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專利名稱：水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲納遙感數(shù)字圖像處理方法，特別是一種聲納遙感數(shù)字圖像上陰影消除和陰影中像元遙感值恢復(fù)的原理方法。
背景技術(shù)：
水下地形對聲納遙感信息的影響與改正(包括水下山體陰影、水體背景陰影的消除)一直都是聲納遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用中的難題?，F(xiàn)有聲納遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用技術(shù)與正射影像處理技術(shù)，均沒有從根本上解決這些重要的問題。經(jīng)過查新搜索國內(nèi)外均沒有相關(guān)文獻(xiàn)和專利報道，本項發(fā)明從理論和實踐上較好地解決了這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本項發(fā)明是在GIS支持下建立和利用水中聲納直射聲波、水體散射聲波照度、水下地形與聲納遙感數(shù)字圖像相互之間的定量關(guān)系，分解原始聲納遙感數(shù)字圖像為聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像。在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字地形圖計算像元聲納直射聲波變換系數(shù)，水體散射聲波變換系數(shù)和像元地面輻射參數(shù)(散射/直射比，散射/輻射比)進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換(如將水下起伏地形上的聲納遙感數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為水平地面上相應(yīng)聲納遙感數(shù)字圖像)。
同時進(jìn)行水下地形陰影和水體背景陰影的判斷與消除，最后完成原始聲納遙感數(shù)字圖像的水下無陰影正射影像的計算機生成。
聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成必須使生成的該圖像的每個像元遙感值均嚴(yán)格定量滿足聲納遙感圖像的點成像原理。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于首先，建立聲納遙感信息與水下地形、聲納直射聲波和水體散射聲波之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析聲納遙感數(shù)字圖像生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像、計算像元聲納直射聲波變換系數(shù)，水體散射聲波變換系數(shù)和像元水下地面輻射參數(shù)，即散射/直射比，散射/輻射比；建立聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換模型，分別進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換，消除水下起伏地形上的輻射差異以及這種差異對聲納遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的水下山體與水體背景陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成。
其具體操作步驟如下(1)、聲納遙感數(shù)字圖像與水下數(shù)字地形圖配準(zhǔn)。
(2)、聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正。
(3)、聲納遙感數(shù)字圖像上各點聲納高度角、方位角的計算。
(4)、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的判斷。
(5)、觀察測量或者計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下水平地面上的散射/輻射比。
(6)、計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面聲納直射聲波水下地形影響系數(shù)。
(7)、計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)。
(8)、解析聲納遙感圖像，生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像。
(9)、聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換。
(10)、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的消除。
(11)、聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成。
上述的驟(1)中的聲納遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖配準(zhǔn)是GIS常規(guī)操作。
上述的步驟(2)中的聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正的步驟如下利用聲納遙感圖片相同水下地面上相鄰兩非同類像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，按下式計算可以得到離散分布的像元水體程輻射遙感值。
DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)(1)或者對聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體和水體背景陰影中的水體像元遙感值進(jìn)行分析也可以得到離散分布的像元水體程輻射遙感值；對上述結(jié)果，再采用插值算法得到每個像元水體程輻射遙感值；對聲納遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值DNij進(jìn)行減去水體程輻射遙感值DNAij的運算，即DNij-DNAij，便完成了聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正。
