本發(fā)明屬于紅外
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及紋理可見光信息的材質(zhì)溫度場調(diào)制方法，可用于大規(guī)模紅外場景仿真中。
背景技術(shù)：
：紅外成像系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活等特點(diǎn)，越來越受到各國的關(guān)注和倡導(dǎo)。紅外成像系統(tǒng)的研制往往要考慮各種性能指標(biāo)，找到能夠克服時間、環(huán)境、地域的限制，降低成本，縮短周期，同時生成各種環(huán)境下的高真實(shí)感目標(biāo)仿真圖像，成為一個迫切的要求。實(shí)現(xiàn)逼真的紅外場景仿真其關(guān)鍵在于如何生成大規(guī)模、自然的地物背景紅外紋理。而地物背景紅外紋理的真實(shí)性既取決于其紋理細(xì)節(jié)的豐富性，也取決于其溫度細(xì)節(jié)變化的合理性。因此生成高真實(shí)的地物紅外紋理并將其運(yùn)用到三維數(shù)字仿真中具有重要的研究意義。對可見光波段而言，可見光紋理主要反映了物體表面對有限的自然或人工光源，如太陽、環(huán)境光、燈、火等所發(fā)出的可見光輻射進(jìn)行反射、折射或透射的物理過程。通常表面對環(huán)境與強(qiáng)光的反射構(gòu)成了可見光紋理的主要細(xì)節(jié)特征。而對紅外波段而言，由于任何溫度高于絕對零度的物體都向外界輻射能量，因此紅外紋理所表現(xiàn)的紅外輻射空間分布特征不但應(yīng)反映出物體表面對其它輻射源的紅外光譜反射、透射特征，還應(yīng)反映物體表面自身輻射特征。根據(jù)這一要求，可以將紅外紋理定義為：綜合反映物體表面由熱輻射、反射輻射與透射輻射構(gòu)成的紅外輻射能量場的空間分布特性，其圖像形式表現(xiàn)為不同灰度的空間分布。紅外場景仿真生成紅外紋理的方法主要有：基于實(shí)測紅外圖像生成紅外紋理，基于溫度理論預(yù)測模型來生成大范圍的地物紅外紋理，基于小幅無縫紅外紋理生成大規(guī)模場景紅外紋理和基于可見光信息生成紅外紋理。其中：基于實(shí)測紅外圖像生成地物紅外紋理，由于國內(nèi)紅外遙感平臺尚未成熟，使得實(shí)測圖像較難獲得；而即使具備了獲取紅外圖像的硬件條件，仍存在采集過程工作量龐大、成本高昂，數(shù)據(jù)參數(shù)固化導(dǎo)致應(yīng)用靈活性差等問題。基于溫度理論預(yù)測模型來生成大范圍的地物紅外紋理，是通過給定地物材料的光學(xué)和熱物理參數(shù)、周圍環(huán)境及大氣等條件，采用三維熱節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)來計算大規(guī)模地物表面的溫度分布，這種方法由于對決定物體熱交換的許多熱規(guī)律還沒有充分的認(rèn)識，因此無法建立能完整描述其復(fù)雜分布的、穩(wěn)定的溫度預(yù)測模型。即使基于各種理想假設(shè)建立了簡化的溫度預(yù)測模型，求解與場景規(guī)模成正比的、龐大的熱平衡方程組時，其計算量非常巨大，極為耗時?；谛》鶡o縫紅外紋理生成大規(guī)模場景紅外紋理，是比較成熟的方法，其方法首先依照仿真應(yīng)用對地貌的需求、地貌類型的海拔高度特點(diǎn)等采用人工規(guī)劃的方式來設(shè)計地貌分布，再針對地貌材質(zhì)生成可無縫拼接的小幅紅外紋理，基于循環(huán)紋理映射對相應(yīng)地貌分布區(qū)域進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地物紅外紋理的生成。這種方法流程簡單，易于實(shí)現(xiàn)，因此也被許多成熟的紅外場景仿真商業(yè)軟件，如SE-WORKBENCH-IR、Vega/VegaPrime等支持，在大量的仿真開發(fā)中獲得應(yīng)用。雖然該方法可以仿真出較為真實(shí)的紅外場景，但仍存在以下幾個問題：a)對紋理的循環(huán)映射使得場景細(xì)節(jié)有明顯的周期性重復(fù)；b)人工規(guī)劃材質(zhì)區(qū)域的工作量大，且材質(zhì)區(qū)域邊界平直、生硬；c)通常不能表現(xiàn)出不同地物間因熱量傳遞而存在的溫度平滑過渡。這些不足會導(dǎo)致仿真結(jié)果不夠自然、逼真。針對以上生成紅外紋理方法的不足，國內(nèi)外研究者們提出一種基于來源豐富、采集成本相對較低的可見光圖像轉(zhuǎn)化為紅外圖像的思路。