[發明專利]一種基于海浪圖像的海面任意點波向的反演方法

有效

• 申請號: 202110446342.6
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113514833B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 戴子玥;陳忠彪;王錚;田飛;何宜軍;于思源;魏婧雅;姚玉雯;朱睿君
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95;G01S7/41;G01C13/00;G06T5/00;G06T7/13
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

本發明公開了一種基于海浪圖像的海面任意點波向的反演方法，包括步驟1、從海浪圖像中選取研究區域，作為目標圖像；步驟2、利用圖像增強算法增強目標圖像中的海浪條紋；步驟3、通過邊緣檢測提取海浪波峰線的邊緣位置；步驟4、通過曲線擬合得到波峰線方程；步驟5、利用正交曲線理論獲得波向線方程；步驟6、對波向線方程求偏導數得到海面各點的波向。本發明利用正交曲線理論反演觀測海區中任意點的波向，可以獲得高分辨率的海浪方向信息，解決了現有波向觀測技術只能獲得一定區域內的平均波向的問題，具有適用性廣、分辨率高等優點，適用于高分辨率成像雷達或光學設備觀測的海面圖像。

技術領域

本發明屬于海浪觀測技術領域，具體涉及一種基于海浪圖像的海面任意點波向的反演方法。

背景技術

波浪的傳播方向對海上活動有重要影響，海洋工程、船舶航行等都受到波浪傳播方向的影響，要想深入的了解和探測海洋，就必須準確得到波浪場的方向信息。現如今，海浪觀測技術發展迅速，高分辨率雷達或光學成像已經成為海浪觀測的重要手段，例如合成孔徑雷達、導航X波段雷達、視頻海浪測量系統等都可以獲得高分辨率的海面圖像，記錄海浪傳播方向的空間變化。

傳統的利用海浪圖像反演波向的方法主要是利用傅里葉變換獲得海浪譜，然后根據譜的峰值確定海浪的主波波向。快速傅里葉變換(FFT)為離散傅里葉變換(DFT)的一種快速算法，使離散傅里葉變換(DFT)的運算大大簡化，運算速度提高了1-2個數量級，從而在實際中得到廣泛應用。此外，由于快速傅里葉變換假設信號是以空間均勻為前提，而自然界中常見的波浪場是非均勻的，為了彌補傅里葉變換算法的不足，一些新數據分析方法也用于分析海浪圖像，例如二維連續小波變換、Contourlet變換、主成分分析、脊波變換[1]等。其中脊波變換是基于海雜波圖像，通過獲得脊波變換系數，計算脊波變換域內所有方向的系數能量，提取最大加權能量所對應的角度，根據角度值計算波速，檢測到波向，來獲取波浪參數并輸出。

這些算法通過分析一定范圍或一段時間內波浪的變化，估算不同頻率、不同方向的海浪的能量分布，盡管它們在海浪觀測領域中具有有效觀測波向的功能，但是只能獲得一定空間內波向的平均變化，在復雜海區中的局限性大，不能測量觀測海區中任意點的波向。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于海浪圖像的海面任意點波向的反演方法，利用正交曲線理論反演觀測海區中任意點的波向，可以獲得高分辨率的海浪方向信息，解決了現有波向觀測技術只能獲得一定區域內的平均波向的問題，具有適用性廣、分辨率高等優點，適用于高分辨率成像雷達或光學設備觀測的海面圖像。

為實現上述技術目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于海浪圖像的海面任意點波向的反演方法，其特征在于，包括：

步驟1、從海浪圖像中選取研究區域，作為目標圖像；

步驟2、利用圖像增強算法增強目標圖像中的海浪條紋；

步驟3、通過邊緣檢測提取海浪波峰線的邊緣位置；

步驟4、通過曲線擬合得到波峰線方程；

步驟5、利用正交曲線理論獲得波向線方程；

步驟6、對波向線方程求偏導數得到海面各點的波向。

為優化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

上述的步驟2中，對于目標圖像，假設灰度值f(x,y)，灰度級為0至M級，對目標圖像作分段線性灰度增強，即：

其中，g(x,y)為增強后的圖像，灰度級為0至N級，研究區間[a,b]、[c,d]分別為原圖像f(x,y)和增強圖像g(x,y)的某一灰度區間。