CN101034471A - 水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法。本方法是：首先，建立声纳遥感信息与水下地形、直射声波和水体散射波之间定量关系的数理模型；继之解析声纳遥感数字图像：生成声纳直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水下地形变换，消除水下起伏地形上的辐射差异以及这种差异对声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除声纳遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成声纳遥感数字图像的水下地形变换。本发明的理论、方法具有原创性、开拓性，可广泛应用于声纳遥感技术的定量研究和应用。

Description

水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法

技术领域

本发明涉及一种声纳遥感数字图像处理方法，特别是水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法。

背景技术

水下地形对声纳遥感数字图像的影响和水下山体阴影、水体背景阴影的消除，一直都是声纳遥感数字图像处理与应用中的难题。现有声纳遥感数字图像处理与应用技术与正射影像处理技术，均没有从根本上解决这个重要的问题。经过查新搜索国内外均没有相关文献和专利报道，本项发明在水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法从理论和实践上较好地解决了这一问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：

本项发明是在GIS支持下利用水中直射声波、水体散射声波照度、水下地形与声纳遥感数字图像相互之间的定量关系，解析原始声纳遥感数字图像为直射声波和水体散射声波遥感数字图像。在此基础上利用水下数字地形图计算像元直射声波变换(改正)系数，水体散射声波变换(改正)系数和像元地面辐射参数(散射/直射比、散射/辐射比)进行直射声波和水体散射声波遥感数字图像的水下水平地形变换(如将起伏水下地形上的声纳遥感数字图像转换为水平地面上相应声纳遥感数字图像)。

同时进行水下地形阴影和水体背景阴影的消除，完成水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法和原始声纳遥感数字图像的任意水下地形变换，使每个像元遥感值均严格定量满足数字图像的点成像。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法，其特征在于：

首先，建立声纳遥感信息与水下地形、直射声波和水体散射声波之间定量关系的数理模型；继之解析声纳遥感数字图像：生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水下地形变换，消除起伏水下地形上的辐射差异以及这种差异对声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成声纳遥感数字图像的水下地形变换；

其具体操作步骤如下：

(1)、声纳遥感数字图像与水下数字地形图配准；

(2)、声纳遥感数字图像的水体修正；

(3)、声纳遥感数字图像上各点声纳高度角、方位角的计算；

(4)、在水下数字地形图上计算声纳遥感数字图像上各点水下地面(坡面)直射声波水下地形改正系数和水下地面(坡面)水体散射声波水下地形改正系数：

(5)、观察测量或者计算声纳遥感数字图像上各点水平地面上的散射/辐射比：

(6)、解析声纳遥感图像；生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像；

(7)、声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的判断和声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的消除；

(8)、直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像的水下水平地形变换；

(9)、无阴影声纳遥感正射数字图像的计算机生成；

(10)、声纳遥感图像的任意水下地形变换。

上述的骤(1)中的声纳遥感数字图像与水下数字地形图配准是GIS常规操作。

上述的步骤(2)中的声纳遥感数字图像的水体修正的步步骤如下：

(1)利用声纳遥感图片相同地面上相邻两非同类像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，按下式计算可以得到离散分布的像元水体程辐射遥感值。

         DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)                   (1)

或者对声纳遥感数字图像上水下山体和水体背景阴影中的水体像元遥感值进行分析也可以得到离散分布的像元水体程辐射遥感值；

(2)对上述结果，再采用插值算法得到每个像元水体程辐射遥感值；

对声纳遥感数字图像上各像元点遥感值DN_ij进行减去水体程辐射遥感值DN_Aij的运算，即DN_ij-DN_Aij，便完成了声纳遥感数字图像的水体修正。

其中，DN_ij代表声纳遥感数字图像上各像元点遥感值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，DN_ij-DN_Aij代表声纳遥感数字图像的水体修正值。

上述的步骤(3)中的声纳遥感数字图像上各点声纳高度角、方位角的计算按下式进行计算：

θ_ij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))                 (2)

A(i，j)＝arcsin(sinθ_ij*sinφ-sinδ)/cosθ_ij*cosφ)             (3)

δarcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)                            (4)

t＝arcsin(cosθ_ij*sinA/cosδ)+Δλ                                                                 (5)

