CN104778469B - 一种太阳轮廓的自动提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于我国天文领域的太阳物理学科，提出了一种太阳轮廓的自动提取方法。针对国家天文台怀柔太阳观测基地的全日面单色像，本发明首先采用形态学闭运算和腐蚀运算获取日面边缘的灰度信息；其次利用自适应阈值法提取边缘坐标；最后结合最小二乘拟合法对其进行拟合，得到一个联通的日面边缘二值图。与国际其它算法相比，本发明可处理具有仪器噪声的较低质量太阳观测数据，填补了国内相关领域的空白。发明方法对于确定日面半径和日地距离、计算太阳活动在日面中的位置以及研究其演化规律等具有重要意义和实用价值。

Description

一种太阳轮廓的自动提取方法

技术领域

本发明属于太阳物理领域中的图像处理技术，特别是一种适用于太阳轮廓自动提取的方法。

背景技术

太阳是一颗典型的恒星，它与人类的生活和生产活动有着密不可分的联系，太阳的光和热温暖着地球，维持着人类生存以及地球上一切生命活动所必需的适当环境。我们所看到的四季变化、昼夜交替、风云雨雪、植物生长……无一不是太阳作用的结果(参考文献[1-3])。然而，剧烈的太阳活动也会对日地空间和地球高空大气产生扰动，引起一系列重要的现象，并影响到空间飞行安全、人造卫星寿命估计、无线电通讯、极区电力系统、地物探矿、气象和水文预报等国防和国民经济有关的重要部门，因此，探讨太阳活动的各种规律，并对它们进行预报，具有重要的应用价值(参考文献[4-7])。

准确提取太阳轮廓是研究太阳及其活动的基础，对于确定日面半径和日地距离、计算太阳活动在日面中的位置以及研究其演化规律等具有直接和重要的作用。早期人们基于手工方式在太阳图像上描绘其边缘轮廓，以此确定其半径和中心，并计算太阳活动的面积和位置。然而，随着新的大型地基和空基仪器设备不断投入使用，观测数据曾爆炸式增长，这种方式已经不能满足要求，针对此需求，本发明提出了一种自动的太阳轮廓提取方法，可用于计算日面的半径和中心，并为确定太阳活动的面积和位置提供了方法。

本发明基于怀柔太阳观测基地(HSOS)提供的全日面单色像实现太阳轮廓的自动提取。HSOS是中国科学院国家天文台天文观测与研究的重要基地之一，其装备的全日面望远镜，每日可获得记录有太阳黑子、普斑等太阳活动的全日面单色像，为研究和预报太阳活动、监测和预警空间环境等相关研究和应用提供了宝贵资料(参考网址[8])。

在国际上已提出了太阳轮廓的自动提取方法(参考文献[9])，然而，这种方法主要利用空间望远镜获取的数据进行处理，由于不受地球的大气干扰这种数据的分辨率较高，相比而言，我国HSOS的全日面单色像通过地基观测和采集，分辨率较为有限，目前的方法均不能很好应用；而在国内，这方面的研究尚未开展，还属于空白地带。本发明针对我国的太阳观测数据提出一种新的太阳轮廓提取方法，填补了国内空白，对质量较低的太阳观测数据特别适用。

主要参考文献附录

[1]周永宏；郑大伟.地球自转运动与大气、海洋活动.科学通报.2000.2588-2597.

[2]周树荣；徐群.太阳质子耀斑与降雨指数R间的关系.自然灾害学报.1992.92-100.

[3]廖德春；廖新浩.太阳活动影响地球自转长周期变化的新证据.科学通报.2001.13-16.

[4]林元章..太阳物理导论.2000.

[5]李栋梁.青藏高原地面加热场强度变化及其与太阳活动的关系.2006.975-982.

[6]孙长安；杨本有.太阳活动与长江中下游地区旱涝的规律.天文学报.1992.179-185

[7]杨本有[1]；凌兆芬[2].天文因素对自然灾害的影响.紫金山天文台台刊.1996.284-291

[8]http：//sun.bao.ac.cn/gene/site-ch.html

[9]D.Djafer·A.Irbah·M.Meftah.Identification of Sunspots on Full-Disk Solar Images Using Wavelet Analysis.Solar Phys.(2012)281：863-875

发明内容

本发明是针对怀柔全日面单色像提出的一种太阳轮廓自动提取方法，填补了国内在这方面的技术空白。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