其中，DNij代表聲納遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值，DNAij代表水體程輻射遙感值，DNij-DNAij代表聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正值。
上述的步驟(3)中的聲納遙感數(shù)字圖像上各點聲納高度角、方位角的計算按下式進(jìn)行計算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j)) (2)A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ) (3)δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA) (4)t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ (5)θ，A、δ聲納遙感圖片注記中聲納下點聲納高度角、方位角和聲納赤角；λ、φ分別為聲納下點地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點對聲納下點的經(jīng)度增量。
上述的步驟(4)中的聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的判斷方法如下利用與聲納遙感數(shù)字圖像配準(zhǔn)的數(shù)字地形圖和聲納遙感圖片像元的聲納的位置參數(shù)，即高度角、方位角，進(jìn)行水下山體與水體背景陰影的判斷，其判斷的準(zhǔn)則是在聲納照射方向該像元點的最大水下地形、水體背景、高度角等于或者大于該像元點的聲納高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點為陰影；反之則不是陰影。
上述的步驟(5)中的觀察測量或者計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下水平地面上的直、散射輻射比方法如下若聲納遙感圖片水下水平地面上有相鄰2個同類像元X和Y，像元Y位于陰影中，DN(y)和DN(x)、DNa分別是其遙感值和水體程輻射遙感值，則該處水下水平地面上的散、直射輻射比L＝((DN(y)-DNa)/(DN(x)-DN(y)) (6)上述的步驟(6)中的計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面直射聲波水下地形影響系數(shù)按下式計算Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij(7)其中，αij代表像元水下地表坡角，ALij代表水下地表坡向，θij代表聲納遙感圖片注記中聲納下點聲納高度角，Aij代表聲納方位角，ωij代表聲納方位角與地面坡向之夾角。
上述的步驟(7)中的計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)，即聲納遙感圖片像元水下地面水體散射聲波照射立體角與水下水平地面上的水體散射聲波照射立體角2π之比按下式計算Gij=1-2nπΣk=1nβk,]]>式中n＝2π/Δt (8)其中，βk為第K個方位上的最大平均遮蔽角即立體角。Δt為方位角步長，為360°/n。n為方位劃分?jǐn)?shù)，即n為按計算精度要求將360°劃分的范圍個數(shù)。
上述的步驟(8)中的解析聲納遙感圖像；生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像，方法如下聲納直射聲波遙感圖像表達(dá)式DNSij=(DNij-DNAij)·Fij(Fij+Gij·Lij)---(9)]]>水體散射聲波遙感圖像表達(dá)式DNDij=(DNij-DNAij)·Gij·LijFij+Gij·Lij---(10)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表水體程輻射遙感值，Lij代表水下地面反射亮度，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點水下地面直射聲波水下地形影響系數(shù)，Gij代表數(shù)字地形圖上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，LSij代表水下地面聲波譜反射亮度，LDij代表水下地面輻射照度。
上述的步驟(9)中的聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下地形變換，采用以下公式計算DN′Sij=DNSij/Fij=(DNij-DNAij)/(Fij+Gij·Lij)---(11)]]>DN′Dij=DNDij/Gij=(DNij-DNAij)·Lij/(Fij+Gij·Lij)---(12)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中直射聲波分量，DNDij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中散射聲波分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNAij代表水體程輻射遙感值。
上述的步驟(10)中的聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的消除，采用聲納遙感數(shù)字圖像上的陰影像元進(jìn)行以下數(shù)字運算DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(13)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNAij代表水體程輻射遙感值。
上述的步驟(11)中的聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成，使用以下數(shù)字運算完成DNij′=DNSij′+DNDij′---(14)]]>DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(15)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中直射聲波分量，DNDij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中散射聲波分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNAij代表水體程輻射遙感值。
