本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理與分析的，尤其涉及一種基于城市規(guī)劃的河流形態(tài)特征提取方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、河流形態(tài)影響著水流的速度與流量，對(duì)防洪減災(zāi)、水資源管理、河道治理、生態(tài)保護(hù)等方面都具有重要作用。河流的形態(tài)特征主要包括彎曲度、寬度和江心洲等，目前主要使用衛(wèi)星遙感影像解譯獲取以上信息。

2、目前，河流寬度一直是遙感水文研究的熱點(diǎn)，常用的方法是利用河流中心線做垂線，垂線與兩岸的交點(diǎn)距離為河流寬度，該方法在確定河流中心線垂線或河流方向上算法較復(fù)雜且結(jié)果測(cè)量不準(zhǔn)確。江心洲對(duì)于研究河流系統(tǒng)水動(dòng)力過程和生態(tài)服務(wù)功能具備重要意義，常用的提取方法是借助衛(wèi)星遙感影像采用機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)江心洲分類，該方法取得的結(jié)果精度較高但是往往消耗大量算力，且對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高。此外，城市規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，常常因缺乏以上河流形態(tài)定量信息和算法而影響區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位，導(dǎo)致河流寬度計(jì)算和江心洲提取精度較低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在河流中心線垂線或河流方向上算法較復(fù)雜且結(jié)果測(cè)量不準(zhǔn)確，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高，從而影響區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位的問題，本發(fā)明提出一種基于城市規(guī)劃的河流形態(tài)特征提取方法及系統(tǒng)，能夠有效地提高河流寬度計(jì)算和江心洲提取的精度，從而在城市規(guī)劃的過程中，提取到更為精確的河流形態(tài)定量信息，以對(duì)區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位。

2、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于城市規(guī)劃的河流形態(tài)特征提取方法，所述方法包括以下步驟：

4、獲取河道數(shù)據(jù)，并對(duì)所述河道數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

5、基于預(yù)處理后的河道數(shù)據(jù)，提取河道二值圖；

6、根據(jù)提取的河道二值圖，提取河流的河流寬度信息與江心洲信息。

7、在上述技術(shù)方案中，對(duì)所述河道數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，能夠提高河道數(shù)據(jù)的可靠性與使用效率，降低對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求；基于預(yù)處理后的河道數(shù)據(jù)，提取的河道二值圖，能夠更直觀的從數(shù)據(jù)上觀察河道數(shù)據(jù)，從而更方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提取出河流形態(tài)特征中的河流寬度信息和江心洲信息，進(jìn)而在城市規(guī)劃的過程中，提供更為精確的河流形態(tài)定量信息，以對(duì)區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位。

8、進(jìn)一步地，對(duì)所述河道數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的過程包括：

9、根據(jù)影像時(shí)間跨度和云量覆蓋度，對(duì)獲取的河道數(shù)據(jù)的圖片進(jìn)行篩選，得到多光譜影像圖片數(shù)據(jù)；

10、根據(jù)所述多光譜影像圖片數(shù)據(jù)，計(jì)算改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)，表達(dá)式為：

11、

12、基于計(jì)算的歸一化差異水體指數(shù)，得到歸一化差異水體指數(shù)圖像；

13、其中，ρgreen表示綠波段，ρswir表示短波近紅外波段，band3表示多光譜影像的綠波段的波段3，band11表示多光譜影像的短波近紅外波段的波段11。

14、進(jìn)一步地，采用otsu算法對(duì)所述歸一化差異水體指數(shù)圖像進(jìn)行二值化閾值分割，得到河道二值圖。

15、其中，所述otsu算法表示大津算法；河道二值圖中，河流為1，其他為0。

16、在上述技術(shù)方案中，根據(jù)影像時(shí)間跨度和云量覆蓋度，對(duì)獲取的河道數(shù)據(jù)的圖片進(jìn)行篩選，能夠有效減少數(shù)據(jù)處理過程中所需的時(shí)長(zhǎng)，并能剔除掉河流形態(tài)特征提取過程中，一些不必要的圖像數(shù)據(jù)，從而降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求；采用otsu算法對(duì)所述歸一化差異水體指數(shù)圖像進(jìn)行二值化閾值分割，能夠?qū)?shù)據(jù)處理的過程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，提高數(shù)據(jù)計(jì)算的速率，從而快速得到河流形態(tài)特征提取所需的河道二值圖，提高河流形態(tài)特征提取的效率。

17、進(jìn)一步地，提取河流的河流寬度信息的過程包括：

18、對(duì)所述河道二值圖進(jìn)行平滑降噪；

19、基于平滑降噪后的河道二值圖，計(jì)算河流岸線和河流中心線；

20、根據(jù)河流岸線和河流中心線，計(jì)算河流寬度。

21、進(jìn)一步地，計(jì)算河流岸線和河流中心線的過程包括：

22、從河道二值圖中提取二值圖邊緣，并生成二值圖矩陣，計(jì)算河流岸線，表達(dá)式為：

23、

24、對(duì)生成的二值圖矩陣進(jìn)行迭代腐蝕計(jì)算，計(jì)算像素從非零值到零值的過渡次數(shù)迭代逐步提出骨架以外的其他像素，得到河流中心線，表達(dá)式為：

