專(zhuān)利名稱(chēng)：Modis遙感影像中海面條帶噪聲和條狀云的過(guò)濾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MODIS遙感影像處理領(lǐng)域中一種圖像預(yù)處理的方法，尤其是海面條帶噪聲和條狀云的過(guò)濾方法。
背景技術(shù)：
MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光譜輻射計(jì))是搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的一種光學(xué)遙感儀器，是衛(wèi)星上唯一將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)X波段向全世界直接廣播，并可以免費(fèi)接收數(shù)據(jù)并無(wú)償使用的星載儀器，全球許多國(guó)家和地區(qū)都在接收和使用MODIS數(shù)據(jù)，由美國(guó)國(guó)家航空航天局提供免費(fèi)數(shù)據(jù)，我國(guó)已經(jīng)建立了多個(gè)MODIS遙感影像地面接收站。MODIS具有成像范圍大，噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合海洋內(nèi)波的大范圍研究，因?yàn)樘?yáng)光照條件對(duì)MODIS有很大的限制，云的干擾對(duì)內(nèi)波的觀測(cè)和識(shí)別也有很大的干擾。 海洋內(nèi)波的最大振幅是發(fā)生在海洋內(nèi)部的，與表面波相比，內(nèi)波具有更大的能量和破壞力，從而會(huì)對(duì)水下航行的潛艇和海上石油平臺(tái)的安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，預(yù)報(bào)海洋內(nèi)波，降低海洋內(nèi)波帶來(lái)的損失，早發(fā)現(xiàn)早預(yù)防，對(duì)于航海、海上科研和海上生產(chǎn)，特別是深海石油平臺(tái)的安全是具有現(xiàn)實(shí)意義的。使用遙感衛(wèi)星對(duì)海洋內(nèi)波進(jìn)行觀測(cè)是當(dāng)前海洋內(nèi)波研究的主要方法之一。MODIS各級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品均是以HDF文件格式存儲(chǔ)、處理和發(fā)布的。HDF文件格式是一種高效存儲(chǔ)和分發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)的新型的數(shù)據(jù)格式，是美國(guó)國(guó)家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心(NationalCenter for Supercomputing Application)研制的，主要是為了滿(mǎn)足各領(lǐng)域的研究需求。HDF文件能夠由一些通用軟件，如ENVI、MATLAB等直接讀取。ENVI將所有數(shù)據(jù)直接讀取出來(lái)后，不容易實(shí)現(xiàn)在軟件基礎(chǔ)上的再次開(kāi)發(fā)，而MATLAB可以直接讀取HDF文件中的原始數(shù)據(jù)，然后在讀取的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程、開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)波檢測(cè)和信息提取等工作，且程序?qū)崿F(xiàn)相對(duì)容易，程序運(yùn)行效率較高。HDF文件中的原始數(shù)據(jù)灰度值偏低，視覺(jué)效果較差，很難直接進(jìn)行圖像分析，從而對(duì)于海洋內(nèi)波的檢測(cè)很困難，所以必須首先對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)處理，使其更適合于海洋內(nèi)波的檢測(cè)算法。在MODIS遙感影像中海洋內(nèi)波表現(xiàn)為一種明暗相間的條紋，由此出發(fā)，可以采用紋理分析的方法對(duì)海洋內(nèi)波的特征進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)內(nèi)波的自動(dòng)檢測(cè)。在MODIS遙感影像中，有兩類(lèi)因素會(huì)對(duì)內(nèi)波條紋的紋理分析帶來(lái)很大的影響一是MODIS遙感影像中呈條帶狀分布的噪聲，這種條帶噪聲是由衛(wèi)星傳感器的光、電器件在反復(fù)掃描地物的成像過(guò)程中，由掃描探測(cè)元正反掃描響應(yīng)差異、傳感器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和溫度變化等造成的；另一類(lèi)就是海平面上空的云，特別是較細(xì)的條狀的云。這兩類(lèi)因素也具有很強(qiáng)的紋理特征，從而會(huì)對(duì)內(nèi)波的識(shí)別造成很大的影響。