在此思路的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者進(jìn)行了基于可見光信息生成紅外紋理的調(diào)制方法的研究，這種方法首先對可見光遙感圖像進(jìn)行地貌區(qū)域類型分割，并以相應(yīng)的材質(zhì)類型對地貌進(jìn)行標(biāo)志，生成地物材質(zhì)區(qū)域分布圖；然后根地物熱特征預(yù)測模型計算材質(zhì)的宏觀溫度；進(jìn)一步運(yùn)用可見光遙感圖信息，對基本紅外紋理中各材質(zhì)的宏觀溫度進(jìn)行調(diào)制，增強(qiáng)紋理細(xì)節(jié)，最終生成地物紅外紋理。這類方法在溫度細(xì)節(jié)調(diào)制過程中，都是對所有材質(zhì)類型使用一種固定的調(diào)制模型，沒有根據(jù)材質(zhì)類型的不同來選擇相適應(yīng)的調(diào)制模型；且所公開的多種溫度細(xì)節(jié)調(diào)制模型，分別存在調(diào)制算法無物理意義，或物理意義可信性不強(qiáng)，或?qū)Σ馁|(zhì)類型適用性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。例如，江照意在2007年的“典型目標(biāo)場景的紅外成像仿真研究”論文中，提出基于可見光紋理人工選定純種材料顏色值，然后利用當(dāng)前像素與純種材料的高斯距離、發(fā)射、反射權(quán)重來調(diào)制紅外紋理細(xì)節(jié)，但這一調(diào)制模型是基于經(jīng)驗(yàn)提出的，未從理論角度論證和檢驗(yàn)其可信性；且是對所有材質(zhì)類型都采用此一調(diào)制方法，并不適用與表面粗糙、陰影區(qū)域較多的材質(zhì)。趙燦在2010年的“面向OGRE的紅外紋理設(shè)計與生成方法研究”論文中，提出通過可見光紋理的平均灰度、灰度變化和紅外紋理的平均溫度、溫度變化建立映射關(guān)系來調(diào)制紅外紋理溫度細(xì)節(jié)，但其方法中的灰度-溫度映射是基于經(jīng)驗(yàn)的，未從理論角度論證和檢驗(yàn)其可信性；并且也存在多種紋理都是一種調(diào)制模型的適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。郜龍浩在2013年的“地面背景紅外紋理生成及在場景仿真中的應(yīng)用”論文中，提出通過遙感圖像中的高度、顏色參數(shù)等可見光信息與環(huán)境參數(shù)調(diào)制生成紅外紋理，但未完整建立其調(diào)制方法的物理意義，且調(diào)制模型單一。黃曦在2014年發(fā)表的博士論文“高真實(shí)感紅外場景實(shí)時仿真技術(shù)研究”是利用遙感圖像中材質(zhì)的可見光光學(xué)屬性變化、地物海拔變化、相鄰區(qū)域熱傳遞方面等可見光信息調(diào)制生成紅外紋理，這種方法有一定的物理依據(jù)，但在調(diào)制過程中未區(qū)分材質(zhì)種類，調(diào)制模式單一，不適用粗糙表面材質(zhì)的調(diào)制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種基于可見光信息的紅外紋理溫度場調(diào)制方法，根據(jù)不同材質(zhì)的特點(diǎn)來選擇合適的溫度場調(diào)制方法，以提高調(diào)制過程的物理可信性。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一.技術(shù)原理可見光遙感圖像綜合反映了在可見光波段下地物對太陽光和環(huán)境光的反射、吸收和透射作用。由于地物表面所接收的環(huán)境光通常差異不大，且與太陽光相比其能量要小得多，因此可以認(rèn)為遙感圖像中同一地物材質(zhì)表面的像素顏色差異，主要反映了該地物材質(zhì)的各局部區(qū)域與太陽輻射相互綜合作用的不同。另外，對位置變化不大的同一地物而言，影響其表面溫度的氣溫、濕度、風(fēng)速等參數(shù)可視為是一致的，因此材質(zhì)表面的溫度細(xì)節(jié)變化也主要是由相應(yīng)材質(zhì)區(qū)域與太陽輻射相互綜合作用的不同造成的。綜上所述，以太陽輻射對材質(zhì)表面的綜合影響為橋梁，可以建立可見光遙感圖像像素顏色差異與材質(zhì)溫度細(xì)節(jié)變化之間的物理關(guān)系。本發(fā)明根據(jù)小尺度下地物材質(zhì)表面與太陽輻射相互綜合作用不同的特點(diǎn)，將地物材質(zhì)劃分為光滑地物材質(zhì)和粗糙地物材質(zhì)兩類。光滑材質(zhì)例如道路，被太陽光勻照射到表面，但由于材質(zhì)表面不同區(qū)域內(nèi)的反射率存在差異，導(dǎo)致其反射的太陽光能量存在差異。