基于SAR图像的海洋锋尺度特征参数反演方法及系统

基于sar图像的海洋锋尺度特征参数反演方法及系统
技术领域
1.本发明涉及海洋中尺度现象遥感技术应用领域，尤其涉及基于sar图像的海洋锋尺度特征参数反演方法及系统。


背景技术：

2.海洋锋是特征明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带，因此其空间分布具有锋线长度和锋带宽度特征，基于温度、盐度、密度、速度、叶绿素、颜色等环境要素的水平梯度或它们的更高阶微商也表明了这种特征。但随着航天技术的发展，sar卫星数据资源更加丰富，其全天时、全天候、高分辨的优势在海洋环境研究中发挥了重要作用。由于海洋锋带流场的辐聚辐散和剪切与表面波相互作用，导致锋带的后向散射明显不同于其它地方，在sar图像上表现为一条亮线或一条暗线，一般采用边缘特征检测技术可以获取海洋锋锋线位置，进而得到海洋锋的长度信息，而锋带宽度特征在图像上不明显或者表现不充分，因此很难直接获得，因此，本发明公开了一种基于多参数阈值的sar图像海洋锋尺度特征参数反演方法，首先基于海洋锋的sar图像亮线或暗线特征提取海洋锋锋线位置，获得海洋锋锋线的长度信息，然后通过多参数阈值联调获取海洋锋锋带的空间分布，进而得到海洋锋锋带的宽度信息，最后得到海洋锋的锋线长度和锋带宽度等尺度特征参数。对应区域海面温度分布数据表明该方法能够高精度获取海洋锋尺度特征信息，为海洋sar图像在海洋锋特征研究中的应用提供了技术基础。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术问题，本发明提供了基于sar图像的海洋锋尺度特征参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.采集海洋锋sar图像，提取海洋锋带域图像，并滤除干扰信息；
5.获取海洋锋锋带二值化图像，海洋锋锋带二值化图像用于提取海洋锋尺度特征参数；
6.根据海洋锋锋带二值化图像，提取海洋锋锋线，以及海洋锋锋带的空间分布图像，获取海洋锋尺度特征参数。
7.优选地，在提取海洋锋带域图像的过程中，根据海洋锋sar图像的上亮线或暗线特征，提取海洋锋带域图像，通过中值滤波、经验模态分解，消除海洋锋带域图像的斑点噪声、条带噪声以及海浪的高频信息。
8.优选地，在滤除干扰信息的过程中，中值滤波的表达式为：
9.g
i,j
＝meda{f
i,j
}＝med{f
i+r,j+s
,(r,s)∈a,(i,j)∈i2}
10.式中，a为滤波窗口，f
i,j
为输入数据，g
i,j
为输出数据。
11.优选地，在滤除干扰信息的过程中，经验模态分解的表达式为：
12.emd(i)＝i1+
…
+ik+
…
+in+t
13.式中，i为原始信号，ik表示分解出的模态，t为原始信号的变化趋势。
14.优选地，在获取海洋锋锋带二值化图像的过程中，通过获取海洋锋sar图像的后向散射系数梯度，获得梯度分布图像；
15.基于梯度分布图像，通过最大类间方差法，进行图像梯度阈值分割，获取海洋锋锋带二值化图像，其中，疑似锋面信号的像素点值为1，非锋面信号的像素点值为0；
16.最大类间方差法的表达式为：
17.g＝w0×
w1+w1×
(μ
0-μ1)218.其中，w0＝n0/(m
×
n)，w1＝n1/(m
×
n)，n0+n1＝
×
n，w0+w1＝1，g表示类间方差，μ0为目标平均灰度，μ1为背景平均灰度，梯度分布图像的图像大小为m
×
n，初始化阈值为t，图像中像素的灰度值小于初始化阈值t的像素个数记作n0，大于初始化阈值t的像素个数记作n1。
19.优选地，在提取海洋锋锋线的过程中，根据海洋锋锋带二值化图像，提取海洋锋锋带骨架，获得海洋锋锋线；
20.对海洋锋锋线的间断部分进行连接、毛刺剪切，获得平滑、连续的海洋锋锋线，其中，根据海洋锋锋线的所有点间的距离之和，获取海洋锋锋线的长度。
21.优选地，在获取海洋锋锋线的长度的过程中，海洋锋锋线的长度的表达式为：
[0022][0023]
其中，n表示海洋锋锋线上的点数，loni和lati表示第i点的经纬度。
[0024]
优选地，在提取海洋锋锋带的空间分布图像的过程中，通过调整初始化阈值，获取新的海洋锋锋带二值化图像；
[0025]
通过设定区域阈值滤除非锋带信息，用于保留特征明显的锋带信息；
[0026]
通过设定形态学的多种结构元素阈值，进行不同参数结构元素的闭操作，用于弥合狭窄的间断和细长的沟壑，消除小的孔洞，并填补轮廓线中的裂痕。
[0027]
