专利名称：一种sar图像中海冰运动特征的提取方法
技术领域：
本发明属于微波海洋遥感技术领域，具体涉及一种SAR图像中海冰运动特征的提取方法。
背景技术：
海冰是指由海水直接冻结而成的咸水冰，由固体冰、卤水及含有盐分的气泡等组成的混合物。海冰在海洋水文，大气环流及气候等研究领域中也是重要影响因素之一，尤其薄海冰在海洋表面热量流、水汽流及盐度流的研究中起到关键作用。同时，海冰的漂移及扩散运动可对海上石油平台、船舶运输等造成严重威胁。目前，观测站、海上监测平台、破冰船及卫星遥感是海冰监测的主要方法。光波、红外和微波是主动/被动卫星遥感器常用的辐射源，属于间接测量方法，具有观测范围广 的特点。与光波、红外相比，微波具有不受阳光、云、雾及雨等天气条件的限制，已在海冰观测中发挥了重要作用。如ENVISAT、ERS及RADARSAT-2等卫星上搭载的合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)。从SAR图像上不仅可识别出不同类型的海冰,如初生冰、初期冰、一年冰及多年冰等；还可采用二幅SAR图像提取海冰的运动特征。在海冰及其不连续结构处(如水道、裂缝及冰脊等)，存在着复杂的运动形式，如刚性运动、拉伸、弯曲、剪切、分散、汇合、塑性流动、弹性流动及粘性流动等。在SAR图像中把海冰运动大致分为全局运动和局部运动，全局运动是指海冰的大尺度刚性运动，表现为SAR图像的平移或者旋转，与像素点无关，即与海冰空间位置无关；而局部运动是指近刚性运动中局部的、分段连续运动等，与像素点有关，即与海冰空间位置有关。由于SAR卫星采用极轨方式运行，受到低时间采样率的限制(通常O. 5-3天)。海冰的全局运动通常有几十公里远，可达到10(Γ200个像素距离。差分法、区域法及特征法是图像中运动检测常用的方法。面对SAR图像的全局运动，这些方法具有效率低，精度差等缺点，同时也影响了海冰局部运动特征的提取。
发明内容
发明目的为了解决现有技术中存在的问题和不足，本发明提供了一种效率高、精度高的SAR图像中海冰运动特征的提取方法。技术方案一种SAR图像中海冰运动特征的提取方法，包括如下步骤步骤1，读入重复观测的2幅大小为MXN的SAR图像，且观测2幅SAR图像的时间间隔为At, SAR图像的方位向分辨率记为Px,距尚向分辨率记为Py,将2幅SAR图像分别记为 I1 (m, η)和 I2 (m, η),其中，m = I, 2,. . . , Μ, η = 1，2，. . .，N, χ 为方位向，y 为距离向；其中时间间隔At是指观测同一地区两幅SAR图像的时间差，通常为广3天；基于上述2幅SAR图像，提取海冰在此期间的运动。步骤2,分别对SAR图像I1 (m, η)和I2 (m, η)做平滑处理及下采样,选择K个大小为LXL的图像块，组成K个图像对，分别记为{7 '),7 ')}二 ；
用高斯核分别与SAR图像I1 (m, η)和I2 (m, η)作卷积，并进行下采样，得到平滑后
的图像};和ア即Z = ふ*1, {myn)]m2 = Spふ其中，*表示卷积运算，
東示方差为σ、大小为qXq的离散高斯核，q通常取{3，5，7，9，11}等值，Sp丨表示p次ド采样，P通常取2或者4;从平滑后的图像^及图像J2对应的位置处，选择K个大小为LXL的图像块，组成K个图像对，分别记为仏 ,),7 ず=i ,其中，m' = 1，2，· · ·，L, n' = 1，2，· · ·，L, i =1，2，…，K，K的取值范围为5 10，L通常取64、128或者256等值。步骤3，采用傅里叶变换法，从图像中估计海冰全局运动速度，记为
利用傅里叶变换法，求第i个图像对的相关函数R1へニ I' ,{/·1 (/77,,/θ]· /,防(",メ)]},其中，F[ ·]表示ニ维傅里叶变换，F-1!·}表示ニ维逆傅里叶变换，相关函数最大值处所对应的像素点，记为( J,);则海冰全局运动速度在方位向上的分量kル在距离向上的分量P =^7[又 ’记为f =(J7 V )
/—I —IS步骤4，从SAR图像I2 (m, η)中减去海冰的全局运动，即I'2{m,n) = I2([m + Vgxpxp\\_n + V^.p^ ,其中，し」表示下取整运算；步骤5,利用光流法和最小ニ乘法,从SAR图像I1 (m, η)和Γ 2 (m, η)中估计海冰的局部运动速度场，记为咖-")ニ，并采用向量图法将海冰的局部运动速度场巧(W)可视化于SAR图像I1 (m, η)中；
Bf df df由光流法可知，海冰的局部运动速度为= 0 4)，其中，f为图像
灰度函数，X为方位向，y为距离向，t为时间，Vlx为局部运动速度在方位向上的分量,Vly为局部运动速度在距离向上的分量；以像素点(m，n)为中心，用3X3的窗ロ扫描图像I1On,!!)和I ' 2((m，n))，用差分法来代替偏微分，并用最小二乗法来估计式(a)中的參数Vlx和Vly，记为Vl(Jnji) = (VIx(m,n),Vly(m,n))，最后,采用向量图方法将海冰的局部运动速度场R(Ot5W)可视化于SAR图像I1 (m, η)中。有益效果与现有技术相比，本发明所提供的SAR图像中海冰运动特征的提取方法，先对SAR图像做平滑及下采样处理，从图像块中基于傅里叶变换法估计海冰全局运动速度，具有较高的运算效率。采用光流法和最小二乗法来估计海冰的局部运动，并采用线积分卷积方法将海冰的局部运动速度场可视化，具有精度高、显示直观等特点。
