本發(fā)明涉及垂測電離圖自動度量領(lǐng)域，特別涉及一種基于圖像處理的垂測電離圖E區(qū)描跡自動判讀方法。
背景技術(shù)：
：作為“太陽活動的反光鏡”和“大氣擾動的放大鏡”，電離層研究具有極其重要的學(xué)術(shù)意義和社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前世界各國已經(jīng)有了各種電離層探測方法，其中電離層垂直探測是電離層研究中歷史最悠久、至今仍然廣泛使用的電離層地面常規(guī)探測方法。隨著電離層探測技術(shù)的發(fā)展，探測數(shù)據(jù)量變得非常巨大，并且對探測數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性提出了更高的要求，人工度量電離層參數(shù)的模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在研究工作的實(shí)際需求。國內(nèi)外較多學(xué)者都在進(jìn)行電離圖自動判讀的研究，但由于電離層時(shí)變、色散等特殊性，并受太陽活動和地磁活動等因素的影響，電離圖復(fù)雜多變。至今仍沒有一個完善的方法適應(yīng)復(fù)雜多變的電離圖，電離圖的自動判讀研究還有重要意義。電離圖E區(qū)描跡是由E層、Es層和E2層構(gòu)成。Es層的主要特點(diǎn)是出現(xiàn)沒有規(guī)律性，種類多，描跡還存在不同程度的擴(kuò)散現(xiàn)象。電離圖E區(qū)描跡自動判讀算法是電離圖自動判讀算法中重要的一部分?，F(xiàn)有技術(shù)中，《中國海洋大學(xué)》碩士論文作者：蔣百靈，公開了‘基于圖像處理的電離層垂測電離圖自動度量方法研究’主要有一下幾方面的內(nèi)容：1.在電離圖預(yù)處理環(huán)節(jié)中，基于垂測儀探測原理，將垂測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度圖像；根據(jù)電離層反射回波信號特點(diǎn)，結(jié)合灰度形態(tài)學(xué)操作、鄰域增強(qiáng)以及Otsu自動閾值去噪方法在保持描跡結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征不變的前提下，去除噪聲，得到電離圖二值圖像。2.在電離圖分割環(huán)節(jié)中，針對存在的高頻區(qū)強(qiáng)干擾，基于電離圖描跡的區(qū)域范圍，利用圖像垂直投影積分法實(shí)現(xiàn)有效頻帶分割；結(jié)合電離層的分層結(jié)構(gòu)以及E-F谷區(qū)所在高度范圍，采用分割線定位算法實(shí)現(xiàn)了電離圖E區(qū)、F區(qū)的分割。3.在電離圖識別環(huán)節(jié)中，主要采用圖像處理相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)F區(qū)描跡識別和參數(shù)判讀以及E區(qū)描跡檢測。E區(qū)描跡檢測基于電離圖度量規(guī)則以及對E區(qū)描跡特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合E區(qū)單次反射描跡的高度范圍，利用連通成分標(biāo)記以及圖像水平投影法檢測E區(qū)描跡，為E區(qū)常出現(xiàn)的無描跡狀況下相關(guān)電離層參數(shù)的度量做準(zhǔn)備。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中，還有《中國海洋大學(xué)》碩士論文作者：盧紅光公開了‘基于圖像處理的頻高圖E、Es層描跡自動判讀研究’和《中國海洋大學(xué)》碩士論文作者：徐高峰公開了“基于圖像處理的電離層垂測頻高圖參數(shù)提取方法的研究”。這兩個公開的方法對于E區(qū)描跡的判讀主要思路：(1)通過垂直方向的積分投影方式對圖像中有效頻域進(jìn)行定位，劃分出目標(biāo)圖像區(qū)域，同時(shí)濾除非目標(biāo)區(qū)域的干擾信息。然后結(jié)合電離層頻高圖描跡的分層特征，采用分割線定位法，對E層和F層進(jìn)行分割，為后續(xù)的分層參數(shù)提取提供基礎(chǔ)。(2)對F層中的參數(shù)進(jìn)行提取。本文根據(jù)電離層頻高圖中干擾信號的強(qiáng)度比有用信號強(qiáng)度弱的特點(diǎn)，首先對圖像進(jìn)行了預(yù)處理。通過圖像灰度拉伸、類間方差法和最小值濾波的方式對電離層頻高圖中的椒鹽噪 聲和孤立噪聲點(diǎn)進(jìn)行濾除。然后通過旋轉(zhuǎn)投影積分法和連通分量標(biāo)記法對頻高圖F層的二次反射進(jìn)行去除，有效的提取了F層主描跡分量。最后通過骨架化和限定窗口的方法，結(jié)合最小二乘法擬合的數(shù)學(xué)方法對F層中的參數(shù)進(jìn)行提取。(3)對E層中的參數(shù)進(jìn)行提取。本文首先通過對E層圖像中的描跡進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，修復(fù)描跡中的斷裂點(diǎn)，并且通過濾波的方式對E層圖像中的噪聲點(diǎn)進(jìn)行濾除。然后結(jié)合E層描跡的形狀特征對E層中的Es描跡進(jìn)行識別，最后結(jié)合人工度量的先驗(yàn)知識對E層中的參數(shù)進(jìn)行提取?，F(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，對于存在描跡間斷、F層存在變形的電離圖會出現(xiàn)錯分：沒有涉及E區(qū)描跡的類型識別與度量；對預(yù)處理后的電離圖進(jìn)行E區(qū)描跡檢測，會導(dǎo)致把聚集的噪聲誤認(rèn)為是描跡。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種精確度高的電離圖E區(qū)描跡自動判讀方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了基于圖像處理的垂測電離圖E區(qū)描跡自動判讀方法，所述方法包含以下步驟：a.垂測電離圖E區(qū)F區(qū)分割；b.對E區(qū)候選描跡區(qū)域進(jìn)行檢測；c.非描跡區(qū)域排除；d.基于描跡擴(kuò)散特點(diǎn)將描跡劃分為4類，第一類是擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二類是擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三類是Es層a型、q型、s型，第四類是直線型描跡與s型描跡混合；e.