這種反射能量差異是光滑材質(zhì)的遙感圖像像素顏色差異的主要原因?；诠饣馁|(zhì)的太陽可見光波段反射量與其表面短波反射率的正相關(guān)關(guān)系，可根據(jù)光滑材質(zhì)紅綠藍(lán)各波段像素灰度值推算出材質(zhì)的可見光反射率。又因?yàn)榉瓷渎屎臀章氏嗉拥扔?，可進(jìn)而由反射率推延到吸收率。再根據(jù)可見光波段吸收率與材質(zhì)溫度之間的相關(guān)性，推導(dǎo)出光滑材質(zhì)溫度場調(diào)制模型。粗糙材質(zhì)例如林冠，其材質(zhì)表面的高低起伏或孔洞會形成大小不一的陰影。當(dāng)粗糙材質(zhì)的某小尺度區(qū)域內(nèi)陰影很小時，該區(qū)域內(nèi)絕大部分表面都直接被太陽照射；當(dāng)區(qū)域內(nèi)陰影很大時，該區(qū)域內(nèi)絕大部分表面都沒有接受太陽照射。與照射面積成正比的太陽照射能量差異是粗糙材質(zhì)的遙感圖像像素顏色差異與材質(zhì)溫度差異的主要原因。從可見光圖像角度來看，材質(zhì)小尺度區(qū)域內(nèi)照射面積越大則受到的可見光輻射越多，所反射的可見光輻射也越多，對應(yīng)的遙感圖像像素灰度值越高。而從熱物理角度來看，太陽照射下的材質(zhì)比陰影下的材質(zhì)吸收更多的短波輻射，表面溫度更高，則材質(zhì)小尺度區(qū)域內(nèi)照射面積越大則高溫面積占比越大，該小尺度區(qū)域的平均溫度也越高。根據(jù)粗糙材質(zhì)的可見光像素灰度與材質(zhì)溫度之間的上述正比關(guān)系，可推導(dǎo)出粗糙材質(zhì)溫度場調(diào)制模型。二.技術(shù)方案根據(jù)上述原理，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：(1)對可見光遙感圖像的地物區(qū)域進(jìn)行K均值圖像分割，得到不同種類標(biāo)簽的二維局部區(qū)域塊；(2)根據(jù)二維局部區(qū)域塊的形狀和顏色特征，找出遙感圖像中對應(yīng)的區(qū)域，確定二維局部區(qū)域塊所屬的地物材質(zhì)類型；(3)將可見光遙感圖像的每個像素灰度值逐一映射到二維局部區(qū)域塊上，并為其所對應(yīng)的材質(zhì)類型依次編號，生成地物材質(zhì)區(qū)域分布圖；(4)根據(jù)地物材質(zhì)區(qū)域分布圖，利用各地物材質(zhì)區(qū)域的熱物理特征預(yù)測模型，計算各地物材質(zhì)區(qū)域的宏觀溫度，根據(jù)得到的各地物材質(zhì)的溫度對材質(zhì)分布區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，生成綜合各種地物材質(zhì)于一體的溫度二維分布圖紋理；(5)根據(jù)得到的地物材質(zhì)區(qū)域分布圖和小尺度下地物材質(zhì)表面與太陽輻射相互綜合作用不同的特點(diǎn)，得到光滑地物材質(zhì)和粗糙地物材質(zhì)；(6)根據(jù)得到的光滑地物材質(zhì)、粗糙地物材質(zhì)和溫度二維分布圖紋理，用光滑材質(zhì)調(diào)制模型調(diào)制光滑地物材質(zhì)類型的溫度分布，用粗糙材質(zhì)調(diào)制模型調(diào)制粗糙地物材質(zhì)類型的溫度分布；(7)將調(diào)制后的光滑地物材質(zhì)溫度分布與粗糙地物材質(zhì)溫度分布進(jìn)行合成，得到一張具有各類地物材質(zhì)的溫度場紋理，即基于可見光信息的紅外紋理溫度場。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明通過對各地物材質(zhì)區(qū)域進(jìn)行光滑材質(zhì)和粗糙材質(zhì)的判別，能夠?qū)崿F(xiàn)對材質(zhì)進(jìn)行分類，以利于實(shí)現(xiàn)對不同材質(zhì)的紅外紋理溫度場的調(diào)制，提高物理可信性；2.本發(fā)明通過用光滑材質(zhì)調(diào)制模型調(diào)制光滑材質(zhì)的各類地物類型的溫度分布，用粗糙材質(zhì)調(diào)制模型調(diào)制粗糙材質(zhì)的各類地物類型的溫度分布，與現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)制方法只能調(diào)制光滑材質(zhì)相比，更好地提高了調(diào)制方法的科學(xué)性，能提供更真實(shí)的紅外紋理溫度場。