一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新的利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，利用光學(xué)遙感圖像中呈現(xiàn)的海浪特征信息（波紋及其變化信息），依據(jù)有關(guān)理論，通過信息提取和轉(zhuǎn)換處理，獲得近岸淺海地形信息。本發(fā)明針對(duì)淺海區(qū)域的地形測繪需求，根據(jù)淺水波理論和線性波理論，利用高分辨率光學(xué)遙感圖像上的海浪特征信息，建立了基于單景高分辨率光學(xué)遙感圖像的淺海地形提取方法，可實(shí)現(xiàn)不輸入任何外部初始參數(shù)和控制參數(shù)的情況下，僅由一景高分辨率光學(xué)遙感圖像就可以提取淺海區(qū)域的地形信息，是遙感信息技術(shù)應(yīng)用方面的一項(xiàng)創(chuàng)新，是對(duì)近岸淺海地形測量的一個(gè)有益補(bǔ)充，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
【專利說明】一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感技術(shù)應(yīng)用和海底地形測繪領(lǐng)域，具體是一種能夠利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像中的波浪特征信息，如所希望那樣提取淺海地形信息的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]海底地形測繪是探索和研究海洋的第一步，是開發(fā)和保護(hù)海洋的首要條件，也是現(xiàn)今海洋學(xué)研究的迫切需求。在回聲測深儀發(fā)明之前，主要靠測深桿和測深錘來測量水深，測量精度較差。20世紀(jì)20年代回聲測深儀出現(xiàn)之后，現(xiàn)代意義上海圖的繪制才得以實(shí)現(xiàn)。但早期的測深儀為單波束發(fā)射，一次發(fā)射只能得到測量船正下方的水深，因而只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線測量，無法反映測線之間的地形地貌。1970年代中期出現(xiàn)的多波束測深技術(shù)實(shí)現(xiàn)了帶狀測量(最大寬度可達(dá)水深的7倍)，顯著提高了測深效率。盡管如此，在大范圍淺海地形測量任務(wù)中，仍存在測量周期長、人力消耗大和資金需求高等劣勢。
[0003]隨著遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，根據(jù)光學(xué)遙感圖像包含的海洋水體散射和海底反射特征信息與水深的關(guān)系，研究提出了一系列光學(xué)遙感測深方法，包括基于單波段或多波段的統(tǒng)計(jì)模型和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷确椒ā５驗(yàn)樵摲椒ɑ谒w的光譜信息進(jìn)行水深探測，因此，其適用性受水體渾濁度和海面波動(dòng)影響與限制，僅適用于清澈且平靜的海域條件。另外，當(dāng)光學(xué)遙感器、太陽和觀測海面呈現(xiàn)特定的空間幾何關(guān)系時(shí)，太陽通過海面的鏡面直接進(jìn)入遙感器，而在遙感圖像上呈現(xiàn)太陽耀光，此時(shí)的遙感圖像已無法準(zhǔn)確提取水體光譜信息。然而，包含太陽耀光信息的光學(xué)遙感圖像，能記錄海面的起伏和粗糙度特征。當(dāng)遙感圖像的空間分辨率足夠高時(shí)，海浪在光學(xué)遙感圖像中呈現(xiàn)亮暗相間的條紋。根據(jù)近岸淺水波傳輸理論，海浪從水深向淺海傳播時(shí)，受水深的影響，海浪波長變短，且海浪的波長、頻率與水深存在定量關(guān)系。基于該原理，目前已有采用連續(xù)拍攝(間隔10秒)的多景光學(xué)遙感圖像提取海浪傳播速度和頻率，進(jìn)而進(jìn)行水深測量的方法。但連續(xù)多景遙感圖像的獲取成本很高。
[0004]本發(fā)明針對(duì)近岸淺海地形快速、高效、經(jīng)濟(jì)的測繪需求，利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像中廣泛存在的海面波浪信息，測量海浪波長及其變化信息，基于淺水波理論提取淺海地形信息。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供了一種新的利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于其包括以下步驟:
(I)獲得包含海面波浪信息的高分辨率光學(xué)遙感圖像，采用幾何校正方法進(jìn)行遙感圖像定位配準(zhǔn)，使其具有較準(zhǔn)確的地理空間參考；(2)測量遠(yuǎn)岸深水區(qū)海浪波長；
(3)計(jì)算工作區(qū)的海浪頻率；
(4)選定一定數(shù)量的測量點(diǎn)；
(5)計(jì)算每一個(gè)測量點(diǎn)的海浪波長；
(6)計(jì)算每一個(gè)測量點(diǎn)的水深；
(7)對(duì)全部測量點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，獲得工作區(qū)的地形數(shù)字高程模型，提取等深線信息，完成淺海地形提取。
