130:在目标平面内，对二维点云进行处理，拟合得到表示船舶与水面相交位置的直线，即船体-水面交线；以及

S140:在目标平面内，计算二维点云与拟合得到的船体-水面交线的最远距离，作为船舶高度。

处理S110中获取位于水面上的船舶的三维点云，可以通过使用例如激光三维扫描装置对水面上的船舶进行三维扫描探测而实时获得的，也可以是获取已经存在的三维点云数据。

在处理S120中，“投影”是指从被投影的点做垂直于目标平面的垂线，以垂足(垂线与目标平面相交的点)作为投影得到的点。这样，将多个三维点(三维点云)投影到目标平面上，即得到目标平面上的多个二维点(二维点云)。此外，“竖直方向”在本发明中指的是对船舶高度进行度量的方向。理想地，“竖直方向”指的是垂直于水平面的方向；但是，本发明中“竖直方向”也可以是相对于严格垂直于水平面的方向存在一定偏差的方向，所述偏差对船舶高度测量引入的误差在允许范围内。

根据本发明实施例，由于目标平面平行于竖直方向，所以船舶的三维点云被投影到目标平面上而得到的二维点云保留了船舶上被探测到的点在竖直方向上的相对位置关系，从而保留了船舶的高度信息。这样，通过对上述二维点云进行处理，可以提取船舶的高度信息。

由于对于位于水面上的船舶的高度指的是船舶最高点相对于水平面的高度，所以首先在处理S130中，对二维点云进行处理，得到船体-水面交线。

图2为通过船舶高度测算方法100得到的目标平面内二维点云的示意图。在图2中，处理S130中得到的船体-水面交线用附图标记“L”标示。

在处理S140中，在目标平面内，例如可以先搜索找到最高点P(距离船体-水面交线L最远的点)，然后计算最高点P与船体-水面交线L的距离，作为船舶高度。

图3为船舶高度测算方法200的示意性流程图。船舶高度测算方法200为图1所示的根据本发明实施例的船舶高度测算方法100的一个具体示例。如图3所示，船舶高度测算方法200包括：

S210:从船舶的侧面对船舶进行激光三维扫描探测,获取位于水面上的船舶的三维点云；

S220:将三维点云投影到一目标平面上，得到对应的二维点云，所述目标平面平行于竖直方向以及船舶的前后方向，并且大致经过船舶的中心；

S231:目标平面中以平行于竖直方向的方向为Z方向，以垂直于竖直方向的方向为Y方向，在二维点云中，对应于不同Y方向坐标值，搜索Z方向位置最低的、来自于船舶上的点，得到船舶底部点云；

S232:在目标平面内，基于船舶底部点云，拟合得到船体-水面交线；以及

S240:在目标平面内，计算二维点云与拟合得到的船体-水面交线的最远距离，作为船舶高度。

其中，处理S210和处理S220分别对应于船舶高度测算方法100中的处理S110、处理S120，不同之处在于，在船舶高度测算方法200中特别选取了平行于船舶前后方向的平面作为目标平面，并且相应地，有利地选取从船舶的侧面对船舶进行激光三维扫描探测。目标平面平行于竖直方向以及船舶的前后方向，有利于减小船体-水面交线的拟合误差，提高船舶高度测量的准确性。

图4示意性地示出从船舶的侧面对船舶进行激光三维扫描探测的情形。在图4所示示例中，以竖直方向为Z方向，以船舶B的前后方向为Y方向，目标平面为经过船舶中心的YZ平面。

处理S231和处理S232整体对应于船舶高度测算方法100中的处理S130，是处理S130的实现方式的一个示例。在处理S231中，在二维点云中搜索对应于船舶底部位置(或者说是船舶最靠近与水面相交线的位置)的点，得到船舶底部点云；然后在处理S232中，基于该船舶底部点云，拟合船体-水面交线。处理S232可以包括利用RANSAC算法拟合船体-水面交线。处理S231和处理S232的更为具体的实现方式的示例在下文中还将分别结合图7至图10以及图11至图12详细描述。

处理S240与船舶高度测算方法100中的处理S140相同，在此不再赘述。

图5为根据本发明实施例的船舶高度测算***1的示意性框图。如图5所示，船舶高度测算***1可以包括激光三维扫描装置10以及与激光三维扫描装置10通信相连的计算装置20。激光三维扫描装置10用于对船舶进行激光三维扫描探测，其可以是例如激光雷达或者其它任何适用于对船舶进行激光三维扫描的装置。计算装置20可以包括存储器和一个或多个处理器(未示出)，其中处理器可操作地联接至存储器且被构造为执行存储在存储器中的程序代码，以实施根据本发明实施例的船舶高度测算方法。

