一种基于山脊能量校正的山地中带状地下目标的探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种通过检测山地环境中山脊位置并进行能量校正来提高对山地环境中带状地下目标的探测、识别、定位方法。该方法属于模式识别、遥感技术、地形分析的交叉领域。带状地下目标的热场与山体的热场不同能产生能量异常，而山脊的热岛效应也会造成山体能量异常，但该异常本质上与带状地下目标的能量异常模式不同，所以本发明意在通过消除地形中的山脊所产生的热体效应对带状地下目标表现出的微弱能量异常模式的影响，达到降低山地环境中带状地下目标的探测识别虚警率的效果。本发明包括获取地形数字高程信息步骤，数字高程信息去噪预处理步骤，山脊线检测步骤，山脊位置能量校正步骤和带状地下目标探测步骤。
【专利说明】一种基于山脊能量校正的山地中带状地下目标的探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模式识别、遥感技术、地形分析的交叉领域，具体涉及一种基于山脊能 量校正的山地中带状地下目标的探测方法，该方法通过地形分析定位山脊位置并对山脊能 量进行校正从而提高山地环境中地下目标的识别正确率同时降低虚警率。
【背景技术】
[0002] 山地环境中普遍存在着大量的带状目标，如自然环境中存在的地下河流、人工修 建的地下石油运输管道、穿山的铁路与公路隧道等。地下河流既是重要水资源又是在山地 中进行建筑施工时必须避绕开的，所以如何准确探测、定位出地下河流的位置对我们的可 持续发展与现代化进程都有着重大意义。公路隧道与铁路隧道可以穿过山体不仅大大缩短 的道路的长度节省了人们在旅途中话费的时间，也降低了修建盘山公路、铁路所需要大量 人力、物力，并且对于汽车来说，隧道的安全性远远大于盘山公路的安全性。但是一旦这些 山地环境中的人工地下建筑出现故障，就面临着勘察位置难度大的问题。所以能够准确的 探测、定位这些地下带状目标的位置对人们的交通、生活的方方面面都有巨大的影响。因 此，有必要开展以较低虚警率和较高识别率来探测定位山地环境中带状地下目标的研宄。
[0003] 当然，最普通和直接的对隧道设施探测的方法是接触式人工探测，但是，这种方法 十分费时且需要大量人力物力。虽然，红外成像作为带状地下目标探测新技术被提出应用 于浅层地下管线的探测，但是还未见国内外探测较深埋深的带状地下目标探测的报道。
[0004] 土壤和岩石吸收太阳光的能量产生热量发出红外辐射被热红外传感器探测。山体 热场主要分为稳定部分与可变部分，可变部分即为受日照影响温度变化剧烈的浅层山体， 稳定部分包括浅层山体以下的山体部分与埋藏在其中的地下目标。太阳每日对山体可变部 分循环加热，山体内部稳定部分与可变部分热交换以及地下目标自身产热与稳定部分热交 换最终导致山体温度与埋藏目标的可探测的温差，这是探测地下目标的物理基础。
[0005] 带状地下目标的温度与能量与周围的山体介质有一定不同，经过热传递与扩散最 终在山体呈现出脉冲模式。但是由于山脊的热岛效应使得山脊位置的能量场也比较符合脉 冲模式，对山地中带状地下目标的探测造成干扰。
【发明内容】
[0006] 针对利用脉冲模式探测山地环境中带状地下目标方法总是受到山脊热岛效应的 而影响伴有较高的虚警率的缺陷，本发明提供了一种通过山脊线检测算法确定山脊位置， 并对山脊能量进行校正，再利用校正后的能量图像进行带状地下目标的探测、定位，由此解 决了山地环境中山脊造成的高虚警问题。本发明的基于山脊能量校正的山地中带状目标的 探测方法主要包括下述步骤：
[0007] (1)获取地形数字高程信息步骤，包括下述子步骤：
[0008] (1. 1)确定数字高程信息覆盖范围的经炜度步骤：
[0009] 土壤和空气环境在一定范围内是同质的。首先我们就应该确定到底获得多大范围 内的地形的数值高程信息，并且确定该探测范围的位置，即经炜度信息。由于下面的步骤 中还要确定每一个点的经炜度信息，所以我们最好确定一个标准的矩形区域，而这里只要 确定矩形四个顶点的经炜度信息，分别标记为Ptl(longtil,latil)、Pt2 (longti2,lati2)、 Pt3 (longti3,lati3)、Pt4 (longti4,lati4)〇