上述的像元水體程輻射DAij，通過數(shù)字圖像中相關(guān)信息中提取或水下地面觀測數(shù)據(jù)計算得出；上述的像元水下地面聲納高度θij、方位角ALij由聲納遙感圖片注記給出的相關(guān)信息計算得出；上述的像元水下地面坡度αij、水下坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由聲納遙感圖片對應(yīng)DTM給出。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點由于聲納遙感成像是在水下聲波條件之下，水下聲波成份包括聲納直射聲波(方向性)分量和水體散射聲波(基本上是各向同性)，其相對強度以及在水下起伏地表上的再分配方式，對聲納遙感數(shù)據(jù)的影響有很大差異。將水體修正后聲納遙感圖像解析，分離成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像，分別進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波的變換，形成對應(yīng)的聲納直射聲波和水體散射聲波的水下地形變換遙感數(shù)字圖像，最后將二者合成水下聲波條件下的水下地形變換聲納遙感數(shù)字圖像。其理論、方法具有原創(chuàng)性、開拓性。同時，所生成的聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像以及它們的水下地形變換數(shù)字圖像都是水下無法直接獲取的，在理論上和實踐上均有重要價值的聲納遙感信息。
由于聲納遙感數(shù)字圖像的水下地形變換消除了水下地形起伏帶來的水下地表聲波輻射差異以及水體背景與水下山體陰影的影響，在聲納遙感信息中突出了水下地物波譜特征，使其更具可比性。從根本上改善了聲納遙感數(shù)字圖像的質(zhì)量具有重要的科研和應(yīng)用前景。
本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于聲納遙感技術(shù)的定量研究與應(yīng)用，如資源環(huán)境的聲納遙感調(diào)查研究與成像、軍事中的偽裝與反偽裝、水下陰影地物的識別與聲納遙感數(shù)字圖像的模式識別、水下地物波譜特性的聲納遙感反演、聲納遙感數(shù)字圖像的虛擬與仿真等方面。


圖1為本發(fā)明一個實施例的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像計算機生成流程圖。
圖2為青島渤海灣2004.10.10經(jīng)過水體修正后的聲納遙感數(shù)字圖像(1024×1024)。
圖3為與圖2聲納遙感圖片匹配的對應(yīng)數(shù)字地形圖(立體)。
圖4為圖2聲納遙感圖片解析后生成的聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像。
圖5為圖2聲納解析后生成的水體散射聲波遙感數(shù)字圖像。
圖6為水下地形直射聲波水下地形變換系數(shù)的線性拉伸圖。
圖7為水體散射聲波水下地形變換系數(shù)的線性拉伸圖。
圖8為聲納直射聲波水下地形修正系數(shù)所成的圖像。
圖9為水體散射聲波水下地形修正系數(shù)所成的圖像。
圖10為計算機生成的水下無陰影聲納遙感數(shù)字正射影像。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本例為青島渤海灣2004.10.10的聲納遙感圖片以計算機生成無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像。
參見圖1，本水下無陰影聲納正射數(shù)字圖像的計算機生成方法是首先，建立聲納遙感信息與水下地形、聲納直射聲波和水體散射聲波之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析聲納遙感數(shù)字圖像生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像、計算像元聲納直射聲波變換系數(shù)，水體散射聲波變換系數(shù)和像元地面輻射參數(shù)，即散射/直射比，散射/輻射比；建立聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水平地形變換模型，分別進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換，消除水下起伏地形上的輻射差異以及這種差異對聲納遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的水下山體與水體背景陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成。
其具體操作步驟如下(1)、聲納遙感數(shù)字圖像與水下數(shù)字地形圖配準(zhǔn)。
(2)、聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正。
(3)、聲納遙感數(shù)字圖像上各點聲納高度角、方位角的計算。
(4)、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的判斷。
(5)、觀察測量或者計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的散射/輻射比。
(6)、計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面聲納直射聲波水下地形影響系數(shù)。
(7)、計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)。
(8)、解析聲納遙感圖像，生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像。
(9)、聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水平地形變換。
(10)、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的消除。
(11)、聲納遙感數(shù)字圖像無陰影正射影像的計算機生成。
聲納遙感數(shù)字圖像的水下地形變換在有多點同步實時輻射觀測資料(散射/直射比)、聲納遙感數(shù)字圖像高精度水體修正、水下典型地物反射率和相應(yīng)高精度的數(shù)字地形圖等條件下有最佳的水下地形變換效果。如果上述條件不能滿足，僅僅利用一般精度的數(shù)字地形圖進(jìn)行聲納遙感數(shù)字圖像水下地形變換也可以取得令人滿意的較好效果。
上述方案中各步驟說明如下1、聲納遙感數(shù)字圖像與水下數(shù)字地形圖配準(zhǔn)聲納遙感數(shù)字圖像與水下數(shù)字地形圖(TEM)配準(zhǔn)系GIS常規(guī)操作。