θ，A、δ：声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角、方位角和声纳赤角；λ、φ：分别为声纳下点地理经纬度。Δλ为像元点对声纳下点的经度增量。

上述的步骤(4)中的声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的判断方法如下：

利用与声纳遥感数字图像配准的水下数字地形图和声纳遥感图片像元的声纳的位置参数，即高度角、方位角，进行水下山体与水体背景阴影的判断，其判断的准则是：在声纳照射方向该像元点的最大水下地形、水体背景、高度角等于或者大于该像元点的声纳高度角即：DH(i，j)≥θ_ij，则该像元点为阴影；反之则不是阴影。

上述的步骤(5)中的观察测量或者计算声纳遥感数字图像上各点水平地面上的直、散射辐射比方法如下：

若声纳遥感图片水平地面上有相邻2个同类像元X和Y，像元Y位于阴影中，DN(y)和DN(x)、DN_a分别是其遥感值和水体程辐射辐射遥感值，则该处水平地面上的散、直射辐射比：

            L＝(DN(y)-DN_a)/(DN(x)-DN(y))                        (6)

上述的步骤(6)中的计算声纳遥感数字图像上各点地面直射声波水下地形影响系数按下式计算：

F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij，ω_ij＝AL_ij-A_ij           (7)

其中，α_ij代表像元水下地表坡角，AL_ij代表水下地表坡向，θ_ij代表声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角，A_ij代表声纳方位角，ω_ij代表声纳方位角与地面坡向之夹角。

上述的步骤(7)中的计算声纳遥感数字图像上各点地面水体散射声波水下地形影响系数，即声纳遥感图片像元地面水体散射声波照射立体角与水平地面上的水体散射声波照射立体角2π之比按下式计算：

$G_{\mathrm{ij}}=1-\frac{2}{\mathrm{n\π}}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k,$ 式中n＝2π/Δt                    (8)

其中，β_k为第K个方位上的最大平均遮蔽角即立体角。Δt为方位角步长，为360°/n。n为方位划分数，即n为按计算精度要求将360°划分的范围个数。

上述的步骤(8)中的解析声纳遥感图像；生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像，方法如下：

直射声波遥感图像表达式： ${\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sij}}=\frac{({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\·F_{\mathrm{ij}}}{(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}})}---\left(9\right)$

水体散射声波遥感图像表达式： ${\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}=\frac{({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\·G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}}}{F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}}}---\left(10\right)$

i＝1，2…m；j＝1，2…n

其中，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_ij代表像元遥感数值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，L_ij代表水下地面反射亮度，F_ij代表水下数字地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数，G_ij代表水下数字地形图上各点地面水体散射声波水下地形影响系数，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，L_Sij代表水下地面声波谱反射亮度，L_Dij代表水下地面辐射照度。

上述的步骤(9)中的直射声波遥感数字图像和水体散射声波遥感数字图像的水下地形变换，采用以下公式计算：

${{\mathrm{DN}}^{\′}}_{S_{\mathrm{ij}}}={\mathrm{DN}}_{S_{\mathrm{ij}}}/F_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}})---\left(11\right)$

${{\mathrm{DN}}^{\′}}_{\mathrm{Dij}}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}/G_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\·L_{\mathrm{ij}}/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}})---\left(12\right)$

i＝1，2…m；j＝1，2…n

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN_ij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据，DN_Sij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中直射声波分量，DN_Dij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中散射声波分量，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

上述的步骤(10)中的声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的消除，采用声纳遥感数字图像上的阴影像元进行以下数字运算：

${{\mathrm{DN}}^{\′}}_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\·(1+L_{\mathrm{ij}})/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}})---\left(13\right)$

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN_ij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

上述的步骤(11)中的声纳遥感数字图像无阴影正射影像的计算机生成，使用以下数字运算完成：

${{\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}}^{\′}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sij}}^{\′}+{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}^{\′}---\left(14\right)$

${{\mathrm{DN}}^{\′}}_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\·(1+L_{\mathrm{ij}})/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\·L_{\mathrm{ij}})---\left(15\right)$

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN_ij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据，DN_Sij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中直射声波分量，DN_Dij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中散射声波分量，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

