[发明专利]一种内河通航船舶超高检测预警系统及其工作方法

权利要求书

1.一种内河通航船舶超高检测预警系统，其特征在于：包括船舶图像成像模块(1)、现场图像远程发送模块(2)、船舶图像接收模块(3)、VTS控制中心(12)、环境信息检测模块(4)、环境信息发送/接收模块(5)、桥梁净空高度发送/接收模块(6)、桥梁净空高度测量模块(7)、标定数据模块(8)、AIS系统模块(9)、无线发送/接收模块(10)和无线手持执法终端模块(11)；所述的船舶图像成像模块(1)为CCD成像设备，安装在河岸的一侧，所述的CCD成像设备包括CCD相机或摄像机；在河岸的另一侧安装一个由彩色LED灯组成的点阵作为标定物；所述的现场图像远程发送模块(2)将船舶图像成像模块(1)成像得到的船舶图片发送到船舶图像接收模块(3)；所述的船舶图像接收模块(3)接收现场图像远程发送模块(2)发送的图片；所述的环境信息检测模块(4)包括雷达测距模块，检测出当前的背景标定物与船舶间的距离信息；所述的环境信息发送/接收模块(5)将环境信息检测模块(4)检测出当前的背景标定物与船舶间的距离信息发送到控制中心；所述的净空高度测量模块包括超声波探测设备，检测当前桥梁实际净空高度；所述的桥梁净空高度发送/接收模块(6)将净空高度测量模块检测到的桥梁净空高度的数据发送到控制中心；所述的标定数据模块(8)根据背景标定物体，运用数学模型，获取当前位置空间单位像素的物理尺寸；所述的AIS系统模块(9)获取船舶运行中的位置信息，它用来向控制中心提供船舶航行过程中的位置数据；所述的无线发送/接收模块(10)将控制中心得到的船舶实际高度的测量数据以及是否有桥船碰撞危险信息发送到无线手持执法终端；所述的无线手持执法终端模块(11)为获取船舶发生碰撞桥梁的风险信息；所述的VTS控制中心(12)整合来自成像模块的图片数据、环境检测模块的数据、船舶通航的位置数据，进行数据终端处理。

2.一种内河通航船舶高度检测系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、背景标定；首先在河岸的一侧固定安装一台CCD成像设备，安装好CCD成像设备后，由于安装中存在一些机械误差，导致CCD成像设备平面并不水平，这就要求对CCD成像设备进行初始化设置；当发生竖直方向偏移时，通过在CCD成像设备前放置好一个垂直于地面的角形标杆，在标杆的竖直方向和水平方向分别设定三个点，竖直方向的三个点记为H、P、Q，水平方向的三个点记为K、M、N，竖直方向的P点和水平方向的M点分别为水平线段HQ和竖直线段KN的中点，当CCD成像设备竖直方向有θ角度的旋转，通过图像处理计算HP与PQ不相等，则调整CCD成像设备竖直方向的角度，直至HP＝PQ，则CCD成像设备在竖直方向调平；同理，当发生水平方向偏移时，通过水平方向的三个点来调整CCD成像设备在水平方向的夹角，直至CCD成像设备在水平方向调平；当CCD成像设备各参数确定之后，记录各参数并将该状态作为CCD成像设备的初始状态，CCD成像设备复位时，检查图像中竖直方向的P点和水平方向的M点是否为中点，以确定CCD成像设备是否回到初始位置，如果未回到初始位置，则需要人工重新设置；

B、图像处理；由于需要测量船舶高度信息，采用竖直标定的方式，首先选取竖直方向的A、C两个标定点，设O为CCD成像设备坐标系的原点，并作辅助线OA、OC，设主光轴为OD，D点为主光轴与标定物的交点，并且交船舶最高点所在竖直平面于G点，F点为船舶最高点，连接OF并延长交标定物平面于B点，E点为标定物与河岸的交点；CCD成像设备安装时尽量将主光轴调至水平，CCD成像设备与船舶最高点F连线交标定物于B点；

设X、Y分别为CCD成像设备坐标系的横轴、纵轴，Z为CCD成像设备光轴方向且垂直于X、Y所在平面的坐标轴，(X₁,Y₁,Z₁)为标定物上A点在CCD成像设备坐标系的对应坐标，(X₂,Y₂,Z₂)为标定物上C点在CCD成像设备坐标系的对应坐标，假定实际光心在CCD成像设备坐标系中对应坐标为(X₃,Y₃,Z₃)，并近似为图像中心，船舶最高点F在标定物上的投影点其对应在CCD成像设备坐标系中的坐标为(X₄,Y₄,Z₄)；所述的光心为主光轴与CCD成像设备的成像平面的交点；

首先，设图像坐标系的横轴和纵轴分别为u和v，则CCD成像设备坐标系(X,Y,Z)和图像坐标系(u,v)的关系为：

u＝X/dx+u₀(1)

v＝Y/dy+v₀(2)

其中，u₀、v₀为CCD成像设备坐标原点在图像坐标系中的坐标，其数值以像素为单位，dx、dy为单位像素在x、y轴方向的物理尺寸；

将Y₁、Y₄分别代入式(2)并两两相减得

(Y₁-Y₄)/dy＝v₁-v₄；(3)

将Y₂、Y₄分别代入式(2)并两两相减得

(Y₄-Y₂)/dy＝v₄-v₂；(4)

由式(3)和(4)两式相除得：

(Y₁-Y₄)/(Y₄-Y₂)＝(v₁-v₄)/(v₄-v₂)；

其次，v₁,v₂为两个标定点A和C在图像坐标系的纵坐标，通过识别标定点A、C获得；v₃为主光轴与标定物交点E对应在图像坐标系中的纵坐标，并将其近似为图像坐标系的中心；

第三，通过图像处理的方式识别船舶最高点，获取船舶在标定物上的投影点v₄；

C、高度计算；先连接CCD成像设备O与标定物上标定点A构成线段OA，再连接CCD成像设备O与标定物上标定点C构成线段OC，然后连接CCD成像设备O经船舶最高点F的延长线交标定物于B构成线段OB，线段OD为CCD成像设备主光轴，CCD成像设备在安装、校准并初始化后，主光轴OD基本水平；

根据CCD成像设备针孔成像原理，得到：

(Y₁-Y₄)dy/f＝AB/OD；

(Y₄-Y₂)dy/f＝BC/OD；

两式相除得：

(Y₁-Y₄)/(Y₄-Y₂)＝AB/BC；

式中，f为CCD成像设备的焦距；

在竖直方向上，由于线段AC、CE和OD的长度已知，通过上式计算得到线段AB和BC的长度；由于CCD成像设备距地面的高度已知，通过计算得到线段BD的长度；在水平方向上，由于线段OG、线段GD的长度已知，利用平面几何关系求出线段GF的长度，进而求出通航船舶高度；

D、超高报警；船舶通过背景标定模块是一个动态过程，通过对多幅图片处理后得到的最大值作为船舶通航高度值，如果该高度值大于净空高度测量模块所允许最大值，此时，VTS控制中心(12)发出超高警报信号，并向无线手持执法终端发送违章船舶信息；

E、通知超高船舶；当VTS控制中心(12)内发出超高警报信号，接到报警信号的该桥区巡航执法人员及时通知超高船舶，采取相应措施。