CN113589283B - 一种基于星载干涉成像高度计的船只kelvin尾迹高程的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，所述方法包括：步骤1)基于星载干涉成像高度计两通道相干系数图像，利用Radon变换与数学形态学处理，获得尾迹掩模图像；步骤2)通过对配准后的两个通道复图像进行干涉处理，反演得到海面和尾迹的高程图像；步骤3)对海面和尾迹的高程图像进行二维滤波去噪并去均值，获得海面和尾迹三维高程偏离值，并与尾迹掩模图像相乘，获得尾迹初始高程图像；步骤4)对尾迹初始高程图像进行二维频域处理，提取出船只Kelvin尾迹高程图像。本发明方法克服了现有船只尾迹监测技术中无法获得Kelvin尾迹高度变化的缺陷，提出了一种基于小入射角、短基线星载干涉成像高度计提取船只Kelvin尾迹高程的新途径。

Description

一种基于星载干涉成像高度计的船只kelvin尾迹高程的提取 方法

技术领域

本发明涉及遥感图像处理技术与干涉信息提取技术领域，特别是针对小入射角、短基线星载干涉成像高度计，可实现该类高度计数据产品的船只开尔文尾迹高程提取，具体涉及一种基于星载干涉成像高度计的船只kelvin尾迹高程的提取方法。

背景技术

海上运动船只的监测是海洋遥感的重要应用之一，对海上经济和军事活动具有十分重要的意义。运动船只在水面留下的痕迹被称为尾迹，由于尾迹相比于船只具有更大的时间和空间尺度，而且可根据尾迹得到船只位置，同时还可依据尾迹形态反演船只航向航速等信息，因此，船只尾迹特征提取可以作为船只目标监测和识别的方法之一。开尔文(Kelvin)尾迹是一种由船体对水面扰动直接产生的表面波尾迹，尾迹表面起伏最大的区域位于船迹两侧，两侧尾迹夹角约为39°。

目前船只尾迹的探测主要以合成孔径雷达(SAR)和光学传感器为主。由于光学传感器容易受到云层和无光照等条件的影响，而SAR可以实现全天时、全天候的观测，因此，利用SAR图像进行海洋船只或船只尾迹检测成为SAR应用研究领域之一。但是利用SAR图像仅能获取尾迹的二维表面特征，无法探测到尾迹的海面高度变化。Kelvin尾迹作为一种三维水体变化，其引起的海表面高度变化对于尾迹的探测研究很重要。

通常干涉合成孔径雷达(InSAR)入射角一般在20°～60°，在此入射角下，海面回波信噪比极低，很难实现厘米级精度的海面高程测量，由中国科学院国家空间科学中心研制的干涉成像高度计(InIRA)采用小角度干涉测量技术、孔径合成技术以及海陆兼容的高度跟踪技术实现宽刈幅海面高度测量的雷达高度计，于2016年9月15日随天宫二号空间实验室发射升空。InIRA是一种新型高度计，因采用小入射角(1°～8°)和短基线(B/H≈5e-6～1e-5，B为基线长度，H为轨道高度)干涉模式，海面回波信噪比极大增加，不仅可以获取海面二维图像，同时利用两个天线复图像间的干涉相位变化，能够获取高精度海表面高度变化，为船只Kelvin尾迹高程提取提供了潜在优势。

基于单通道幅度图像的传统的二维尾迹检测算法主要是利用尾迹的直线特性，根据二维幅度图像沿不同直线的投影来探测尾迹，即Radon变换或Hough变换。但是传统的二维尾迹检测算法仅能获取尾迹的二维表面特征，由于Kelvin尾迹是一种三维水体变化，所以无法探测到船只Kelvin尾迹的高程。干涉成像高度计采用了小入射角和短基线干涉模式，可以形成三维图像，从而获取高精度的海表面高度变化，为船只Kelvin尾迹高程提取提供了潜在优势。但是目前并没有基于干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程提取方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有船只尾迹监测技术中无法获得Kelvin尾迹海面高度变化的缺陷，基于小入射角、短基线的星载干涉成像高度计可以获得高精度海面高程的特点，从而提出了一种基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法。并且星载干涉成像高度计利用其自身特点可以对两通道相干系数图像进行二维尾迹检测来获取尾迹掩模图像，由于相关系数图像融合了两通道复图像的信息，比直接用单通道幅度图像检测效果更好。本发明还采用了二维频域处理方法，有利于减弱海面风浪对探测船只Kelvin尾迹高程的影响，提高了船只Kelvin尾迹高程的提取精度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，所述方法包括：