2、聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正獲得像元水體程輻射遙感值的方法有兩種利用聲納遙感圖片相同水下地面上相鄰兩非同類像元DN1和DN2的水下地面反射率γ1和γ2，進(jìn)行以下計算DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)(1)可以得到離散分布的像元水體程輻射遙感值。
對聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體和水體背景陰影中的水體像元遙感值進(jìn)行分析也可以得到離散分布的像元水體程輻射遙感值。
對上述結(jié)果，再采用插值算法可得到每個像元水體程輻射遙感值。對聲納遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值進(jìn)行減去水體程輻射遙感值的運算，即DNij-DNAij，便完成了聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正。
其中，DNij代表聲納遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值，DNAij代表水體程輻射遙感值，DNij-DNAij代表聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正值。
3、聲納遙感數(shù)字圖像上各點聲納高度角、方位角的計算按下式進(jìn)行計算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j)) (2)A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ) (3)δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA) (4)t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ (5)θ，A、δ聲納遙感圖片注記中聲納下點聲納高度角、方位角和聲納赤角；λ、φ分別為聲納下點地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點對聲納下點的經(jīng)度增量。
4、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的判斷利用與聲納遙感數(shù)字圖像配準(zhǔn)的數(shù)字地形圖和聲納遙感圖片像元的聲納的位置參數(shù)，即高度角、方位角，進(jìn)行水下山體與水體背景陰影的判斷，其判斷的準(zhǔn)則是在聲納照射方向該像元點的最大水下地形、水體背景、高度角等于或者大于該像元點的聲納高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點為陰影；反之則不是陰影。
5、觀測或計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下水平地面上的直、散射輻射比若聲納遙感圖片水平地面上有相鄰2個同類像元X和Y，像元Y位于陰影中，DN(y)和DN(x)、DNa分別是其遙感值和水體程輻射輻射遙感值，則該處水下水平地面上的散、直射輻射比L＝((DN(y)-DNa)/(DN(x)-DN(y))(6)6、計算數(shù)字地形圖上各點地面直射聲波水下地形影響系數(shù)Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij(7)其中，αij代表像元水下地表坡角，ALij代表水下地表坡向，θij代表聲納遙感圖片注記中聲納下點聲納高度角，Aij代表聲納方位角，ωij代表聲納方位角與地面坡向之夾角。
7、計算數(shù)字地形圖上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)，即聲納遙感圖片像元水下地面水體散射聲波照射立體角與水平地面上的水體散射聲波照射立體角2π之比Gij=1-2nπΣk=1nβk,]]>式中n＝2π/Δt (8)其中，βk為第K個方位上的最大平均遮蔽角即立體角。Δt為方位角步長，為360°/n。n為方位劃分?jǐn)?shù)，即n為按計算精度要求將360°劃分的范圍個數(shù)。
8、解析聲納遙感圖像，生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像，方法如下聲納直射聲波遙感圖像表達(dá)式DNSij=(DNij-DNAij)·Fij(Fij+Gij·Lij)---(9)]]>水體散射聲波遙感圖像表達(dá)式DNDij=(DNij-DNAij)·Gij·LijFij+Gij·Lij---(10)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表水體程輻射遙感值，Lij代表水下地面反射亮度，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射聲波水下地形影響系數(shù)，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，LSij代表水下地面聲波譜反射亮度，LDij代表水下地面輻射照度。
9、聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下地形變換，采用以下公式計算DN′Sij=DNSij/Fij=(DNij-DNAij)/(Fij+Gij·Lij)---(11)]]>DN′Dij=DNDij/Gij=(DNij-DNAij)·Lij/(Fij+Gij·Lij)---(12)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中直射聲波分量，DNDij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中散射聲波分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNAij代表水體程輻射遙感值。
10、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的消除，采用聲納遙感數(shù)字圖像上的陰影像元進(jìn)行以下數(shù)學(xué)運算DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(13)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNAij代表水體程輻射遙感值。
