CN101046887A - 基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟。本方法是：首先，在地理信息系统的支持下，虚拟不同的声纳位置参数和利用数字地形图以及数字地形图上各点的地理坐标，由计算机逐点计算数字地形图上各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数，最后将获得的各点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数转化为虚拟声纳直射声波分布图，所述的声波位置参数是指声纳的高度角和方位角；所述的数字地形图是指声纳遥感图片遥测数字地形图配准的数字地面模型；所述的各点的地理坐标是指数字地形图上各点相应的经纬度。建立声纳遥感信息与水下地形、声纳直射声波和水体散射声波之间定量关系的数理模型；继之解析卫星遥感数字图像：生成声纳直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水下地形变换，消除水下起伏地形上的辐射差异以及这种差异对声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除声纳遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟。本发明具有定量、直观、可视地反映了虚拟声纳直射声波照度在水下自然地表的相对分布的特点。

Description

基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟

技术领域

本发明涉及一种遥感与地理信息系统技术，特别是利用计算机虚拟构基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟的方法。

背景技术

因水下地形对声纳直射声波的遮挡和屏蔽，与广阔的水下水平地面相比自然地表上的声纳直射声波照度分布受水下地形影响将发生变化，从而改变了水下地物遥感信息，影响了声纳遥感数字图象的质量和定量研究，应用的精度。水下地形对声纳遥感图象的影响和水下山体阴影、水体背景阴影的消除，一直都是声纳遥感数字图象处理与应用的难题。现有声纳遥感数字图象处理与应用技术，都没有从根本上解决这一问题。本项发明在GIS支持下，通过计算机虚拟构基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟的方法从理论和实践上较好地解决了这一问题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术中存在的难题提供一种基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟。

为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟，其特征在于：

首先，在地理信息系统的支持下，虚拟不同的声纳位置参数和利用数字地形图以及数字地形图上各点的地理坐标，由计算机逐点计算数字地形图上各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数，最后将获得的各点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数转化为虚拟声纳直射声波分布图，所述的声纳位置参数是指声纳的高度角和方位角；所述的数字地形图是指声纳遥感图片遥测数字地形图配准的数字地面模型；所述的各点的地理坐标是指数字地形图上各点相应的经纬度。建立声纳遥感信息与水下地形、声纳直射声波和水体散射声波之间定量关系的数理模型；继之解析声纳遥感数字图像：生成声纳直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水下地形变换，消除水下起伏地形上的辐射差异以及这种差异对声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除声纳遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟。本发明的理论、方法具有原创性、开拓性，可广泛应用于声纳遥感技术的定量研究和应用；

其具体操作步骤如下：

(1)、输入研究地区数字地形图，配准研究地区的声纳遥感数字图像与数字地形图，并分成网格；

(2)、逐点计算数字地形图上各点的声纳高度角、方位角；

(3)、计算模拟数字地形图上水下山体与云层阴影的判断；

(4)、虚拟计算数字地形图上各点的地面声纳直射声波水下地形照射系数；

(5)、水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机生成与可视化。

上述步骤(1)是：在地理信息系统的支持下，虚拟不同的声纳位置参数(声纳高度、声纳方位角)和利用数字地形图(数字地面模型)以及各点的地理坐标(经纬度)，计算机逐点计算数字地形图上各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数，最后将获得的各点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数转化为虚拟声纳直射声波分布图。

上述的计算机逐点计算数字地形图上各点的虚拟声纳高度角、方位角按下式进行计算：

     θ_ij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))                 (1)

     A(i，j)＝arcsin(sinθ_ij*sinφ-sinδ)/cosθ_ij*cosφ)              (2)

     δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)                         (3)

     t＝arcsin(cosθ_ij*sinA/cosδ)+Δλ                               (4)

θ，A、δ：声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角、方位角和声纳赤角；λ、φ：分别为声纳下点地理经纬度。Δλ为像元点对声纳下点的经度增量。

上述的模拟数字地形图上水下山体与水体背景阴影的判断；是利用与声纳遥感数字图像配准的数字地形图和声纳遥感图片像元的声纳的位置参数，即高度角、方位角，进行水下山体与水体背景阴影的判断，其判断的准则是：在声纳照射方向该像元点的最大地形、水体背景、高度角等于或者大于该像元点的声纳高度角即：DH(i，j)≥θ_ij，则该像元点为阴影；反之则不是阴影。

上所述的虚拟计算数字地形图上各点水下地面(坡面)声纳直射声波水下地形照射系数；包括对于数字地形图上阴影和非阴影的点，分别计算其虚拟声纳直射声波水下地形照射系数。

(1)数字地形图上阴影中的点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数的计算：

因为数字地形图上阴影中的点的虚拟声纳直射声波照度为0，因此虚拟声纳直射声波水下地形照射系数：F_ij＝0

(2)数字地形图上非阴影的点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数计算：

数字地形图上非阴影点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数计算，如下：

      F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij            ω_ij＝AL_ij-A_ij  (5)

