CN114234934B - 一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法及系统 - Google Patents

一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法及系统，其中方法包括将非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，根据经纬度信息对各像元点的对应的微光观测数据进行几何校正后，将校正结果转换为新局部图像；通过比对数字化新局部图像并与局部图像各像元点，获得剩余局部图像；根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像计算海洋内波的水平波长和传播方向；其中系统适应上述方法。本发明能够实现通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的微光观测数据样本，获得海洋内波的水平波长和传播方向。

Description

一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法 及系统
技术领域
本发明涉及一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法及系统，属于遥感技术领域。
背景技术
星载微光成像仪能够探测到夜间地球大气和地表环境的辐亮度信息，具有强大的环境探测能力，近年来基于微光成像仪观测数据的遥感应用技术快速发展。
在常规遥感应用之外，近年来发现利用美国VIIRS/DNB载荷的微光观测数据还能够实现夜间海洋内波监测。非专利文献：Miller S D,Straka W,Mills S P,etal.Illuminating the capabilities of the suomi national polar-orbitingpartnership(NPP)visible infrared imaging radiometer suite(VIIRS)day/nightband[J].Remote Sensing,2013,5(12):6717-6766(阐述Suomi-NPP卫星VIIRS/DNB通道的能力)中首次阐述了VIIRS/DNB能够观测到夜间海洋内波引起的海表条纹特征。非专利文献：Hu S,Ma S,Yan W,et al.Measuring internal solitary wave parameters based onVIIRS/DNB data[J].International Journal of Remote Sensing,2019,40(20):7805-781(基于VIIRS/DNB数据测量内孤立波参数)中针对空间分辨率均匀的VIIRS/DNB微光成像仪，将微光观测数据输入到二维S变换模型中，得到海洋内波的特征参数。
但是，二维S变换模型需要空间分辨率作为输入参数。目前已经在轨运行的星载微光成像仪中，除了美国的VIIRS/DNB具有跨轨方向均匀的742米空间分辨率之外，其他的微光成像仪都无法实现空间分辨率的均匀分布，在微光图像跨轨方向的边缘处会发生明显的图像畸变，边缘处的空间分辨率远远低于星下点的空间分辨率。目前，针对绝大多数非均匀空间分辨率的星载微光成像仪，目前无法利用二维S变换模型获取观测到的海洋内波参数。
因此，本申请提出来一种针对非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法及系统，能够通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的微光观测数据样本，获取海洋内波的水平波长和传播方向。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本发明提供一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法，包括以下步骤：
通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取微光观测数据样本，微光观测数据样本包括多个像元点的微光观测数据，微光观测数据包括经度值、纬度值和辐亮度值；
将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据；
根据经度值和纬度值对局部图像对应的各像元点的微光观测数据进行几何校正，并对校正结果进行灰度成像，获得新局部图像；
读取并数字化新局部图像，将数字化的新局部图像与局部图像各像元点微光观测数据比对，并去除数字化的新局部图像中超出局部图像各像元点微光观测数据的部分，获得剩余局部图像；
根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向。
进一步地，所述将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据包括：
逐一将获取的微光观测数据样本的各像元点进行0-255灰度值的灰度成像，获得灰度图像；
分析灰度图像的图像纹理特征，提取灰度图像中月亮耀斑区内具有海洋内波明暗相间条纹特征的局部图像。
进一步地，所述新局部图像包括横轴和纵轴，横轴表示像元点的经度值，纵轴表示像元点的纬度值。
进一步地，所述根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向包括：
根据剩余局部图像计算每个纬度跨越的像元点个数，并根据纬度每相差1°，距离相差111km来计算每个像元点占据的空间长度，获得对应的空间分辨率；
将空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值输入二维S变换模型，通过二维S变换模型的二维S变换解析模块计算海洋内波的水平波长和传播方向参数。
进一步地，所述二维S变换解析模块包括(1)式，具体如下：
其中，S(τx,τy,kx,ky)为四维谱，h(x,y)为二维图像，τx为x轴方向的转换变量，τy为y轴方向的转换变量，kx为x轴方向的空间角波数，ky为y轴方向的空间角波数，c为伸缩参数。
进一步地，所述水平波长包括(2)式，具体如下：
λH(τx,τy)＝(kx(τx,τy))2+(ky(τx,τy))2 (2)
其中，λH(τx,τy)为水平波长。
进一步地，所述传播方向包括(3)式，具体如下：
其中，θ(τx,τy)为传播方向。
另一方面，本发明提供一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测系统，包括以下模块：