上述的像元水体程辐射DN_Aij，通过声纳数字图像中相关信息中提取或地面观测数据计算得出；上述的像元水下地面声纳高度θ_ij、方位角AL_ij由声纳遥感图片注记给出的相关信息计算得出；上述的像元水下地面坡度α_ij、坡向A_ij以及像元经、纬度由声纳遥感图片对应DTM给出。上述的步骤(12)中的声纳遥感数字图像的任意水下地形变换，使用以下数字运算完成：

XDN_sij＝DN`<sub>sij</sub>×F`_ij＝DN_sij×F`<sub>ij</sub>/F<sub>ij</sub>＝(DN<sub>ij</sub>-D<sub>Aij</sub>)×F`_ij/(F_ij+L_ijG_ij)    (16)

其中：

虚拟的水下坡面像元直射声波水平变换系数F_ij′＝(1-tgα_ij′·ctgθ_ij′·cosω_ij′)利用公式XDN_sij＝DN`<sub>sij</sub>×F`_ij＝DN_sij×F`<sub>ij</sub>/F<sub>ij</sub>＝(DN<sub>ij</sub>-D<sub>Aij</sub>)×F`_ij/(F_ij+L_ijG_ij)i＝1，2…m；j＝1，2…n                                                                              (17)

逐点计算便可完成直射声波遥感数字图像水下地形和辐射的虚拟与仿真。

其中，XDN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Sij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中直射声波分量，F_ij代表水下数字地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数，F_ij′代表经水体修正后的水下数字地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数，DN_ij代表像元遥感数值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，L_ij代表水下地面反射亮度，G_ij代表水下数字地形图上各点地面水体散射声波水下地形影响系数，α_ij′代表修正后的像元地表坡角，θ_ij′代表修正后的声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角，ω_ij′代表修正后的声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

由于声纳遥感成像是在水下声波条件之下，水下声波成份包括直射声波(方向性)分量和水体散射声波(基本上是各向同性)，其相对强度以及在起伏地表上的再分配方式，对声纳遥感数据的影响有很大差异。将水体修正后声纳遥感图像解析，分离成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像，分别进行直射声波和水体散射声波的变换，形成对应的直射声波和水体散射声波的水下地形变换遥感数字图像，最后将二者合成水下声波条件下的水下地形变换声纳遥感数字图像。其理论、方法具有创新性、开拓性。同时，所生成的：直射声波和水体散射声波遥感数字图像以及它们的水下地形变换数字图像都是水下无法直接获取的，在理论上和实践上均有重要价值的遥感信息。

由于声纳遥感数字图像的水下地形变换消除了水下地形起伏带来的地表声波辐射差异以及水体背景与水下山体阴影的影响，在声纳遥感信息中突出了地物波谱特征，使其更具可比性。从根本上改善了声纳遥感数字图像的质量具有重要的科研和应用前景。

本项发明可广泛应用于声纳遥感技术的变量研究与各种应用，如水下土地利用研究与调查、军事中的伪装与反伪装、阴影地物的识别、水下植物调查研究、声纳遥感图片的模式识别以及声纳遥感数字图像的虚拟与仿真等方面。

附图说明

图1为本发明水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法计算机生成流程图。

图2为青岛沙子口地区2004.10.22经过水体修正后的声纳遥感数字图像(1024×1024)；

图3为与该声纳遥感图片对应水下数字地形图(立体)；

图4，5分别为声纳遥感数字图像上各点的直射声波和水体散射声波水下地形改正系数及其可视化图像；

图6，7分别为该声纳遥感图片解析后生成的直射声波和水体散射声波遥感数字图像；

图8，9分别为图5，6的水下水平地形变换图像；

图10为图2的无阴影声纳遥感正射数字图像；

图11为图2任意水下地形变换后的遥感数字图像。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详细说明如下：

本例为青岛沙子口地区2004.10.22的声纳遥感图片说明水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法。

参见图1，本水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法方法是：

首先，建立声纳遥感信息与水下地形、直射声波和水体散射声波之间定量关系的数理模型；继之解析声纳遥感数字图像：生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水下地形变换，消除水下起伏地形上的辐射差异以及这种差异对声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除声纳遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成声纳遥感数字图像的水下地形变换。本发明的理论、方法具有原创性、开拓性，可广泛应用于遥感技术的定量研究和应用；其具体操作步骤如下：

