一种基于Landsat8卫星图像建模积云场景的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Landsat8卫星图像建模积云场景的方法，属于计算机图形学领域，该方法可以自动从Landsat8卫星图像中构建积云的几何形状和消光系数。首先，利用云和地表在可见光图像和长波红外图像中的差异将图像像素区分为积云和地表两类；其次，利用积云的温度和高度的线性关系计算云顶高度，进而估计云底高度；然后，利用双向反射函数计算云的光学厚度，进而计算云的消光系数；最后，优化云的形状，在云的内部进行采样，形成云的粒子模型并进行绘制。本发明引入遥感理论指导积云场景的构建，能够有效的提高积云场景的真实性和逼真度；建模过程完全自动，效率较高。
【专利说明】-种基于Landsat8卫星图像建模积云场景的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机图形学领域，特别云建模领域，具体涉及一种基于LandsatS卫 星图像建模积云场景的方法。
【背景技术】
[0002] 云作为一种常见的自然现象，其形状千变万化，形成、发展和消散的过程极其复 杂，云的建模一直是具有挑战性的工作。经典的云建模方法大体分为两类，即基于过程的方 法和基于物理仿真的方法。前者主要利用分形理论和噪声纹理等手段建模云的形状，能够 构建逼真的云，但是建模过程依赖频繁的参数调整。为了减少甚至避免参数设定，研究人员 开始尝试基于物理仿真的方法，即通过模拟简化的流体运动方程来仿真云的生成过程。基 于物理的方法通过设定初始边界条件能够建模时域连续的云。然而，由于初始边界条件和 最终的云形状成高度非线性关系，期望构建满意的云形状仍然需要多次调整参数。因此，这 两类经典的方不适合用于构建包含几百朵甚至上千朵的云场景，而主要用于构建单朵云或 小规模的场景。
[0003] 相比于经典的云建模方法，数据驱动的方法由于数据所蕴含的多尺度以及真实 性，逐渐成为一个研究热点。与云建模有关的数据大体分为三类，即自然图像、卫星云图和 数值模拟数据。在利用自然图像建模云方面，Dobashi等人首先从单幅图像建模多种类型 的云。随后，Yuan等人提出了一个简化的单散射模型，并借助该模型逆向求解积云的三维 形状。与自然图像不同，卫星云图和数值模拟数据常常被用于构建大尺度的云系。对于卫 星云图，Dobashi等人首先利用一个简化的模型模拟大尺度的飓风。近年来，Yuan等人提 出利用遥感理论从低分辨率卫星图像中估计云参数，从而构建大尺度云系的三维形状。然 而，他们的方法不适用于积云的建模。一方面是因为低分辨率卫星图像很难记录积云的信 息，另一方面是因为该方法依赖于参数设定，导致几何厚度的误差过大，甚至超过了积云的 典型大小。
[0004] 2013年2月，由美国地质调查局和美国国家航空航天局共同发射的Landsat8开始 提供高分辨率的卫星图像，涉及从可见光到长波红外的11个波段，空间分辨率从1〇〇米到 15米。这些高分辨率的卫星图像为积云场景的构建提供了可能。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于LandsatS卫星 图像的积云场景建模方法，能够从可见光图像和长波红外图像中，构建积云的几何形状和 消光系数。在此基础上，优化云的形状，形成云的粒子模型并进行绘制。实验表明，本发明 提出的方法能够快速、自动地从卫星图像中构建逼真的积云场景，提高了建模效率。
[0006] 本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种基于Landsat8卫星图像建 模积云场景的方法，实现步骤如下：
[0007] 步骤（1)、云地分离，利用云和地表像素在不同波段图像中的特征，结合阈值方法 将图像像素分为积云像素和地表像素，并利用边缘检测算子，提取连通的积云区域；
[0008] 步骤（2)、形状估计，利用温度的局部均匀性计算积云区域的地表温度，利用长波 红外图像的温度、地表温度和温度垂直递减率估计云顶高度。在假设积云底水平的基础上， 将积云区域边界像素的云顶高度的平均值作为云底高度；