附圖說明圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)框圖；圖2為本發(fā)明使用的可見光遙感圖；圖3為用本發(fā)明方法分割圖2得到的道路和森林的TIFF圖；圖4為用本發(fā)明方法調(diào)制圖2生成的溫度場紋理；圖5為用現(xiàn)有方法調(diào)制圖2生成的溫度場紋理。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述：參照附圖1，本發(fā)明的具體步驟如下：步驟1：讀入可見光遙感圖。可見光遙感影像是對現(xiàn)實(shí)世界的直接反映，能真實(shí)直觀、自然生動地表現(xiàn)各種自然地貌、景物的分布與細(xì)節(jié)變化，所以基于可見光遙感圖像生成大規(guī)模地物紅外紋理能有效地提高紅外紋理的真實(shí)感。可見光遙感圖像可通過USGS軟件、百度地圖和googleearth等軟件下載得到。本發(fā)明的可見光遙感圖像是從googleearth上下載的西安某地的遙感圖像。本發(fā)明實(shí)施的例子中，輸入的遙感圖像如圖2所示。步驟2：分割遙感圖像。分割遙感圖像的算法有基于閾值的算法、基于邊緣檢測的算法、基于像素分類的算法及基于特定理論的算法等幾類。由于基于像素分類的圖像分割方法其分割結(jié)果較為穩(wěn)定，本發(fā)明使用了該類算法中的K均值聚類分析方法對遙感圖像進(jìn)行地物分類，其分割步驟如下：2a)利用圖2的灰度直方圖分布求出各波峰灰度值，將波峰對應(yīng)的灰度級從大到小排序，選擇前K個灰度級作為樣本向量初值，選定K個聚類中心初始值{C1(l),C2(l),…,Ci(l),…,CK(l)}，其中Ci(l)是經(jīng)l次迭代后的第i個聚類中心值；2b)根據(jù)與聚類中心的灰度大小的相似程度將所有的灰度進(jìn)行總體分類，即按照如下歸類公式將每個灰度劃分到K聚類中心的一個：||X(p)-Cj(l)||<||X(p)-Ci(l)||，條件為：X(p)∈Sj(l)，其中i,j＝1,2,…,K,i≠j，Sj(l)代表第l次迭代時聚類j的樣本，p為向量特征維數(shù)，X(p)為樣本向量，||X(p)-Cj(l)||為每個樣本向量與經(jīng)l次迭代后的第j個聚類中心值的距離，||X(p)-Ci(l)||為每個樣本向量與經(jīng)l次迭代后的第i個聚類中心值的距離，當(dāng)||X(p)-Cj(l)||小于||X(p)-Ci(l)||的歐氏距離時，表示每個樣本向量與經(jīng)l次迭代后第j個聚類中心值的距離是每個樣本向量與這K個聚類中心值的距離的最小值，第l次迭代后，X(p)樣本向量就歸類到Sj(l)中；2c)更新聚類中心值：用步驟2b)中新劃分的各聚類所包含的數(shù)據(jù)重新計算K個聚類中心，當(dāng)新聚類中心到其類別中的各向量的距離加權(quán)和為最小時，生成新的聚類中心樣本Cj(l+1)：其中j＝1,2,…,K，Nj是歸類為Sj的樣本向量的數(shù)量。2d)判定收斂條件：當(dāng)新聚類中心滿足|Cj(l+1)-Cj(l)|≤δ時，認(rèn)為聚類收斂，否則，返回步驟2b)繼續(xù)迭代，其中，δ是聚類中心變化判斷系數(shù)；2e)利用K均值聚類方法將所述圖像分割為道路和森林兩種材質(zhì)類型，再運(yùn)用計算機(jī)自動和人工交互相結(jié)合的處理方法對分割結(jié)果進(jìn)行完善，最終完成對所述遙感圖像中道路和森林的分割，并將分割后的圖像存成TIFF格式，分割后的圖像如圖3所示，其中圖3(a)為分割后的道路材質(zhì)，圖3(b)為分割后的森林材質(zhì)。步驟3：識別地物材質(zhì)類型并生成地物材質(zhì)區(qū)域分布圖。識別地物材質(zhì)類型的方法有灰度共生紋理特征向量方法，基于紋理特征構(gòu)建分類規(guī)則和模糊分類規(guī)則的方法，本發(fā)明是利用基于紋理特征分類的eCognition圖像分析軟件進(jìn)行識別的，其識別步驟如下：(3a)對分割后的每個TIFF圖像中的每個像素點(diǎn)的第一個采樣值進(jìn)行判定，如果采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)是8位16進(jìn)制數(shù)值OXff，則在該像素點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)組位置上賦值8位16進(jìn)制數(shù)值OXff，反之，就在該像素點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)組位置上賦材質(zhì)標(biāo)號值；(3b)如果讀取的是道路的TIFF圖像，則第一個采樣點(diǎn)數(shù)組上賦道路材質(zhì)的編號1，如果讀取的植被的TIFF圖像，則賦值編號數(shù)值2，對兩種材質(zhì)的TIFF圖像依次讀取、判定和賦值后，得到道路和森林的分布結(jié)果。