11、聲納遙感數(shù)字圖像無陰影正射影像的計算機生成，使用以下數(shù)字運算完成DNij′=DNSij′+DNDij′---(14)]]>DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(15)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中直射聲波分量，DNDij′代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中散射聲波分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNAij代表水體程輻射遙感值。
上述的像元水體程輻射DNAij，通過數(shù)字圖像中相關(guān)信息中提取或水下地面觀測數(shù)據(jù)計算得出；上述的像元水下地面聲納高度角θij、方位角ALij由聲納遙感圖片注記給出的相關(guān)信息計算得出；上述的像元水下地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由聲納遙感圖片對應(yīng)DTM給出。聲納遙感數(shù)字圖像的水下地形變換在有多點實時輻射觀測資料(散射/輻射比)、聲納遙感數(shù)字圖像高精度水體修正、水下典型地物反射率和相應(yīng)高精度的數(shù)字地形圖等條件下有最佳的水下地形變換效果。如果上述條件不能滿足，僅僅利用一般精度的數(shù)字地形圖進(jìn)行聲納遙感數(shù)字圖像水下地形變換也可以取得令人滿意的較好效果。
由于聲納遙感成像是在水下聲波條件之下，水下聲波成份包括聲納直射聲波(方向性)和水體散聲波(基本上是各向同性)分量，其相對強度以及在水下起伏地表上的再分配方式以及對聲納遙感數(shù)據(jù)的影響都有很大差異。將水體修正后聲納遙感圖像解析，分離成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像，分別進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波的變換以形成對應(yīng)的聲納直射聲波和水體散射聲波的水下地形變換遙感數(shù)字圖像，最后將二者合成水下聲波條件下的地形變換聲納遙感數(shù)字圖像。其理論、方法具有原創(chuàng)性、和開拓性。同時，所生成的聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像以及它們的水下地形變換數(shù)字圖像都是水下無法直接獲取的，在理論上和實踐上均有重要價值的遙感信息。
聲納遙感數(shù)字圖像的水下地形變換消除了水下地形起伏帶來的地表聲波輻射差異以及水體背景與水下山體陰影的影響，在聲納遙感信息中突出了水下地物波譜特征，使其更具可比性。從根本上改善了聲納遙感數(shù)字圖像的質(zhì)量具有重要的科研和應(yīng)用前景，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的顯著的優(yōu)點與積極的效果。
圖2為青島渤海灣2004.10.10經(jīng)過水體修正后的聲納遙感數(shù)字圖像(1024×1024)；圖3為與該聲納遙感圖片匹配的對應(yīng)數(shù)字地形圖(立體)；圖4、圖5分別為該聲納遙感圖片解析后生成的聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像(圖4)為水下地形影響的聲納直射聲波下的遙感數(shù)字圖像上有明顯的陰影分布、山脊兩邊直射聲波輻射有明顯差異；水體散射聲波遙感數(shù)字圖像(圖5)為水下地形影響的低照度水體散射聲波下的遙感數(shù)字圖像。
圖6、圖7分別水下地形直射聲波地形變換系數(shù)和水體散射聲波水下地形變換系數(shù)的可視化，它們有著十分清晰的物理和地學(xué)意義圖6為水下地形直射聲波地形變換系數(shù)的線性拉伸。表達(dá)成像瞬間聲納直射聲波輻射在水下起伏地面上的真實歸一化(水平地面上聲納直射聲波輻射照度為1)分布。
圖7為水體散射聲波水下地形變換系數(shù)的線性拉伸。表達(dá)成像瞬間水體散射聲波輻射在水下起伏地面上的真實歸一化(水平地面上水體散射聲波輻射照度為1)分布。
直射聲波水下地形變換系數(shù)和水體散射聲波水下地形變換系數(shù)及其可視化在數(shù)字沙盤、地圖暈染和數(shù)字可視化等方面有廣泛應(yīng)用。
圖8、圖9分別為聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像所對應(yīng)的水平地形變換的圖像聲納直射聲波(非偏振聲波)遙感數(shù)字圖像的水下地形變換圖像(圖8)上陰影已經(jīng)消除，原來隱藏在陰影中的水體清晰可見，山脊兩邊直射聲波輻射差異已不明顯，水下起伏山地已變成平原。與原來的聲納遙感數(shù)字圖像相比聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像的水下地形變換圖像顯然有利于計算機的自動識別與分類，其圖像質(zhì)量有重大的改善和提高。
水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下地形變換圖像(圖9)為了消除水下地形影響在各向均勻的水體散射聲波(偏振聲波)條件下的成像的遙感數(shù)字圖像。
圖10為計算機生成的水下無陰影聲納遙感數(shù)字正射影像(圖8和圖9的合成)。
聲納遙感數(shù)字圖像的水下地形變換在有多點同步實時輻射觀測資料(散射/直射比)、聲納遙感數(shù)字圖像高精度水體修正、水下典型地物反射率和相應(yīng)高精度的數(shù)字地形圖等條件下有最佳的水下地形變換效果。如果上述條件不能滿足，僅僅利用一般精度的數(shù)字地形圖進(jìn)行聲納遙感數(shù)字圖像地形變換也可以取得令人滿意的較好效果。
權(quán)利要求
