專利名稱：基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，特別是利用計(jì)算機(jī)虛擬構(gòu)基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬的方法。
背景技術(shù)：
因水下地形對聲納直射聲波的遮擋和屏蔽，與廣闊的水下水平地面相比自然地表上的聲納直射聲波照度分布受水下地形影響將發(fā)生變化，從而改變了水下地物遙感信息，影響了聲納遙感數(shù)字圖象的質(zhì)量和定量研究，應(yīng)用的精度。水下地形對聲納遙感圖象的影響和水下山體陰影、水體背景陰影的消除，一直都是聲納遙感數(shù)字圖象處理與應(yīng)用的難題?，F(xiàn)有聲納遙感數(shù)字圖象處理與應(yīng)用技術(shù)，都沒有從根本上解決這一問題。本項(xiàng)發(fā)明在GIS支持下，通過計(jì)算機(jī)虛擬構(gòu)基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬的方法從理論和實(shí)踐上較好地解決了這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)中存在的難題提供一種基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬，其特征在于首先，在地理信息系統(tǒng)的支持下，虛擬不同的聲納位置參數(shù)和利用數(shù)字地形圖以及數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的地理坐標(biāo)，由計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)，最后將獲得的各點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬聲納直射聲波分布圖，所述的聲納位置參數(shù)是指聲納的高度角和方位角；所述的數(shù)字地形圖是指聲納遙感圖片遙測數(shù)字地形圖配準(zhǔn)的數(shù)字地面模型；所述的各點(diǎn)的地理坐標(biāo)是指數(shù)字地形圖上各點(diǎn)相應(yīng)的經(jīng)緯度。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、分別進(jìn)行水下地形變換，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)上最后完成基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬。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；其具體操作步驟如下(1)、輸入研究地區(qū)數(shù)字地形圖，配準(zhǔn)研究地區(qū)的聲納遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖，并分成網(wǎng)格；(2)、逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的聲納高度角、方位角；(3)、計(jì)算模擬數(shù)字地形圖上水下山體與云層陰影的判斷；(4)、虛擬計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的地面聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)；(5)、水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)生成與可視化。
上述步驟(1)是在地理信息系統(tǒng)的支持下，虛擬不同的聲納位置參數(shù)(聲納高度、聲納方位角)和利用數(shù)字地形圖(數(shù)字地面模型)以及各點(diǎn)的地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)，計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)，最后將獲得的各點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬聲納直射聲波分布圖。
上述的計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的虛擬聲納高度角、方位角按下式進(jìn)行計(jì)算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j)) (1)A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ) (2)δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA) (3)t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ (4)θ，A、δ聲納遙感圖片注記中聲納下點(diǎn)聲納高度角、方位角和聲納赤角；λ、φ分別為聲納下點(diǎn)地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點(diǎn)對聲納下點(diǎn)的經(jīng)度增量。
上述的模擬數(shù)字地形圖上水下山體與水體背景陰影的判斷；是利用與聲納遙感數(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(diǎn)的最大地形、水體背景、高度角等于或者大于該像元點(diǎn)的聲納高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點(diǎn)為陰影；反之則不是陰影。
上所述的虛擬計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)水下地面(坡面)聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)；包括對于數(shù)字地形圖上陰影和非陰影的點(diǎn)，分別計(jì)算其虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)。
(1)數(shù)字地形圖上陰影中的點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)的計(jì)算因?yàn)閿?shù)字地形圖上陰影中的點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波照度為0，因此虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)Fij＝0(2)數(shù)字地形圖上非陰影的點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)計(jì)算數(shù)字地形圖上非陰影點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)計(jì)算，如下Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωijωij＝ALij-Aij(5)其中，像元水下地面聲納高度θij、方位角ALij由虛擬聲納遙感圖片注記給出，像元水下地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由虛擬聲納遙感圖片對應(yīng)數(shù)字地形圖生成的數(shù)字地面模型DTM給出，ωij代表聲納方位角與水下地面坡向之夾角。
上述的再對水下起伏地面上虛擬聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)生成與可視化。是將獲得的各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)按原來行列順序排列并逐點(diǎn)實(shí)施線性拉伸計(jì)算，實(shí)現(xiàn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射歸一化系數(shù)的成圖和可視化。