根據(jù)分割結(jié)果，將圖2遙感圖像的每個像素灰度值逐一映射為材質(zhì)所對應(yīng)的材質(zhì)類型編號，即可生成地物材質(zhì)區(qū)域分布圖；步驟4：計算各地物材質(zhì)的宏觀溫度并生成溫度二維分布圖紋理：不同地物材質(zhì)的溫度特征不僅與物體自身材料、結(jié)構(gòu)、熱特性參量有關(guān)，還與大氣、物體周圍環(huán)境及過去的熱狀態(tài)有關(guān)。針對不同地物材質(zhì)建立相應(yīng)的熱預(yù)測模型，計算綜合作用下地物材質(zhì)隨時間變化的宏觀溫度，可為地物紅外紋理的生成提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其生成溫度二維分布圖紋理的步驟如下：4a)計算道路材質(zhì)的宏觀溫度T0'(t)和森林材質(zhì)的宏觀溫度T0"(t)：4a1)對大規(guī)模地物，為簡化其熱計算復(fù)雜度，可將其近似為長度、寬度無邊界，厚度有限的一維導(dǎo)熱材質(zhì)來處理，使熱傳導(dǎo)僅在厚度方向發(fā)生，材質(zhì)不同深度的溫度隨時間變化服從一維導(dǎo)熱微分方程：其中，T為絕對溫度；t為時間；λg為介質(zhì)導(dǎo)熱率；C為介質(zhì)熱容量；ρm為材料密度；Z為深度坐標(biāo)。4a2)根據(jù)地物溫度分布特點(diǎn)，確定一維導(dǎo)熱方程的上邊界條件地表服從熱平衡方程，通過實(shí)測和經(jīng)驗(yàn)值獲得其下邊界條件溫度Th；4a3)確定滿足一維導(dǎo)熱方程的上邊界條件溫度T0的熱平衡方程：上邊界的熱量交換主要是：物體自身熱輻射、吸收的太陽與大氣背景輻射、地表與大氣間的顯熱交換和潛熱交換、向下層傳導(dǎo)的熱量；所述熱量交換可用熱平衡方程表述，該熱平衡方程為:αsEsun+εlEsky-Mg-Hg-LEg-Gh＝0其中αsEsun項(xiàng)是吸收的太陽短波輻射，εlEsky項(xiàng)是吸收的大氣長波輻射，Mg是地表熱輻射，Hg是地表與大氣的顯熱交換通量，LEg是地表與大氣的潛熱交換通量，Gh是地表對下層的熱傳導(dǎo)項(xiàng)，αs是地表短波吸收率，εl是地表長波發(fā)射率。所述地表熱輻射Mg，可通過斯蒂芬-波爾茲曼公式Mg＝εgσT04計算得到，其中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；εg為物體表面全波段發(fā)射率，T0為滿足一維導(dǎo)熱方程上邊界條件的溫度。所述顯熱交換通量Hg，可通過顯熱交換公式計算得到，其中，ρa(bǔ)為近地面空氣密度，CP為空氣定壓比熱，ra為空氣動力學(xué)阻力；Ta為參考高度處大氣溫度。所述地表與大氣的潛熱交換通量LEg，可通過潛熱交換通量公式計算得到，其中，γ為干濕表常數(shù)；es(T0)為上邊界條件溫度為T0時的飽和水汽壓；ea為近地面空氣水汽壓。所述地表對下層的熱傳導(dǎo)項(xiàng)Gh，可通過地表的熱傳導(dǎo)公式計算得到。4a4)計算道路材質(zhì)的宏觀溫度T0'(t)：通過紅外材質(zhì)數(shù)據(jù)庫找出道路材質(zhì)短波吸收率、長波發(fā)射率、介質(zhì)熱容量、導(dǎo)熱率、含水因子、水?dāng)U散率、介質(zhì)結(jié)構(gòu)等熱物理特征參量，并通過測量和經(jīng)驗(yàn)獲取其材質(zhì)的氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度和大氣輻射等環(huán)境因素，代入步驟4a3)確定的熱平衡方程中，得到道路材質(zhì)的上邊界條件Ts，并通過實(shí)際測量得到道路材質(zhì)的下邊界條件溫度Th'。將道路材質(zhì)的上邊界條件Ts和下邊界條件Th'代入步驟4a1)確定的一維導(dǎo)熱方程中，得到道路地物材質(zhì)的宏觀溫度T0'(t)。4a5)計算森林地物材質(zhì)的宏觀溫度T0"(t)：通過紅外材質(zhì)數(shù)據(jù)庫找出森林材質(zhì)短波吸收率、長波發(fā)射率、介質(zhì)熱容量、導(dǎo)熱率、含水因子、水?dāng)U散率、介質(zhì)結(jié)構(gòu)等熱物理特征參量，并通過測量和經(jīng)驗(yàn)獲取其材質(zhì)的氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度和大氣輻射等環(huán)境因素，代入步驟4a3)確定的熱平衡方程得到森林材質(zhì)的上邊界條件Ts'；通過實(shí)際測量得到森林材質(zhì)的下邊界條件溫度Th"。