CN101034474A - 声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法。首先，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。再次，在此基础上最后完成声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复的原理方法。其具体步骤是：输入声纳遥感数字图像和对应的数字地形图，寻找阴影并计算参数，在声纳遥感数字图像上寻找分别位于声纳下和阴影中的同类像元P1、P2并分别计算其归一化水体声波水下地形照射系数：G1和G2以及声纳直射声波水下地形照射系数F1；继而计算该阴影区水下水平地面声纳声波的散射/直射比，然后计算全部阴影区水下水平地面声纳声波的散射/直射比，插值计算所有无阴影地区各点水下水平地面上声纳声波的散射/直射比值，最终输出对应水下水平地面上声纳的声波散射/直射比和对应水下水平地面上声纳遥感数字图像上阴影消除后的图像和阴影中像元遥感值恢复数值，大大地提高了散射/直射比获取的效率和精度。

Description

声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法

技术领域

本发明涉及一种声纳遥感与地理信息系统技术，特别是一种声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法。

背景技术

散射/直射比是表征水体状况的重要参数，在水体环境、气象、环境遥感和声纳遥感图像处理等方面有特殊意义。由于水下地形对水体的遮挡和屏蔽，水下地表上的水体散射声波照度分布受水下地形影响将发生变化。因水下地形的影响，不仅改变了水下地面上声波的总照度，并且改变了水下地表声波中水体散射声波和声纳直射声波照度的比例，即：散射/直射比。散射/直射比的常规获取方法是人工逐点实测，费时费力，效率低。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和阴影中像元遥感值的恢复一直是遥感图像处理的难题，常规、传统处理方法，尚未解决该难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复的方法。利用声纳遥感数字图像和数字地形图，自动获取区域(大范围)水下水平地面声波的散射/直射比。大大地提高了散射/直射比获取的效率和精度。

为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法，其特征在于，首先，判断和消除遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影。再次，在此基础上最后完成声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复；其具体步骤是：

(1).输入声纳遥感数字图像和对应的数字地形图；

(2).寻找阴影并计算参数：在声纳遥感数字图像上寻找分别位于声波下和阴影(水体背景与水下山体)中的同类像元P1、P2并分别计算其归一化水体声波水下地形照射系数：G1和G2以及声纳直射声波水下地形照射系数(归一化)F1；

(3).计算该阴影区水下水平地面声波的散射/直射比：

L＝DN2*F1/(DN1*G2-DN2*G1)，

(4).计算全部阴影区水下水平地面声波的散射/直射比；

(5).插值计算所有无阴影地区各点水下水平地面上声波的散射/直射比值；

(6).输出：对应水下水平地面上声波散射/直射比；

(7).输出：对应水下水平地面上声纳遥感数字图像上阴影消除后的图像和阴影中像元遥感值恢复数值。

上述的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的方法如下：

设水下山体和水体背景阴影中一像元P_kl，其遥感值DN_kl，水体程辐射遥感值D_Akl，像元点水平地面上的散射/直射比L_kl、声纳直射声波水下水平地形变换系数：F_kl、水体散射声波水下地形变换系数：G_kl为已知。

则：阴影中声纳直射声波照度为0：DN_skl＝0

像元水下坡面水体散射声波遥感值：DN_dkl＝(DN_kl-D_Akl)                        (1)

像元水平地面水体散射声波遥感值：DN`_dkl＝DN_dkl/G_kl＝(DN_kl-D_Akl)/G_kl        (2)

则：当像元P_kl不在阴影中时：

像元水平地面声纳直射声波遥感值：DN`<sub>skl</sub>＝DN`_dkl/L_kl＝(DN_kl-D_Akl)/L_klG_kl    (3)

像元水下坡面声纳直射声波遥感值：

       DN_skl＝DN`_skl；F_kl＝DN_dkl；F_kl/L_klG_kl＝(DN_kl-D_Akl)F_kl/L_klG_kl       (4)

水下坡面像元遥感值：

DN_kl＝DN_dkl+DN_skll＝DN_dkl+DN_dklF_kl/L_klG_kl

    ＝DN_dkl(1+F_kl/L_klG_kl)＝(DN_kl-D_Akl)(1+F_kl/L_klG_kl)                      (5)

像元水平地面遥感值：

DN`<sub>k</sub>＝DN`_skl+DN`_dkl＝(DN_kl-D_Akl)/L_klG_kl+(DN_kl-D_Akl)/G_kl

    ＝(1+L_kl)(DN_kl-D_Akl)/G_klL_kl                                           (6)

公式中：F_kl＝1-tgα_kl·ctgθ_kl·cosω_kl，其中α_kl、θ_kl、ω_kl、分别为：像元P_kl的坡角、声纳高度角和该像元坡向、声纳入射方向之间的夹角。

