專利名稱：一種sar圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波海洋遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法。
背景技術(shù)：
海冰是指由海水直接凍結(jié)而成的咸水冰，由固體冰、鹵水及含有鹽分的氣泡等組成的混合物。海冰在海洋水文，大氣環(huán)流及氣候等研究領(lǐng)域中也是重要影響因素之一，尤其薄海冰在海洋表面熱量流、水汽流及鹽度流的研究中起到關(guān)鍵作用。同時，海冰的漂移及擴(kuò)散運(yùn)動可對海上石油平臺、船舶運(yùn)輸?shù)仍斐蓢?yán)重威脅。目前，觀測站、海上監(jiān)測平臺、破冰船及衛(wèi)星遙感是海冰監(jiān)測的主要方法。光波、紅外和微波是主動/被動衛(wèi)星遙感器常用的輻射源，屬于間接測量方法，具有觀測范圍廣 的特點(diǎn)。與光波、紅外相比，微波具有不受陽光、云、霧及雨等天氣條件的限制，已在海冰觀測中發(fā)揮了重要作用。如ENVISAT、ERS及RADARSAT-2等衛(wèi)星上搭載的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)。從SAR圖像上不僅可識別出不同類型的海冰,如初生冰、初期冰、一年冰及多年冰等；還可采用二幅SAR圖像提取海冰的運(yùn)動特征。在海冰及其不連續(xù)結(jié)構(gòu)處(如水道、裂縫及冰脊等)，存在著復(fù)雜的運(yùn)動形式，如剛性運(yùn)動、拉伸、彎曲、剪切、分散、匯合、塑性流動、彈性流動及粘性流動等。在SAR圖像中把海冰運(yùn)動大致分為全局運(yùn)動和局部運(yùn)動，全局運(yùn)動是指海冰的大尺度剛性運(yùn)動，表現(xiàn)為SAR圖像的平移或者旋轉(zhuǎn)，與像素點(diǎn)無關(guān)，即與海冰空間位置無關(guān)；而局部運(yùn)動是指近剛性運(yùn)動中局部的、分段連續(xù)運(yùn)動等，與像素點(diǎn)有關(guān)，即與海冰空間位置有關(guān)。由于SAR衛(wèi)星采用極軌方式運(yùn)行，受到低時間采樣率的限制(通常O. 5-3天)。海冰的全局運(yùn)動通常有幾十公里遠(yuǎn)，可達(dá)到10(Γ200個像素距離。差分法、區(qū)域法及特征法是圖像中運(yùn)動檢測常用的方法。面對SAR圖像的全局運(yùn)動，這些方法具有效率低，精度差等缺點(diǎn)，同時也影響了海冰局部運(yùn)動特征的提取。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，本發(fā)明提供了一種效率高、精度高的SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法。技術(shù)方案一種SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，包括如下步驟步驟1，讀入重復(fù)觀測的2幅大小為MXN的SAR圖像，且觀測2幅SAR圖像的時間間隔為At, SAR圖像的方位向分辨率記為Px,距尚向分辨率記為Py,將2幅SAR圖像分別記為 I1 (m, η)和 I2 (m, η),其中，m = I, 2,. . . , Μ, η = 1，2，. . .，N, χ 為方位向，y 為距離向；其中時間間隔At是指觀測同一地區(qū)兩幅SAR圖像的時間差，通常為廣3天；基于上述2幅SAR圖像，提取海冰在此期間的運(yùn)動。步驟2,分別對SAR圖像I1 (m, η)和I2 (m, η)做平滑處理及下采樣,選擇K個大小為LXL的圖像塊，組成K個圖像對，分別記為{7 '),7 ')}二 ；
用高斯核分別與SAR圖像I1 (m, η)和I2 (m, η)作卷積，并進(jìn)行下采樣，得到平滑后
的圖像};和ア即Z = ふ*1, {myn)]m2 = Spふ其中，*表示卷積運(yùn)算，