將森林材質(zhì)的上邊界條件Ts'和下邊界條件Th"代入步驟4a1)確定的一維導(dǎo)熱方程中，得到森林地物材質(zhì)的宏觀溫度T0"(t)。4b)生成溫度二維分布圖紋理在道路地物材質(zhì)分布區(qū)域設(shè)置道路材質(zhì)宏觀溫度T0'(t)，在森林地物材質(zhì)分布區(qū)域設(shè)置森林材質(zhì)的宏觀溫度T0"(t)，即可生成綜合道路材質(zhì)與森林材質(zhì)為一體的溫度二維分布圖紋理。步驟5：判讀地物材質(zhì)類型根據(jù)小尺度下地物材質(zhì)表面與太陽輻射相互綜合作用的不同特點(diǎn)，得到光滑地物材質(zhì)和粗糙地物材質(zhì)對應(yīng)關(guān)系表，再由識別出的地物材質(zhì)類型，查詢地物材質(zhì)類型；其中光滑地物材質(zhì)和粗糙地物材質(zhì)對應(yīng)關(guān)系如表1所示：光滑材質(zhì)粗糙材質(zhì)道路林冠跑道草地硬實(shí)的土壤農(nóng)田平坦的沙灘崎嶇的山體玻璃森林由步驟3b)識別確定出的道路和森林材質(zhì)，再通過表1查詢得道路地物材質(zhì)為光滑材質(zhì)；森林地物材質(zhì)為粗糙材質(zhì)。步驟6：計算道路材質(zhì)調(diào)制后的溫度T1(t)。光滑材質(zhì)遙感圖像中的每個像素點(diǎn)中對應(yīng)的材質(zhì)區(qū)域受太陽均勻照射在表面，可見光波段表征出來的能量差異是材質(zhì)區(qū)域的反射率不同造成的。材質(zhì)像素點(diǎn)的灰度值越高，對應(yīng)該材質(zhì)區(qū)域的反射率越高，吸收率越低，溫度越低。根據(jù)光滑材質(zhì)的灰度與溫度的相關(guān)特性，按如下步驟計算道路材質(zhì)調(diào)制后的溫度T1(t)：6a)推導(dǎo)光滑材質(zhì)的可見光吸收率αν：由于光滑材質(zhì)的反射量與其表面反射率呈正相關(guān)，故可根據(jù)光滑材質(zhì)紅綠藍(lán)各波段像素灰度值推算出材質(zhì)的可見光反射率，又因?yàn)榉瓷渎屎臀章氏嗉拥扔?，進(jìn)而由反射率推延到吸收率，具體方法如下：根據(jù)可見光能量傳輸與傳感器成像模型，將各波段傳感器像素灰度值Gn表示為：Gn＝anRnρnEsun_n+bn其中n＝r,g,b，an是傳感器增益，bn是傳感器偏置，ρn是相應(yīng)波段的反射率，Esun_n是相應(yīng)波段的太陽輻射，ar≈ag≈ab＝a，br≈bg≈bb＝0；根據(jù)反射率ρn＝1時，灰度Gn＝Gmax＝255，得出光滑材質(zhì)紅綠藍(lán)波段的反射率ρn為：即根據(jù)光滑材質(zhì)的反射量與反射率成正比的特性，計算光滑材質(zhì)可見光的反射率ρv為：其中，系數(shù)cr,cg,cb分別是紅、綠、藍(lán)波段太陽輻射占可見光波段太陽輻射的比例，cr,cg,cb分別取為0.34、0.36、0.3；Esun_r為0.63～0.69μm波段對應(yīng)的太陽輻射照度，Esun_g為0.52～0.60μm波段對應(yīng)的太陽輻射照度，Esun_b為0.45～0.52μm波段對應(yīng)的太陽輻射照度，Esun是太陽輻射總照度；將代入ρv＝crρr+cgρg+cbρb中，得光滑材質(zhì)可見光的反射率ρv為：根據(jù)基爾霍夫定律，利用得到的光滑材質(zhì)的可見光反射率ρv，得到可見光波段吸收率：6b)建立光滑材質(zhì)調(diào)制模型公式利用熱預(yù)測模型對光滑材質(zhì)的熱屬性參數(shù)敏感度進(jìn)行的模擬與分析，結(jié)果表明，對各種自然的光滑材質(zhì)地物材質(zhì)而言，在有太陽輻射的時段，光滑材質(zhì)地物的短波吸收率αs對溫度的影響都較大，αs對溫度的影響近似滿足線性關(guān)系，它們的公式如下:其中，是在t時刻平均短波吸收率為的光滑材質(zhì)溫度預(yù)測值；T(αs,t)是在t時刻短波吸收率為αs的光滑材質(zhì)溫度調(diào)制值；k1(t)是光滑材質(zhì)溫度隨短波吸收率變化的梯度參數(shù)；αs為光滑材質(zhì)短波吸收率；αν為光滑材質(zhì)吸收率；為光滑材質(zhì)平均吸收率；所述的光滑材質(zhì)短波吸收率αs可用αs＝k2αν＝k2(1-ρν)計算得到，其中，k2是將光滑材質(zhì)可見光波段吸收率延拓為短波波段材質(zhì)吸收率的比例因子，范圍為(0,10]。綜上，光滑材質(zhì)的調(diào)制模型公式為：6c)根據(jù)光滑材質(zhì)調(diào)制模型公式，計算道路材質(zhì)調(diào)制后溫度T1(t)：6c1)簡化光滑材質(zhì)調(diào)制模型公式：由于可見光波段0.4～0.76μm范圍內(nèi)的太陽輻射能量約占太陽總能量的46％，因此可以通過可見光波段地物材質(zhì)對太陽輻射來近似地物材質(zhì)對太陽輻射。