對第三類描跡區(qū)域進(jìn)行合并；f.分別對四類描跡進(jìn)行類型識別與度量；g.獲取E區(qū)參數(shù)；步驟a，垂測電離圖E區(qū)F區(qū)分割。本發(fā)明考慮了中國不同地區(qū)電離圖的多樣性，提出了基于參考區(qū)間內(nèi)零區(qū)個數(shù)的E區(qū)F區(qū)分割方法。具體步驟如下。第一步，對灰度電離圖進(jìn)行二值化預(yù)處理得到二值電離圖。第二步，確定一個包含電離圖各種情況下E區(qū)和F區(qū)分割線的參考區(qū)間?？紤]了中國不同地區(qū)和不同時(shí)段電離圖的多樣性，對大量電離圖F層最低虛高的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定了范圍150km～350km(中國電波傳播研究所數(shù)字垂測儀探測電離圖矩陣的180行到260行)作為參考區(qū)間，并查找參考區(qū)間內(nèi)零區(qū)個數(shù)。第三步，基于第二步結(jié)果，如果參考區(qū)間內(nèi)無零區(qū)，取參考區(qū)間水平積分最小值對應(yīng)的行作為分割線。第四步，基于第二步結(jié)果，如果參考區(qū)間內(nèi)只有一個零區(qū)，取零區(qū)的中線作為分割線。第五步，基于第二步結(jié)果，如果參考區(qū)間內(nèi)存在多個零區(qū)的情況，采用基于非零區(qū)投影值和零區(qū)寬度值的最優(yōu)零區(qū)查找方法：首先，查找參考區(qū)間內(nèi)零區(qū)上面的非零區(qū)中水平投影最大值HPVmax的虛高位置。其次，根據(jù)進(jìn)一步定位分割線。HPVmax可能位于F層、Es層l型或f型描跡的二次反射、Es層n型描跡，根據(jù)這些描跡虛高的經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定180km作為閾值對分割線進(jìn)一步定位：a)如果說明HPVmax位于F層或Es層l型、f型描跡的二次反射上，因此分割線位于下面的零區(qū)中；b)如果說明HPVmax位于Es層n型描跡上，因此分割線位于上面的零區(qū)中。然后，在上一步定位的零區(qū)中，進(jìn)行最優(yōu)零區(qū)查找。利用零區(qū)的寬度值(h′width)來判斷零區(qū)是不是描跡的間斷，根據(jù)大量電離圖數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)定區(qū)分不同層之間的描跡間隙與描跡間斷之間的閾值為20km。如果在上一步定位的零區(qū)中存在h′width＞20km的零區(qū)，選擇距離最近且h′width＞20km的零區(qū)作為最優(yōu)零區(qū)；否則，選取上一步定位的零區(qū)中最寬的零區(qū)作為最優(yōu)零區(qū)。最后，將最優(yōu)零區(qū)的中線作為E區(qū)F區(qū)的分割線。第六步，提取電離圖E區(qū)。步驟b電離圖E區(qū)候選描跡區(qū)域檢測。E區(qū)描跡經(jīng)常會存在著不同程度的擴(kuò)散現(xiàn)象，同時(shí)在電離圖上還存在著各種原因引起的噪聲。如果直接對電離圖進(jìn)行去噪處理，可能會導(dǎo)致描跡信息的丟失。通過對電離圖進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)成描跡的區(qū)域都是電離圖上像素點(diǎn)分布比較密集的區(qū)域，于是本文提出了基于密集點(diǎn)查找的候選描跡區(qū)域自動檢測算法，步驟如下：第一步，利用積分圖法在E區(qū)電離圖上遍歷找到所有滿足2×2和3×1窗口全部有值的小區(qū)域，并把區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)標(biāo)記為密集點(diǎn)保留。第二步，在第一步的基礎(chǔ)上，確定包含密集點(diǎn)的連通區(qū)域。對密集點(diǎn)集進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)先膨脹后腐蝕操作得到連通區(qū)域。第三步，對第二步的基礎(chǔ)上，排除小面積連通區(qū)域。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)定13作為連通區(qū)域面積(像素點(diǎn)個數(shù))閾值對非描跡區(qū)域進(jìn)行排除，排除后剩下的區(qū)域?yàn)楹蜻x描跡區(qū)域。第四步，標(biāo)記候選描跡區(qū)域位置。利用連通區(qū)域標(biāo)記和邊界查找方法，確定候選描跡區(qū)域的閉合邊界并在原電離圖上標(biāo)記候選描跡區(qū)域的位置。步驟c非描跡區(qū)域排除。在步驟b檢測到的候選描跡區(qū)域中仍存在非描跡區(qū)域，因此需要對候選描跡區(qū)域進(jìn)一步分析并對非描跡區(qū)域進(jìn)行排除。根據(jù)描跡區(qū)域和非描跡區(qū)域的不同特征對描跡和非描跡區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，具體步驟如下：第一步，計(jì)算用于區(qū)分描跡區(qū)域與非描跡區(qū)域的特征值：定義一個代表候選描跡區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)灰度信息的集合S，S＝{(x，y，f(x，y))}，其中x、y、f(x，y)分別為候選描跡區(qū)域內(nèi)一個像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、灰度值。定義集合S1為：S1＝{(x，y，f(x，y))∈S：f(x，y)＞0}。區(qū)域的像素密度區(qū)域所在的位置(xmax和ymax)：根據(jù)對大量電離圖進(jìn)行觀察與統(tǒng)計(jì)，如果描跡區(qū)域滿足以下兩個公式，該描跡區(qū)域?yàn)槟壳皼]有合理解釋的非描跡區(qū)域。其中f0表示起始頻率，fstep表示頻率步長，hstep為高度步長，W為電離圖矩陣寬度。hstep*(W-ymax)≤95f0+xmax*fstep≤f0+15fstep區(qū)域的長度larea：larea＝max(x)-min(x)。