東示方差為σ、大小為qXq的離散高斯核，q通常取{3，5，7，9，11}等值，Sp丨表示p次ド采樣，P通常取2或者4;從平滑后的圖像^及圖像J2對應(yīng)的位置處，選擇K個大小為LXL的圖像塊，組成K個圖像對，分別記為仏 ,),7 ず=i ,其中，m' = 1，2，· · ·，L, n' = 1，2，· · ·，L, i =1，2，…，K，K的取值范圍為5 10，L通常取64、128或者256等值。步驟3，采用傅里葉變換法，從圖像中估計(jì)海冰全局運(yùn)動速度，記為
利用傅里葉變換法，求第i個圖像對的相關(guān)函數(shù)R1へニ I' ,{/·1 (/77,,/θ]· /,防(",メ)]},其中，F(xiàn)[ ·]表示ニ維傅里葉變換，F(xiàn)-1!·}表示ニ維逆傅里葉變換，相關(guān)函數(shù)最大值處所對應(yīng)的像素點(diǎn)，記為( J,);則海冰全局運(yùn)動速度在方位向上的分量kル在距離向上的分量P =^7[又 ’記為f =(J7 V )
/—I —IS步驟4，從SAR圖像I2 (m, η)中減去海冰的全局運(yùn)動，即I'2{m,n) = I2([m + Vgxpxp\\_n + V^.p^ ,其中，し」表示下取整運(yùn)算；步驟5,利用光流法和最小ニ乘法,從SAR圖像I1 (m, η)和Γ 2 (m, η)中估計(jì)海冰的局部運(yùn)動速度場，記為咖-")ニ，并采用向量圖法將海冰的局部運(yùn)動速度場巧(W)可視化于SAR圖像I1 (m, η)中；
Bf df df由光流法可知，海冰的局部運(yùn)動速度為= 0 4)，其中，f為圖像
灰度函數(shù)，X為方位向，y為距離向，t為時間，Vlx為局部運(yùn)動速度在方位向上的分量,Vly為局部運(yùn)動速度在距離向上的分量；以像素點(diǎn)(m，n)為中心，用3X3的窗ロ掃描圖像I1On,!!)和I ' 2((m，n))，用差分法來代替偏微分，并用最小二乗法來估計(jì)式(a)中的參數(shù)Vlx和Vly，記為Vl(Jnji) = (VIx(m,n),Vly(m,n))，最后,采用向量圖方法將海冰的局部運(yùn)動速度場R(Ot5W)可視化于SAR圖像I1 (m, η)中。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，先對SAR圖像做平滑及下采樣處理，從圖像塊中基于傅里葉變換法估計(jì)海冰全局運(yùn)動速度，具有較高的運(yùn)算效率。采用光流法和最小二乗法來估計(jì)海冰的局部運(yùn)動，并采用線積分卷積方法將海冰的局部運(yùn)動速度場可視化，具有精度高、顯示直觀等特點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖I所示，SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，包括以下步驟
1，讀入重復(fù)觀測的2幅大小為MXN的SAR圖像，且觀測2幅SAR圖像的時間間隔為At, SAR圖像的方位向分辨率記為Px,距離向分辨率記為P y，將2幅SAR圖像分別記為I1 (m, η)和 I2 (m, η),其中，m = I, 2,. . . , Μ, η = I, 2,. . . , N ；2，分別對SAR圖像I1On, η)和I2 (m，η)做平滑處理及下采樣，選擇K個大小為LX L的圖像塊，組成K個圖像對,分別記為[m'；用高斯核分別與SAR圖像I1 (m, η)和I2 (m, η)作卷積，并進(jìn)行下采樣，得到平滑后的圖像]；和72 ,即7! = sp i [(CA (" ，")]和72 = Sp I [(7:二, */ )];其中，* 表示卷積運(yùn)算，Gfi表示方差為σ、大小為qXq的離散高斯核，q通常取{3，5，7，9，11}等值，Sp丨表示p次下采樣，P通常取2或者4;從平滑后的圖像及圖像 2對應(yīng)的位置處，選擇K個大小為LXL的圖像塊，組成K個圖像對，分別記為,其中，m' = 1，2，· · ·，L，n' = 1，2，· · ·，L，i =1，2，…，K，K的取值范圍為5 10，L通常取64、128或者256等值。3，采用傅里葉變換法，從圖像對中估計(jì)海冰全局運(yùn)動速度，記為L 利用傅里葉變換法，求第i個圖像對的相關(guān)函數(shù)
R. f; =/, '·]表示二維傅里葉變換，F(xiàn)-1! · }表示二維逆