上述的步骤(2)中，阴影中任意像元点P_ij的归一化水体声波水下地形照射系数G_ij和水下声波下像元点P1(P_ij)的归一化声纳直射声波水下地形照射系数F的计算步骤如下：

(1)像元P_ij归一化水体声波水下地形照射系数的计算：

(a)分别计算像元点P_ij在各个方向上的最大水下地形高度角为

β_k(k＝1，2，……n)，

n为方位间隔：n＝2π/Δt，Δt为方位角步长，为可整除360的数；

β_k为点P_ij在第k方向上的最大水下地形高度(屏蔽)角，

β_k＝MAX(h_l，L＝1、2、3…ML)                                   (7)

h_l为点P_ij在第k个方向上的第L个点的水下地形高度(屏蔽)角，

h_l＝tg(Z_PL/S_PL)^-1                                              (8)

Z_PL，S_PL：分别为点P_ij与第k个方向上的第L个点的高差和水平距离。

(b)求和以计算该点的归一化水体声波水下地形屏蔽系数：

${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\&Delta;t}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sin {\mathrm{\&beta;}}_k/2{\mathrm{\&pi;}}_k---\left(9\right)$

(c)计算像元点的归一化水体声波水下地形照射系数：

                   G_ij＝1-Ω_ij                                 (10)

(2)声纳下像元点P1(P_ij)的归一化声纳直射声波水下地形照射系数的计算：

F1＝F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij    ω_ij＝AL_ij-A_ij          (11)

像元水下地面声纳高度角θ_ij、方位角AL_ij由声纳遥感图片注记给出，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(数字地形图生成的数字地面模型)给出，ω_ij代表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所具有的优点与积极效果如下：

水下水平地面声波的散射/直射比是表达声纳的声波受到环境(水体、水下地形、地理位置)影响程度的重要参数。随着水体(环境参数)状况、地理位置和水下地形条件的不同，水下水平地面上各地的声波散射/直射比一般是不同的。水下水平地面声波的散射/直射比的常规获取方法是人工逐点实测。本项发明是利用声纳遥感数字图像和水下数字地形图，自动获取区域(大范围)水下水平地面声波的散射/直射比。大大地提高了散射/直射比、自动化、智能化获取的效率和精度。提供声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法。

本项发明在水体环境质量评价、声纳遥感图像的水下地形影响修正、水下地表声波辐射的水下地形再分配及其区域分布研究等方面均有重要意义。

附图说明

图1为本发明声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法的计算机流程图。

图2为青岛渤海湾1∶10万数字地形图(1024×1024)；

图3为青岛渤海湾声纳直射声波水下地形分布图像(1024×1024，声纳方向东南)。

图4为青岛渤海湾水体散射声波水下地形分布图像(1024×1024)。

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：

本例为青岛渤海湾1∶10万数字地形图(1024×1024)以说明声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法。

参见图2，其出示了本实施所要研究地区，即青岛渤海湾1∶10万数字地形图(1024×1024)。

参见图3，其出示了青岛渤海湾声纳直射声波水下地形分布图像(1024×1024，声纳方向东南)。

请参阅图1，它是本发明声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法的计算机流程图，在GIS中，运行步骤如下：

(1).输入声纳遥感数字图像和对应的数字地形图。

(2).寻找阴影并计算参数：在声纳遥感数字图像上寻找分别位于声波下和阴影(水体背景与水下山体)中的同类像元P1、P2并分别计算其归一化水体声波水下地形照射系数：G1和G2以及声纳直射声波水下地形照射系数(归一化)F1。

(3).计算该阴影区水下水平地面声波的散射/直射比：

L＝DN2*F1/(DN1*G2-DN2*G1)

(4).计算全部阴影区水下水平地面声波的散射/直射比。

(5).插值计算所有无阴影地区各点水下水平地面上声波的散射/直射比值。

(6).输出：对应水下水平地面上声波散射/直射比。

(7).输出：对应水下水平地面上遥感数字图像上阴影消除后的图像和阴影中像元遥感恢复数值。见图4。

上述的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的原理和方法如下：

设水下山体和水体背景阴影中一像元P_kl，其遥感值DN_kl，水体程辐射遥感值D_Akl，像元点水底水平地面上的散射/直射比L_kl、声纳直射声波水下水平地形变换系数：F_kl、水体散射声波水下地形变换系数：G_kl为已知。

则：阴影中声纳直射声波照度为0：DN_skl＝0

像元水下坡面水体散射声波遥感值：DN_dkl＝(DN_kl-D_Akl)                        (1)

像元水下水平地面水体散射声波遥感值：DN`_dkl＝DN_dkl/G_kl＝(DN_kl-D_Akl)/G_kl    (2)