GNij＝INT(Fij×MAX(DN)/F)+0.5)；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N(6)F＝INT(MAX((Fij))；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N)(7)DN圖像亮度值；MAX(DN)＝2K＝-1為最大亮度值.M、N分別為圖像的最大縱橫像元數(shù)。
本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)與積極效果根據(jù)本發(fā)明方法所生成地聲納直射聲波分布圖，表達(dá)了水下地形影響下水下自然地面各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波相對照度計(jì)算機(jī)生成的虛擬聲納直射聲波分布?xì)w一化圖像定量、直觀、可視地反映了虛擬聲納直射聲波照度在水下自然地表的相對分布；本發(fā)明方法在聲納遙感圖像的聲納直射聲波的水下地形影響修正、雷達(dá)探測效果的數(shù)字仿真，聲納遙感數(shù)字圖像的計(jì)算機(jī)仿真和虛擬，暈染地圖的計(jì)算機(jī)制作，聲納遙感圖片上水下地形陰影的自動(dòng)判別以及水下地面自然聲波輻射的再分配研究，水下聲納位置的規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面均有重要作用。


圖1為本發(fā)明基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬流程圖。
圖2為青島渤海灣1∶10萬數(shù)字地形圖(1024×1024)；圖3為真實(shí)聲納直射聲波水下地形分布變換系數(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(shí)歸一化(水下水平地面上聲納直射聲波輻射照度為1)分布圖像。
圖4為虛擬聲納直射聲波水下地形分布變換系數(shù)的線性拉伸。表達(dá)成像瞬間虛擬聲納直射聲波輻射在起伏地面上的歸一化(水下水平地面上聲納直射聲波輻射照度為1)分布圖像。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本例為青島渤海灣1∶10萬數(shù)字地形圖(1024×1024)以基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬。
參見圖2，其出示了本實(shí)施所要研究地區(qū)，即中國青島渤海灣1∶10萬數(shù)字地形圖(1024×1024)。
參見圖3，其出示了中國青島渤海灣聲納直射聲波水下地形分布圖像(1024×1024，聲納方向東南)。
請參閱圖1，它是本發(fā)明基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬流程圖，在GIS中，運(yùn)行步驟如下步驟1.開始，啟動(dòng)程序，先按常規(guī)操作，輸入研究地區(qū)數(shù)字地形圖，配準(zhǔn)研究地區(qū)的聲納遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖，并分成網(wǎng)格。
步驟2.選取數(shù)字地形圖上第一點(diǎn)(即第一網(wǎng)格)，在數(shù)字地行圖上虛擬該點(diǎn)的聲納高度角、方位角按下式進(jìn)行計(jì)算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j)) (1)A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ) (2)δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA) (3)t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ(4)θ，A、δ聲納遙感圖片注記中聲納下點(diǎn)聲納高度角、方位角和聲納赤角；λ、φ分別為聲納下點(diǎn)地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點(diǎn)對聲納下點(diǎn)的經(jīng)度增量。
步驟3.計(jì)算機(jī)模擬數(shù)字地形圖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(diǎn)的最大地形、水體背景、高度角等于或者大于該像元點(diǎn)的聲納高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點(diǎn)為陰影；反之則不是陰影。
步驟4.虛擬計(jì)算數(shù)字地形圖上點(diǎn)的地面(坡面)聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)對于數(shù)字地形圖上陰影和非陰影的點(diǎn)，分別計(jì)算其虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)。
(1).數(shù)字地形圖上陰影中的點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)的計(jì)算因?yàn)閿?shù)字地形圖上陰影中的點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波照度為0，因此虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)Fij＝0；(2).數(shù)字地形圖上非陰影的點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)計(jì)算數(shù)字地形圖上非陰影點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)計(jì)算，如下Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωijωij＝ALij-Aij(5)像元水下地面聲納高度θij、方位角ALij由虛擬聲納遙感圖片注記給出，像元水下地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由虛擬聲納遙感圖片對應(yīng)DTM(數(shù)字地形圖生成的數(shù)字地面模型)給出，ωij代表聲納方位角與水下地面坡向之夾角。
步驟5.判斷數(shù)字地形圖上所有點(diǎn)是否計(jì)算完畢，若未完成，執(zhí)行‘下一個(gè)點(diǎn)’，返回執(zhí)行步驟2；否則執(zhí)行步驟6。
步驟6.水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)生成與可視化。將獲得的各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)按原來行列順序排列并逐點(diǎn)實(shí)施線性拉伸計(jì)算，實(shí)現(xiàn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射歸一化系數(shù)的成圖和可視化。如圖4所示，其中，GNij＝INT(Fij×MAX(DN)/F)+0.5)；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N (6)F＝INT(MAX((Fij))；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N) (7)其中DN為圖像亮度值；MAX(DN)＝2K＝-1為最大亮度值.M、N分別為圖像的最大縱橫像元數(shù)。