區(qū)域內(nèi)非零像素個數(shù)Nnonzero：Nnonzero＝card(S1)；第二步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果Nnonzero＜13，此區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域。第三步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果候選描跡區(qū)域位于沒有合理解釋的非描跡區(qū)域，此區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域。第四步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果ρa(bǔ)rea＜0.5，此區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域。第五步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果larea＜3，此區(qū)域?yàn)榇咕€噪聲即非描跡區(qū)域。步驟d.電離圖上的候選描跡區(qū)域經(jīng)過步驟c排除非描跡區(qū)域后，剩下的區(qū)域?yàn)槊枸E區(qū)域。對電離圖E區(qū)上的每個描跡區(qū)域，基于描跡擴(kuò)散特點(diǎn)將描跡劃分為4類：第一類是擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二類是擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三類是Es層a型、q型、s型，第四類是直線型描跡與s型描跡混合。具體步驟如下：第一步，計(jì)算區(qū)域的像素密度(ρa(bǔ)rea)、區(qū)域擴(kuò)散密度(ρspread)、區(qū)域最大行密度max(ρrow)、區(qū)域平均列高度(Wcol)以及區(qū)域內(nèi)非零像素個數(shù)(Nnonzero)。ρa(bǔ)rea的求法為步驟c的第一步使用的方法。ρspread：用來衡量描跡離散程度。將區(qū)域內(nèi)大于0的像素點(diǎn)的值轉(zhuǎn)換為1。用一個2*2的矩陣在圖像上遍歷一遍，如果小矩陣內(nèi)只有兩個非零像素點(diǎn)，就將區(qū)域內(nèi)的非零像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記的非零像素點(diǎn)的總數(shù)與所有非零像素點(diǎn)總數(shù)的比為ρspread。max(ρrow)：等于區(qū)域所有行密度中的最大值。行密度：描跡區(qū)域每行中非零值的總數(shù)與描跡區(qū)域非零列總數(shù)的比值。Wcol：區(qū)域中非零像素點(diǎn)個數(shù)比上區(qū)域列數(shù)。Nnonzero：的求法為步驟c的第一步使用的方法。第二步，基于第一步計(jì)算結(jié)果，如果ρa(bǔ)rea＞0.8或ρspread＜0.6，描跡屬于第一類描跡。第三步，對區(qū)域長度大于100個像素同時(shí)區(qū)域?qū)挾却笥?0個像素的描跡區(qū)域基于區(qū)域行中線和區(qū)域列中線將區(qū)域分成4塊，并計(jì)算每塊的ρa(bǔ)rea和ρspread。如果在4塊小區(qū)域中存在一塊區(qū)域的ρa(bǔ)rea＜0.1，同時(shí)存在一塊ρa(bǔ)rea＞0.1同時(shí)ρspread＞0.8，描跡屬于第四類描跡。第四步，通過第二步和第三步判斷后，剩下的描跡區(qū)域?yàn)榈诙惡偷谌惷枸E區(qū)域。如果區(qū)域Warea＜15或max(ρrow)＞0.8或Wcol＜8，描跡為第二類描跡；如果不滿足條件，描跡為第三類描跡。步驟e，對第三類描跡區(qū)域進(jìn)行合并。第三類描跡由于描跡的間斷進(jìn)常出現(xiàn)同一個描跡會被劃分到兩個描跡區(qū)域內(nèi)，所以需要對區(qū)域進(jìn)行合并。第一步，判斷電離圖上是否存在類型屬于第三類的描跡區(qū)域。如果存在第三類的區(qū)域，計(jì)算每個描跡區(qū)域的ρspread。第二步，把屬于第三類的每個描跡區(qū)域與其他描跡區(qū)域進(jìn)行對比，如果兩個描跡區(qū)域的ρspread相差小于0.1，就認(rèn)為這兩個描跡區(qū)域?qū)儆谕粋€描跡區(qū)域并對兩個區(qū)域進(jìn)行合并，把合并后的區(qū)域作為一個描跡區(qū)域。步驟f中，分別對四類描跡進(jìn)行類型識別與度量。根據(jù)步驟d和步驟f分類和劃分后的描跡區(qū)域?qū)儆?類，針對不同的類型，用不同的描跡類型識別與度量算法。第一類描跡(擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型)的判讀。E區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)E層描跡和Es層描跡相連或兩個Es層描跡之間距離很近的情況，這樣會導(dǎo)致多層描跡信息被劃分到同一個描跡區(qū)域內(nèi)。為了對描跡進(jìn)行精確的類型識別和度量，需要先對描跡進(jìn)行細(xì)分，再對描跡的細(xì)分結(jié)果進(jìn)行描跡類型的識別與度量。第一步，對描跡進(jìn)行基于虛高的描跡一次細(xì)分。對描跡區(qū)域進(jìn)行二值化、形態(tài)學(xué)先膨脹后腐蝕處理后，找到描跡區(qū)域內(nèi)的零區(qū)。檢測到的零區(qū)有兩種情況：一種是描跡的間斷，另一種是兩個在虛高上無交集的描跡之間的間隙。通過對零區(qū)上下兩個描跡區(qū)域的三種特征(Nnonzero、max(ρrow)、)來判斷描跡區(qū)域是否需要基于虛高進(jìn)行劃分：如果上(top)下(bot)描跡區(qū)域同時(shí)滿足下面的條件：Nnonzero(top)>10andNnonzero(bot)>10max(ρrow)(top)>0.5andmax(ρrow)(bot)>0.5h′HPVmax(top)>5andh′HPVmax(bot)>5]]>認(rèn)為描跡需要基于虛高進(jìn)行劃分；如果不滿足則認(rèn)為屬于描跡間斷故不需要基于虛高進(jìn)行劃分。對于需要劃分的描跡區(qū)域，將零區(qū)的中線作為兩個描跡的分割線，將細(xì)分后的兩個描跡分別放在兩個矩陣中。