[發明專利]基于隨機自適應符號稀疏編碼的地基云圖分類方法

有效

• 申請號: 201310389346.0
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103413148A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 王春恒;劉爽;肖柏華;張重
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于圖像處理技術領域，尤其是一種基于隨機自適應符號稀疏編碼的地基云圖分類方法。

背景技術

云是大氣中熱力過程和動力過程的外部表現，其生成及演變是大氣中發生的錯綜復雜的物理過程的具體表現之一，不僅反映當時大氣的運動、穩定度和水汽情況等，而且能夠預示未來一定時間內的天氣變化趨勢。因此，云的觀測是氣象觀測的重要內容，準確地獲取云的信息，對于天氣預報以及國民經濟和軍事保障等諸多領域都有十分重要的意義。目前，云的觀測主要是通過地基觀測和衛星遙感來完成。其中衛星遙感在大尺度云的觀測取得了很好的成果，但由于其空間分辨率以及對云底和多層云的下層云的觀測能力的限制，所以不能滿足大氣科學研究的需要。而地基云觀測的范圍較小，反映的是云塊大小、排列方式以及云的高低分布等局地分部信息，彌補了衛星觀測的不足，同時對大氣科學許多研究領域具有重要意義。

在地基云觀測中，云狀分類是地基云觀測的主要要素，也是分析云資料時的重要統計內容。目前，主要通過地面的人工目測來進行云狀分類，即依靠氣象觀測員主觀判斷當前天空云狀類型。然而，目測云狀類型有很多缺點。首先，云狀分類采用人工目測方式，每個地面觀測站都需要觀測人員進行觀測，成本較高；其次，人工目測帶有較大的主觀性，不但容易受到心理、生理、視力、責任心等方面的影響，還會受到觀測人員經驗和水平的影響。相同的云狀由不同的人觀測可能會產生不同的觀測結果，即使相同的觀測員在不同條件下也可能會給出不同的觀測結果。因此實現云狀的自動分類是當前的迫切需要。

近年來，隨著硬件技術的發展和數字圖像處理技術的不斷完善，很多地基遙感測云儀器研制成功，從而獲得天空圖像，比如國外的全天空成像儀WSI(whole?sky?imager)、總天空成像儀TSI(total?sky?imager)、紅外云成像儀ICI(infrared?cloud?imager)、全天空數字相機等。上述設備為分析地基云圖提供了硬件支持，使得地基云的自動化觀測成為可能。國際上云的分類主要以云的基本外形特征和高度特征為依據，并結合云的成因發展和內部微觀結構，將云狀劃分為3族10屬29類。其中，3族是把云按照高低分為高云、中云和低云三族，每一族云又劃分為幾類形成10屬云，包括積云、積雨云、層積云、層云、雨層云、高層云、高積云、卷云、卷層云和卷積云。對10屬云可進一步劃分為29類。然而此分類方法的可操作性并不強，不僅很難適用于器測云分類，而且即使具有相當水平的觀測員也很難準確識別這29類云。

在云狀自動分類的研究方面，國際上Buch等人對WSI云圖進行了分類，主要考察云圖的紋理特征、位置信息和像元亮度信息，紋理特征選擇采用了LAWS紋理分析法；運用二元決策樹進行高積云、卷云、層云、積云和晴空等5種天空類型的判斷。Peura等人利用云的基本物理信息作為特征將全天空云圖分為10屬。Singh等人對數字相機得到的云圖進行分類，對積云、濃積云、積雨云、天空和其他云類這5種天空類型分類。Heinle等人采用德國吉爾大學獲得的全天空圖像，通過提取云圖的紋理、結構以及統計特征來對云圖進行分類。孫學金等人通過研究WSIRCMS獲取的紅外云圖，提出了基于結合模糊紋理光譜和云物理屬性的全天空云類識別方法。以上分類方法均是對云圖提取簡單的紋理特征，顯然不能很好地表示地基云圖這種包含豐富信息的自然紋理圖像，同時能夠快速獲得云圖的分類結果對于那些有實時性要求的系統尤為重要。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的是根據地基云圖的特點，提出一種分類性能更好的地基云圖分類方法。由于地基云圖包含豐富的紋理信息，同時地基云圖分類系統要求快速地對地基云圖進行分類。為此，本發明提供一種基于隨機自適應符號稀疏編碼的地基云圖分類方法，該方法通過隨機提取地基云圖的局部特征，從而可以提高地基云圖分類系統的效率，節省時間開銷；同時本發明采用自適應符號稀疏編碼的方法來獲得碼本并計算局部特征的稀疏編碼系數，從而可以更好地表示云圖中信息，獲得分類性能的提高。

為了實現上述目的，本發明提出的一種基于隨機自適應符號稀疏編碼的地基云圖分類方法，該方法包括以下步驟：

步驟1，對于訓練地基云圖樣本集合，隨機提取每一訓練地基云圖樣本的多個局部特征；

步驟2，利用自適應符號稀疏編碼對這些局部特征組成的集合進行聚類得到碼本D；