(1)、声纳遥感数字图像与数字水下地形图配准；

(2)、声纳遥感数字图像的水体修正；

(3)、声纳遥感数字图像上各点声纳高度角、方位角的计算；

(4)、在水下数字地形图上计算声纳遥感数字图像上各点水下地面(坡面)直射声波水下地形改正系数和地面(坡面)水体散射声波水下地形改正系数：

(5)、观察测量或者计算声纳遥感数字图像上各点水平地面上的散射/辐射比：

(6)、解析声纳遥感图像；生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像；

(7)、声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的判断和声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的消除；

(8)、直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像的水下水平地形变换；

(9)、无阴影声纳遥感正射数字图像的计算机生成；

(10)、声纳遥感图像的任意水下地形变换。

声纳遥感数字图像的水下地形变换在有多点实时辐射观测资料(散射/辐射比)、声纳遥感数字图像高精度水体修正、典型地物反射率和相应高精度的数字水下地形图等条件下有最佳的水下地形变换效果。如果上述条件不能满足，仅仅利用一般精度的数字水下地形图进行声纳遥感数字图像水下地形变换也可以取得令人满意的较好效果。

上述方案中各步骤说明如下：

1、声纳遥感数字图像与水下数字地形图配准：

声纳遥感数字图像与水下数字地形图(TEM)配准系GIS常规操作。

2、声纳遥感数字图像的水体修正：

获得像元水体程辐射遥感值的方法有两种：

利用声纳遥感图片相同地面上相邻两非同类像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，进以下计算：

DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)                                   (1)

可以得到离散分布的像元水体程辐射遥感值。

对声纳遥感数字图像上水下山体和水体背景阴影中的水体像元遥感值进行分析也可以得到离散分布的像元水体程辐射遥感值。

对上述结果，再采用插值算法可得到每个像元水体程辐射遥感值。对声纳遥感数字图像上各像元点遥感值进行减去水体程辐射遥感值的运算，即DN_ij-DN_Aij，便完成了声纳遥感数字图像的水体修正。

其中，DN_ij代表声纳遥感数字图像上各像元点遥感值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，DN_ij-DN_Aij代表声纳遥感数字图像的水体修正值。

3、声纳遥感数字图像上各点声纳高度角、方位角的计算按下式进行计算：

θ_ij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))                 (2)

A(i，j)＝arcsin(sinθ_ij*sinφ-sinδ)/cosθ_ij*cosφ)             (3)

δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)                          (4)

t＝arcsin(cosθ_ij*sinA/cosδ)+Δλ                                                                 (5)

θ，A、δ：声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角、方位角和声纳赤角；λ、φ：分别为声纳下点地理经纬度。Δλ为像元点对声纳下点的经度增量。

4、遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的判断

利用与声纳遥感数字图像配准的水下数字地形图和声纳遥感图片像元的声纳的位置参数，即高度角、方位角，进行水下山体与水体背景阴影的判断，其判断的准则是：在声纳照射方向该像元点的最大水下地形、水体背景、高度角等于或者大于该像元点的声纳高度角即：DH(i，j)≥θ_ij，则该像元点为阴影；反之则不是阴影。

5、观测或计算声纳遥感数字图像上各点水平地面上的直、散射辐射比：

若声纳遥感图片水平地面上有相邻2个同类像元X和Y，像元Y位于阴影中，DN(y)和DN(x)、DN_a分别是其遥感值和水体程辐射遥感值，则该处水平地面上的散、直射辐射比：

L＝(DN(y)-DN_a)/(DN(x)-DN(y))                                (6)

6、计算数字水下地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数：

F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij，ω_ij＝AL_ij-A_ij             (7)

其中，α_ij代表像元水下地表坡角，AL_ij代表水下地表坡向，θ_ij代表声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角，A_ij代表声纳方位角，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

7、计算水下数字地形图上各点地面水体散射声波水下地形影响系数，即声纳遥感图片像元地面水体散射声波照射立体角与水平地面上的水体散射声波照射立体角2π之比：

$G_{\mathrm{ij}}=1-\frac{2}{\mathrm{n\&pi;}}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_k,$ 式中n＝2π/Δt                    (8)