优选地，在获取海洋锋尺度特征参数的过程中，对海洋锋锋带二值化图像进行边缘提取，得到海洋锋锋带的边缘位置；
[0028]
根据海洋锋锋线的走向，获取沿经度或纬度的海洋锋锋带的宽度信息，其中，
[0029]
在纬度相等时锋宽为：
[0030]
front_w＝|lon
a-lonb|
×
100.0
[0031]
在经度相等时锋宽为：
[0032]
front_w＝|lat
a-latb|
×
111.32
[0033]
式中，(lona,lona)、(lonb,latb)为海洋锋锋线的第a、b点的经纬度。
[0034]
基于sar图像的海洋锋尺度特征参数反演系统，包括：
[0035]
数据提取单元，用于采集海洋锋sar图像，提取海洋锋带域图像，并滤除干扰信息；
[0036]
二值化图像提取单元，用于获取海洋锋锋带二值化图像，海洋锋锋带二值化图像用于提取海洋锋尺度特征参数；
[0037]
特征提取单元，用于根据海洋锋锋带二值化图像，提取海洋锋锋线，以及海洋锋锋带的空间分布图像，获取海洋锋尺度特征参数。
[0038]
本发明公开了以下技术效果：
[0039]
本发明利用海洋锋在sar图像上的亮线或暗线特征，提出了一种基于多参数阈值
的sar图像海洋锋尺度特征参数反演方法，有效解决了海洋锋锋带特征在sar图像上不明显难以直接获得的问题，为全天时、全天候、高分辨sar图像在海洋锋特征研究中的应用奠定了技术基础。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1为本发明所述的反演方法流程图；
[0042]
图2为本发明实施例所述的包含海洋锋现象的sar图像；
[0043]
图3为本发明实施例所述的海洋锋带域sar图像；
[0044]
图4为本发明实施例所述的海洋锋带后向散射系数梯度分布图。
[0045]
图5为本发明实施例所述的海洋锋检测结果图像；
[0046]
图6为本发明实施例所述的海洋锋锋线骨架图像；
[0047]
图7为本发明实施例所述的海洋锋锋线图像；
[0048]
图8为本发明实施例所述的多参数阈值检测的海洋锋锋带图像；
[0049]
图9为本发明实施例所述的海洋锋锋带宽度示意图。
具体实施方式
[0050]
下为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0051]
如图1-9所示，本发明提供了基于sar图像的海洋锋尺度特征参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0052]
采集海洋锋sar图像，提取海洋锋带域图像，并滤除干扰信息；
[0053]
获取海洋锋锋带二值化图像，海洋锋锋带二值化图像用于提取海洋锋尺度特征参数；
[0054]
根据海洋锋锋带二值化图像，提取海洋锋锋线，以及海洋锋锋带的空间分布图像，获取海洋锋尺度特征参数。
[0055]
进一步优选地，在提取海洋锋带域图像的过程中，根据海洋锋sar图像的上亮线或暗线特征，提取海洋锋带域图像，通过中值滤波、经验模态分解，消除海洋锋带域图像的斑点噪声、条带噪声以及海浪的高频信息。
[0056]
进一步优选地，在滤除干扰信息的过程中，中值滤波的表达式为：
[0057]gi,j
＝meda{f
i,j
}＝med{f
i+r,j+s
,(r,s)∈a,(i,j)∈i2}
[0058]
式中，a为滤波窗口，f
i,j
为输入数据，g
i,j
为输出数据。
[0059]
进一步优选地，在滤除干扰信息的过程中，经验模态分解的表达式为：
[0060]
emd(i)＝i1+
…
+ik+
…
+in+t
[0061]
式中，i为原始信号，ik表示分解出的模态，t为原始信号的变化趋势。
[0062]
进一步优选地，在获取海洋锋锋带二值化图像的过程中，通过获取海洋锋sar图像的后向散射系数梯度，获得梯度分布图像；
[0063]
基于梯度分布图像，通过最大类间方差法，进行图像梯度阈值分割，获取海洋锋锋带二值化图像，其中，疑似锋面信号的像素点值为1，非锋面信号的像素点值为0；
[0064]
最大类间方差法的表达式为：
[0065]
g＝w0×
w1+w1×
(μ
0-μ1)2[0066]
其中，w0＝n0/(m
×
n)，w1＝n1/(m
×
n)，n0+n1＝
×
n，w0+w1＝1，g表示类间方差，μ0为目标平均灰度，μ1为背景平均灰度，梯度分布图像的图像大小为m
×
n，初始化阈值为t，图像中像素的灰度值小于初始化阈值t的像素个数记作n0，大于初始化阈值t的像素个数记作n1。
[0067]