如图4所示，船舶高度测算***1或者其中的激光三维扫描装置10可以安装在例如巡逻舰之类的船只C上，根据需要灵活地在水面上对不同的船舶进行探测。

根据本发明实施例，激光三维扫描装置10与计算装置20可以集成在同一设备体中，也可以是通过有线或无线方式通信但是彼此分开的装置。例如，计算装置20可以是通过互联网或者专用的网络获取安装在巡逻舰上的激光三维扫描装置10所探测的船舶三维点云数据的云端服务器。

在激光三维扫描装置10与计算装置20分布式设置的情况下，优选地，船舶高度测算***1还可以包括通信装置30，其将激光三维扫描装置10探测到的船舶三维点云数据发送给计算装置20。在一些情况下，通信装置30也可以接收来自计算装置20或者其他控制装置的一些参数或指令，并将其传送给激光三维扫描装置10。

返回参照图5，船舶高度测算***1还可以包括光电跟踪平台40。仅为示意而非限制性的目的，图6示意性地示出了可用于船舶高度测算***1的光电跟踪平台40及其负载40’。光电跟踪平台40可以例如安装在图4所示的船只C上。激光三维扫描装置10搭载在光电跟踪平台40上，成为负载40’的至少一部分。这样，通过光电跟踪平台40可以调整激光三维扫描装置10的视场方向，使得激光三维扫描装置10的视野范围覆盖待测量的船舶(例如图4所示船舶B)以及船舶与水平面的交线。

图7为基于二维点云搜索船舶底部点云的方法的一个示例——方法300，其可用于实现图3所示船舶高度测算方法200中的处理S231。

如图7所示，方法300包括：

S310:在目标平面内，通过坐标变换，将二维点云映射到平面图像坐标系下的不同像素位置上，得到二维图像点集，其中平面图像坐标系下的像素构成沿Y方向的行和沿Z方向的列；

S320:在二维图像点集中，在对应于不同Y方向坐标的每一列中，搜索沿Z方向位置最低的、来自于船舶上的点，得到船体底部图像点集；以及

S330:将船体底部图像点集中的至少部分点从平面图像坐标系映射回二维点云的坐标系中，得到所述二维点云的一个子集，即船舶底部点云。

为了便于理解处理S310，图8示意性地示出将目标平面中的二维点云映射到平面图像坐标系中得到二维图像点集的一个示例。

图8中(a)部分示出了二维点云中的多个点，包括点(y₁，z₁)，并且以像素单元阵列形式示出了平面图像坐标系ICS。所述像素单元阵列构成沿Y方向的行和沿Z方向的列。可以看到，二维点云的点(y₁，z₁)可以在Y轴和Z轴的连续坐标轴上取值，而平面图像坐标系ICS中的像素单元在Y轴和Z轴上的坐标值是离散的。

为了将在Y轴和Z轴上连续取值的二维点云中的点映射到平面图像坐标系ICS中，可以对二维点云中的点进行坐标变换；这里，坐标变换可以包括坐标值四舍五入、坐标值取整以及变化坐标比例中的至少一种。图8中的(b)部分示出了通过坐标值四舍五入而将二维点云中的点映射到平面图像坐标系ICS中的示例，其中例如，二维点云中的点(y1，z1)的坐标值为(2.7，5.1)，通过将该坐标值四舍五入得到坐标值(3，5)，从而映射到图8中示出的平面图像坐标系中的图像点(Y1,Z1)，该图像点(Y1,Z1)的坐标值为(3，5)。二维点云中的多个点通过坐标变换映射到平面图像坐标系ICS中，得到多个图像点，即得到二维图像点集。

二维图像点集分布在像素阵列中，在对应于不同Y轴坐标的每一列中，可以搜索Z轴方向位置最低的、来自船舶上的点，从而得到船体底部图像点集。这就是处理S320。这里，对于所搜索的点是否“来自船舶上”可以是将所有进入处理的船舶的三维点云均默认为是来自船舶上的，因为通常在利用例如激光雷达针对船舶进行激光三维扫描时，扫描到水面上的激光很少被反射回激光雷达；当然，在处理S320的过程中或者之前，也可以通过对激光三维扫描时获得的各个点的信号的强弱进行分析，从而排除不是“来自船舶上”的点，因为相对于船舶反射的激光信号，水面反射的激光信号的强度显著较小。