[0010] (I. 2)计算范围内经炜度矩阵的步骤：
[0011] 经炜度矩阵的分辨率必须和能量（红外）图像的分辨率相同，只有这样最后获取 的地形数值高程信息才可以和能量（红外）图像对应起来，从而实现通过地形数字高程信 息检测山脊位置并最终找到对应能量（红外）图上的位置。
[0012] (1. 2. 1)计算地形范围的宽度、高度步骤：
[0013] 根据（I. 1)中确定的矩形四个顶点的经炜度利用GoogleEarth提供的测距工具 计算出矩形覆盖范围的宽度、高度标记为width、height单位为米，并计算出经炜度的范围
[0014] (1. 2. 2)计算经炜度矩阵的步骤：
[0015] 按照采样间隔step米，每次距离step米采样一次，分别计算出纵向、横向的采样 点的数目，即：height/step，width/step，并计算出经炜度矩阵每相邻两个采样点的经度步 长long_step和炜度步长lati_step，从而计算出经炜度矩阵中每一个采样点的经炜度。
[0016] (1. 3)利用GoogleEarth计算海拔矩阵的步骤：
[0017] GoogleEarth提供了编程接口，使得我们可以将（1. 2. 2)中经炜度矩阵作为输入 利用GoogleEarth得到每一个采样点的海拔数据，并根据该海拔数据生成地形数字高程信 息矩阵输出。
[0018] (2)数字高程信息去噪预处理步骤，包括下述子步骤：
[0019] 由于（1.3)中获得的数字高程信息矩阵会带有一定的噪声，该噪声可能来自于不 准确的高程数据或者是GoogleEarth在拼接时产生的整块的偏高与偏低。整块的偏高偏 低是不影响山脊线的检测的，所以针对个别不准确噪声，我们采用均值滤波方法对原始地 形数字高程信息进行去噪预处理。即取一定局部范围内，如一个k*k的邻域内高程信息的 均值作为输出。这样就可以消除呈随机分布的噪声的影响，因为：设一个邻域内第i个采样 点的真实高程值为h，他的噪声误差为Λh，最终的观测值为h+Λhp取一个邻域内像素的 均值作为输出的过程如下：
[0020]
【权利要求】
1. 一种基于山脊能量校正的山地中带状地下目标的探测方法，其特征在于，所述方法 包括如下步骤： (1) 获取地形数字高程信息，包括下述子步骤： (1.1) 确定数字高程信息覆盖范围的经炜度； (1. 2)根据上述经炜度计算数字高程信息覆盖范围内经炜度矩阵； (1.3)根据上述经炜度矩阵计算经炜度矩阵中每个点的海拔，得到数字高程信息矩 阵； (2) 对步骤（1)获得的数字高程信息矩阵进行去噪预处理； (3) 对降噪处理后的数字高程信息矩阵进行山脊线检测步骤；包括下述子步骤： (3. 1)沿水平方向检测山脊线； (3.2) 沿垂直方向检测山脊线； (3.3) 根据上述水平方向检测的山脊线和垂直方向检测的山脊线，提取连续的山脊 线； (4) 山脊位置能量校正步骤；根据山脊位置能量分布特征对山脊位置能量进行校正； (5) 在数字高程信息矩阵中进行带状地下目标探测的步骤；包括下述子步骤： (5. 1)设置遍历探测带状地下目标所用参数； (5. 2)根据上述参数对数字高程信息矩阵进行遍历探测，并将探测的带状地下目标位 置输出。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1. 2)具体包括： (1. 2. 1)计算地形范围的宽度、高度步骤： 根据步骤（1.1)中确定的矩形四个顶点的经炜度利用Google Earth提供的测距工具 计算出矩形覆盖范围的宽度、高度标记为width、height单位为米，并计算出经炜度的范 围； (1. 2. 2)计算经炜度矩阵的步骤： 按照采样间隔step米，每次距离step米采样一次，分别计算出纵向、横向的采样点 的数目，即：height/step，width/step，并计算出经炜度矩阵每相邻两个采样点的经度步长 long_step和炜度步长lati_step，从而计算出经炜度矩阵中每一个采样点的经炜度。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（1. 3)具体包括： 将（1.2. 2)中经炜度矩阵作为输入利用Google Earth得到每一个采样点的海拔数据， 并根据该海拔数据生成地形数字高程信息矩阵输出。
4. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（2)具体为：采用均值 滤波方法对上述数字高程信息进行去噪预处理。
5. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（3. 1)具体为： 沿着x方向遍历，将每一个采样点的高程值与7方向预设范围内的采样点的高程值比 较，如果该采样点在y方向是极大值，则该点为水平方向的山脊线的候选点。
6. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（3. 2)具体为： 沿着y方向遍历，将每一个采样点的高程值与x方向预设范围内的采样点的高程值比 较，如果该采样点在x方向是极大值，则该点为垂直方向的山脊线的候选点。
7. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（3. 3)具体为： 对步骤（3. 1)、（3.2)提取出的每一个山脊线候选点进行连续性判别，判别准则如下： 如果该候选山脊线点的t*t邻域内不同的山脊线候选点，则该山脊线候选点为最终的山脊 线点；否则，判断该孤立的山脊线候选点为非山脊线点，最终得到连续山脊线标记图，其中 t为预设值。
8. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤⑷具体为：对山脊位 置的能量进行校正，校正的具体方法为：山脊线位置采样点的能量用山脊线位置两侧的采 样点的能量的均值代替。
9. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（5. 1)中设置的参数具 体为： 采样段大小以及对比段距中心段的间隔：设下方有带状地下目标的山地地表的采样段 的长度与宽度各为z个像素；带状地下目标两旁山地地表采样段的长度与宽度也各为z个 像素；两旁山地地表采样段中心距离带状地下目标上方采样段中心的距离为S个像素，其 中Z、s为预设值。 搜索的方向：通过查阅资料估计出该地区带状地下目标的走向，按照估计出的走向度 数设置遍历搜索的中心首尾坐标？〇(如，7〇)，？1〇^1，71)，这两点的连线通过该区域中点附 近的位置； 每次延展的距离：每搜索一组假设下方存在带状地下目标的山地地表图像与两边对比 的山地地表图像就向两边平移距离d再继续新的一组的搜索，直到到达图像的边界，搜索 自动停止； 脉冲阈值：每一段中间假设下方存在带状地下目标的山地地表图像采样段的灰度均值 与两边对比的山地地表图像采样段的灰度均值的差的绝对值，均大于该脉冲阈值th的时 候，该处的脉冲才算作有效脉冲；若两个差值中任意一个小于脉冲阈值该处的脉冲就是因 为信号微弱而被认为无效。
10. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（5. 2)具体为： 由（5. 1)中确定的遍历搜索的中心首尾坐标？0(1〇,7〇)，？1(11，71)，开始使采样段从 点P〇 (x〇, y〇)逐像素滚动到点PI (xl，yl)，且每次滚动一个像素后，再左右各平移r个像素， r为预设值，寻找其中中间段与左右两边对比段差值最大的位置，并测试该位置的脉冲是否 为有效脉冲，若为有效脉冲，则效脉冲数目增加一；接着计算P〇，Pl向两边平移每次延展的 距离之后的坐标P0'，P1'，在P0'，P1'之间按照P〇, P1之间同样的采样方法进行统计，并并 计数有效脉冲数目；有效脉冲数目占总数目最大的一组两端坐标P〇, P1确定的位置为带状 地下目标位置，结果中其余脉冲出现的位置即为虚警位置。
【文档编号】G06F19/00GK104484577SQ201410851352
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】张天序, 鲁岑, 王岳环, 杨卫东, 桑农, 马文绚, 郝龙伟 申请人:华中科技大学