[0009] 步骤（3)、消光系数计算，利用可见光图像的反照率，结合可见光波段的双向反射 函数计算云的光学厚度。利用步骤（2)得到的云顶高度和云底高度计算云的几何厚度，进 而在假设积云垂直均匀的基础上利用光学厚度和几何厚度估计积云的消光系数；
[0010] 步骤（4)、粒子采样及绘制，利用步骤（2)得到的云顶高度和云底高度构建云的初 始距离场，并形成初始消光系数体。扰动初始距离场，形成云的形状细节，并更新消光系数 体。利用消光系数体在云的内部进行采样，形成云的粒子模型，并采用多次前向散射模型对 积云的粒子模型进行绘制。最终实现与输入卫星图像相似的建模结果。
[0011] 进一步的，所述步骤（1)中云地分离的具体内容如下：
[0012] 步骤（A1)、与地表相比，云的温度较低，亮度较高，因此长波红外图像的温度取值 较小，可见光图像的反照率取值较大。利用云和地表像素在温度和反照率上的差异，通过设 定阈值，将图像像素分割为云像素和地表像素；
[0013] 步骤（A2)、对于云像素，利用图像边缘检测算子，得到若干连通的区域，每一个连 通区域视为一朵积云。
[0014] 进一步的，所述步骤（2)中形状估计的步骤具体如下：
[0015] 步骤（B1)、首先，利用温度的局部均匀性计算积云区域的地表温度；其次，利用长 波红外图像的温度和地表温度的差以及温度垂直递减率估计云顶高度；
[0016] 步骤（B2)、假设积云底水平，计算当前积云区域边界像素的云顶高度的平均值，并 将其作为积云的云底高度。
[0017] 进一步的，所述步骤（3)中消光系数计算的具体步骤如下：
[0018] 步骤（C1)、利用可见光图像的反照率和可见光波段的双向反射函数求解云的光学 厚度；
[0019] 步骤（C2)、利用步骤（2)得到的云顶高度和云底高度之差计算云的几何厚度；假 设消光系数在垂直方向上分布均匀，并将光学厚度和几何厚度的比值作为积云的消光系 数。
[0020] 进一步的，所述步骤（4)中粒子采样及绘制的具体步骤如下：
[0021] 步骤01)、利用步骤（2)得到的云顶高度和云底高度构建云的初始距离场，并形 成初始消光系数体；
[0022] 步骤（D2)、通过在云的表面添加元球，扰动云的距离场，形成云的形状细节，并利 用最近邻插值算法更新消光系数体；
[0023] 步骤（D3)、在消光系数为正的网格节点处产生云粒子，其中，粒子的半径正比于网 格间距，粒子的中心位置通过扰动网格节点的位置得到，粒子的消光系数等于该节点的消 光系数。最后，采用多次前向散射模型对积云的粒子模型进行绘制。
[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0025] 本发明以高分辨率卫星云图为输入，将计算机图像学技术和遥感理论有机融合， 实现基于可见光图像和长波红外图像的积云场景建模。与之前的建模方法相比，本发明的 方法是一种所见即所得的方法，实现简单，完全自动，建模效率高，适合于大规模虚拟场景 的构建。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的积云场景建模的流程示意图；
[0027] 图2为本发明的云地分离的结果图，其中图（a)为可见光图像，图（b)为分割结 果，白色为云，黑色为地表；
[0028] 图3为本发明的粒子采样的结果图，其中图（a)为初始表面，图（b)为优化后的表 面，图（c)为粒子采样的绘制效果图；
[0029] 图4为本发明的绘制效果图，其中图（a)俯视图，图（b)为平视图，图（c)为傍晚 的云绘制效果。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图与实例对本发明作进一步详细描述：
[0031] 本发明采用LandsatS卫星提供的可见光图像和长波红外图像，这两个图像的波 段分别为〇? 63um- 0? 68um和10. 60um-ll. 20um，水平分辨率为30m和100m。长波红外图像 记录了云或地表的温度，单位为开尔文温度K，记为T;可见光图像记录了反照率，表示卫星 接收到的辐射和太阳入射的辐射的比率，无量纲，记为9?(图2(a))。在这两个波段卫星图 像的基础上，如图1所示，本发明实施过程包括四个主要步骤：云地分离，利用可见光图像 和长波红外图像，并结合阈值方法提取图像中的积云区域；形状估计，利用长波红外图像 的温度估计云顶高度，进而估计云底高度；消光系数计算，利用可见光图像的反照率计算云 的光学厚度，进而估计云的消光系数；粒子采样及绘制，在每一朵云的内部进行采样，形成 云的粒子模型，并对其进行绘制。本发明具体实现如下：