25、if?a(xi,yj-1)+a(xi,yj+1)+a(xi-1,yi)+a(xi+1,yj)<4then?a(xi,yj)＝0；

26、其中，(x,y)表示坐標(biāo)軸，表示元素f的梯度值，i和j均表示矩陣中的元素，a表示矩陣中的元素。

27、進(jìn)一步地，根據(jù)河流岸線和河流中心線，計(jì)算河流寬度的過程包括：

28、設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)河流岸線與河流中心線的數(shù)據(jù)變化，得到掌握河流岸線與河流中心線的數(shù)據(jù)變化的河流寬度模型；

29、河流寬度模型根據(jù)河流岸線與二值圖矩陣，計(jì)算河流中心線元素(xi,yj)最近的非零元素的歐氏距離，得到距離影像，表達(dá)式為：

30、

31、根據(jù)計(jì)算得到的距離影像，將河流中心線到最近河流岸線的歐氏距離乘二，得到河流寬度；

32、其中，(x′i,y′j)表示元素(xi,yj)最近的非零元素。

33、在上述技術(shù)方案中，對(duì)所述河道二值圖進(jìn)行平滑降噪，能夠減少河道二值圖河流邊緣凹凸不平會(huì)所造成的計(jì)算結(jié)果不佳的影響，設(shè)置的河流寬度模型能夠根據(jù)河流岸線和河流中心線學(xué)習(xí)更精確的提取出河流寬度特征，并提高計(jì)算效率，以快速的提取出河流形態(tài)特征中的河流寬度信息進(jìn)而在城市規(guī)劃的過程中，提供更為精確的河流形態(tài)定量信息，以對(duì)區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位。

34、進(jìn)一步地，提取河流的江心洲信息過程包括：

35、設(shè)置江網(wǎng)絡(luò)模型模型學(xué)習(xí)河道二值圖，得到掌握河道二值圖信息的江心洲模型；

36、江心洲模型根據(jù)河道二值圖，采用泛洪填充算法填充河流中的孔洞，并對(duì)二值圖矩陣中的所有元素進(jìn)行遍歷，查找元素a(xi,yj)值為零的位置，查閱該元素4連通位置元素值，當(dāng)4連通元素有非零值，該位置元素被賦值1，得到填充矩陣，表達(dá)式為：

37、if?a(xi,yj)＝0and(a(xi,yj-1)ora(xi-1,yj)ora(xi+1,yj)ora(xi,yj+1))

38、then?a(xi,yj)＝1；

39、利用填充矩陣減去二值圖矩陣，得到江心洲矩陣，基于江心洲矩陣，轉(zhuǎn)化得到江心洲。

40、進(jìn)一步地，采用形態(tài)學(xué)算法計(jì)算得到河流岸線和河流中心線。

41、在上述技術(shù)方案中，設(shè)置的江心洲模型能夠根據(jù)河流二值圖信息更精確的提取出河流中的江心洲信息，并提高計(jì)算效率，以快速的提取出河流形態(tài)特征中的河流寬度信息進(jìn)而在城市規(guī)劃的過程中，提供更為精確的河流形態(tài)定量信息，以對(duì)區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位；采用形態(tài)學(xué)算法計(jì)算得到河流岸線和河流中心線，能夠提高河流岸線和河流中心線計(jì)算效率與準(zhǔn)確度。

42、一種基于城市規(guī)劃的河流形態(tài)特征提取系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

43、獲取模塊，用于獲取河道數(shù)據(jù)；

44、處理模塊，用于對(duì)所述河道數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

45、河流形態(tài)特征提取模塊，基于預(yù)處理后的河道數(shù)據(jù)，提取河道二值圖；

46、所述河流形態(tài)特征提取模塊還用于根據(jù)提取的河道二值圖，提取河流的河流寬度信息與江心洲信息。

47、一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上、并在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其中，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)一種基于城市規(guī)劃的河流形態(tài)特征提取方法的步驟。

48、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

49、本發(fā)明提出一種基于城市規(guī)劃的河流形態(tài)特征提取方法及系統(tǒng)，首先，對(duì)所述河道數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，能夠提高河道數(shù)據(jù)的可靠性與使用效率，降低對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求；然后，基于預(yù)處理后的河道數(shù)據(jù)，提取的河道二值圖，能夠更直觀的從數(shù)據(jù)上觀察河道數(shù)據(jù)，從而更方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提取出河流形態(tài)特征中的河流寬度信息和江心洲信息，進(jìn)而在城市規(guī)劃的過程中，提供更為精確的河流形態(tài)定量信息，以對(duì)區(qū)域關(guān)鍵問題的識(shí)別和精準(zhǔn)定位。