步骤1)基于星载干涉成像高度计两通道相干系数图像，利用Radon变换与数学形态学处理，获得尾迹掩模图像；

步骤2)通过对配准后的所述通道1复图像和通道2道复图像进行干涉处理，获得海面和尾迹的高程图像；

步骤3)通过对所述海面和尾迹的高程图像进行二维滤波去噪，并对所述海面和尾迹的高程图像去均值，以减弱海面大尺度海浪对高程的影响，获得海面和尾迹三维高程的偏离值图像；所述海面和尾迹三维高程的偏离值图像与步骤1)中尾迹掩模图像相乘，获得尾迹初始高程图像；

步骤4)通过对尾迹初始高程图像进行二维频域处理，提取出船只Kelvin尾迹高程图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)对两通道复图像进行配准；

步骤1-2)通过计算配准后两通道复图像的相干系数，得到相干系数图像；

步骤1-3)对两通道的所述相干系数图像进行图像增强；

步骤1-4)对增强后的相干系数图像进行二值化处理，获得二值图像；

步骤1-5)通过所述二值图像进行Radon变换与数学形态学处理，提取二值图像中的线性特征，并获得尾迹初始掩模图像；具体包括：根据Radon空间的均值和最大值，确定阈值门限，然后对经过门限检测的Radon空间进行逆Radon变换；

其中Radon变换是把二维图像XY坐标平面上的一条线映射成Radon空间的一个点，连续图像的Radon空间的一个点，连续图像的Radon变换定义为：

其中，R为Radon空间的值，D为坐标x-y为整个图像平面，f(x,y)为在坐标(x,y)处像素的灰度值，δ是冲激函数，ρ指从原点到所探测直线的法线距离，θ为直线的法线与x轴的夹角。

步骤1-6)通过对所述尾迹初始掩模二值图像进行数学形态学运算中的膨胀和腐蚀运算，以填补缺口和消除小于计算结构元素的处理；

形态学的基本操作是膨胀和腐蚀，定义如下：

膨胀：

腐蚀：

式中，为膨胀符号，/>为腐蚀符号，B是输入图像矩阵，S是给定的结构元素，D、E分别为结构元素在图像窗口上滑动，在(x,y)处相互作用得到的二值图像，结构元素有多种形状，如线型、方形、圆盘型等，具体选哪种结构元素要结合实际情况。作为上述方法的一种改进，所述的步骤1-2)中所述配准后两通道复图像的相干系数的算法为：

其中，I₁和I₂为配准后两通道复图像，ρ为相干系数，上标*为I的共轭复数，E()是集平均运算符，表示在像素的邻域进行均值计算。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)通过对配准后的两通道复图像进行干涉，获得两通道干涉相位；

步骤2-2)对两通道干涉相位进行去地平、相位解缠和基线参数估计处理，反演得到相位差到海面和尾迹的高程图像的转换。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)中二维滑窗均值滤波的算法为：

其中，M*N为滑窗的窗口大小，I(i,j)为滑窗平均滤波前的海面和尾迹高程图像(i,j)处的高程，为滑窗平均滤波后的高程图像(x,y)处的高程。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)通过对尾迹初始高程图像进行维纳滤波去噪；

步骤4-2)通过对维纳滤波后的尾迹高程图像进行二维傅立叶变换，获得尾迹高程二维频域图像，把图像从空间域变换到空间频域；

步骤4-3)根据尾迹高程二维频域图像的归一化幅度，确定低频部分阈值门限，从尾迹高程二维频域中提取出低频图像；

步骤4-4)对尾迹高程二维低频图像进行二维逆傅立叶变换，提取出船只Kelvin尾迹高程图像。

本发明所提出的一种基于星载干涉成像高度计的船只kelvin尾迹高程的提取方法，其优势在于：

1、基于干涉成像高度计和本发明所述方法，实现了对船只Kelvin尾迹高程的提取。

2、本发明采用基于干涉成像高度计的两通道相干系数图像来提取船只Kelvin尾迹掩模，与基于单通道幅度图像的传统二维尾迹检测方法相比，由于相关系数图像融合了两通道复图像的信息，便于有效获取Kelvin尾迹掩模图像。