[0032] 步骤一：云地分离，利用可见光图像和长波红外图像，并结合阈值方法提取图像中 的积云区域：
[0033] 为了建模积云，首先需要将卫星云图中的积云区域和其他区域正确地分割开来。 由于与地表相比，云的海拔较高，温度较低，并且反照率较高，因此联合采用长波红外图像 和可见光图像，标记云像素。具体地，如果一个像素满足下式则判定为云像素：
[0034] (1-识)7'<( (1)
[0035] 其中G为阈值，在本发明中取值为220。
[0036] 当卫星云图中的所有像素都被标记为云像素或者地表像素后，得到一幅关于云掩 码的二值图像。进一步，利用图像边缘检测算子，形成若干连通的区域，并将每一个联通区 域视为一朵积云。如图2(b)所示，通过简单的阈值法，可以获得较为精确的积云分割结果。
[0037] 步骤二：形状估计，利用长波红外图像的温度估计云顶高度，进而估计云底高度：
[0038] 由于积云的云体较厚，光学厚度较大，地表福射很难透过云体到达云顶，从而被卫 星捕捉到，因此可以将长波红外图像的温度T视作云顶温度，进而估计云顶高度CTH。
[0039] 积云一般位于海拔10km以下的对流层，这里的温度随着海拔以大约6. 5K/km的速 度下降。利用该气象学规律，结合地表温度Tg，通过下面的公式可以求出云顶高度：
【权利要求】
1. 一种基于LandSatS卫星图像建模积云场景的方法，其特征在于该方法步骤如下： 步骤（1)、云地分离，利用可见光图像和长波红外图像，并结合阈值方法提取图像中的 积云区域； 步骤（2)、形状估计，利用长波红外图像的温度估计云顶高度，进而估计云底高度； 步骤（3)、消光系数计算，利用可见光图像的反照率计算云的光学厚度，进而估计云的 消光系数； 步骤（4)、粒子采样及绘制，在每一朵云的内部进行采样，形成云的粒子模型，并对其进 行绘制。
2. 根据权利要求1所述一种基于LandSatS卫星图像建模积云场景的方法，其特征在 于：所述步骤（1)中云地分离的具体内容如下： 步骤（A1)、联合使用可见光图像中的反照率和长波红外图像中的温度数据，通过简单 的阈值法，将图像像素分为两类，即云像素和地表像素； 步骤（A2)、对于云像素，利用图像边缘检测算子，得到若干连通的区域，每一个连通区 域视为一朵积云。
3. 根据权利要求1所述基于LandSatS卫星图像建模积云场景的方法，其特征在于：所 述步骤（2)形状估计的步骤具体如下： 步骤（B1)、对于云像素，利用长波红外图像的温度和海拔高度的线性关系估计云顶高 度； 步骤（B2)、在假设积云底水平的基础上，将积云区域边界像素的云顶高度的平均值作 为云底高度。
4. 根据权利要求1所述基于LandSatS卫星图像建模积云场景的方法，其特征在于：所 述步骤（3)中消光系数计算的步骤如下： 步骤（C1)、利用可见光图像的反照率，结合可见光波段的双向反射函数计算云的光学 厚度； 步骤（C2)、利用步骤（2)得到的云顶高度和云底高度计算云的几何厚度，进而在假设 积云垂直均匀的基础上利用光学厚度和几何厚度估计积云的消光系数。
5. 根据权利要求1所述基于LandSatS卫星图像建模积云场景的方法，其特征在于：所 述步骤（4)中粒子采样及绘制的步骤如下： 步骤（D1)、利用步骤（2)得到的云顶高度和云底高度构建云的初始距离场，并形成初 始消光系数体； 步骤（D2)、扰动初始距离场，形成云的形状细节，并更新消光系数体； 步骤（D3)、利用消光系数体在云的内部进行采样，形成云的粒子模型，并采用多次前向 散射模型对积云的粒子模型进行绘制。
【文档编号】G06T7/00GK104408770SQ201410725528
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】梁晓辉, 袁春强 申请人:北京航空航天大学