[0008]所述的一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(2)中以遙感圖像上離海岸最遠(yuǎn)的位置為起點(diǎn)，沿盡可能垂直于海岸的參考線，以50-100個(gè)像素為步長(r)依次截取8 —12個(gè)系列子圖，子圖的大小為NXN像素，其中N為例如64、128、256、512的2的指數(shù)，采用二維快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算每個(gè)子圖的頻率譜，選定頻率譜中頻率最高處，確定其相對(duì)中心點(diǎn)的位置O，計(jì)算該子圖的海浪波長，計(jì)算公式如下:

【權(quán)利要求】
1.一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于其包括以下步驟: (1)獲得包含海面波浪信息的高分辨率光學(xué)遙感圖像，采用幾何校正方法進(jìn)行遙感圖像定位配準(zhǔn)，使其具有較準(zhǔn)確的地理空間參考； (2)測量遠(yuǎn)岸深水區(qū)海浪波長； (3)計(jì)算工作區(qū)的海浪頻率； (4)選定一定數(shù)量的測量點(diǎn)； (5)計(jì)算每一個(gè)測量點(diǎn)的海浪波長； (6)計(jì)算每一個(gè)測量點(diǎn)的水深； (7)對(duì)全部測量點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，獲得工作區(qū)的地形數(shù)字高程模型，提取等深線信息，完成淺海地形提取。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(2)中以遙感圖像上離海岸最遠(yuǎn)的位置為起點(diǎn)，沿盡可能垂直于海岸的參考線，以50-100個(gè)像素為步長(r)依次截取8 —12個(gè)系列子圖，子圖的大小為NXN像素，其中N為例如64、128、256、512的2的指數(shù)，采用二維快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算每個(gè)子圖的頻率譜，選定頻率譜中頻率最高處，確定其相對(duì)中心點(diǎn)的位置O，計(jì)算該子圖的海浪波長，計(jì)算公式如下:
其中i為所求的海浪波長(單位:m)，As:為遙感圖像分辨率(單位:m)，N為子圖像大小(單位:像素)，逐一計(jì)算獲得全部系列子圖的海浪波長，計(jì)算系列海浪波長的算術(shù)平均作為遠(yuǎn)岸深水區(qū)的海浪波長。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(3)中根據(jù)步驟(2)計(jì)算獲得的遠(yuǎn)岸深水區(qū)的海浪波長，計(jì)算海浪頻率，根據(jù)線性波理論，在滿足水深I(lǐng)t > L/2的深水區(qū)，海浪頻率僅與海浪波長相關(guān)，海浪頻率的計(jì)算方法如下:
其中，ω為海浪頻率(單位:Hz)，i為海浪波長，S為重力加速度(單位:ms_2)，根據(jù)線性波理論，海浪頻率在海浪傳播到近岸的過程中比較保守，基本不變，因此，此海浪頻率可以作為整個(gè)工作區(qū)的海浪頻率。
4.如權(quán)利要求1所述的利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(4)中根據(jù)光學(xué)遙感圖像上海面波浪信息分布特征，在海浪信息清晰的區(qū)域選擇測量點(diǎn)，測量點(diǎn)的位置盡可能均勻地分布于工作區(qū)域內(nèi)，且測量點(diǎn)的數(shù)量盡可能多。
5.如權(quán)利要求1所述的利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(5)中根據(jù)步驟(4)確定的每一個(gè)測量點(diǎn)計(jì)算海浪波長，計(jì)算操作步驟如下:I)在基本垂直于海浪條紋的方向上，通過測量點(diǎn)繪制一條輔助線，使其跨越2-5個(gè)連續(xù)分布的海浪條紋；2)依輔助線位置提取遙感圖像的灰度剖面線，對(duì)于海浪清晰的區(qū)域，剖面線呈現(xiàn)波浪形；3)依次計(jì)算連續(xù)兩個(gè)波峰之間的距離，作算術(shù)平均后作為該測量點(diǎn)的海浪波長。
6.如權(quán)利要求1所述的利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(6)中根據(jù)步驟(5)中計(jì)算獲得的測量點(diǎn)的海浪波長和步驟(3)中計(jì)算獲得的工作區(qū)海浪頻率，計(jì)算測量點(diǎn)的水深，計(jì)算方法如下:
其中，Λ為水深值(單位:πΟ,ω為海浪頻率，L為海浪波長，P為重力加速度。
7.如權(quán)利要求1所述的利用單景高分辨率光學(xué)遙感圖像提取淺海地形的方法，其特征在于步驟(7)中將通過步驟(6)完成水深計(jì)算的所有測量點(diǎn)進(jìn)行水深數(shù)據(jù)空間插值計(jì)算，構(gòu)建連續(xù)的柵格化淺海地形數(shù)字高程模型(DEM)，提取等深線。
【文檔編號(hào)】G01C11/04GK104197902SQ201410463064
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】張華國, 李濟(jì)然, 傅斌, 樓琇林, 厲冬玲, 史愛琴 申請(qǐng)人:國家海洋局第二海洋研究所