第二步，對第一步細(xì)分后的結(jié)果進(jìn)行基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分，一次細(xì)分后的描跡會存在直線型和非直線型兩種類型，非直線型描跡多數(shù)為E層與Es層c型、E層與Es層h型同時(shí)存在等情況，對于這些描跡需要基于最高點(diǎn)再進(jìn)行二次細(xì)分。首先，進(jìn)行直線型描跡判識：若檢測到直線型描跡，則描跡細(xì)分結(jié)束；否則對其進(jìn)行基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分。直線型描跡主要從以下兩個步驟進(jìn)行判識：1)對描跡區(qū)域進(jìn)行形態(tài)學(xué)預(yù)處理、骨架化、曲線擬合和多項(xiàng)式求導(dǎo)；按0.1MHz的步長在頻率軸上取點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)這些點(diǎn)對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)絕對值小于0.1的個數(shù)占總個數(shù)的比例。如果比例大于0.8，該描跡為直線型描跡。2)利用像素分布特征對存在斷裂的直線型描跡進(jìn)行進(jìn)一步判識。計(jì)算描跡的最大寬度(Wmax)和ρrow：直線型相對于其他型描跡寬度較小且max(ρrow)接近1。如果描跡的Wmax＜4或Wmax＞0.9，該描跡為直線型描跡，否則為非直線型描跡。通過以上步驟，描跡可以分為直線型和非直線型。其次，對于非直線型描跡，進(jìn)行基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分：查找描跡區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，如果存在多個相同高度的最高點(diǎn)，就利用foE的經(jīng)驗(yàn)值選擇最高點(diǎn)；再對最高點(diǎn)左右兩側(cè)的總像素個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果最高點(diǎn)左右非零像素點(diǎn)個數(shù)都大于20，認(rèn)為最高點(diǎn)左 右兩側(cè)都有描跡，進(jìn)而將描跡劃分為左側(cè)描跡和右側(cè)描跡。將左側(cè)描跡與右側(cè)描跡分別放在兩個矩陣中。第三步，對第二步中的描跡細(xì)分結(jié)果進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分。首先，對二次細(xì)分結(jié)果的單側(cè)描跡的Nnonzero進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果Nnonzero＜50，認(rèn)為描跡短小且不存在OX分離的情況；對于Nnonzero≥50的描跡進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分。其次，對Nnonzero≥50的描跡，進(jìn)行骨架化與連通區(qū)域查找。對單側(cè)描跡的骨架化結(jié)果進(jìn)行連通區(qū)域查找，如果只有一個連通區(qū)域，無需進(jìn)行OX波分離；如果存在大于一個連通區(qū)域的描跡，標(biāo)記每個連通區(qū)域的左端最高點(diǎn)和右端最高點(diǎn)，我們把標(biāo)記值為i的連通區(qū)域的左端最高點(diǎn)和右端最高點(diǎn)的位置信息用(xl(i)yl(i))、(xr(i)yr(i))表示。然后，連通區(qū)域選擇性合并；對于標(biāo)記值為p的連通區(qū)域，從標(biāo)記值大于p的連通區(qū)域中查找距其最近的連通區(qū)域(其標(biāo)記值為q)。判斷這兩個連通區(qū)域是否滿足以下條件：左側(cè)描跡條件為0.6MHz＜fstep|xr(p)-xr(q)|＜0.8MHz且|yr(p)-yr(q)|≤3；右側(cè)描跡條件為0.6MHz＜fstep|xl(p)-xl(q)|＜0.8MH且|yl(p)-yr(q)|≤3。如果不能滿足以上條件，說明兩個描跡連通區(qū)域非OX波分離的情況，對連通區(qū)域進(jìn)行合并，即將標(biāo)記值為p的連通區(qū)域重新標(biāo)記為q；否則，不進(jìn)行合并。按照上述步驟依次遍歷每個連通區(qū)域。最后，根據(jù)骨架化后的連通區(qū)域選擇性合并結(jié)果進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分。骨架化結(jié)果經(jīng)連通區(qū)域選擇性合并后，如果連通區(qū)域的個數(shù)為1，描跡為非OX波分離情況無需細(xì)分；如果連通區(qū)域的個數(shù)為2，對描跡進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分；如果連通區(qū)域的個數(shù)大于2，將連通區(qū)域中面積較小的連通區(qū)域作為描跡的毛刺去掉，只保留連通區(qū)域面積最大和次大的連通區(qū)域并進(jìn)行細(xì)分。第四步，對第三步的描跡細(xì)分結(jié)果進(jìn)行描跡類型的識別與度量。對于經(jīng)過基于OX波分離描跡三次細(xì)分后輸出為骨架化形式的描跡，采用描跡曲線擬合法進(jìn)行描跡類型識別與度量；描跡曲線擬合法對描跡的度量和識別步驟如下：首先，確定描跡趨勢：對描跡骨架化結(jié)果進(jìn)行4次多項(xiàng)式擬合。對骨架化結(jié)果利用形態(tài)學(xué)先膨脹后腐蝕操作對描跡進(jìn)行還原。其次，對還原描跡進(jìn)行度量。定義一個代表還原描跡區(qū)域的位置信息的集合S，S＝{(x，y)}，其中x、y分別為描跡區(qū)域內(nèi)一個像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。利用公式下面三個公式，計(jì)算描跡的最小頻率fmin、最大頻率fmax、描跡虛高h(yuǎn)′min。再根據(jù)虛高的位置、描跡趨勢、頻率信息及電離圖時(shí)間結(jié)合電離圖度量知識進(jìn)行描跡類型判識。fmin＝f0+min(x)*fstepfmax＝f0+max(x)*fsteph′min＝hstep*(W-max(y))第五步，對在第二步中直線型描跡判識過程中，檢測到的直線型描跡利用進(jìn)行端點(diǎn)位置分析法進(jìn)行描跡二次判識與度量；對基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分中產(chǎn)生了Nnonzero＜50的短小型描跡，利用端點(diǎn)位置分析法進(jìn)行描跡類型識別與度量。