1.一種水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于首先，建立聲納遙感信息與水下地形、聲納直射聲波和水體散射聲波之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析聲納遙感數(shù)字圖像生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像、計算像元聲納直射聲波變換系數(shù)，水體散射聲波變換系數(shù)和像元水下地面輻射參數(shù)，即散射/直射比，散射/輻射比；建立聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換模型，分別進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換，消除水下起伏地形上的輻射差異以及這種差異對聲納遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的水下山體與水體背景陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成；其具體操作步驟如下(1)、聲納遙感數(shù)字圖像與水下數(shù)字地形圖配準(zhǔn)；(2)、聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正；(3)、聲納遙感數(shù)字圖像上各點聲納高度角、方位角的計算；(4)、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的判斷；(5)、觀察測量或者計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下水平地面上的散射/輻射比；(6)、計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面聲納直射聲波水下地形影響系數(shù)；(7)、計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)；(8)、解析聲納遙感圖像，生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像；(9)、聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換；(10)、聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的消除；(11)、聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(2)中的聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正的步驟如下(1)利用聲納遙感圖片相同水下地面上相鄰兩非同類像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，按下式計算可以得到離散分布的像元水體程輻射遙感值；DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)，或者對聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體和水體背景陰影中的水體像元遙感值進(jìn)行分析得到離散分布的像元水體程輻射遙感值；(2)對上述結(jié)果，再采用插值算法得到每個像元水體程輻射遙感值；(3)對聲納遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值DNij進(jìn)行減去水體程輻射遙感值DNAij的運算，即DNij-DNAij，便完成了聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正，其中，DNij代表聲納遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值，DNAij代表水體程輻射遙感值，DNij-DNAij代表聲納遙感數(shù)字圖像的水體修正值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(3)中的聲納遙感數(shù)字圖像上各點聲納高度角、方位角的計算按下式進(jìn)行計算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))，A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ)，δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)，t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ，其中θ，A、δ分別為聲納遙感圖片注記中聲納下點聲納高度角、方位角和聲納赤角；λ、φ分別為聲納下點地理經(jīng)緯度，Δλ為像元點對聲納下點的經(jīng)度增量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(4)中的聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的判斷方法如下利用與聲納遙感數(shù)字圖像配準(zhǔn)的數(shù)字地形圖和聲納遙感圖片像元的聲納的位置參數(shù)，即高度角、方位角，進(jìn)行水下山體與水體背景陰影的判斷，其判斷的準(zhǔn)則是在聲納照射方向該像元點的最大水下地形、水體背景、高度角等于或者大于該像元點的聲納高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點為陰影；反之則不是陰影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(5)中的觀測或計算聲納遙感數(shù)字圖像上各點水下水平地面上的直、散射輻射比方法如下若聲納遙感圖片水下水平地面上有相鄰2個同類像元X和Y，像元Y位于陰影中，DN(y)和DN(x)、DNa分別是其遙感值和水體程輻射遙感值，則該處水下水平地面上的散、直射輻射比L＝(DN(y)-DNa)/(DN(x)-DN(y))。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(6)中的計算數(shù)字地形圖上各點水下地面直射聲波水下地形影響系數(shù)按下式計算Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij，其中，αij代表像元水下地表坡角，ALij代表水下地表坡向，θij代表聲納遙感圖片注記中聲納下點聲納高度角，Aij代表聲納方位角，ωij代表聲納方位角與水下地面坡向之夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(7)中的計算數(shù)字地形圖上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)，即聲納遙感圖片像元地面水體散射聲波照射立體角與水平地面上的水體散射聲波照射立體角2π之比按下式計算Gij=1-2nπΣk=1nβk,]]>式中n＝2π/Δt，其中，βk為第K個方位上的最大平均遮蔽角即立體角，Δt為方位角步長，為360°/n，n為方位劃分?jǐn)?shù)，即n為按計算精度要求將360°劃分的范圍個數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(8)中的解析聲納遙感圖像，生