在一些实施例中，处理S320可以包括：

S321：建立平面图像坐标系下的掩码图像，该掩码图像中对应于二维图像点集的位置上被赋值为1，在其它位置上被赋值为0；以及

S322：在掩码图像中，在对应于不同Y方向坐标的每一列中，搜索沿Z方向位置最低的、值为1的点，得到船体底部图像点集。

图9示意性地示出了对应于图8中(b)部分所示二维图像点集的掩码图像M。

返回参照图7，在处理S330中，可以将在处理S320中得到的船体底部图像点集都映射回二维点云的坐标系中，得到船舶底部点云，也可以选择其中部分的点映射回二维点云的坐标系中，以提高船舶高度测算的精度。

在一些实施例中，处理S330可以包括：

S331：计算船体底部图像点集的Z方向坐标的均值，并设定一偏离阈值，将船体底部图像点集中Z方向坐标相对于所述均值偏离超过所述偏离阈值的点剔除，得到修正后的船体底部图像点集；以及

S332：将修正后的船体底部图像点集从平面图像坐标系映射回二维点云的坐标系中，得到船舶底部点云。

图10示意性地示出了修正船体底部图像点集的一个示例。图10中，虚线直线AVG表示处理S331中得到的船体底部图像点集的Z方向坐标均值，两个虚线的椭圆仅示意性地标示出船体底部图像点集中相对于所述均值AVG偏离超过一定偏离阈值的点，这些点被剔除，剩余的点构成修正后的船体底部图像点集并从平面图像坐标系ICS被映射回二维点云的坐标系中，得到船舶底部点云。图10中的实线直线L示意性地表示基于上述方式得到的船舶底部点云拟合得到的船体-水面交线。

可以看到，通过在处理S320搜索得到的船体底部图像点集中剔除相对于Z轴坐标均值偏离过大的点，可以将例如来自水面而被误判为来自船舶上的点、来自船舶但是偏离船体与水面交线较大的点剔除，从而提高测算的精度。

图11为基于船舶底部点云获得船体-水面交线的处理的一个示例——方法400，其可用于实现图3所示船舶高度测算方法200中的处理S232。

如图11所示，方法400包括：

S410：在目标平面内，基于船舶底部点云进行直线拟合，得到初始拟合直线；

S420：计算船舶底部点云中各个点到初始拟合直线的距离的平均值或标准差值；以及

S430：将初始拟合直线沿竖直方向向下平移所述平均值或标准差值的量，得到船体-水面交线。

图12示意性地示出了通过图11所示方法得到的初始拟合直线l和船体-水面交线L，其中船体-水面交线L是初始拟合直线l沿Z轴向下平移船舶底部点云中各个点到初始拟合直线l的距离的平均值或标准差值的量而得到的。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种船舶高度测算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.获取位于水面上的船舶的三维点云；

2.如权利要求1所述的船舶高度测算方法，其中，所述步骤a包括从所述船舶的侧面对船舶进行激光三维扫描探测。

3.如权利要求1所述的船舶高度测算方法，其中，所述目标平面大致经过船舶的中心且平行于船舶的前后方向。

4.如权利要求1或3所述的船舶高度测算方法，其中，在所述目标平面中以平行于竖直方向的方向为Z方向，以垂直于竖直方向的方向为Y方向，并且

所述步骤c包括：

5.如权利要求4所述的船舶高度测算方法，其中，所述步骤c-1包括：

6.如权利要求5所述的船舶高度测算方法，其中，在所述步骤c-1-1中，所述坐标变换包括坐标值四舍五入、坐标值取整和变化坐标比例中的至少一种。

7.如权利要求5所述的船舶高度测算方法，其中，所述步骤c-1-2包括：

8.如权利要求5所述的船舶高度测算方法，其中，所述步骤c-1-3包括：

9.如权利要求4所述的船舶高度测算方法，其中，所述步骤c-2包括：利用RANSAC算法拟合所述船体-水面交线。

10.如权利要求4所述的船舶高度测算方法，其中，所述步骤c-2包括：

11.一种船舶高度测算***，其特征在于，包括：

激光三维扫描装置，用于对船舶进行激光三维扫描探测；和

计算装置，其与所述激光三维扫描装置通信相连，并且包括存储器和一个或多个处理器，所述处理器可操作地联接至所述存储器且被构造为执行存储在存储器中的程序代码，以实施如权利要求1-10中任一项所述的船舶高度测算方法。