图I为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图I所示，SAR图像中海冰运动特征的提取方法，包括以下步骤
1，读入重复观测的2幅大小为MXN的SAR图像，且观测2幅SAR图像的时间间隔为At, SAR图像的方位向分辨率记为Px,距离向分辨率记为P y，将2幅SAR图像分别记为I1 (m, η)和 I2 (m, η),其中，m = I, 2,. . . , Μ, η = I, 2,. . . , N ；2，分别对SAR图像I1On, η)和I2 (m，η)做平滑处理及下采样，选择K个大小为LX L的图像块，组成K个图像对,分别记为[m'；用高斯核分别与SAR图像I1 (m, η)和I2 (m, η)作卷积，并进行下采样，得到平滑后的图像]；和72 ,即7! = sp i [(CA (" ，")]和72 = Sp I [(7:二, */ )];其中，* 表示卷积运算，Gfi表示方差为σ、大小为qXq的离散高斯核，q通常取{3，5，7，9，11}等值，Sp丨表示p次下采样，P通常取2或者4;从平滑后的图像及图像 2对应的位置处，选择K个大小为LXL的图像块，组成K个图像对，分别记为,其中，m' = 1，2，· · ·，L，n' = 1，2，· · ·，L，i =1，2，…，K，K的取值范围为5 10，L通常取64、128或者256等值。3，采用傅里叶变换法，从图像对中估计海冰全局运动速度，记为L 利用傅里叶变换法，求第i个图像对的相关函数
R. f; =/, '·]表示二维傅里叶变换，F-1! · }表示二维逆
傅里叶变换，相关函数最大值处所对应的像素点，记为( J,);则海冰全局运动速度在方位
向上的分量匕V =，在距离向上的分量匕二-^llyiPyP，记为泛=(V v、
i=iHlK j-ιg V gx gy} °4，从SAR图像I2 (m，η)中减去海冰的全局运动，即I'2(m，n) = I2([m ++ Vs,pYp^，其中,[_·」表示下取整运算；5，利用光流法和最小二乘法，从SAR图像I1 (m, η)和Γ 2 (m, η)中估计海冰的局部运动速度场，记为K(〃v ) =，并采用向量图法将海冰的局部运动速度场^(w，〃)可视化于SAR图像I1 (m，η)中；
df df df由光流法可知，海冰的局部运动速度为+4++4+ + = 0 U)其中，f为图像
OX OV ' Oi
灰度函数，X为方位向，y为距离向，t为时间，Vlx为局部运动速度在方位向上的分量,Vly为局部运动速度在距离向上的分量；以像素点(m，n)为中心，用3X3的窗口扫描图像I1On,!!)和I ' 2((m，n))，用差分法来代替偏微分，并用最小二乘法来估计式(a)中的参数Vlx和Vly，记为Vt{m,}i) = (Vlx(m,}i),Vly(mji))，最后,采用向量图方法将海冰的局部运动速度场0(/ 5 )可视化于SAR图像I: (m, n)中。
权利要求
1.一种SAR图像中海冰运动特征的提取方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I,读入重复观测的2幅大小为MXN的SAR图像，且观测2幅SAR图像的时间间隔为At, SAR图像的方位向分辨率记为Px,距离向分辨率记为P y，将2幅SAR图像分别记为I1 (m, η)和 I2 (m, η)，其中，m = I, 2,. . . , Μ, η = 1，2，…，N, χ 为方位向，y 为距离向； 步骤2，分别对SAR图像I1 (m, η)和I2 (m, η)做平滑处理及下采样，选择K个大小为LX L的图像块，组成K个图像对,分别记为; 步骤3，采用傅里叶变换法，从图像对中估计海冰全局运动速度，记为ξ; 步骤4，从SAR图像I2(m，n)中减去海冰的全局运动，即
2.如权利I所述的SAR图像中海冰运动特征的提取方法，其特征在于，所述步骤2具体过程为用高斯核分别与SAR图像I1 (m, η)和I2 (m, η)作卷积，并进行下采样，得到平滑后的图像I；和72，即
3.如权利I所述的SAR图像中海冰运动特征的提取方法，其特征在于，步骤3按如下过程进行 利用傅里叶变换法，求第i个图像对
4.如权利I所述的SAR图像中海冰运动特征的提取方法，其特征在于，步骤5按如下过程进行
全文摘要
本发明公开了一种SAR图像中海冰运动特征的提取方法，所采用的方法是读入重复观测的二幅SAR图像，对图像分别做平滑及下采样处理，从中选择若干个图像块，并组成图像对；采用傅里叶变换法，从图像对中估计海冰全局运动速度；从第二幅SAR图像中减去海冰的全局运动，然后利用光流法和最小二乘法，从第一幅SAR图像及除去全局运动的第二幅SAR图像中估计海冰的局部运动速度场；最后，采用向量图法将海冰的局部运动速度场可视化于第一幅SAR图像中。本发明具有较高的精度且局部运动速度场显示直观等特点，可用于SAR图像中海冰运动特征的提取。
文档编号G06K9/46GK102867184SQ201210314370
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者杨永红, 奚彩萍, 凌霖, 林明 申请人:江苏科技大学