3、本发明采用二维频域处理方法，有利于减弱海面风浪对船只Kelvin尾迹高程的影响，提高了船只Kelvin尾迹高程的提取精度。

附图说明

图1为本发明的基于星载干涉成像高度计的船只开尔文尾迹高程提取方法的流程图；

图2为研究区域海面和尾迹幅度图；

图3为研究区域海面和尾迹两通道相干系数图；

图4为基于研究区域两通道相干系数图像提取的尾迹掩模图像；

图5为研究区域的海面和尾迹的高程图；

图6为研究区域的海面和尾迹三维高程的偏离值图像；

图7为研究区域的尾迹初始高程图像；

图8为研究区域的尾迹高度观测值提取结果图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明提出一种基于小入射角、短基线星载干涉成像高度计观测数据的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，流程图请见图1。本实施例的数据是天宫二号干涉成像高度计于2016年9月23日获取的首批实验数据，位于印尼爪哇海，下面结合研究区域数据对实施步骤进行进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程提取方法，该方法具体包括：

步骤1)：基于天宫二号干涉成像高度计的两通道相干系数图像提取尾迹掩模

步骤1-1)：研究区域的干涉成像高度计通道1的幅度图像请见图2，对两通道复图像进行图像配准，便于后续的两通道复图像进行干涉相位的提取；

步骤1-2)：利用配准后的两通道复图像计算相干系数ρ，获得的相干系数图像请见图3，可见由于船只Kelvin尾迹的影响使该部分海面粗糙度增大，尾迹部分的相干系数高于海面；

步骤1-3)：对相干系数图像进行图像增强，

步骤1-4)：对增强后的相干系数图像进行图像二值化处理，获得二值图像；

步骤1-5)：对该二值图像进行Radon变换，根据Radon空间的均值和最大值，确定阈值门限以减小海面背景噪声分量，然后对经过门限检测的Radon空间进行逆Radon变换，以提取二值图像中的线性特征，获得尾迹初始掩模图像；

步骤1-6)：对该尾迹初始掩模二值图像，先进行膨胀运算，后进行腐蚀运算，采用的结构元素是大小为3*3的圆盘结构，获得的尾迹掩模图像请见图4。

步骤2)：基于天宫二号干涉成像高度计研究区域的海面和尾迹高程图像形成

步骤2-1)：对配准后的两通道复图像进行干涉，获得两通道干涉相位；

步骤2-2)：对两通道干涉相位进行去地平、相位解缠和基线参数估计等一系列处理，实现了相位差到高程的转换，海面和尾迹高程图像的反演结果请见图5。

步骤3)：基于研究区域的Kelvin尾迹初始高程图像的提取：对研究区域海面和尾迹的高程图像进行二维滑窗滤波去噪，并对高程图像去均值，减弱海面大尺度海浪对高程的影响，获得海面和尾迹三维高程的偏离值图像，请见图6；将上面获得的尾迹掩模图像与海面和尾迹三维高程的偏离值图像相乘，获得研究区域的尾迹初始高程图像，请见图7。

步骤4)：基于研究区域的Kelvin尾迹高程图像的提取

步骤4-1)：对研究区域尾迹初始高程图像进行维纳滤波去噪；

步骤4-2)：对维纳滤波后的尾迹高程图像进行二维傅立叶变换，把图像从空间域变换到空间频域；

步骤4-3)：根据尾迹高程二维频域图像的归一化幅度，确定低频部分阈值门限，本实施例中取频域图像低频部分的3dB宽度，这样从尾迹高程的二维频域中提取出低频图像；

步骤4-4)：对尾迹高程二维低频图像进行二维逆傅立叶变换，提取出船只Kelvin尾迹高程图像，请见图8。

本实施例的结果如下：该研究区域船只Kelvin尾迹高程提取图像的初步结果符合Kelvin尾迹的波高分布特征，与Kelvin尾迹表面起伏最大的区域位于尾迹的V型交叉区域，尾迹波高随距离变化逐渐衰减的趋势基本一致，该实施例结果表明了本发明提取方法的有效性。

