專利名稱：一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，具體涉及一種基于矩形環(huán)內(nèi)功率譜能量比的水面浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，適用于海洋環(huán)境預(yù)報(bào)以及海洋科學(xué)研究，也可用于無人水面艇對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
波浪的運(yùn)動(dòng)與產(chǎn)生是海洋中最常見的物理現(xiàn)象之一，波浪檢測(cè)對(duì)于海上運(yùn)輸和作業(yè)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)以及海洋科學(xué)研究都是非常重要的。
現(xiàn)有的波浪測(cè)量方法有加速度測(cè)量法、壓力法、波面測(cè)量法、波面粗糙度反演法等，其中除波面測(cè)量法之外其他均為間接測(cè)量。波面測(cè)量法是利用測(cè)量波面高度變化的方法來測(cè)量波浪參數(shù)的，即利用固定高度的探頭測(cè)量其至水面距離的變化來實(shí)現(xiàn)波浪測(cè)量，多數(shù)采用非接觸式(遙測(cè))如激光、微波、或超聲波等測(cè)量方式；波面測(cè)量設(shè)備可以安裝在水面以上的海洋構(gòu)筑物如海洋石油平臺(tái)上。這些傳統(tǒng)波浪監(jiān)測(cè)的設(shè)備采用單點(diǎn)測(cè)量方式，測(cè)量范圍小。即使多點(diǎn)布設(shè)測(cè)量?jī)x器，測(cè)量范圍也是有限的，且布防難度大、易丟失、維護(hù)成本聞。隨著遙感和遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展，采用圖像測(cè)量海洋波浪參數(shù)的方法得到進(jìn)一步的應(yīng)用。用視頻圖像監(jiān)測(cè)波浪參數(shù)，與傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備相比較，有測(cè)量范圍大、整體性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。目前采用多種方式獲取圖像包括衛(wèi)星遙感圖像、飛機(jī)航空拍攝圖像、船舶航行時(shí)拍攝圖像、岸邊或平臺(tái)固定攝像裝置拍攝的圖像等，可以用于波浪參數(shù)的測(cè)量。應(yīng)用圖像不僅能記錄波浪的靜態(tài)信息，而且還可以記錄波浪的動(dòng)態(tài)信息，能夠測(cè)量出波浪的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。目前，國(guó)際上領(lǐng)先的海洋視頻圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)首推美國(guó)的Argus項(xiàng)目(Holman, R. A. and J. Stanley. The history and technical capabilities of Argus,Coastal En-gineering[J]. 2007, 54 (6-7), 477-491.)。現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的視頻圖像波浪測(cè)量方法包括通過檢測(cè)波浪運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的碎波白冠，在圖像處理中跟蹤具有較高亮度的波峰帶，來獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)的方法；通過傅里葉變換檢測(cè)波浪運(yùn)動(dòng)中頻譜和相關(guān)函數(shù)，獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)的方法；通過小波變換分離波浪運(yùn)動(dòng)頻譜各向異性獲取方向參數(shù)的方法；基于波浪爬高的檢測(cè)方法和基于波浪沖刷時(shí)空特性的波浪檢測(cè)方法。上述波浪監(jiān)測(cè)技術(shù)可在一定條件下，監(jiān)測(cè)一定范圍和類型的波浪，各具優(yōu)點(diǎn)和局限性，尚不能很好解決波浪的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題。為此，有必要設(shè)計(jì)一種更有效的水面浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，方便對(duì)一定水面區(qū)域的浪級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟
I)采集一定水面區(qū)域的視頻圖像并進(jìn)行直方圖均衡化處理；2)對(duì)直方圖均衡化處理后的圖像進(jìn)行傅立葉變換，并計(jì)算矩形環(huán)內(nèi)的功率譜能量比；3)采用分段線性回歸的方法，提取矩形環(huán)內(nèi)功率譜能量比曲線的兩條特征直線斜率和截距；4)根據(jù)兩條特征直線斜率和截距的關(guān)系，確定浪級(jí)的參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，圖像的分辨率為640X480。步驟2)中，傅立葉變換根據(jù)下式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟 1)采集一定水面區(qū)域的視頻圖像并進(jìn)行直方圖均衡化處理； 2)對(duì)直方圖均衡化處理后的圖像進(jìn)行傅立葉變換，并計(jì)算矩形環(huán)內(nèi)的功率譜能量比； 3)采用分段線性回歸的方法，提取矩形環(huán)內(nèi)功率譜能量比曲線的兩條特征直線斜率和截距； 4)根據(jù)兩條特征直線斜率和截距的關(guān)系，確定浪級(jí)的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟1)中，圖像的分辨率為640X480。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟2)中，傅立葉變換根據(jù)下式計(jì)算式中f (x, y)是圖像的灰度值，x、y為空間域中圖像的橫、縱坐標(biāo)軸，u=0, I, . . . M_1; v=0, I, . . . , N-I ;頻率u對(duì)應(yīng)于X軸,頻率V對(duì)應(yīng)于y軸，F(xiàn)(u, v)是兩個(gè)實(shí)頻率變量u和v的復(fù)值函數(shù)； 傅立葉變換的功率譜根據(jù)下式計(jì)算 P (u, V) = F (u, V) 12 = R2 (u, V) +I2 (u, V) 式中R(u, v), I (u, v)分別表示F (u, V)的實(shí)部和虛部； 每個(gè)矩形環(huán)內(nèi)的功率譜能量根據(jù)下式計(jì)算 式中表示第i個(gè)矩形環(huán)內(nèi)的功率譜能量，式中u, V取值為 m (i-1) ^ I u-M/2 I < m i，n (i-1) ^ | v-N/2 | < n i。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于水面波浪圖像的浪級(jí)監(jiān)測(cè)方法，首先采集一定水面區(qū)域的視頻圖像并進(jìn)行直方圖均衡化處理；然后對(duì)直方圖均衡化處理后的圖像進(jìn)行傅立葉變換，并計(jì)算矩形環(huán)內(nèi)的功率譜能量比；接著采用分段線性回歸的方法，提取矩形環(huán)內(nèi)功率譜能量比曲線的兩條特征直線斜率和截距；最后根據(jù)兩條特征直線斜率和截距的關(guān)系，確定浪級(jí)的參數(shù)。由于本發(fā)明的浪級(jí)視頻圖像監(jiān)測(cè)方法基于圖像的頻域特征，具有受環(huán)境光照條件變化影響小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C13/00GK102721411SQ20121021911
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者馮海濤, 劉康克, 張曉杰, 李剛, 熊亞洲, 王建華 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)