其中，β_k为第K个方位上的最大平均遮蔽角即立体角。Δt为方位角步长，为360°/n。n为方位划分数，即n为按计算精度要求将360°划分的范围个数。

8、解析声纳遥感图像，生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像，方法如下：

直射声波遥感图像表达式： ${\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sij}}=\frac{({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;F_{\mathrm{ij}}}{(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}})}---\left(9\right)$

水体散射声波遥感图像表达式： ${\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}=\frac{({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}}}{F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}}}---\left(10\right)$

i＝1，2…m；j＝1，2…n

其中，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_ij代表像元遥感数值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，L_ij代表水下地面反射亮度，F_ij代表水下数字地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数，G_ij代表水下数字地形图上各点地面水体散射声波水下地形影响系数，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，L_Sij代表水下地面声波谱反射亮度，L_Dij代表水下地面辐射照度。

9、直射声波遥感数字图像和水体散射声波遥感数字图像的水下地形变换，采用以下公式计算：

${{\mathrm{DN}}^{\&prime;}}_{S_{\mathrm{ij}}}={\mathrm{DN}}_{S_{\mathrm{ij}}}/F_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}})---\left(11\right)$

${{\mathrm{DN}}^{\&prime;}}_{\mathrm{Dij}}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}/G_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}}/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}})---\left(12\right)$

i＝1，2…m；j＝1，2…n

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN_ij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据，DN_Sij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中直射声波分量，DN_Dij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中散射声波分量，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

10、水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法，使用以下数字运算完成：

${{\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}}^{\&prime;}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sij}}^{\&prime;}+{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}^{\&prime;}---\left(13\right)$

${{\mathrm{DN}}^{\&prime;}}_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;(1+L_{\mathrm{ij}})/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}})---\left(14\right)$

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN_ij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据，DN_Sij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中直射声波分量，DN_Dij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中散射声波分量，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

11、声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的消除，采用声纳遥感数字图像上的阴影像元进行以下数字运算：

${{\mathrm{DN}}^{\&prime;}}_{\mathrm{ij}}=({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;(1+L_{\mathrm{ij}})/(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}})---\left(15\right)$

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN_ij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

上述的像元水体程辐射辐射DN_Aij，通过声纳数字图像中相关信息中提取或水下地面观测数据计算得出；上述的像元地面声纳高度θ_ij、方位角AL_ij由声纳遥感图片注记给出的相关信息计算得出；上述的像元水下地面坡度α_ij、坡向A_ij以及像元经、纬度由声纳遥感图片对应DTM给出。

12、声纳遥感数字图像的任意水下地形变换，使用以下数字运算完成：

XDN_sij＝DN`<sub>sij</sub>×F`_ij＝DN_sij×F`<sub>ij</sub>/F<sub>ij</sub>＝(DN<sub>ij</sub>-D<sub>Aij</sub>)×F`_ij/(F_ij+L_ijG_ij)  (16)

其中：

虚拟的水下坡面像元直射声波水平变换系数F_ij′＝(1-tgα_ij′·ctgθ_ij′·cosω_ij′)利用公式：

XDN_sij＝DN`<sub>sij</sub>×F`_ij＝DN_sij×F`<sub>ij</sub>/F<sub>ij</sub>＝(DN<sub>ij</sub>-D<sub>Aij</sub>)×F`_ij/(F_ij+L_ijG_ij)i＝1，2…m；

j＝1，2，…，n                                                                    (17)

逐点计算便可完成直射声波遥感数字图像水下地形和辐射的虚拟与仿真。

其中，XDN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Sij′代表经水体修正后的声纳像元遥感数据中直射声波分量，F_ij代表数字水下地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数，F_ij′代表经水体修正后的数字水下地形图上各点地面直射声波水下地形影响系数，DN_ij代表像元遥感数值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，L_ij代表地面反射亮度，G_ij代表数字水下地形图上各点地面水体散射声波水下地形影响系数，α_ij′代表修正后的像元地表坡角，θ_ij′代表修正后的声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角，ω_ij′代表修正后的声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

声纳遥感数字图像的水下地形变换在有多点实时辐射观测资料(散射/辐射比)、声纳遥感数字图像高精度水体修正、典型水下地物反射率和相应高精度的数字水下地形图等条件下有最佳的水下地形变换效果。如果上述条件不能满足，仅仅利用一般精度的水下数字地形图进行声纳遥感数字图像水下地形变换也可以取得令人满意的较好效果。

