تحديد هوية السفن بناءً على فصل وحدات البكسل في نظام FCLS

مقدمة معلومات أساسية

في مجال مراقبة الملاحة البحرية والممرات المائية الداخلية، لطالما شكّل تحديد هوية السفن تطبيقًا بالغ الأهمية لتقنية الاستشعار عن بُعد. يرتبط توزيع السفن ارتباطًا وثيقًا بإدارة حركة الملاحة، وإنفاذ القانون البحري، والأمن القومي، فضلًا عن مراقبة موارد الثروة السمكية، ومكافحة الصيد غير القانوني، وحماية البيئة، وعمليات الإنقاذ في حالات الطوارئ. تعتمد أساليب مراقبة السفن التقليدية بشكل أساسي على الرادار وأجهزة الاستشعار البصرية، إلا أنها عرضة للتشويش، وتعاني من نقاط عمياء في ظل ظروف بحرية معقدة، أو غطاء سحابي، أو ظروف الليل. وقد أتاح ظهور الاستشعار عن بُعد فائق الطيف إمكانيات جديدة لتحديد هوية السفن. وعلى وجه الخصوص، تستطيع طريقة الفصل الطيفي القائمة على طريقة المربعات الصغرى المقيدة بالكامل (FCLS) فصل مكونات الماء والسفينة على مستوى البكسل الفرعي، مما يوفر وسيلة أكثر دقة وفعالية لتحديد هوية السفن في البيئات المعقدة. ولذلك، أصبحت تقنية تحديد هوية السفن فائقة الطيف، بالاقتران مع طريقة المربعات الصغرى المقيدة بالكامل، اتجاهًا بحثيًا هامًا في مجال مراقبة الملاحة البحرية وتحليل الاستشعار عن بُعد الذكي.

تهدف هذه الدراسة إلى الاستفادة القصوى من المزايا الطيفية للاستشعار عن بُعد فائق الطيف، واستكشاف استراتيجية لتحديد السفن تعتمد على طريقة فصل المكونات باستخدام طريقة المربعات الصغرى المقيدة بالكامل (FCLS)، مما يُحسّن دقة الكشف واستقراره في البيئات المعقدة. أولًا، من خلال اعتبار هيكل السفينة "عنصرًا شاذًا" في البيئة المائية، تُستخدم طريقة FCLS لتحليل طيف البكسل وفقًا لقيود الوفرة. وهذا يسمح بتحديد نسبة مكونات السفينة إلى مكونات الماء، متجاوزًا بذلك قيود دقة الصورة التقليدية في تحديد السفن الصغيرة. وبدمج القيود المورفولوجية المكانية وتحليل الشذوذ المتبقي، تسعى هذه الدراسة إلى بناء معيار للكشف عن السفن يعتمد على دمج عدة خصائص، لتحقيق تحديد دقيق للسفن على مختلف الأحجام وفي ظل ظروف خلفية متنوعة. في نهاية المطاف، لا يقتصر هدف البحث على تحسين أتمتة ودقة تحديد السفن فحسب، بل يشمل أيضًا توفير دعم بيانات موثوق وحلول تقنية لمراقبة حركة الملاحة البحرية، وإنفاذ قوانين الصيد، وإدارة الموارد البحرية، وعمليات الإنقاذ في حالات الطوارئ.

البيانات والأساليب

1. البيانات

تستخدم دراسة الحالة هذه صورًا طيفية فائقة لمضيق البحر الأبيض المتوسط ​​(مضيق بونيفاسيو) بين كورسيكا، فرنسا وسردينيا، إيطاليا، التقطها القمر الصناعي Xiguang-1 05 (تيانشيانبي) في 15 يوليو 2025، مع انعكاس من فئة L2C مصححة جويًا.تُستخدم بيانات الأسعار لتحديد السفن في المنطقة باستخدام خوارزمية FCLS.

الجدول 1. مقدمة البيانات

2. فصل البكسلات باستخدام FCLS

أولاً، تم اختيار العناصر النهائية بناءً على هدف الكشف. في هذا التحديد، تم اختيار أربع فئات: الماء، واليابسة، والسحابة، وهيكل السفينة، كما هو موضح في الشكل 1-4.

الشكل 1: عنصر طرفي للمسطح المائي

الشكل 2: الطرف النهائي للأرض

الشكل 3: بيانات السحابة

الشكل 4. عنصر نهاية الهيكل

يوضح الشكل 5 أدناه انعكاسية أنواع الأجسام المختلفة.

الشكل 5. عنصر نهاية الهيكل

عرض النتائج

يوضح الشكل 6 الصورة المراد اكتشافها، والتي تحتوي على عدد من السفن في الماء.

الشكل 6. صورة مركبة بالألوان الحقيقية (القمر الصناعي Xiguang-1 05 - Tianxianpei 20250715)

تم تطبيق حل البكسل المذكور أعلاه على البيانات. بعد إزالة المناطق البرية باستخدام بيانات القناع وإجراء تصنيف العتبة، تم الحصول على النتائج التالية، حيث تمثل البكسلات الحمراء هيكل السفينة:

الشكل 7 (القمر الصناعي Xiguang رقم 1 05 - رقم Tianxianpei 20250715)

استنادًا إلى تقنية فصل المكونات باستخدام نظام FCLS وطرق التمييز اللاحقة، قمنا بحساب عدد هياكل السفن المستخرجة ضمن منطقة الدراسة ومقارنتها بنتائج التفسير اليدوي. بشكل عام، تستطيع طريقة فصل المكونات فصل المناطق ذات الوفرة العالية للمكونات النهائية على هياكل السفن بدقة، مما يُشكل أنماطًا واضحة لتجميع السفن. على سبيل المثال، في سيناريو منطقة ميناء قريبة من الشاطئ، بلغ عدد هياكل السفن التي تم تفسيرها يدويًا 11 هيكلًا، بينما استخرجت نتيجة التحديد القائمة على نظام FCLS 13 هيكلًا، محققةً معدل تمييز يقارب 85%. من بينها، تم تحديد جميع السفن الكبيرة تقريبًا بشكل صحيح نظرًا لخصائص مكوناتها النهائية البارزة؛ ومع ذلك، تم تحديد سفينة صغيرة واحدة بشكل خاطئ لأن خاصية وفرتها لم تكن بارزة بما فيه الكفاية بسبب ارتفاع نسبة اختلاطها بالماء أو تداخل خط الشاطئ. كانت سفينة أخرى عبارة عن رقعة صغيرة ذات بقايا عالية وتم تحديدها بشكل خاطئ على أنها سفينة، مما يشير إلى أن الطريقة تُصدر بعض الإنذارات الكاذبة في ظل الأمواج القوية أو تداخل الرغوة. بشكل عام، يتوافق عدد هياكل السفن المستخرجة من نتائج الفصل بشكل كبير مع البيانات المصنفة يدويًا، مما يؤكد فعالية الطريقة في البيئات المائية المعقدة. ومع ذلك، يشير هذا أيضًا إلى ضرورة دمج القيود المورفولوجية المكانية ودمج الميزات متعددة المصادر لتقليل معدلات النتائج الإيجابية والسلبية الخاطئة.