则：当像元P_kl不在阴影中时：

像元水平地面声纳直射声波遥感值：DN`<sub>skl</sub>＝DN`_dkl/L_kl＝(DN_kl-D_Akl)/L_klG_kl      (3)

像元水下坡面声纳直射声波遥感值：

DN_skl＝DN`_skl；F_kl＝DN_dkl；F_kl/L_klG_kl＝(DN_kl-D_Akl)F_kl/L_klG_kl                (4)

水下坡面像元遥感值：

DN_kl＝DN_dkl+DN_skll＝DN_dkl+DN_dklF_kl/L_klG_kl

    ＝DN_dkl(1+F_kl/L_klG_kl)＝(DN_kl-D_Akl)(1+F_kl/L_klG_kl)                        (5)

像元水下水平地面遥感值：

DN`<sub>k</sub>＝DN`_skl+DN`_dkl＝(DN_kl-D_Akl)/L_klG_kl+(DN_kl-D_Akl)/G_kl

    ＝(1+L_kl)(DN_kl-D_Akl)/G_klL_kl                                             (6)

公式中：F_kl＝1-tgα_kl·ctgθ_kl·cosω_kl，其中α_kl、θ_kl、ω_kl、分别为：像元P_kl的坡角、声纳高度角和该像元坡向、声纳入射方向之间的夹角。

上述的步骤(2)中，阴影中任意像元点P_ij的归一化水体声波水下地形照射系数G_ij和声纳下像元点P1(P_ij)的归一化声纳直射声波水下地形照射系数F的计算步骤如下：

(1)像元P_ij归一化水体声波水下地形照射系数的计算：

(a)分别计算像元点P_ij在各个方向上的最大水下地形高度角为

β_k(k＝1，2，……n)；

n为方位间隔：n＝2π/Δt，Δt为方位角步长，为可整除360的数；

β_k为点P_ij在第k方向上的最大水下地形高度(屏蔽)角，

β_k＝MAX(h_l，L＝1、2、3…ML)                                                (7)

h_l为点P_ij在第k个方向上的第L个点的水下地形高度(屏蔽)角，

h_l＝tg(Z_PL/S_PL)^-1                                                           (8)

Z_PL，S_PL：分别为点P_ij与第k个方向上的第L个点的高差和水平距离。

(b)求和以计算该点的归一化水体声波水下地形屏蔽系数：

${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\&Delta;t}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sin {\mathrm{\&beta;}}_k/2{\mathrm{\&pi;}}_k---\left(9\right)$

(b)计算像元点的归一化水体声波水下地形照射系数：

                 G_ij＝1-Ω_ij                                                (10)

(2)声纳下像元点P1(P_ij)的归一化声纳直射声波水下地形照射系数的计算：

F1＝F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij     ω_ij＝AL_ij-A_ij                      (11)

像元水下地面声纳高度角θ_ij、方位角AL_ij由声纳遥感图片注记给出，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数字地形图生成的数字地面模型DTM给出，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

实例与讨论

水下山体和水体背景阴影中某像元：其遥感值DN_kl＝11，水体程辐射遥感值D_Akl＝4，像元点水下水平地面上的散射/直射比L_kl＝0.08、声纳直射声波水下水平地形变换系数：F_kl＝0.883、水体散射声波水下地形变换系数：G_kl＝0.735

则：像元水下坡面水体散射声波遥感值DN_dkl＝11-4＝7

像元水下水平地面水体散射声波遥感值：DN`_dkl＝DN_dkl/G_kl＝7/0.735＝9

则：当像元P_kl不在阴影中时：

水下像元水平地面声纳直射声波遥感值：DN`<sub>skl</sub>＝DN`_dkl/L_kl＝9/0.08＝113

水下像元坡面声纳直射声波遥感值：DN_skl＝DN`_sklF_kl＝113×0.881＝100

水下坡面像元遥感值：DN_kl＝DN_dkl+DN_skll＝7+100＝107

水下像元水平地面遥感值：DN`<sub>k</sub>＝DN`_skl+DN`_dkl＝9+113＝122

声纳遥感数字图像的水下水平地形变换：

行	列	像元遥感值	水下坡度(度)	水下坡向(度)	F值	G值	水下水平地面像元遥感值
								31	148	83	23.7	83	0.69297	0.82279	116
39	239	165	39.1	190.0	1.55536	0.85220	114
								23	61	113	31.7	153.8	1.56395	0.71841	79
26	96	113	29.4	348.2	0.51337	0.83611	199

从上面可以看出：分别位于水下阴坡和水下阳坡的同类像元(前2)声纳遥感值经水平地形变换后接近一致；而分别位于水下阴坡和水下阳坡的非同类像元(后2)遥感值经水下水平地形变换后显著分离。