其中，像元水下地面声纳高度θ_ij、方位角AL_ij由虚拟声纳遥感图片注记给出，像元水下地面坡度α_ij、坡向A_ij以及像元经、纬度由虚拟声纳遥感图片对应数字地形图生成的数字地面模型DTM给出，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

上述的再对水下起伏地面上虚拟声纳直射声波归一化分布图像的计算机生成与可视化。是将获得的各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数按原来行列顺序排列并逐点实施线性拉伸计算，实现虚拟声纳直射声波水下地形照射归一化系数的成图和可视化。

GN_ij＝INT(F_ij×MAX(DN)/F)+0.5)；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N    (6)

F＝INT(MAX((F_ij))；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N)                (7)

DN：图像亮度值；MAX(DN)＝2^K＝-1为最大亮度值.M、N分别为图像的最大纵横像元数。

本项发明与现有技术相比所具有的优点与积极效果

根据本发明方法所生成地声纳直射声波分布图，表达了水下地形影响下水下自然地面各点的虚拟声纳直射声波相对照度：计算机生成的虚拟声纳直射声波分布归一化图像定量、直观、可视地反映了虚拟声纳直射声波照度在水下自然地表的相对分布；本发明方法在声纳遥感图像的声纳直射声波的水下地形影响修正、雷达探测效果的数字仿真，声纳遥感数字图像的计算机仿真和虚拟，晕染地图的计算机制作，声纳遥感图片上水下地形阴影的自动判别以及水下地面自然声波辐射的再分配研究，水下声纳位置的规划设计等方面均有重要作用。

附图说明

图1为本发明基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟流程图。

图2为青岛渤海湾1∶10万数字地形图(1024×1024)；

图3为真实声纳直射声波水下地形分布变换系数的线性拉伸。表达成像瞬间声纳直射声波辐射在水下起伏地面上的真实归一化(水下水平地面上声纳直射声波辐射照度为1)分布图像。

图4为虚拟声纳直射声波水下地形分布变换系数的线性拉伸。表达成像瞬间虚拟声纳直射声波辐射在起伏地面上的归一化(水下水平地面上声纳直射声波辐射照度为1)分布图像。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详细说明如下：

本例为青岛渤海湾1∶10万数字地形图(1024×1024)以基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟。

参见图2，其出示了本实施所要研究地区，即中国青岛渤海湾1∶10万数字地形图(1024×1024)。

参见图3，其出示了中国青岛渤海湾声纳直射声波水下地形分布图像(1024×1024，声纳方向东南)。

请参阅图1，它是本发明基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟流程图，在GIS中，运行步骤如下：

步骤1.开始，启动程序，先按常规操作，输入研究地区数字地形图，配准研究地区的声纳遥感数字图像与数字地形图，并分成网格。

步骤2.选取数字地形图上第一点(即第一网格)，在数字地行图上虚拟该点的声纳高度角、方位角：按下式进行计算：

       θ_ij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))              (1)

       A(i，j)＝arcsin(sinθ_ij*sinφ-sinδ)/cosθ_ij*cosφ)           (2)

       δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)                      (3)

       t＝arcsin(cosθ_ij*sinA/cosδ)+Δλ                            (4)

θ，A、δ：声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角、方位角和声纳赤角；λ、φ：分别为声纳下点地理经纬度。Δλ为像元点对声纳下点的经度增量。

步骤3.计算机模拟数字地形图上水下山体与水体背景阴影的判断：利用与声纳遥感数字图像配准的数字地形图和声纳遥感图片像元的声纳的位置参数，即高度角、方位角，进行水下山体与水体背景阴影的判断，其判断的准则是：在声纳照射方向该像元点的最大地形、水体背景、高度角等于或者大于该像元点的声纳高度角即：DH(i，j)≥θ_ij，则该像元点为阴影；反之则不是阴影。

步骤4.虚拟计算数字地形图上点的地面(坡面)声纳直射声波水下地形照射系数：对于数字地形图上阴影和非阴影的点，分别计算其虚拟声纳直射声波水下地形照射系数。

(1).数字地形图上阴影中的点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数的计算：

因为数字地形图上阴影中的点的虚拟声纳直射声波照度为0，因此虚拟声纳直射声波水下地形照射系数：F_ij＝0；

(2).数字地形图上非阴影的点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数计算：

数字地形图上非阴影点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数计算，如下：

   F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij             ω_ij＝AL_ij-A_ij (5)

像元水下地面声纳高度θ_ij、方位角AL_ij由虚拟声纳遥感图片注记给出，像元水下地面坡度α_ij、坡向A_ij以及像元经、纬度由虚拟声纳遥感图片对应DTM(数字地形图生成的数字地面模型)给出，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

步骤5.判断数字地形图上所有点是否计算完毕，若未完成，执行‘下一个点’，返回执行步骤2；否则执行步骤6。

步骤6.水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机生成与可视化。将获得的各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数按原来行列顺序排列并逐点实施线性拉伸计算，实现虚拟声纳直射声波水下地形照射归一化系数的成图和可视化。如图4所示，其中，