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像的方法如下聲納直射聲波遙感圖像表達(dá)式DNSij=(DNij-DNAij)·Fij(Fij+Gij·Lij),]]>水體散射聲波遙感圖像表達(dá)式DNDij=(DNij-DNAij)·Gij·LijFij+Gij·Lij,]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n，其中，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表水體程輻射遙感值，Lij代表水下地面反射亮度，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點水下地面直射聲波水下地形影響系數(shù)，Gij代表數(shù)字地形圖上各點水下地面水體散射聲波水下地形影響系數(shù)，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，LSij代表水下地面聲波譜反射亮度，LDij代表水下地面輻射照度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(9)中的聲納直射聲波遙感數(shù)字圖像和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下地形變換，采用以下公式計算DN′Sij＝DNSij/Fij＝(DNij-DNAij)/(Fij+Gij·Lij)，DN′Dij＝DNDij/Gij＝(DNij-DNAij)·Lij/(Fij+Gij·Lij)，i＝1，2…m；j＝1，2…n，其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DN′ij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DN′Sij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中直射聲波分量，DN′Dij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中散射聲波分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNAij代表水體程輻射遙感值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(10)中的聲納遙感數(shù)字圖像上水下山體與水體背景陰影的消除，采用聲納遙感數(shù)字圖像上的陰影像元進(jìn)行以下數(shù)字運算DN′ij＝(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)，其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DN′ij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DNAij代表水體程輻射遙感值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于所述的步驟(11)中的聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成，使用以下數(shù)字運算完成DN′ij＝DN′Sij+DN′Dij，DN′ij＝(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)，其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DN′ij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)，DN′Sij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中直射聲波分量，DN′Dij代表經(jīng)水體修正后的聲納像元遙感數(shù)據(jù)中散射聲波分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射聲波分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射聲波分量，DNAij代表水體程輻射遙感值。
12.根據(jù)權(quán)利要求2或3或6所述的水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法，其特征在于像元水體程輻射DNAij，通過數(shù)字圖像中相關(guān)信息中提取或水下地面觀測數(shù)據(jù)計算得出；所述的像元地面聲納高度θij、方位角ALij由聲納遙感圖片注記給出的相關(guān)信息計算得出；所述的像元水下地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由聲納遙感圖片對應(yīng)DTM給出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水下無陰影聲納遙感正射數(shù)字圖像的計算機生成方法。本方法是首先，建立聲納遙感信息與水下地形、聲納直射聲波和水體散射聲波之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析聲納遙感數(shù)字圖像生成聲納直射聲波遙感圖像和水體散射聲波遙感圖像、計算像元聲納直射聲波變換系數(shù)，水體散射聲波變換系數(shù)和像元地面輻射參數(shù)，即散射/直射比，散射/輻射比；建立聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換模型，分別進(jìn)行聲納直射聲波和水體散射聲波遙感數(shù)字圖像的水下水平地形變換，消除水下起伏地形上的輻射差異以及這種差異對聲納遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除聲納遙感數(shù)字圖像的水下山體與水體背景陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成聲納遙感數(shù)字圖像水下無陰影正射影像的計算機生成。本發(fā)明的理論、方法具有原創(chuàng)性、開拓性，可廣泛應(yīng)用于聲納遙感技術(shù)的定量研究和應(yīng)用。
文檔編號G01S15/00GK101034476SQ20071003870
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者師彪, 李先華, 張凌峰, 唐振軍, 魏為民 申請人:上海大學(xué)