所以在提取海洋內(nèi)波的紋理特征之前，為了減少這些噪聲的干擾，首先就要對(duì)這些噪聲進(jìn)行濾除，盡量減少它們?cè)斐傻母蓴_，目前都是采用在同一地區(qū)、不同時(shí)段的多幅遙感圖像進(jìn)行常規(guī)的噪聲去云處理，處理效率低且處理的效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種MODIS遙感影像中海面條帶噪聲和條狀云的過(guò)濾方法，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速有效過(guò)濾掉影像MODIS海面內(nèi)波檢測(cè)的條帶狀噪音和條狀云，同時(shí)有效保留MODIS影像中海洋內(nèi)波的基本信息，為海洋內(nèi)波的自動(dòng)檢測(cè)提供了很好的基礎(chǔ)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括以下步驟(I)由HDF文件中讀取同一地區(qū)、同一時(shí)段的一幅MODIS遙感影像的原始圖像；(2)對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理；(3)將直方圖均衡化處理后的圖像分割為300X 300像素的各個(gè)子圖；(4)求出各個(gè)子圖的灰度平均值; (5)選取閾值= fl-10，小于 閾值的像素為條狀云或條帶噪聲的像素，大于閾值A(chǔ)的像素則為海平面或海洋內(nèi)波的像素。進(jìn)一步地，本發(fā)明在小于閾值的被檢測(cè)的像素點(diǎn)周?chē)x取IOX 10的區(qū)域隨機(jī)進(jìn)行探測(cè)，若探測(cè)到的像素點(diǎn)的灰度值大于閾值A(chǔ) = +10，則由探測(cè)點(diǎn)的灰度值代替被檢
測(cè)像素點(diǎn)灰度值；探測(cè)次數(shù)的上限1000次，若探測(cè)次數(shù)達(dá)到上限，則由值《3 = flf + 5代替被檢測(cè)像素點(diǎn)灰度值。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果是與現(xiàn)有技術(shù)中采用多幅同一地區(qū)、不同時(shí)段的遙感圖像進(jìn)行去云處理不同，本發(fā)明采用同一地區(qū)、同一時(shí)段的一幅MODIS遙感影像進(jìn)行影響內(nèi)波檢測(cè)的條狀云和條帶噪音的過(guò)濾。由于光照條件的不同，同一幅圖像上的不同的區(qū)域，區(qū)分海平面背景和云的閾值也不相同。基于此，采用了將整幅大圖分割為多幅300 X 300的子圖，在子圖內(nèi)光照條件基本相同，采用固定閾值的方法區(qū)分海平面背景和云，對(duì)MODIS遙感影像進(jìn)行特殊的處理，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)某一地區(qū)某一時(shí)段的MODIS影像中海平面的條狀云和條帶狀噪音進(jìn)行有效的濾除，方法簡(jiǎn)單，運(yùn)算效率高，對(duì)海平面的條狀云和條帶噪音的濾除效果好。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。


圖I是對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化后的MODIS影像 圖2是圖I中局部海洋內(nèi)波與條帶噪聲 圖3是圖I中局部海面上的條狀云 圖4為本發(fā)明過(guò)濾方法的流程 圖5為采用本發(fā)明方法的處理結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖4，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下
一、由HDF文件中讀取MODIS遙感影像的原始圖像
MODIS各級(jí)數(shù)據(jù)均是以HDF文件格式存儲(chǔ)、處理和發(fā)布的。HDF文件格式是一種高效存儲(chǔ)和分發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)的新型的數(shù)據(jù)格式，是美國(guó)國(guó)家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心(National Centerfor Supercomputing Application)研制的,主要是為了滿(mǎn)足各領(lǐng)域的研究需求。HDF文件能夠由一些通用軟件如ENVI、MATLAB等直接讀取。由HDF文件中讀取MODIS遙感影像的原始圖像時(shí)，選擇250m分辨率的原始數(shù)據(jù)。ENVI將所有數(shù)據(jù)直接讀取出來(lái)后，不容易實(shí)現(xiàn)在軟件基礎(chǔ)上的再次開(kāi)發(fā)，而MATLAB可以直接讀取HDF文件中的原始數(shù)據(jù)，然后在讀取的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程、開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)波檢測(cè)和信息提取等工作，且程序?qū)崿F(xiàn)相對(duì)容易，程序運(yùn)行效率較高。二、對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化