进一步优选地，在提取海洋锋锋线的过程中，根据海洋锋锋带二值化图像，提取海洋锋锋带骨架，获得海洋锋锋线；
[0068]
对海洋锋锋线的间断部分进行连接、毛刺剪切，获得平滑、连续的海洋锋锋线，其中，根据海洋锋锋线的所有点间的距离之和，获取海洋锋锋线的长度。
[0069]
进一步优选地，在获取海洋锋锋线的长度的过程中，海洋锋锋线的长度的表达式为：
[0070][0071]
其中，n表示海洋锋锋线上的点数，loni和lati表示第i点的经纬度。
[0072]
进一步优选地，在提取海洋锋锋带的空间分布图像的过程中，通过调整初始化阈值，获取新的海洋锋锋带二值化图像；
[0073]
通过设定区域阈值滤除非锋带信息，用于保留特征明显的锋带信息；
[0074]
通过设定形态学的多种结构元素阈值，进行不同参数结构元素的闭操作，用于弥合狭窄的间断和细长的沟壑，消除小的孔洞，并填补轮廓线中的裂痕。
[0075]
进一步优选地，在获取海洋锋尺度特征参数的过程中，对海洋锋锋带二值化图像进行边缘提取，得到海洋锋锋带的边缘位置；
[0076]
根据海洋锋锋线的走向，获取沿经度或纬度的海洋锋锋带的宽度信息，其中，
[0077]
在纬度相等时锋宽为：
[0078]
front_w＝|lon
a-lonb|
×
100.0
[0079]
在经度相等时锋宽为：
[0080]
front_w＝|lat
a-latb|
×
111.32
[0081]
式中，(lona,lona)、(lonb,latb)为海洋锋锋线的第a、b点的经纬度。
[0082]
基于sar图像的海洋锋尺度特征参数反演系统，包括：
[0083]
数据提取单元，用于采集海洋锋sar图像，提取海洋锋带域图像，并滤除干扰信息；
[0084]
二值化图像提取单元，用于获取海洋锋锋带二值化图像，海洋锋锋带二值化图像
[0115]
g＝w0×
(μ
0-μ)2+w1×
(μ
1-μ)2[0116]
联立两式可得:
[0117]
g＝w0×
w1+w1×
(μ
0-μ1)2[0118]
采用遍历的方法得到使类间方差g最大的阈值锋k，认为此时目标和背景差异最大，此时的灰度t是最佳阈值。
[0119]
利用上述阈值k对图像进行二值，其中疑似锋面信号的像素点值为1，非锋面信号的像素点值为0，获得二值图像。
[0120]
步骤s3具体包括：
[0121]
s31、提取海洋锋锋带骨架，获得海洋锋锋线，如图6；
[0122]
s32、对海洋锋锋线间断部分进行连接、毛刺剪切，获得平滑、连续的海洋锋锋线，如图7；
[0123]
s33、求锋线上所有点间的距离之和，作为海洋锋锋线的长度(单位为km)。
[0124][0125]
其中，n表示海洋锋锋线上的点数，loni和lati表示第i点的经纬度。
[0126]
步骤s4具体包括：
[0127]
s41、对s2中的二值化阈值进行调整，再次获得海洋锋锋带二值化图像；
[0128]
s42、通过设定区域阈值滤除非锋带信息，保留特征明显的锋带信息；
[0129]
设区域面积为a，则有：
[0130][0131]
式中，为对于面积a小于设定的区域阈值，作为小信号滤除。
[0132][0133]
s43、通过设定形态学的多种结构元素阈值，进行不同参数结构元素的闭操作，弥合狭窄的间断和细长的沟壑，消除小的孔洞，并填补轮廓线中的裂痕，如图8。
[0134]
使用结构元b对集合a进行闭操作，定义为：
[0135][0136]
先用b对a进行膨胀操作，然后用b对结果进行腐蚀操作。
[0137]
步骤s5具体包括：
[0138]
s51、对海洋锋锋带二值化图像边缘提取，得到海洋锋锋带的边缘位置；
[0139]
s52、根据海洋锋锋线的走向确定沿经度或纬度计算海洋锋锋带的宽度信息。如图9所示为在经度相等沿纬度的锋宽示意图。
[0140]
在纬度相等时锋宽为(单位为km)：
[0141]
front_w＝|lon
a-lonb|
×
100.0
[0142]
在经度相等时锋宽为(单位为km)：
[0143]
front_w＝|lat
a-latb|
×
111.32
[0144]
式中，(lona,lata)、(lonb,latb)为海洋锋锋线的第a、b点的经纬度。
[0145]
本发明公开的海洋锋尺度特征参数反演方法，利用海洋锋在sar图像上的亮线或暗线特征，提取海洋锋锋线，获得海洋锋锋线的长度信息，然后通过后向散射系数梯度阈值、形态学的多种结构元素阈值、区域滤波阈值等多参数阈值联调获取海洋锋锋带的空间分布图像，进而得到海洋锋锋带的宽度信息，最后得到海洋锋的锋线长度和锋带宽度等尺度特征参数。