由于声纳遥感成像是在水下声波条件之下，水下声波成份包括直射声波(方向性)分量和水体散射声波(基本上是各向同性)，其相对强度以及在起伏地表上的再分配方式，对声纳遥感数据的影响有很大差异。将水体修正后声纳遥感图像解析，分离成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像，分别进行直射声波和水体散射声波的变换，形成对应的直射声波和水体散射声波的水下地形变换遥感数字图像，最后将二者合成水下声波条件下的水下地形变换声纳遥感数字图像。其理论、方法具有原创性、开拓性。同时，所生成的：直射声波和水体散射声波遥感数字图像以及它们的水下地形变换数字图像都是水下无法直接获取的，在理论上和实践上均有重要价值的遥感信息。

遥感数字图像的水下地形变换消除了水下地形起伏带来的地表声波辐射差异以及水体背景与水下山体阴影的影响，在遥感信息中突出了地物波谱特征，使其更具可比性。从根本上改善了遥感数字图像的质量具有重要的科研和应用前景。

图2为青岛沙子口地区2004.10.22经过水体修正后的声纳遥感数字图像(1024×1024)；

图3为与该声纳遥感图片匹配的对应水下数字地形图(立体)；

图4、图5分别为该声纳遥感图片解析后生成的直射声波和水体散射声波遥感数字图像：

直射声波遥感数字图像(图4)为水下地形影响的直射声波下的遥感数字图像上有明显的阴影分布、山脊两边直射声波辐射有明显差异；

水体散射声波遥感数字图像(图5)为水下地形影响的低照度水体散射声波下的遥感数字图像。

图6、图7分别水下地形直射声波水下地形变换系数和水体散射声波水下地形变换系数的可视化，它们有着十分清晰的物理和地学意义：

图6：为水下地形直射声波水下地形变换系数的线性拉伸。表达成像瞬间直射声波辐射在水下起伏地面上的真实归一化(水平地面上直射声波辐射照度为1)分布。

图7：为水体散射声波水下地形变换系数的线性拉伸。表达成像瞬间水体散射声波辐射在水下起伏地面上的真实归一化(水平地面上水体散射声波辐射照度为1)分布。

直射声波水下地形变换系数和水体散射声波水下地形变换系数及其可视化在数字沙盘、地图晕染和数字可视化等方面有广泛应用。

图8、图9分别为直射声波和水体散射声波遥感数字图像所对应的水下水平地形变换的图像：

直射声波(非偏振声波)遥感数字图像的水下地形变换图像(图8)上阴影已经消除，原来隐藏在阴影中的水体清晰可见，山脊两边直射声波辐射差异已不明显，起伏山地已变成平原。与原来的遥感数字图像相比直射声波遥感数字图像的水下地形变换图像显然有利于计算机的自动识别与分类，其图像质量有重大的改善和提高。

水体散射声波遥感数字图像的水下地形变换图像(图9)为消除了水下地形影响在各向均匀的水体散射声波(偏振声波)条件下的成像的声纳遥感数字图像。

图10为计算机生成的无阴影声纳遥感数字正射影像(图8和图9的合成)。

图11为图2任意水下地形变换后的声纳遥感数字图像。

声纳遥感数字图像的水下地形变换在有多点同步实时辐射观测资料(散射/直射比)、声纳遥感数字图像高精度水体修正、典型水下地物反射率和相应高精度的数字水下地形图等条件下有最佳的水下地形变换效果。如果上述条件不能满足，仅仅利用一般精度的水下数字地形图进行声纳遥感数字图像水下地形变换也可以取得令人满意的较好效果。

Claims (13)

1.水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的地形变换方法，其特征在于：

首先，建立水下声纳遥感信息与水底地形、直射声波和水体散射声波之间定量关系的数理模型；继之解析水下声纳遥感数字图像：生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水底地形变换，消除水底起伏地形上的辐射差异以及这种差异对水下声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除声纳遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成水下声纳遥感数字图像的水底地形变换；其具体操作步骤如下：