利用端點(diǎn)位置分析法對描跡進(jìn)行判讀的主要步驟：首先，確定描跡趨勢：端點(diǎn)位置分析法主要利用描跡的左端最高點(diǎn)(xl，yl)、右端最高點(diǎn)(xr，yr)及描跡最高點(diǎn)(xm，ym)之間的關(guān)系，來確定描跡的趨勢。如果yr-yl≥4，描跡為下降型描跡。如果yl-yr≥4，描跡為上升型描跡。如果|yr-yl|＜4，同時(shí)1/2(yr+yl)-ym≥4時(shí)，描跡為中間凸起型描跡。如果|yr-yl|＜4，同時(shí)1/2(yr+yl)-ym＜4時(shí)，描跡為直線型描跡。其次，描跡類型識別與度量：對于上升型、下降型、直線型描跡，利用下面公式計(jì)算描跡的fmin、fmax。把描跡放入集合S中，利用下面第三個公式可得h′min。對于中間凸起型描跡，按最高點(diǎn)將描跡細(xì)分為兩個描跡并對每個描跡進(jìn)行度量。根據(jù)描跡趨勢、虛高、頻率信息及電離圖時(shí)間結(jié)合電離圖度量知識判斷描跡類型。fmin＝f0+Xl*fstepfmax＝f0+Xr*fsteph′min＝hstep*(W-max(y))第二類描跡(擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型)的判讀步驟和第一類描跡的判讀步驟相同，需要對第一類描跡的判讀算法中描跡預(yù)處理步驟中的膨脹腐蝕算子由2*2方陣改為4*4的方陣。第三類(Es層a型、q型、s型)的判讀步驟如下：第一步，檢測s型描跡，確定描跡區(qū)域閉合邊界，找到邊界中每一列的中點(diǎn)，對所有中點(diǎn)利用4次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，確定擬合曲線的兩個端點(diǎn)。利用兩個端點(diǎn)位置做描跡區(qū)域的中線，并計(jì)算中線的斜率。如果斜率大于0.15，就認(rèn)為該描跡為s型描跡。第二步，根據(jù)描跡區(qū)域的長度larea，對a型和q型描跡進(jìn)行區(qū)分。如果larea＜100，區(qū)域內(nèi)描跡為a型，否則，描跡為q型。第三步，獲取a型和q型描跡區(qū)域的左端點(diǎn)、右端點(diǎn)、對應(yīng)的頻率值作為描跡的fmin、fmax，把描跡區(qū)域的最低虛高作為該描跡的h′min。第四類(直線型描跡與s型描跡混合)的判讀步驟如下：第一步，將描跡區(qū)域單獨(dú)放在一個矩陣中，按照行中線和列中線將描跡分為四塊，然后將四塊描跡區(qū)域中ρa(bǔ)rea＜0.1的描跡區(qū)域內(nèi)像素值非零的點(diǎn)賦值為0。第二步，確定描跡區(qū)域每個非零行中從左到右第一個非零值所在的列值col(i)。從第一行開始比較第i行與第i+1行是否滿足|col(i+1)-col(i)|＜35，如果滿足繼續(xù)比較，直到不滿足條件停止。不滿足條件時(shí)，對應(yīng)的行值i就是s型描跡與直線型描跡的分割線。第三步，對劃分后的直線型描跡類型識別與度量(因s型描跡無需度量參數(shù)值及其類型，所以這里只對直線型描跡進(jìn)行度量)。根據(jù)描跡的左端點(diǎn)、右端點(diǎn)對應(yīng)的頻率值作為 描跡的fmin、fmax，同時(shí)描跡的最低非零行對應(yīng)的虛高值，作為h′min。根據(jù)描跡趨勢、虛高、頻率信息及電離圖時(shí)間判斷描跡類型。g.獲取E區(qū)參數(shù)；通過對電離圖上的每個描跡進(jìn)行類型識別與度量，已經(jīng)確定電離圖E區(qū)描跡的個數(shù)、類型及每個描跡的fmin、fmax、h′min。通過對所有描跡的度量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，就可以確定電離圖上Es層的個數(shù)及類型、E區(qū)描跡的最小頻率、foE、h′E、h′Es、ftEs。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中以下幾方面的不足。第一，在常規(guī)的電離圖E區(qū)描跡檢測算法中，首先對電離圖進(jìn)行去噪、形態(tài)學(xué)操作等預(yù)處理過程，然后在預(yù)處理后的電離圖上進(jìn)行描跡的檢測。這樣會出現(xiàn)由于去噪過程導(dǎo)致描跡信息丟失的現(xiàn)象，如果不進(jìn)行去噪，直接進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作會導(dǎo)致，將聚集的噪聲信息作為描跡的情況，導(dǎo)致描跡檢測出錯。在本發(fā)明中提出基于密集點(diǎn)檢測的E區(qū)描跡檢測算法，該算法可以在原始電離圖上為候選描跡找到合適的閉合邊界，然后根據(jù)描跡區(qū)域內(nèi)的信息排除非描跡區(qū)域只保留E區(qū)描跡區(qū)域。本發(fā)明中的描跡檢測算法避免了對電離圖的預(yù)處理過程導(dǎo)致描跡信息丟失的現(xiàn)象，同時(shí)提高E區(qū)描跡檢測的正確率。第二，目前存在E區(qū)描跡類型識別的范圍只包括常規(guī)E層、l型Es描跡、與E層常規(guī)描跡相連的c型描跡和僅存的c型Es描跡等這些常規(guī)情況，在本文中E區(qū)描跡類型識別的范圍包括了目前為止所有有定義的描跡類型(E層、Es層(l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型、a型、q型、s型)、E2層)。同時(shí)本文的算法在描跡類型識別率上取得了較好的效果。附圖說明圖1是本發(fā)明垂測電離圖E區(qū)描跡自動判讀的流程圖；圖2為電離圖E區(qū)F區(qū)分割結(jié)果圖；圖3為E區(qū)F區(qū)分割算法的流程圖；圖4為E區(qū)候選描跡區(qū)域檢測的流程圖；圖5為非描跡區(qū)域排除結(jié)果圖；圖6為四種描跡區(qū)域圖例；圖7為第三類描跡區(qū)域合并結(jié)果；圖8為第一類描跡的判讀算法流程圖；圖9為第一類描跡基于虛高的描跡一次細(xì)分結(jié)果圖；圖10為第一類描跡基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分結(jié)果圖；圖11為第一類描跡基于OX波分離的描跡三次細(xì)分結(jié)果圖；圖12為第二類描跡的度量結(jié)果。圖13為第三類描跡的中線的斜率結(jié)果。