步驟7.輸出相關(guān)圖像，程序執(zhí)行完畢。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬，其特征在于首先，在地理信息系統(tǒng)的支持下，虛擬不同的聲納位置參數(shù)和利用數(shù)字地形圖以及數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的地理坐標(biāo)，由計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)，最后將獲得的各點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬聲納直射聲波分布圖，所述的聲納位置參數(shù)是指聲納的高度角和方位角；所述的數(shù)字地形圖是指聲納遙感圖片遙測的水下數(shù)字地形圖配準(zhǔn)的數(shù)字地面模型；所述的各點(diǎn)的地理坐標(biāo)是指數(shù)字地形圖上各點(diǎn)相應(yīng)的經(jīng)緯度。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、分別進(jìn)行水下地形變換，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)上最后完成基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬；其具體操作步驟如下(1)、輸入研究地區(qū)數(shù)字地形圖，配準(zhǔn)研究地區(qū)的聲納遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖，并分成網(wǎng)格；(2)、逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的聲納高度角、方位角；(3)、計(jì)算模擬數(shù)字地形圖上水下山體與云層陰影的判斷；(4)、虛擬計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的地面聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)；(5)、水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)生成與可視化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬，其特征在于所述的步驟(2)中的計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的虛擬聲納高度角、方位角按下式進(jìn)行計(jì)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(diǎn)聲納高度角、方位角和聲納赤角；λ、φ分別為聲納下點(diǎn)地理經(jīng)緯度，Δλ為像元點(diǎn)對聲納下點(diǎn)的經(jīng)度增量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬，其特征在于所述的步驟(3)中的模擬數(shù)字地型圖上水下山體與水體背景陰影的判斷是利用與聲納遙感數(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(diǎn)的最大水下地形、水體背景、高度角等于或者大于該像元點(diǎn)的聲納高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點(diǎn)為陰影；反之則不是陰影。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬，其特征在于所述的步驟(4)中的虛擬計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)水下地面(坡面)聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)包括對于數(shù)字地形圖上陰影和非陰影的點(diǎn)，分別計(jì)算其虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)(1)數(shù)字地形圖上陰影中的點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)的計(jì)算因?yàn)閿?shù)字地形圖上陰影中的點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波照度為0，因此虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)Fij＝0；(2)數(shù)字地形圖上非陰影的點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)計(jì)算數(shù)字地形圖上非陰影點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)計(jì)算，如下Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij，像元地面聲納高度θij、方位角ALij由虛擬聲納遙感圖片注記給出，像元水下地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由虛擬聲納遙感圖片對應(yīng)數(shù)字地形圖生成的數(shù)字地面模型DTM給出，ωij代表聲納方位角與水下地面坡向之夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬，其特征在于所述的步驟(5)中的水下起伏地面上虛擬聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)生成與可視化是將獲得的各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)按原來行列順序排列并逐點(diǎn)實(shí)施線性拉伸計(jì)算，實(shí)現(xiàn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射歸一化系數(shù)的成圖和可視化；GNij＝INT(Fij×MAX(DN)/F)+0.5)；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N，F(xiàn)＝INT(MAX((Fij))；I＝1、2、3…M；J＝1、2、3…N)，其中DN為圖像亮度值；MAX(DN)＝2K＝-1為最大亮度值。M、N分別為圖像的最大縱橫像元數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬。本方法是首先，在地理信息系統(tǒng)的支持下，虛擬不同的聲納位置參數(shù)和利用數(shù)字地形圖以及數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的地理坐標(biāo)，由計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)計(jì)算數(shù)字地形圖上各點(diǎn)的虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)，最后將獲得的各點(diǎn)虛擬聲納直射聲波水下地形照射系數(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬聲納直射聲波分布圖，所述的聲波位置參數(shù)是指聲納的高度角和方位角；所述的數(shù)字地形圖是指聲納遙感圖片遙測數(shù)字地形圖配準(zhǔn)的數(shù)字地面模型；所述的各點(diǎn)的地理坐標(biāo)是指數(shù)字地形圖上各點(diǎn)相應(yīng)的經(jīng)緯度。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；繼之解析衛(wèi)星遙感數(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、分別進(jìn)行水下地形變換，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)上最后完成基于數(shù)字地面模型的水下起伏地面上聲納直射聲波歸一化分布圖像的計(jì)算機(jī)虛擬。本發(fā)明具有定量、直觀、可視地反映了虛擬聲納直射聲波照度在水下自然地表的相對分布的特點(diǎn)。
文檔編號G01S15/00GK101046887SQ20071003870
公開日2007年10月3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 申請人:上海大學(xué)