(1)、水下声纳遥感数字图像与水底数字地形图配准；

(2)、水下声纳遥感数字图像的水体修正；

(3)、水下声纳遥感数字图像上各点声纳高度角、方位角的计算；

(4)、在水底数字地形图上计算水下声纳遥感数字图像上各点地面或坡面直射声波水底地形改正系数和地面或坡面水体散射声波水底地形改正系数；

(5)、观察测量或者计算水下声纳遥感数字图像上各点水平地面上的散射/辐射比；

(6)、解析水下声纳遥感图像；生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像；

(7)、水下声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的判断和水下声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的消除；

(8)、直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像的水平水底地形变换；

(9)、无阴影声纳遥感正射数字图像的计算机生成；

(10)、声纳遥感图像的任意水底地形变换。

2、根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(2)中的水下声纳遥感数字图像的水体修正的步骤如下：

(1)利用声纳遥感图片相同地面上相邻两非同类像元DN1和DN2的水下地面反射率γ1和γ2，按下式计算可以得到离散分布的像元水体程辐射遥感值；

        DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)，

或者对水下声纳遥感数字图像上水下山体和水体背景阴影中的水体像元遥感值进行分析得到离散分布的像元水体程辐射遥感值；

(2)对上述结果，再采用插值算法得到每个像元水体程辐射遥感值；

(3)对水下声纳遥感数字图像上各像元点遥感值DN_ij进行减去水体程辐射遥感值DN_Aij的运算，即DN_ij-DN_Aij，便完成了水下声纳遥感数字图像的水体修正；

其中，DN_ij代表水下声纳遥感数字图像上各像元点遥感值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，DN_ij-DN_Aij代表水下声纳遥感数字图像的水体修正值。

3、根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(3)中的水下声纳遥感数字图像上各点声纳高度角、方位角的计算按下式进行计算：

        θ_ij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))，

        A(i，j)＝arcsin(sinθ_ij*sinφ-sinδ)/cosθ_ij*cosφ)，

             δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)，t＝

                 arcsin(cosθ_ij*sinA/cosδ)+Δλ，

其中θ，A、δ为声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角、方位角和声纳赤角；λ、φ分别为声纳下点地理经纬度。Δλ为像元点对声纳下点的经度增量。

4、根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(4)中的水下声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的判断方法如下：

利用与水下声纳遥感数字图像配准的数字水底地形图和声纳遥感图片像元的声纳的位置参数，即高度角、方位角，进行水下山体与水体背景阴影的判断，其判断的准则是：在声纳照射方向该像元点的最大水底地形、水体背景、高度角等于或者大于该像元点的声纳高度角即：DH(i，j)≥θ_ij，则该像元点为阴影；反之则不是阴影。

5、根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(5)中的观测或计算水下声纳遥感数字图像上各点水平地面上的直、散射辐射比方法如下：

若声纳遥感图片水平地面上有相邻2个同类像元X和Y，像元Y位于阴影中，DN(y)和DN(x)、DN_a分别是其遥感值和水体程辐射遥感值，则该处水平地面上的散、直射辐射比：

                   L＝(DN(y)-DN_a)/(DN(x)-DN(y))。

6.根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(6)中的计算数字水底地形图上各点地面直射声波水底地形影响系数按下式计算：

      F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij，ω_ij＝AL_ij-A_ij，

其中，α_ij代表像元水下地表坡角，AL_ij代表水下地表坡向，θ_ij代表声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角，A_ij代表声纳方位角，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

7.根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(7)中的计算水底数字地形图上各点地面水体散射声波水底地形影响系数，即声纳遥感图片像元水底地面水体散射声波照射立体角与水底水平地面上的水体散射声波照射立体角2π之比按下式计算：

$G_{\mathrm{ij}}=1-\frac{2}{\mathrm{n\&pi;}}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_k,$ 式中n＝2π/Δt，

其中，β_k为第K个方位上的最大平均遮蔽角即立体角，Δt为方位角步长，为360°/n，n为方位划分数，即n为按计算精度要求将360°划分的范围个数。

8.根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(8)中的解析水下声纳遥感图像，生成直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像，方法如下：

               直射声波遥感图像表达式： ${\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sij}}=\frac{({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;F_{\mathrm{ij}}}{(F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}})},$