圖14為第一類描跡基于E區(qū)描跡度量結(jié)果圖。圖15為電離圖E區(qū)描跡度量結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：如圖1所示：本發(fā)明垂測電離圖E區(qū)描跡自動判讀的流程圖；本發(fā)明方法步驟包含以下幾個方面：a.垂測電離圖E區(qū)F區(qū)分割；b.E區(qū)候選描跡區(qū)域檢測；c.非描跡區(qū)域排除；d.基于描跡擴(kuò)散特點(diǎn)將描跡劃分為4類：第一類是擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二類是擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三類是Es層a型、q型、s型，第四類是直線型描跡與s型描跡混合；e.對第三類描跡區(qū)域進(jìn)行合并；f.分別對四類描跡進(jìn)行類型識別與度量；g.獲取E區(qū)參數(shù)；結(jié)合圖2：電離圖E區(qū)F區(qū)分割結(jié)果圖，與圖3：E區(qū)F區(qū)分割算法的流程圖說明步驟a.垂測電離圖E區(qū)F區(qū)分割的具體實(shí)施步驟如下：第一步，對灰度電離圖進(jìn)行二值化預(yù)處理得到二值電離圖。第二步，確定一個包含電離圖各種情況下E區(qū)和F區(qū)分割線的參考區(qū)間。把電離圖上范圍150km～350km(中國電波傳播研究所數(shù)字垂測儀探測電離圖矩陣的180行到260行)作為參考區(qū)間，并查找參考區(qū)間內(nèi)零區(qū)個數(shù)。第三步，基于第二步結(jié)果，如果參考區(qū)間內(nèi)無零區(qū)，取參考區(qū)間水平積分最小值對應(yīng)的行作為分割線。第四步，基于第二步結(jié)果，如果參考區(qū)間內(nèi)只有一個零區(qū)，取零區(qū)的中線作為分割線。第五步，基于第二步結(jié)果，如果參考區(qū)間內(nèi)存在多個零區(qū)的情況，本文提出基于非零區(qū)投影值和零區(qū)寬度值的最優(yōu)零區(qū)查找方法。首先，查找參考區(qū)間內(nèi)零區(qū)上面的非零區(qū)中(圖2為電離圖參考區(qū)間內(nèi)存在多個零區(qū)的情況。其中p1到p2為參考區(qū)間的范圍)水平投影最大值HPVmax的虛高位置。其次，根據(jù)進(jìn)一步定位分割線。HPVmax可能位于F層、Es層l型或f型描跡的二次反射、Es層n型描跡，根據(jù)這些描跡虛高的經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定180km作為閾值對分割線進(jìn)一步定位：a)如果說明HPVmax位于F層或Es層l型、f型描跡的二次反射上，因此分割線位于下面的零區(qū)中；b)如果說明HPVmax位于Es層n型描跡上，因此分割線位于上面的零區(qū)中。然后，在上一步定位的零區(qū)中，進(jìn)行最優(yōu)零區(qū)查找。利用零區(qū)的寬度值(h′width)來判斷零區(qū)是不是描跡的間斷，根據(jù)大量電離圖數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)定區(qū)分不同層之間的描跡間隙與描跡間斷之間的閾值為20km。如果在上一步定位的零區(qū)中存在h′width＞20km的零區(qū)，選擇距離最近且h′width＞20km的零區(qū)作為最優(yōu)零區(qū)；否則，選取上一步定位的零區(qū)中最寬的零區(qū)作為最優(yōu)零區(qū)。最后，將最優(yōu)零區(qū)的中線作為E區(qū)F區(qū)的分割線。(在圖2：電離圖E區(qū)F區(qū)分割結(jié)果圖中HPVmax位于F層，E區(qū)F區(qū)分割線應(yīng)位于下面的零區(qū)中。根據(jù)h′width可知，零區(qū)1為F層的間斷，故應(yīng)把零區(qū)2作為最優(yōu)零區(qū)并將其中線作為E區(qū)F區(qū)的分割線。)第六步，提取電離圖E區(qū)。如圖2：電離圖E區(qū)F區(qū)分割結(jié)果圖所示，HPVmax位于F層，E區(qū)F區(qū)分割線應(yīng)位于下面的零區(qū)中。根據(jù)h′width可知，零區(qū)1為F層的間斷，故應(yīng)把零區(qū)2作為最優(yōu)零區(qū)并將其中線作為E區(qū)F區(qū)的分割線。結(jié)合圖4：E區(qū)候選描跡區(qū)域檢測的流程圖，說明步驟b電離圖E區(qū)候選描跡區(qū)域檢測的具體實(shí)施步驟如下：第一步，對電離圖利用步驟aE區(qū)F區(qū)分割算法找到E區(qū)與F區(qū)之間的分割線(圖4(a)原始電離圖)。由分割線可得到電離圖E區(qū)(圖4(b)電離圖E區(qū))。第二步，查找密集點(diǎn)。利用積分圖法在E區(qū)電離圖(圖4(b)電離圖E區(qū))上遍歷找到所有滿足2×2和3×1窗口全部有值的小區(qū)域，并把區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)標(biāo)記為密集點(diǎn)保留(圖4(c)密集點(diǎn)集)。第三步，在第二步的基礎(chǔ)上，確定包含密集點(diǎn)的連通區(qū)域。對密集點(diǎn)集進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)先膨脹后腐蝕操作 得到連通區(qū)域(圖4(d)檢測到的連通區(qū)域)。第四步，對第三步的基礎(chǔ)上，排除小面積連通區(qū)域。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)定13作為連通區(qū)域面積(像素點(diǎn)個數(shù))閾值對非描跡區(qū)域進(jìn)行排除得到候選描跡區(qū)域(圖4(e)候選描跡區(qū)域)。第五步，標(biāo)記候選描跡區(qū)域位置。利用連通區(qū)域標(biāo)記和邊界查找方法，確定候選描跡區(qū)域的閉合邊界并在原電離圖上標(biāo)記候選描跡區(qū)域的位置。如圖4(f)：原始電離圖上的候選描跡區(qū)域所示，在原電離圖上確定了4個候選描跡區(qū)域。