Claims (3)

1.声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法，其特征在于，首先，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。再次，在此基础上最后完成基于水下数字地面模型的声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复其具体步骤是：

(1).输入声纳遥感数字图像和对应的水下数字地形图；

(2).寻找阴影并计算参数：在声纳遥感数字图像上寻找分别位于声纳下和阴影中的同类像元P1、P2并分别计算其归一化水体声波地形照射系数：G1和G2以及声纳直射声波水下地形照射系数F1；

(3).计算该阴影区水下水平地面声波的散射/直射比；

L＝DN2*F1/(DN1*G2-DN2*G1)

(4).计算全部阴影区水下水平地面声波的散射/直射比；

(5).插值计算所有无阴影地区各点水下水平地面上声波的散射/直射比值；

(6).输出：对应水下水平地面上声波散射/直射比；

(7).输出：对应水下水平地面上声纳遥感数字图像上阴影消除后的图像和阴影中像元遥感值恢复数值。

2.根据权利要求1所述的声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法其特征在于，所述的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的原理和方法如下：设水下山体和水体背景阴影中一像元P_kl，其遥感值DN_kl，水体程辐射遥感值D_Akl，像元点水平地面上的散射/直射比L_kl、声纳直射声波水平地形变换系数：F_kl、水体散射声波地形变换系数：G_kl为已知，则：阴影中声纳直射声波照度为0：DN_skl＝0；像元水下坡面水体散射声波遥感值：DN_dkl＝(DN_kl-D_Akl)，

像元水下水平地面水体散射声波遥感值：DN`_dkl＝DN_dkl/G_kl＝(DN_kl-D_Akl)/G_kl，

则：当像元P_kl不在阴影中时：

像元水平地面声纳直射声波遥感值：DN`<sub>skl</sub>＝DN`_dkl/L_kl＝(DN_kl-D_Akl)/L_klG_kl，

像元水下坡面声纳直射声波遥感值：

DN_skl＝DN`_skl；F_kl＝DN_dkl；F_kl/L_klG_kl＝(DN_kl-D_Akl)F_kl/L_klG_kl，

水下坡面像元遥感值：

DN_kl＝DN_dkl+DN_skll＝DN_dkl+DN_dklF_kl/L_klG_kl

    ＝DN_dkl(1+F_kl/L_klG_kl)＝(DN_kl-D_Akl)(1+F_kl/L_klG_kl)，

像元水平水下地面遥感值：

DN`<sub>k</sub>＝DN`_skl+DN`_dkl＝(DN_kl-D_Akl)/L_klG_kl+(DN_kl-D_Akl)/G_kl

                   ＝(1+L_kl)(DN_kl-D_Akl)/G_klL_kl，

公式中：F_kl＝1-tgα_kl·ctgθ_kl·cosω_kl，其中α_kl、θ_kl、ω_kl、分别为：像元P_kl的坡角、声纳高度角和该像元坡向、声纳入射方向之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的声纳遥感数字图像上阴影消除和阴影中像元遥感值恢复方法其特征在于，所述的步骤(2)中，阴影中任意像元点P_ij的归一化水体声波水下地形照射系数G_ij和声纳下像元点P1(P_ij)的归一化声纳直射声波水下地形照射系数F的计算步骤如下：

(1)像元P_ij归一化水体声波水下地形照射系数的计算：

(a)分别计算像元点P_ij在各个方向上的最大水下地形高度角为

β_k(k＝1，2，……n)；

n为方位间隔：n＝2π/Δt，Δt为方位角步长，为可整除360的数；

β_k为点P_ij在第k方向上的最大水下地形高度(屏蔽)角，

        β_k＝MAX(h_l，L＝1、2、3…ML)，

h_l为点p_ij在第k个方向上的第L个点的水下地形高度(屏蔽)角，

         h_l＝tg(Z_PL/S_PL)^-1，

Z_PL，S_PL分别为点P_ij与第k个方向上的第L个点的高差和水平距离；

(b)求和以计算该点的归一化水体声波水下地形屏蔽系数：

${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\&Delta;t}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sin {\mathrm{\&beta;}}_k/2{\mathrm{\&pi;}}_k,$

(b)计算像元点的归一化水体声波水下地形照射系数：

                 G_ij＝1-Ω_ij，

(2)声纳下像元点P1(P_ij)的归一化声纳直射声波水下地形照射系数的计算：

   F1＝F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij，ω_ij＝AL_ij-A_ij，

像元水下地面声纳高度角θ_ij、方位角AL_ij由声纳遥感图片注记给出，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数字地形图生成的数字地面模型DTM给出，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

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