               水体散射声波遥感图像表达式： ${\mathrm{DN}}_{\mathrm{Dij}}=\frac{({\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Aij}})\&CenterDot;G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}}}{F_{\mathrm{ij}}+G_{\mathrm{ij}}\&CenterDot;L_{\mathrm{ij}}},$

               i＝1，2…m；j＝1，2…n，

其中，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_ij代表像元声纳遥感数值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，L_ij代表水下地面反射亮度，F_ij代表水底数字地形图上各点地面直射声波水底地形影响系数，G_ij代表水底数字地形图上各点地面水体散射声波水底地形影响系数，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，L_Sij代表水下地面声波谱反射亮度，L_Dij代表水下地面辐射照度。

9.根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(9)中的直射声波遥感数字图像和水体散射声波遥感数字图像的水底地形变换，采用以下公式计算：

           DN′_Sij＝DN_Sij/F_ij＝(DN_ij-DN_Aij)/(F_ij+G_ij·L_ij)，

           DN′_Dij＝DN_Dij/G_ij＝(DN_ij-DN_Aij)·L_ij/(F_ij+G_ij·L_ij)，

           i＝1，2…m；j＝1，2…n，

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN′_ij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据，DN′_Sij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据中直射声波分量，DN′_Dij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据中散射声波分量，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

10.根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水底地形变换方法，其特征在于所述的步骤(10)中的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法，使用以下数字运算完成：

            DN′_ij＝DN′_Sij+DN′_Dij，

            DN′_ij＝(DN_ij-DN_Aij)·(1+L_ij)/(F_ij+G_ij·L_ij)，

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN′_ij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据，DN′_Sij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据中直射声波分量，DN′_Dij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据中散射声波分量，DN_Dij代表像元遥感数值中散射声波分量，DN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

11.根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法，其特征在于所述的步骤(11)中的水下声纳遥感数字图像上水下山体与水体背景阴影的消除，采用水下声纳遥感数字图像上的阴影像元进行以下数字运算：

           DN′_ij＝(DN_ij-DN_Aij)·(1+L_ij)/(F_ij+G_ij·L_ij)，

其中，DN_ij代表像元遥感数值，DN′_ij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据，DN_Aij代表水体程辐射遥感值。

12.根据权利要求2或3或6所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法，其特征在于所述的像元水体程辐射辐射DN_Aij，通过声纳数字图像中相关信息中提取或水下地面观测数据计算得出；所述的像元水下地面声纳高度θ_ij、方位角AL_ij由声纳遥感图片注记给出的相关信息计算得出；所述的像元水下地面坡度α_ij、坡向A_ij以及像元经、纬度由声纳遥感图片对应DTM给出。

13、根据权利要求1所述的水下数字地面模型的声纳遥感数字图像的水下地形变换方法，其特征在于所述的步骤(12)中的水下声纳遥感数字图像的任意水下地形变换，使用以下数字运算完成：

     XDN_sij＝DN`<sub>sij</sub>×F`_ij＝DN_sij×F`<sub>ij</sub>/F<sub>ij</sub>＝(DN<sub>ij</sub>-DN<sub>Aij</sub>)×F`_ij/(F_ij+L_ijG_ij)，

其中：

虚拟的水下坡面像元直射声波水平变换系数F′_ij＝(1-tgα′_ij·ctgθ′_ij·cosω′_ij)利用公式XDN_sij＝DN`<sub>sij</sub>×F`_ij＝DN_sij×F`<sub>ij</sub>/F<sub>ij</sub>＝(DN<sub>ij</sub>-DN<sub>Aij</sub>)×F`_ij/(F_ij+L_ijG_ij)i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n，

逐点计算便可完成直射声波遥感数字图像水下地形和辐射的虚拟与仿真；其中，XDN_Sij代表像元遥感数值中直射声波分量，DN′_Sij代表经水体修正后的水下声纳像元遥感数据中直射声波分量，F_ij代表水底数字地形图上各点地面直射声波水底地形影响系数，F′_ij代表经水体修正后的数字水下地形图上各点地面直射声波水底地形影响系数，DN_ij代表像元遥感数值，DN_Aij代表水体程辐射遥感值，L_ij代表地面反射亮度，G_ij代表水下数字地形图上各点地面水体散射声波水底地形影响系数，α′_ij代表修正后的水下像元地表坡度角，θ′_ij代表修正后的声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角，ω′_ij代表修正后的声纳方位角与水下地面坡向之间的夹角。

Images