結(jié)合圖5：非描跡區(qū)域排除結(jié)果圖，來說明步驟c非描跡區(qū)域排除的具體實(shí)施步驟如下：第一步，計(jì)算區(qū)分描跡區(qū)域與非描跡區(qū)域的特征值：定義一個代表候選描跡區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)灰度信息的集合S，S＝{(x，y，f(x，y))}，其中x、y、f(x，y)分別為候選描跡區(qū)域內(nèi)一個像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、灰度值。定義集合S1為：S1＝{(x，y，f(x，y))∈S：f(x，y)＞0}。區(qū)域的像素密度ρarea:ρarea=card(S1)card(S).]]>區(qū)域所在的位置(xmax和ymax)：根據(jù)對大量電離圖進(jìn)行觀察與統(tǒng)計(jì)，如果描跡區(qū)域滿足一下兩個公式，認(rèn)為該描跡區(qū)域?yàn)槟壳皼]有合理解釋的非描跡區(qū)域。hstep*(W-ymax)≤95f0+xmax*fstep≤f0+15fstep區(qū)域的長度larea：larea＝max(x)-min(x)。區(qū)域內(nèi)非零像素個數(shù)Nnonzero：Nnonzero＝card(S1)；第二步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果Nnonzero＜13，此區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域。第三步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果候選描跡區(qū)域位于沒有合理解釋的非描跡區(qū)域，此區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域。第四步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果ρa(bǔ)rea＜0.5，此區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域。第五步，根據(jù)第一步結(jié)果，如果larea＜3，此區(qū)域?yàn)榇咕€噪聲即非描跡區(qū)域。對圖4(f)：原始電離圖上的候選描跡區(qū)域分別利用以上步驟進(jìn)行非描跡區(qū)域排除，得到如圖5：非描跡區(qū)域排除結(jié)果圖，圖5中的非描跡區(qū)域排除結(jié)果為：序號為1、3、4的候選描跡區(qū)域?yàn)榉敲枸E區(qū)域，而序號為2的候選描跡區(qū)域?yàn)槊枸E區(qū)域。結(jié)合圖6：四種描跡區(qū)域圖例，來說明步驟d；基于描跡擴(kuò)散特點(diǎn)將描跡劃分為4類(第一類是擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二類是擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三類是Es層a型、q型、s型，第四類是直線型描跡與s型描跡混合)具體實(shí)施步驟如下：第一步，計(jì)算ρa(bǔ)rea、ρspread、max(ρrow)、Wcol以及Nnonzero。ρa(bǔ)rea的求法為步驟c的第一步使用的方法；ρspread：用來衡量描跡離散程度。將區(qū)域內(nèi)大于0的像素點(diǎn)的值轉(zhuǎn)換為1。用一個2*2的矩陣在圖像上遍歷一遍，如果小矩陣內(nèi)只有兩個非零像素點(diǎn)，就將區(qū)域內(nèi)的非零像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記點(diǎn)的總數(shù)與所有非零像素點(diǎn)總數(shù)的比，就是區(qū)域擴(kuò)散密度值。max(ρrow)，行密度：描跡區(qū)域每行中非零值的總數(shù)與描跡區(qū)域非零列總數(shù)的比值。max(ρrow)：等于區(qū)域所有行密度中的最大值。Wcol：區(qū)域中非零像素點(diǎn)個數(shù)比上區(qū)域列數(shù)。Nnonzero的求法為步驟c的第一步使用的方法；第二步，基于第一步計(jì)算結(jié)果，如果ρa(bǔ)rea＞0.8或ρspread＜0.6，描跡屬于第一類描跡。第三步，對區(qū)域長度大于100個像素同時(shí)區(qū)域?qū)挾却笥?0個像素的描跡區(qū)域基于區(qū)域行中線和區(qū)域列中線將區(qū)域分成4塊，并計(jì)算每塊的區(qū)域密度和區(qū)域擴(kuò)散密度。如果在4塊小區(qū)域中存在一塊區(qū)域的ρa(bǔ)rea＜0.1，同時(shí)存在一塊ρa(bǔ)rea＞0.1同時(shí)ρspread＞0.8，描跡屬于第四類描跡。第四步，通過第二步和第三步判斷后，剩下的描跡區(qū)域?yàn)榈诙惡偷谌惷枸E區(qū)域。如果區(qū)域Warea＜15或max(ρrow)＞0.8或Wcol＜8，描跡為第二類描跡；如果不滿足條件，描跡為第三類描跡。圖6：四種描跡區(qū)域圖例。對于圖6中的六個描跡區(qū)域分別通過上面四步，確定了每個描跡區(qū)域?qū)儆诘拿枸E類型。結(jié)合圖7：第三類描跡區(qū)域合并結(jié)果，來說明步驟e.第三類描跡進(jìn)行描跡區(qū)域合并的具體實(shí)施步驟如下：第一步，判斷電離圖上是否存在類型屬于第三類的描跡區(qū)域。如果存在第三類的區(qū)域，計(jì)算每個描跡區(qū)域的ρspread。第二步，把屬于第三類的每個描跡區(qū)域與其他描跡區(qū)域進(jìn)行對比，如果兩個描跡區(qū)域的ρspread相差小于0.1，就認(rèn)為這兩個描跡區(qū)域?qū)儆谕粋€描跡區(qū)域并對兩個區(qū)域進(jìn)行合并，把合并后的區(qū)域作為一個描跡區(qū)域。如圖7：第三類描跡區(qū)域合并結(jié)果所示，這張電離圖上有兩個描跡區(qū)域，其中左邊的描跡區(qū)域?qū)儆诘谌惷枸E區(qū)域，分別計(jì)算兩個描跡區(qū)域的ρspread分別為0.8015與0.8319。因兩個描跡區(qū)域的ρspread相差小于0.1，因此對兩個區(qū)域進(jìn)行合并。步驟f，分別對四類描跡進(jìn)行類型識別與度量。根據(jù)步驟d和步驟f分類和劃分后的描跡區(qū)域?qū)儆?類，針對不同的類型，用不同的描跡類型識別與度量算法。結(jié)合圖8：第一類描跡的判讀算法流程圖，來說明電離圖第一類描跡(擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型)的判讀算法的具體實(shí)施步驟：第一步，對描跡進(jìn)行基于虛高的一次細(xì)分。