获取模块，用于通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取微光观测数据样本，微光观测数据样本包括多个像元点的微光观测数据，微光观测数据包括经度值、纬度值和辐亮度值；
局部图像模块，用于将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据；
新局部图像模块，用于根据经度值和纬度值对局部图像对应的各像元点的微光观测数据进行几何校正，并对校正结果进行灰度成像，获得新局部图像；
剩余局部图像模块，用于读取并数字化新局部图像，将数字化的新局部图像与局部图像各像元点微光观测数据比对，并去除数字化的新局部图像中超出局部图像各像元点微光观测数据的部分，获得剩余局部图像；
海洋内波参数计算模块，用于根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明通过灰度成像非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的微光观测数据样本，便于寻找包含海洋内波条纹特征的局部图像，从而降低了提取包含海洋内波条纹特征的各像元点的难度；接着通过校正、剔除、数字化处理以及再次灰度成像，获得二维S变换模型需要输入的输入参数即均匀的空间分辨率和输入数据即剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值，从而实现根据非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的微光观测数据样本计算海洋内波的水平波长和传播方向。
附图说明
图1所示为本发明非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法的一种实施例流程图；
图2所示为本发明非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法的一种实施例的灰度图像；
图3所示为本发明非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法的一种实施例的局部图像；
图4所示为本发明非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法的一种实施例的新局部图像；
图5所示为本发明非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法的一种实施例的剩余局部图像；
图6所示为本发明非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法的一种实施例的海洋内波水平波长和传播方向的分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法，参考图1，包括以下步骤：
通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取微光观测数据样本，微光观测数据样本包括多个像元点的微光观测数据，微光观测数据包括经度值、纬度值和辐亮度值；
将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据；
根据经度值和纬度值对局部图像对应的各像元点的微光观测数据进行几何校正，并对校正结果进行灰度成像，获得新局部图像；
读取并数字化新局部图像，将数字化的新局部图像与局部图像各像元点微光观测数据比对，并去除数字化的新局部图像中超出局部图像各像元点微光观测数据的部分，获得剩余局部图像，参考图5；
根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向。
本发明通过灰度成像非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的微光观测数据样本，以便寻找包含海洋内波条纹特征的局部图像，从而便利地提取出包含海洋内波条纹特征的各像元点集合；接着通过校正、剔除、数字化处理以及再次灰度成像，获得二维S变换模型需要输入的输入参数即空间分辨率和输入数据即剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值，从而计算出海洋内波的水平波长和传播方向，弥补了目前无法通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取的数据计算海洋内波参数的缺陷。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例详细介绍了提取局部图像对应的各像元点微光观测数据方法、新局部图像、计算海洋内波的水平波长和传播方向方法。
(一)提取局部图像对应的各像元点微光观测数据方法
将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据包括：
S11逐一将获取的微光观测数据样本的各像元点进行0-255灰度值的灰度成像，获得灰度图像；
S12分析灰度图像的图像纹理特征，提取灰度图像中月亮耀斑区内具有海洋内波明暗相间条纹特征的局部图像；
S13从获取的微光观测数据样本中提取局部图像各像元点对应的微光观测数据。
(二)新局部图像
新局部图像为JPG格式图片，JPG格式图片包括横轴和纵轴，横轴表示像元点的经度值，纵轴表示像元点的纬度值。
(三)计算海洋内波的水平波长和传播方向
根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向参数包括以下步骤：
S21根据剩余局部图像计算每个纬度跨越的像元点个数，并根据纬度每相差1°，距离相差111km来计算每个像元点占据的空间长度，获得对应的空间分辨率；
S22将空间分辨率和余局部图像对应的各像元点辐亮度值输入二维S变换模型，通过二维S变换模型的二维S变换解析模块计算海洋内波的水平波长和传播方向参数。
S22中，二维S变换解析模块包括(1)式，具体如下：
其中，S(τx,τy,kx,ky)为四维谱，h(x,y)为二维图像，τx为x轴方向的转换变量，τy为y轴方向的转换变量，kx为x轴方向的空间角波数，ky为y轴方向的空间角波数，c为伸缩参数。
S22中，计算水平波长包括：
二维图像h(x,y)上的任一点，在四维谱S(τx,τy,kx,ky)上均有对应的二维复数谱系数κ(kx,ky)，二维复数谱系数κ(kx,ky)表示水平波数和垂直波数分别为kx和ky时波动的绝对振幅；
ξ(τx,τy)为二维复数的谱峰系数，是二维图像h(x,y)上的任一点对应的二维复数谱系数最大绝对值，表示该点海洋内波的特征；
根据二维复数的谱峰系数两个方向上的波数信息，海洋内波的水平波长包括(2)式，具体如下：
λH(τx,τy)＝(kx(τx,τy))2+(ky(τx,τy))2 (2)
