CN111611544B - 一种机载大视场面阵摆扫热像仪温排水监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载大视场面阵摆扫热像仪温排水监测方法，本发明首先将航空采集面阵摆扫热像仪数据进行对地成像数据和黑体数据的分离，完成数据辐射校正、图像叠加和面阵图像拼接，基于同步测量数据实现水体温度反演，最后对反演结果进行图像腐蚀和边缘检测，生成等温线矢量结果。本发明可以实现机载大视场面阵摆扫热像仪获取温排水监测数据的快速处理与水温分析，满足业务化监测需求。

Description

一种机载大视场面阵摆扫热像仪温排水监测方法
技术领域
本发明属于遥感环境监测领域，特别涉及一种机载大视场面阵摆扫热像仪温排水监测方法。
背景技术
中国的核电厂(包括规划中的)几乎覆盖了所有的沿海省份。海岸带是地球表面最为活跃的自然区域，也是资源与环境条件最为优越的区域，是海岸动力与沿岸陆地相互作用、具有海陆过渡特点的独立环境体系，与人类的生存与发展的关系最为密切。核电站的温排水可以造成局部水域水体温度的急剧升高，增加其化学反应速率，降低水生生物的繁殖率，降低水中溶解氧，造成水的密度和粘度下降，并能加速颗粒物的沉降作用，改变自然水体的水质和生物量。加强核电站温排水热污染的监测是保障滨海海域环境和生态系统保持正常运行的重要措施。
目前用于温排水监测使用的航天遥感数据受限于空间和时间分辨率难以满足动态监测需求；专利200910050312.2使用的单元扫描型机载多光谱已经较为落后，其所提方法也仅适用于单元扫描型设备，不具有通用性；专利 201510607456.9提供了一种使用国外MODTRAN软件进行水温反演和温升区域提取的方法，未涉及具体设备。为实现核电站温排水的业务监测需求，迫切需要一种高效实用的设备和数据处理方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种机载大视场面阵摆扫热像仪对温排水进行快速、大面积、高频监测的方法。
本发明包括以下步骤：
(1)将航空采集面阵摆扫热像仪数据进行对地成像数据和黑体数据的分离，提取黑体数据的图像数据和温度，利用普朗克黑体公式，输入仪器的中心波长将黑体的亮温转成辐射亮度，利用最小二乘二次曲线拟合，获取辐射校正系数，完成原始数据的辐射校正；
(2)将相同摆扫成像角度的成像数据进行多帧叠加处理；
(3)利用热像仪内外方位元素完成单幅图像的几何校正，基于地理位置进行摆扫方向的图像拼接，再此基础上完成飞行方向的图像拼接，得到单航带拼接图，最后将整个测区的航带图像进行拼接，完成全测区图像的拼接；
(4)利用时间和位置信息将水面同步采集的温度数据和图像像元进行关联，在关联的图像像元周围取3×3窗口获取平均辐亮度值，该值与水面温度值建立回归模型，反演生成全区的温度图像；
(5)将温度反演图像进行取整操作，然后进行图像腐蚀和边缘检测，将检测的边缘进行矢量化，生成温排水监测等温线矢量数据。
通过以上方法，可以实现新型面阵摆扫热像仪获取监测海域数据的快速处理与水温分析，满足业务化监测需求。
附图说明
图1：机载大视场面阵摆扫热像仪温排水监测方法处理流程。
图2：面阵摆扫热像仪成像方式。
图3：温排水等温线结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
(1)航空面阵摆扫热像仪每个摆扫方向进行1次黑体数据成像和7个角度的对地成像，每个角度连续曝光采集5组数据，在飞机向前飞行过程中完成监测区域的数据采集，采集示意如图2所示。
(2)首先将采集的对地成像数据和黑体数据的分离，黑体辐亮度计算采用如下公式：
其中，波长λ＝10.5μm，温度为T黑体的辐射亮度为B，T从黑体数据包中提取，e为自然常数，c1＝1.191×108W/(m2·sr·μm4)，c2＝1.439×104μm·K。
通过该公式计算所有机上定标黑体的辐射亮度，将黑体图像数据的DN值作为自变量，黑体的辐射亮度作为目标变量，利用最小二乘拟合计算生成辐射定标系数，利用该系数进行对地成像数据的辐射校正，完成对地成像数据DN 值到辐射亮度的转换。
(3)由于每个角度连续曝光采集5组数据，将5组数据进行均值叠加处理，提高图像的信噪比。
(4)在飞行图像采集同时，POS系统获取的成像瞬间的位置和姿态信息，热像仪飞行前完成了实验室的内方位元素标定，以此基于共线方程，完成所有角度单幅图像的几何校正，校正后每张图像具有地理坐标，基于地理位置信息将摆扫方向7个角度图像完成拼接，生成飞行方向N个摆扫行图像，再此基础上完成N行数据的图像拼接，得到单航带拼接图，最后将整个测区的航带图像进行拼接，完成测区图像的拼接。
(5)在航空数据采集同时进行了水面温度数据的采样，将水面采样和航空图像利用位置信息进行叠加，判断采样点时间和图像时间误差是否在30分钟内，如果在时间误差范围内，取该点周围3×3窗口的9个像元进行均值处理，获取该点对应的图像辐射亮度，以此建立图像辐亮度和水面温度的拟合模型，完成图像辐亮度到温度的转换，生成温度反演图像。
(6)温度反演结果图像为浮点型数据，对每个温度点数值加0.5℃，然后进行向下取整数操作，处理后所有图像数值均为整数，对于反演图还存在零星的散点，需要进行图像腐蚀操作，删除孤立的点，在此基础上进行边缘检测，最后检测的边缘进行矢量化，生成温排水监测等温线矢量数据，结果如图3。

Claims (1)

1.一种机载大视场面阵摆扫热像仪温排水监测方法，特征在于包括以下步骤：
(1)将航空采集面阵摆扫热像仪数据进行对地成像数据和黑体数据的分离，提取黑体数据的图像数据和温度，利用普朗克黑体公式，输入仪器的中心波长将黑体的亮温转成辐射亮度，利用最小二乘二次曲线拟合，获取辐射校正系数，完成原始数据的辐射校正；
(2)将相同摆扫成像角度的对地成像数据进行多帧叠加处理；
(3)利用热像仪内外方位元素完成单幅图像的几何校正，基于地理位置进行摆扫方向的图像拼接，再此基础上完成飞行方向的图像拼接，得到单航带拼接图，最后将整个测区的航带图像进行拼接，完成整测区图像的拼接；
(4)利用时间和位置信息将水面同步采集的温度数据和图像像元进行关联，在关联的图像像元周围取3×3窗口获取平均辐亮度值，该值与水面温度值建立回归模型，反演生成全区的温度图像；
(5)将温度反演图像进行取整操作，然后进行图像腐蚀和边缘检测，将检测的边缘进行矢量化，生成温排水监测等温线矢量数据。
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