傅里葉變換，相關(guān)函數(shù)最大值處所對應(yīng)的像素點(diǎn)，記為( J,);則海冰全局運(yùn)動速度在方位
向上的分量匕V =，在距離向上的分量匕二-^llyiPyP，記為泛=(V v、
i=iHlK j-ιg V gx gy} °4，從SAR圖像I2 (m，η)中減去海冰的全局運(yùn)動，即I'2(m，n) = I2([m ++ Vs,pYp^，其中,[_·」表示下取整運(yùn)算；5，利用光流法和最小二乘法，從SAR圖像I1 (m, η)和Γ 2 (m, η)中估計(jì)海冰的局部運(yùn)動速度場，記為K(〃v ) =，并采用向量圖法將海冰的局部運(yùn)動速度場^(w，〃)可視化于SAR圖像I1 (m，η)中；
df df df由光流法可知，海冰的局部運(yùn)動速度為+4++4+ + = 0 U)其中，f為圖像
OX OV ' Oi
灰度函數(shù)，X為方位向，y為距離向，t為時間，Vlx為局部運(yùn)動速度在方位向上的分量,Vly為局部運(yùn)動速度在距離向上的分量；以像素點(diǎn)(m，n)為中心，用3X3的窗口掃描圖像I1On,!!)和I ' 2((m，n))，用差分法來代替偏微分，并用最小二乘法來估計(jì)式(a)中的參數(shù)Vlx和Vly，記為Vt{m,}i) = (Vlx(m,}i),Vly(mji))，最后,采用向量圖方法將海冰的局部運(yùn)動速度場0(/ 5 )可視化于SAR圖像I: (m, n)中。
權(quán)利要求
1.一種SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I,讀入重復(fù)觀測的2幅大小為MXN的SAR圖像，且觀測2幅SAR圖像的時間間隔為At, SAR圖像的方位向分辨率記為Px,距離向分辨率記為P y，將2幅SAR圖像分別記為I1 (m, η)和 I2 (m, η)，其中，m = I, 2,. . . , Μ, η = 1，2，…，N, χ 為方位向，y 為距離向； 步驟2，分別對SAR圖像I1 (m, η)和I2 (m, η)做平滑處理及下采樣，選擇K個大小為LX L的圖像塊，組成K個圖像對,分別記為; 步驟3，采用傅里葉變換法，從圖像對中估計(jì)海冰全局運(yùn)動速度，記為ξ; 步驟4，從SAR圖像I2(m，n)中減去海冰的全局運(yùn)動，即
2.如權(quán)利I所述的SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，其特征在于，所述步驟2具體過程為用高斯核分別與SAR圖像I1 (m, η)和I2 (m, η)作卷積，并進(jìn)行下采樣，得到平滑后的圖像I；和72，即
3.如權(quán)利I所述的SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，其特征在于，步驟3按如下過程進(jìn)行 利用傅里葉變換法，求第i個圖像對
4.如權(quán)利I所述的SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，其特征在于，步驟5按如下過程進(jìn)行
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取方法，所采用的方法是讀入重復(fù)觀測的二幅SAR圖像，對圖像分別做平滑及下采樣處理，從中選擇若干個圖像塊，并組成圖像對；采用傅里葉變換法，從圖像對中估計(jì)海冰全局運(yùn)動速度；從第二幅SAR圖像中減去海冰的全局運(yùn)動，然后利用光流法和最小二乘法，從第一幅SAR圖像及除去全局運(yùn)動的第二幅SAR圖像中估計(jì)海冰的局部運(yùn)動速度場；最后，采用向量圖法將海冰的局部運(yùn)動速度場可視化于第一幅SAR圖像中。本發(fā)明具有較高的精度且局部運(yùn)動速度場顯示直觀等特點(diǎn)，可用于SAR圖像中海冰運(yùn)動特征的提取。
文檔編號G06K9/46GK102867184SQ201210314370
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者楊永紅, 奚彩萍, 凌霖, 林明 申請人:江蘇科技大學(xué)