為簡化計算復(fù)雜度，將在t時刻平均短波吸收率為的光滑材質(zhì)溫度預(yù)測值近似為t時刻光滑材質(zhì)的宏觀溫度T0'(t)，將在t時刻短波吸收率為αs的光滑材質(zhì)溫度調(diào)制值T(αs,t)近似為t時刻光滑材質(zhì)的調(diào)制溫度T1(t)，得到簡化后的光滑材質(zhì)調(diào)制模型公式：6c2)利用簡化后的光滑材質(zhì)調(diào)制模型公式，得到道路材質(zhì)調(diào)制后溫度T1(t)：首先，讀取可見光遙感圖像的道路材質(zhì)區(qū)域?qū)?yīng)的像素點(diǎn)的紅綠藍(lán)顏色分量值Gr、Gg、Gb，并將其代入步驟6a)確定的可見光吸收率公式中，得到道路材質(zhì)每一個像素點(diǎn)的可見光吸收率αν；然后，對得到的道路材質(zhì)每一個像素點(diǎn)的可見光吸收率αν求和并除以道路材質(zhì)總像素個數(shù)M1，得到道路材質(zhì)的平均可見光吸收率最后，將得到的道路材質(zhì)的可見光吸收率αν、平均可見光吸收率和通過步驟4a4)得到的道路材質(zhì)宏觀溫度T0'(t)代入步驟6c1)確定的簡化光滑材質(zhì)溫度場調(diào)制模型中，得到道路材質(zhì)調(diào)制后溫度T1(t)。步驟7：計算森林材質(zhì)調(diào)制后的溫度T2(t)。粗糙材質(zhì)的某小尺度區(qū)域內(nèi)陰影很小時，該區(qū)域內(nèi)絕大部分表面都直接被太陽照射；當(dāng)區(qū)域內(nèi)陰影很大時，該區(qū)域內(nèi)絕大部分表面都沒有接受太陽照射。與照射面積成正比的太陽照射能量差異是粗糙材質(zhì)的遙感圖像像素顏色差異與材質(zhì)溫度差異的主要原因。從可見光圖像角度來看，材質(zhì)小尺度區(qū)域內(nèi)照射面積越大則受到的可見光輻射越多，所反射的可見光輻射也越多，對應(yīng)的遙感圖像像素灰度值越高。而從熱物理角度來看，太陽照射下的材質(zhì)比陰影下的材質(zhì)吸收更多的短波輻射，表面溫度更高，則材質(zhì)小尺度區(qū)域內(nèi)照射面積越大則高溫面積占比越大，該小尺度區(qū)域的平均溫度也越高。根據(jù)粗糙材質(zhì)的可見光像素灰度與材質(zhì)溫度之間的上述正比關(guān)系，可推導(dǎo)出粗糙材質(zhì)溫度場調(diào)制模型。根據(jù)粗糙材質(zhì)的特性，按如下步驟計算森林材質(zhì)調(diào)制后的溫度T2(t)：7a)推算直射比例hν與像素點(diǎn)灰度值的關(guān)系公式：根據(jù)熱平衡方程，可以認(rèn)為可見光圖像上的像素值G與粗糙材質(zhì)的直射比例hν呈線性關(guān)系；用表示粗糙材質(zhì)的平均直射比例，hν為某一像素點(diǎn)處的實(shí)際直射比例，Δhν為hν偏離的量，稱為直射比例的擾動量。則灰度值與直射比例之間的關(guān)系可表示為：其中，灰度值Gc為分割后的遙感圖像中的粗糙材質(zhì)區(qū)域進(jìn)行灰度化得到粗糙材質(zhì)地物類型每一個像素點(diǎn)灰度值；hν為每個像素點(diǎn)接收太陽輻射能量與太陽完全直射像素點(diǎn)的太陽輻射能量的直射比例；Gtotal_in為太陽完全直射像素點(diǎn)時hν為1時像素點(diǎn)的灰度值，它是所調(diào)制的粗糙材質(zhì)的最大灰度值；Gtotal_out為像素點(diǎn)全部處于陰影時hν為0時像素點(diǎn)的灰度值，它是該粗糙材質(zhì)的最小灰度值；式中是將粗糙材質(zhì)的像素點(diǎn)的值壓縮到0～1，式中的范圍將在[-1/2,1/2]內(nèi)，則粗糙材質(zhì)地物類型的直射比例的擾動值在之間，可以通過調(diào)節(jié)kg來改變直射比例的擾動細(xì)節(jié)，kg為調(diào)制比例系數(shù)，kg的范圍為[-10,10]；7b)建立粗糙材質(zhì)調(diào)制模型公式利用熱預(yù)測模型對有粗糙材質(zhì)的熱屬性參數(shù)敏感度進(jìn)行的模擬與分析，結(jié)果表明，對各種自然的有自陰影的地物材質(zhì)而言，在有太陽輻射的時段，粗糙材質(zhì)地物類型的直射比例hv對溫度的影響都較大，hv對溫度的影響近似滿足線性關(guān)系，它們的公式如下:其中，T0"(t)為t時刻粗糙材質(zhì)的宏觀溫度，T2(t)為t時刻粗糙材質(zhì)的調(diào)制后的溫度，k3(t)為材質(zhì)溫度隨直射比例變化的梯度參數(shù)；表示粗糙材質(zhì)的平均直射比例，當(dāng