HDF文件中的原始數(shù)據(jù)灰度值偏低，視覺(jué)效果較差，很難直接進(jìn)行圖像分析，從而對(duì)于內(nèi)波的檢測(cè)很困難，所以必須首先對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)處理，使其更適合于內(nèi)波的檢測(cè)。本發(fā)明采用直方圖均衡化的方法，可以有效地改善圖像的質(zhì)量。a、直方圖的基本原理
灰度級(jí)為
范圍的數(shù)字圖像/(AJ)的直方圖A(rfc)=fl.fc，這是一個(gè)離散函數(shù)，其中4表示第k級(jí)灰度，^表示圖像中灰度級(jí)為h的像素個(gè)數(shù)。歸一化的直方圖是P{rk)^nk!n , * = 0,1,1 ,其中n表示圖像中像素的總數(shù)，L為圖像中可能的灰度級(jí)總
數(shù)，Pfrt)表示灰度級(jí)為％的像素出現(xiàn)的概率估計(jì)值，E =I。直方圖增強(qiáng)就是一種僅僅依靠給定圖像的直方圖信息，通過(guò)變換函數(shù)來(lái)增強(qiáng)圖像的方法。b、直方圖均衡化
對(duì)于數(shù)字圖像f(x,y)，灰度級(jí)I出現(xiàn)的概率為P(Tk) = nJn ’ ^ = I…，i-1,其
中，n為圖像中像素的總數(shù)；％是圖像中灰度級(jí)為rk的像素個(gè)數(shù)；L為圖像中可能的灰度級(jí)總數(shù)。變換函數(shù)％ = 7(1), A = 0, I, ,￡-1,其中％是變換后的灰度級(jí)。變換函數(shù)W)須滿(mǎn)足兩個(gè)條件(I)當(dāng)r被歸一化到[W]時(shí)，W)在區(qū)間[CU]上單調(diào)遞增；(2)當(dāng)re
時(shí)，S=T(r) €
。條件(I)保證了輸出圖像仍然是從黑到白的順序；條件(2)保證輸出灰度級(jí)與輸入灰度級(jí)有同樣的范圍。直方圖的均衡化的變換函數(shù)可表示為
h = Tirk)^ Pirj) ^ ^U，使得直方圖均衡化后的圖像灰度級(jí)能夠跨
JnmQ^一 * I, * ■ * , Lj — I
越更大的范圍，直方圖均衡化后圖像灰度級(jí)為64。直方圖均衡化后，MODIS遙感影像可以由肉眼清楚地進(jìn)行識(shí)別。如果含有內(nèi)波，則其中的內(nèi)波影像比較清楚，這就具備了對(duì)MODIS遙感影像中是否含有內(nèi)波進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)。對(duì)由MATLAB直接讀取HDF文件獲得的MODIS影像進(jìn)行直方圖均衡化后，結(jié)果如圖I所示，圖像灰度級(jí)為64。獲取的圖I中局部海洋內(nèi)波與條帶噪聲如圖2所示，獲取的圖I中局部海面上的條狀云如圖3所示。三、將經(jīng)直方圖均衡化后的圖像分割為300 X 300像素的各個(gè)子圖
由于光照的不同，在MODIS影像的不同區(qū)域，將云、條帶噪聲和海平面背景有效區(qū)分的閾值也不同，因此本發(fā)明采用固定閾值，固定閾值不能將整個(gè)的待檢查區(qū)域中的條狀云與海面背景以及內(nèi)波有效地區(qū)分開(kāi)來(lái)。本發(fā)明首先將待檢查區(qū)域的圖像分割成多個(gè)較小的子圖像；然后在子圖像內(nèi)，光照情況基本相同，采用固定的閾值將海平面背景與條狀云及條帶狀噪聲進(jìn)行分割。而針對(duì)不同的子圖像，采用自適應(yīng)的方法調(diào)整閾值；最后將條帶狀噪聲和條狀云的像素灰度值由海平面背景的灰度值代替，這樣將條帶狀噪聲和條狀云部分與海平面背景融為一體，以消除它們對(duì)內(nèi)波檢測(cè)所造成的干擾。將大圖分割成大小不同的子圖的多次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在250m分辨率的MODIS遙感影像中，如果子圖分割過(guò)大，當(dāng)然內(nèi)波信息很完整，但算法執(zhí)行的時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)，而且在較大的子圖中，由于光照等條件的不同，對(duì)子圖進(jìn)行條狀云與條帶噪聲過(guò)濾的閾值就非常難以確定，不利于條帶噪聲和條狀云的濾除；如果子圖分割過(guò)小，則子圖中含有的內(nèi)波信息不完整，而如果將大圖分割為UU 500像素的子圖，則對(duì)于閾值的選擇較為有利，而且該子圖的大小對(duì)于進(jìn)一步的提取內(nèi)波的紋理特征也非常有利。此時(shí)閾值可以由子圖像素灰度的平 均值來(lái)確定。四、依次對(duì)每個(gè)子圖進(jìn)行如下操作
采用圖像處理技術(shù)中常規(guī)的方法可求出各個(gè)子圖的灰度平均值a。