综上所述，本发明能够有效地提取小入射角、短基线星载干涉成像高度计观测数据的Kelvin尾迹高程。由于该类高度计采用了小入射角和短基线干涉模式，不仅能获取尾迹的二维表面特征，而且可以探测到尾迹的海面高度变化。基于尾迹比海面有更高的相干系数，以此为基础，利用两通道相干系数图像提取了尾迹掩模，并通过基于二维频域的后续处理步骤，实现了天宫二号干涉成像高度计观测数据研究区域的Kelvin尾迹高程的提取。表明了天宫二号干涉成像高度计不仅可以获取海面二维图像，同时利用两个天线复图像间的干涉相位变化，能够获取高精度海表面高度变化的能力。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，所述方法包括：

步骤1)基于星载干涉成像高度计两通道相干系数图像，利用Radon变换与数学形态学处理，获得尾迹掩模图像；

步骤2)通过对配准后的通道1复图像和通道2道复图像进行干涉处理，获得海面和尾迹的高程图像；

步骤3)通过对所述海面和尾迹的高程图像进行二维滤波去噪，并对所述海面和尾迹的高程图像去均值，以减弱海面大尺度海浪对尾迹高程的影响，获得海面和尾迹三维高程的偏离值图像；所述海面和尾迹三维高程的偏离值图像与步骤1)中尾迹掩模图像相乘，获得尾迹初始高程图像；

步骤4)通过对尾迹初始高程图像进行二维频域处理，提取出船只Kelvin尾迹高程图像；

所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)通过对所述尾迹初始高程图像进行维纳滤波去噪；

步骤4-2)通过对维纳滤波后的尾迹高程图像进行二维傅立叶变换，获得尾迹高程二维频域图像，将图像从空间域变换到空间频域；

步骤4-3)基于尾迹高程二维频域图像的归一化幅度，确定低频部分阈值门限，并从所述尾迹高程二维频域图像中提取出低频图像；

步骤4-4)通过对所述低频图像进行二维逆傅立叶变换，获得船只Kelvin尾迹三维高程图像。

2.根据权利要求1所述的基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)对两通道复图像进行像素级配准；

步骤1-2)通过计算配准后两通道复图像的相干系数得到相干系数图像；

步骤1-3)对两通道的所述相干系数图像进行图像增强；

步骤1-4)对增强后的相干系数图像进行二值化处理，获得二值图像；

步骤1-5)通过对所述二值图像进行Radon变换与数学形态学处理，提取二值图像中的线性特征，并获得尾迹初始掩模二值图像；具体包括，基于Radon空间的均值和最大值，确定阈值门限，然后对经过门限检测的Radon空间进行逆Radon变换；

步骤1-6)通过对所述尾迹初始掩模二值图像先进行数学形态学运算中的膨胀，后进行数学形态学运算中的腐蚀运算，以填补缺口和消除小于计算结构元素的处理，获得尾迹掩模图像。

3.根据权利要求2所述的步骤1-2)，其特征在于，所述配准后两通道复图像的相干系数的算法为：

其中，I₁和I₂为配准后两通道复图像，ρ为相干系数，上标*为I的共轭复数，E()是集平均运算符，表示在像素的邻域进行均值计算。

4.根据权利要求1所述的基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)通过对配准后的两通道复图像进行干涉，获得两通道干涉相位；

步骤2-2)对两通道干涉相位进行去地平、相位解缠和基线参数估计处理，将相位差反演得到海面和尾迹的高程图像。

5.根据权利要求1所述的基于星载干涉成像高度计的船只Kelvin尾迹高程的提取方法，其特征在于，所述步骤3)中二维滑窗均值滤波的算法为：

其中，M*N为滑窗的窗口大小，I(i,j)为滑窗平均滤波前的海面和尾迹高程图像(i,j)处的高程，(i,j)为滑窗平均前滑窗内的点；为滑窗平均滤波后的高程图像(x,y)处的高程，(x,y)是滑窗平均后的每个滑窗的中心点。