(1)为了消除日面上的活动，得到一个干净的日面，对原始图像采用形态学的闭运算进行处理，其中设置闭运算的结构元素半径需大于日面活动的半径，闭运算的公式如(1)、(2)和(3)所示，其中A中设置闭运算的结构元素半径需大于日面活动的半径，闭运算的公式如(1)、(2)和(3)所示，其中A代表原始图像，B代表结构元素：

膨胀运算：

腐蚀运算：

闭运算：

(2)形态学的腐蚀运算具有使图像中目标物缩小的功能，为了将步骤1处理后所得图像的日面半径缩小，本发明对其进行腐蚀运算，操作如公式(2)所示；

(3)将步骤1和步骤2所得的图像相减，消除重叠的日面内部，则可得到日面边缘信息，此步骤得到反映其轮廓信息的灰度图；

(4)利用自适应阈值法对步骤3的灰度图进行分割，可得到一个二值图像，图中的白色区域则是日面的边缘，其中自适应阈值法计算阈值t的公式如下(4)、(5)、(6)、(7)、(8)：

灰度为i的像素出现的概率为：

其均值分别为：

图像的总体灰度均值为：

最佳阈值t为：

(5)由于上一步骤的二值图像提取的白色区域属于一些离散点，为了使得区域封闭联通，此步骤首先提取这些白色区域的坐标；再对这些坐标进行最小二乘圆拟合，拟合的圆即是一个连通的日面轮廓。

综上所述，本发明与现有技术相比优点在于：

1.本发明首先采用闭运算消除日面内部的各种信息，可免受仪器噪声的干扰，这是其它方法所难以处理的；

2.本发明采用的形态学和阈值方法，均简单易行，计算时间短，算法处理效率高；

3.本发明采用的方法不受曝光时间和图像亮度的影响，对图像较亮或较暗均能精确处理，可用于大批量的数据处理；

4.本发明算法精度和处理效率高，对数据的质量要求不高，可推广至其它空间和地基数据使用。

附图说明

图1为太阳原始图。

图2为对原始图进行闭运算的结果。

图3为将日面半径缩小的结果。

图4为日面上的梯度信息。

图5为对图4进行阈值分割后的结果。

图6为提取的日面轮廓。

图7为将提取日面轮廓叠加至原始图的效果。

具体实施方式

本发明的实施例结合附图说明如下：

本发明的太阳轮廓自动提取方法具体实施步骤如下所示：

1)对原始图1进行形态学闭运算，该操作中设置其结构元素为半径为30像素的圆，得到图2；

2)对图2进行腐蚀运算，其中设置该操作的结构元算为半径为1像素的圆，得到图3，其中图3的半径比图2要小1像素；

3)图2减去图3，得到图4；

4)利用自适应阈值法对图4进行分割，得到二值化图5；

5)提取图5中白色区域的坐标信息，将横坐标和纵坐标的值分别存放在数组X、Y中；

6)对X、Y采用最小二乘法进行圆拟合，得到日面的边缘轮廓，如图6；

7)将图6叠加至原始图1，得到图7，可以看到本发明精确的提取出了日面边缘。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种太阳轮廓的自动提取方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

(1)为了消除日面上的活动，得到一个干净的日面，对原始图像采用形态学的闭运算进行处理，其中设置闭运算的结构元素半径需大于日面活动的半径，闭运算的公式如(1)、(2)和(3)所示，其中A代表原始图像，B代表结构元素；

膨胀运算：

腐蚀运算：

闭运算：

(2)形态学的腐蚀运算具有使图像中目标物缩小的功能，为了将步骤(1)处理后所得图像的日面半径缩小，本方法对其进行腐蚀运算，操作如公式(2)所示；

(3)将步骤(1)和步骤(2)所得的图像相减，消除重叠的日面内部，则可得到日面边缘信息，此步骤得到反映其轮廓信息的灰度图；

(4)利用自适应阈值法对步骤(3)的灰度图进行分割，可得到一个二值图像，二值图像中的白色区域则是日面的边缘，其中自适应阈值法计算阈值t的公式如下(4)、(5)、(6)、(7)、(8)：

灰度为i的像素出现的概率为：

其均值分别为：

图像的总体灰度均值为：

最佳阈值t为：

(5)由于上一步骤的二值图像提取的白色区域属于一些离散点，为了使得区域封闭联通，此步骤首先提取这些白色区域的坐标；再对这些坐标进行最小二乘圆拟合，拟合的圆即是一个连通的日面轮廓。

Images