對(duì)2000多幅300 300像素的子圖的多次實(shí)驗(yàn)，找到將MODIS內(nèi)波影像中背景與云區(qū)分開(kāi)的閾值。選取閾值4=0-10 ,小于閾值巧的像素為云或者條帶狀噪聲的像素，大于閾值巧的像素則為海平面或者海洋內(nèi)波的像素。在小于閾值^的被檢測(cè)的像素點(diǎn)周?chē)?，選取IOX 10的區(qū)域隨機(jī)地進(jìn)行探測(cè)，如果
探測(cè)到的像素點(diǎn)的灰度值大于閾值A(chǔ) + W，則由探測(cè)點(diǎn)的灰度值代替被檢測(cè)像素點(diǎn)灰度值。為避免在大塊云的附近(大于10X10)隨機(jī)探測(cè)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，給定探測(cè)次數(shù)的上限，如果達(dá)到上限，則直接由背景值％ = + 5取代該被檢測(cè)點(diǎn)像素的值。本發(fā)明提出的MODIS遙感影像中海面條帶噪聲和條狀云的過(guò)濾方法，是針對(duì)同一地區(qū)、同一時(shí)段獲取的一幅MODIS遙感影像進(jìn)行條狀云和條帶噪音去除處理的方法。采用將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖均衡化后，將整幅大圖的海平面的區(qū)域分割為多幅300X300的子圖，然后在每一幅子圖內(nèi)，基于圖的灰度的平均值給出分割海面背景和條狀云和條帶噪音的閾值。在此基礎(chǔ)上，將影響MODIS內(nèi)波檢測(cè)的條狀云和條帶狀噪音進(jìn)行有效的濾除，同時(shí)保留內(nèi)波的條紋信息。圖5是采用本發(fā)明方法的處理結(jié)果圖，其中圖5a、5b、5c為原始圖像直方圖均衡化后獲得的三幅300 00的子圖，圖5A、5B、5C分別是圖5a、5b、5c經(jīng)過(guò)濾處理之后的結(jié)果圖。
權(quán)利要求
1.一種MODIS遙感影像中海面條帶噪聲和條狀云的過(guò)濾方法，其特征在于包括以下步驟 (1)由HDF文件中讀取同一地區(qū)、同一時(shí)段的一幅MODIS遙感影像的原始圖像； (2)對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理； (3)將直方圖均衡化處理后的圖像分割為300' 300像素的各個(gè)子圖； (4)求出各個(gè)子圖的灰度平均值a； (5)選取閾值A(chǔ)= -10 ,小于閾值^的像素為條狀云或條帶噪聲的像素，大于閾值 的像素則為海平面或海洋內(nèi)波的像素。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾方法，其特征在于步驟(5)中，在小于閾值％的被檢測(cè)的像素點(diǎn)周?chē)x取10X10的區(qū)域隨機(jī)進(jìn)行探測(cè)，若探測(cè)到的像素點(diǎn)的灰度值大于閾值% = fl+10，則由探測(cè)點(diǎn)的灰度值代替被檢測(cè)像素點(diǎn)灰度值；探測(cè)次數(shù)的上限1000次，若探測(cè)次數(shù)達(dá)到上限,則由值％ = a+ 5代替被檢測(cè)像素點(diǎn)灰度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾方法，其特征在于步驟(I)中，原始圖像的分辨率是250mo
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾方法，其特征在于步驟(2)中，直方圖均衡化后的圖像灰度級(jí)為64。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾方法，其特征在于步驟(3)中，子圖的個(gè)數(shù)大于2000。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種MODIS遙感影像中海面條帶噪聲和條狀云的過(guò)濾方法，由HDF文件中讀取同一地區(qū)、同一時(shí)段的一幅MODIS遙感影像的原始圖像；對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理；將直方圖均衡化處理后的圖像分割為300300像素的各個(gè)子圖；求出各個(gè)子圖的灰度平均值；選取閾值，小于閾值的像素為條狀云或條帶噪聲的像素，大于閾值的像素則為海平面或海洋內(nèi)波的像素；能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)某一地區(qū)某一時(shí)段的MODIS影像中海平面的條狀云和條帶狀噪音進(jìn)行有效的濾除，同時(shí)有效保留MODIS影像中海洋內(nèi)波的基本信息，方法簡(jiǎn)單，處理效率高。
文檔編號(hào)G06T5/20GK102750683SQ201210200149
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者姜忠義, 康慧燕, 江興方, 陳芳芳 申請(qǐng)人:常州大學(xué)