)粗糙材質(zhì)地物類型的直射比例為時，調(diào)制后的溫度仍舊等于宏觀溫度；代入步驟7a)確定的直射比例與灰度值的公式，得到的粗糙材質(zhì)調(diào)制模型公式為：7c)利用粗糙材質(zhì)調(diào)制模型公式，得到森林材質(zhì)調(diào)制后溫度T2(t)：首先，對可見光遙感圖像森林材質(zhì)區(qū)域進(jìn)行灰度化和模糊處理，使其變成灰度圖像，得到森林粗糙材質(zhì)區(qū)域每一個像素點(diǎn)灰度值Gc，并找出材質(zhì)區(qū)域的最大灰度值Gtotal_in和最小灰度值Gtotal_out；然后，通過步驟4a5)得到的森林材質(zhì)宏觀溫度T0"(t)代入步驟7b)確定的粗糙材質(zhì)溫度場調(diào)制模型中，得到森林材質(zhì)調(diào)制后溫度T2(t)。步驟8：根據(jù)得到的道路材質(zhì)調(diào)制后的溫度T1(t)和得到的森林材質(zhì)調(diào)制后的溫度T2(t)，顯示生成的紅外紋理溫度場。在道路材質(zhì)區(qū)域設(shè)置道路材質(zhì)調(diào)制后的溫度T1(t)，在森林材質(zhì)區(qū)域設(shè)置森林材質(zhì)調(diào)制后的溫度T2(t)，生成一張綜合道路材質(zhì)與森林材質(zhì)為一體的調(diào)制后的溫度場T3(t)，即生成一張紅外紋理溫度場；將紅外紋理溫度場映射為0～255個灰度級的灰度圖像進(jìn)行顯示的，計算溫度場T3(t)的各像素點(diǎn)的灰度值公式為：其中，T3(t)x為第x個像素點(diǎn)對應(yīng)的調(diào)制后的溫度值，T3(t)max、T3(t)min分別為整個溫度場的最大、最小溫度值；將得到的紅外紋理溫度場按照計算出的各像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行顯示，結(jié)果如圖4所示。以下結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，對本發(fā)明的效果作進(jìn)一步的說明。1.仿真條件：本發(fā)明實(shí)施實(shí)例采用處理器為InterCorei5-3210M，主頻為2.5GHz，內(nèi)存4GB的硬件測試平臺，32位Windows7操作系統(tǒng)的MatlabR2013a的軟件平臺，采用527*786的可見光遙感圖像如圖2所示。2.仿真內(nèi)容仿真1，用本發(fā)明方法對圖2可見光遙感圖像進(jìn)行分割，得到的道路和森林的TIFF圖，如圖3所示，其中圖3(a)為分割后的道路材質(zhì)，圖3(b)為分割后的森林材質(zhì)；通過本發(fā)明計算出的道路材質(zhì)宏觀溫度和森林材質(zhì)的宏觀溫度，再通過識別判讀材質(zhì)類型，得到道路材質(zhì)為光滑材質(zhì)，森林材質(zhì)為粗糙材質(zhì)；再利用光滑材質(zhì)調(diào)制公式，得到道路材質(zhì)的調(diào)制溫度，利用粗糙材質(zhì)調(diào)制公式，得到森林材質(zhì)的調(diào)制溫度；然后，對分割后的道路材質(zhì)區(qū)域設(shè)置本發(fā)明計算出的道路材質(zhì)的調(diào)制溫度，再對分割后的森林材質(zhì)區(qū)域設(shè)置本發(fā)明計算出的森林材質(zhì)的調(diào)制溫度，生成紅外紋理溫度場如圖4所示。仿真2，用黃曦在2014年發(fā)表的博士論文“高真實(shí)感紅外場景實(shí)時仿真技術(shù)研究”中的調(diào)制模型公式對圖2可見光遙感圖像進(jìn)行分割，并生成紅外紋理溫度場如圖5所示；從圖4可見，利用本發(fā)明生成的溫度場紋理，森林材質(zhì)灰度值越低的區(qū)域，調(diào)制出來的溫度值越小，亮度越低溫度越低，亮度越高溫度越高；道路材質(zhì)灰度值越低的區(qū)域，調(diào)制出來的溫度值越大，亮度越低溫度越高，亮度越高溫度越低；從圖5可見，利用現(xiàn)有的調(diào)制模型利用吸收率與溫度呈正相關(guān)進(jìn)行對宏觀溫度調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后道路材質(zhì)溫度與本發(fā)明調(diào)制后的溫度一致，經(jīng)過調(diào)制后的森林材質(zhì)灰度值越低的區(qū)域，溫度反而越高，與實(shí)際不符。仿真結(jié)果表明，相對于現(xiàn)有的調(diào)制方法，本發(fā)明通過分類出光滑材質(zhì)和粗糙材質(zhì)，再分類調(diào)制出的溫度場更具科學(xué)性和真實(shí)性。當(dāng)前第1頁1 2 3