GN_ij＝INT(F_ij×MAX(DN)/F)+0.5)；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N       (6)

F＝INT(MAX((F_ij))；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N)                   (7)

其中DN为图像亮度值；MAX(DN)＝2^K＝-1为最大亮度值.M、N分别为图像的最大纵横像元数。

步骤7.输出相关图像，程序执行完毕。

Claims (5)

1.一种基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟，其特征在于：

首先，在地理信息系统的支持下，虚拟不同的声纳位置参数和利用数字地形图以及数字地形图上各点的地理坐标，由计算机逐点计算数字地形图上各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数，最后将获得的各点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数转化为虚拟声纳直射声波分布图，所述的声纳位置参数是指声纳的高度角和方位角；所述的数字地形图是指声纳遥感图片遥测的水下数字地形图配准的数字地面模型；所述的各点的地理坐标是指数字地形图上各点相应的经纬度。建立声纳遥感信息与水下地形、声纳直射声波和水体散射声波之间定量关系的数理模型；继之解析声纳遥感数字图像：生成声纳直射声波遥感图像和水体散射声波遥感图像、分别进行水下地形变换，消除水下起伏地形上的辐射差异以及这种差异对声纳遥感数字图像的影响；然后判断和消除遥感数字图像的水下山体与水体背景阴影；在此基础上最后完成基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟；

其具体操作步骤如下：

(1)、输入研究地区数字地形图，配准研究地区的声纳遥感数字图像与数字地形图，并分成网格；

(2)、逐点计算数字地形图上各点的声纳高度角、方位角；

(3)、计算模拟数字地形图上水下山体与云层阴影的判断；

(4)、虚拟计算数字地形图上各点的地面声纳直射声波水下地形照射系数；

(5)、水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机生成与可视化。

2.根据权利要求1所述的基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟，其特征在于所述的步骤(2)中的计算机逐点计算数字地形图上各点的虚拟声纳高度角、方位角按下式进行计算：

θ_ij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))，

A(i，j)＝arcsin(sinθ_ij*sinφ-sinδ)/cosθ_ij*cosφ)，

δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)，

t＝arcsin(cosθ_ij*sinA/cosδ)+Δλ，

其中θ，A、δ分别为声纳遥感图片注记中声纳下点声纳高度角、方位角和声纳赤角；λ、φ分别为声纳下点地理经纬度，Δλ为像元点对声纳下点的经度增量。

3.根据权利要求1所述的基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟，其特征在于所述的步骤(3)中的模拟数字地型图上水下山体与水体背景阴影的判断是：利用与声纳遥感数字图像配准的数字地形图和声纳遥感图片像元的声纳的位置参数，即高度角、方位角，进行水下山体与水体背景阴影的判断，其判断的准则是：在声纳照射方向该像元点的最大水下地形、水体背景、高度角等于或者大于该像元点的声纳高度角即：DH(i，j)≥θ_ij，则该像元点为阴影；反之则不是阴影。

4.根据权利要求1所述的基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟，其特征在于所述的步骤(4)中的虚拟计算数字地形图上各点水下地面(坡面)声纳直射声波水下地形照射系数包括对于数字地形图上阴影和非阴影的点，分别计算其虚拟声纳直射声波水下地形照射系数：

(1)数字地形图上阴影中的点虚拟声纳直射声波水下地形照射系数的计算：

因为数字地形图上阴影中的点的虚拟声纳直射声波照度为0，因此虚拟声纳直射声波水下地形照射系数：F_ij＝0；

(2)数字地形图上非阴影的点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数计算：数字地形图上非阴影点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数计算，如下：

         F_ij＝1-tgα_ij·ctgθ_ij·cosω_ij，ω_ij＝AL_ij-A_ij，

像元地面声纳高度θ_ij、方位角AL_ij由虚拟声纳遥感图片注记给出，像元水下地面坡度α_ij、坡向A_ij以及像元经、纬度由虚拟声纳遥感图片对应数字地形图生成的数字地面模型DTM给出，ω_ij代表声纳方位角与水下地面坡向之夹角。

5.根据权利要求1所述的基于数字地面模型的水下起伏地面上声纳直射声波归一化分布图像的计算机虚拟，其特征在于所述的步骤(5)中的水下起伏地面上虚拟声纳直射声波归一化分布图像的计算机生成与可视化是：将获得的各点的虚拟声纳直射声波水下地形照射系数按原来行列顺序排列并逐点实施线性拉伸计算，实现虚拟声纳直射声波水下地形照射归一化系数的成图和可视化；

GN_ij＝INT(F_ij×MAX(DN)/F)+0.5)；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N，

F＝INT(MAX((F_ij))；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N)，

其中DN为图像亮度值；MAX(DN)＝2^K＝-1为最大亮度值。M、N分别为图像的最大纵横像元数。

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