其中，λH(τx,τy)为水平波长。
S22中，海洋内波的传播方用从x轴方向向逆时针转过的度数表示，传播方向包括(3)式，具体如下：
其中，θ(τx,τy)为传播方向。
应用中，参考图3，灰度图像的图像纹理特征，提取灰度图像中月亮耀斑区内海洋内波明暗相间条纹特征的局部图像包括250×100个像元点，此时空间分辨率不均匀；参考图5，剩余局部图像包括500×850个像元点，此时空间分辨率基本均匀；参考图6，图中左侧的海洋内波水平波长的平均值约为8.1km，传播方向的平均值为-51°，即北偏西51°；图中下侧的海洋内波水平波长平均值为7.7km，以传播方向平均值为-56°，即北偏西56°。
实施例3
本实施例提供一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测系统，包括以下模块：
获取模块，用于通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取微光观测数据样本，微光观测数据样本包括多个像元点的微光观测数据，微光观测数据包括经度值、纬度值和辐亮度值；
局部图像模块，用于将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据；
新局部图像模块，用于根据经度值和纬度值对局部图像对应的各像元点的微光观测数据进行几何校正，并对校正结果进行灰度成像，获得新局部图像；
剩余局部图像模块，用于读取并数字化新局部图像，将数字化的新局部图像与局部图像各像元点微光观测数据比对，并去除数字化的新局部图像中超出局部图像各像元点微光观测数据的部分，获得剩余局部图像；
海洋内波参数计算模块，用于根据剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向。
上述各功能模块的具体功能实现参照实施例2方法中的相关内容。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法，其特征是，包括以下步骤：
通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取微光观测数据样本，微光观测数据样本包括多个像元点的微光观测数据，微光观测数据包括经度值、纬度值和辐亮度值；
将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据；
根据经度值和纬度值对局部图像对应的各像元点的微光观测数据进行几何校正，并对校正结果进行灰度成像，获得新局部图像；
读取并数字化新局部图像，将数字化的新局部图像与局部图像各像元点微光观测数据比对，并去除数字化的新局部图像中超出局部图像各像元点微光观测数据的部分，获得剩余局部图像；
根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向；
所述二维S变换模型的二维S变换解析模块包括(1)式，具体如下：
其中，S(τx,τy,kx,ky)为四维谱，h(x,y)为二维图像，τx为x轴方向的转换变量，τy为y轴方向的转换变量，kx为x轴方向的空间角波数，ky为y轴方向的空间角波数，c为伸缩参数；
所述水平波长包括(2)式，具体如下：
λH(τx,τy)＝(kx(τx,τy))2+(ky(τx,τy))2 (2)
其中，λH(τx,τy)为水平波长；
所述传播方向包括(3)式，具体如下：
其中，θ(τx,τy)为传播方向。
2.根据权利要求1所述的非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法，其特征是，所述将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据包括：
逐一将获取的微光观测数据样本的各像元点进行0-255灰度值的灰度成像，获得灰度图像；
分析灰度图像的图像纹理特征，提取灰度图像中月亮耀斑区内具有海洋内波明暗相间条纹特征的局部图像。
3.根据权利要求2所述的非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法，其特征是，所述新局部图像包括横轴和纵轴，横轴表示像元点的经度值，纵轴表示像元点的纬度值。
4.根据权利要求2所述的非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测方法，其特征是，所述根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向包括：
根据剩余局部图像计算每个纬度跨越的像元点个数，并根据纬度每相差1°，距离相差111km来计算每个像元点占据的空间长度，获得对应的空间分辨率；
将空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值输入二维S变换模型，通过二维S变换模型的二维S变换解析模块计算海洋内波的水平波长和传播方向参数。
5.一种非均匀空间分辨率星载微光成像仪的海洋内波监测系统，其特征是，包括以下模块：
获取模块，用于通过非均匀空间分辨率星载微光成像仪获取微光观测数据样本，微光观测数据样本包括多个像元点的微光观测数据，微光观测数据包括经度值、纬度值和辐亮度值；
局部图像模块，用于将获取的微光观测数据样本转化为灰度图像后，从灰度图像中提取包含海洋内波条纹特征的局部图像，并从获取的微光观测数据样本中提取局部图像对应的各像元点微光观测数据；
新局部图像模块，用于根据经度值和纬度值对局部图像对应的各像元点的微光观测数据进行几何校正，并对校正结果进行灰度成像，获得新局部图像；
剩余局部图像模块，用于读取并数字化新局部图像，将数字化的新局部图像与局部图像各像元点微光观测数据比对，并去除数字化的新局部图像中超出局部图像各像元点微光观测数据的部分，获得剩余局部图像；
海洋内波参数计算模块，用于根据剩余局部图像计算对应的空间分辨率，并采用二维S变换模型根据空间分辨率和剩余局部图像对应的各像元点辐亮度值计算海洋内波的水平波长和传播方向；
所述所述二维S变换模型的二维S变换解析模块包括(1)式，具体如下：
其中，S(τx,τy,kx,ky)为四维谱，h(x,y)为二维图像，τx为x轴方向的转换变量，τy为y轴方向的转换变量，kx为x轴方向的空间角波数，ky为y轴方向的空间角波数，c为伸缩参数；
所述水平波长包括(2)式，具体如下：
λH(τx,τy)＝(kx(τx,τy))2+(ky(τx,τy))2 (2)
其中，λH(τx,τy)为水平波长；
所述传播方向包括(3)式，具体如下：
其中，θ(τx,τy)为传播方向。
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