首先，對進(jìn)行二值化、用2*2的方陣對形態(tài)學(xué)先膨脹后腐蝕處理后得到的描跡區(qū)域，利用在E區(qū)F區(qū)分割中提到的水平積分投影法找到描跡區(qū)域內(nèi)的零區(qū)。其次，根據(jù)通過對零區(qū)上下兩個描跡區(qū)域的三種特征(Nnonzero、max(ρrow)、)來判斷描跡區(qū)域是否需要基于虛高進(jìn)行劃分：如果上(top)下(bot)描跡區(qū)域同時(shí)滿足下面的條件：Nnonzero(top)>10andNnonzero(bot)>10max(ρrow)(top)>0.5andmax(ρrow)(bot)>0.5h′HPVmax(top)>5andh′HPVmax(bot)>5]]>認(rèn)為描跡需要基于虛高進(jìn)行劃分；如果不滿足則認(rèn)為屬于描跡間斷故不需要基于虛高進(jìn)行劃分。對于需要劃分的描跡區(qū)域，將零區(qū)的中線作為兩個描跡的分割線，將細(xì)分后的兩個描跡分別放在兩個矩陣中。如圖9：基于虛高的描跡一次細(xì)分結(jié)果。第二步，對第一步細(xì)分后的結(jié)果進(jìn)行基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分的具體實(shí)施步驟：首先，進(jìn)行直線型描跡判識：若檢測到直線型描跡，則描跡細(xì)分結(jié)束；否則對其進(jìn)行基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分。直線型描跡主要從以下兩個步驟進(jìn)行判識：1)對描跡區(qū)域用2*2的方陣進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹腐蝕預(yù)處理、骨架化、用4次多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合、對擬合曲線進(jìn)行求導(dǎo)，按0.1MHz的步長在頻率軸上取點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)這些點(diǎn)對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)絕對值小于0.1的個數(shù)占總個數(shù)的比例。如果比例大于0.8，該描跡為直線型描跡。2)利用像素分布特征對可能存在斷裂的直線型描跡進(jìn)行進(jìn)一步判識。計(jì)算描跡的最大寬度(Wmax)和ρrow；如果描跡的Wmax＜4或Wmax＞0.9，該描跡為直線型描跡，否則非直線型描跡。通過以上步驟，描跡可以分為直線型和非直線型。其次，對于非直線型描跡，進(jìn)行基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分：查找描跡區(qū)域內(nèi)的最高點(diǎn)，如果存在多個相同高度的最高點(diǎn)，利用foE的經(jīng)驗(yàn)值選擇最高點(diǎn)；再對最高點(diǎn)左右兩側(cè)的總像素個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果最高點(diǎn)左右非零像素點(diǎn)個數(shù)都大于20，認(rèn)為最高點(diǎn)左右兩側(cè)都有描跡，進(jìn)而將描跡劃分為左側(cè)描跡和右側(cè)描跡。將左側(cè)描跡與右側(cè)描跡分別放在兩個矩陣中。如圖10：基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分結(jié)果。第三步，結(jié)合圖11：第一類描跡基于OX波分離的描跡三次細(xì)分結(jié)果圖，說明對第二步中的描跡細(xì)分結(jié)果進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分的具體實(shí)施步驟：首先，對二次細(xì)分結(jié)果的單側(cè)描跡的Nnonzero進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果Nnonzero＜50，認(rèn)為描跡短小且不存在OX分離的情況；對于Nnonzero≥50的描跡進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分。其次，對Nnonzero≥50的描跡，進(jìn)行骨架化與連通區(qū)域查找(圖11(a1)與圖11(b1)分別為對圖10中左側(cè)描跡和右側(cè)描跡進(jìn)行骨架化與連通區(qū)域查找的結(jié)果)。對單側(cè)描跡的骨架化結(jié)果進(jìn)行連通區(qū)域查找，如果只有一個連通區(qū)域，無需進(jìn)行OX波分離；如果存在大于一個連通區(qū)域的描跡，標(biāo)記每個連通區(qū)域的左端最高點(diǎn)和右端最高點(diǎn)，把標(biāo)記值為i的連通區(qū)域的左端最高點(diǎn)和右端最高點(diǎn)的位置信息用(xl(i)yl(i))、(xr(i)yr(i))表示。然后，連通區(qū)域選擇性合并；對于標(biāo)記值為p的連通區(qū)域，從標(biāo)記值大于p的連通區(qū)域中查找距其最近的連通區(qū)域(其標(biāo)記值為q)。判斷這兩個連通區(qū)域是否滿足以下條件：左側(cè)描跡條件為0.6MHz＜fstep|xl(p)-xl(q)|＜0.8MH且|yr(p)-yr(q)|≤3；右側(cè)描跡條件為0.6MHz＜fstep|xl(p)-xl(q)|＜0.8MH且|yl(p)-yr(q)|≤3。如果不能滿足以上條件，說明兩個描跡連通區(qū)域非OX波分離的情況，對連通區(qū)域進(jìn)行合并，即將標(biāo)記值為p的連通區(qū)域重新標(biāo)記為q(圖11(a2)為左側(cè)連通區(qū)域選擇性合并結(jié)果)；否則，不進(jìn)行合并(圖11(b2)為右側(cè)連通區(qū)域選擇性合并結(jié)果)。按照上述步驟依次遍歷每個連通區(qū)域。最后，根據(jù)骨架化后的連通區(qū)域選擇性合并結(jié)果進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分。骨架化結(jié)果經(jīng)連通區(qū)域選擇性合并后，如果連 通區(qū)域的個數(shù)為1，描跡為非OX波分離情況無需細(xì)分(圖11(a3)為左側(cè)描跡基于OX波分離的描跡三次細(xì)分結(jié)果)；如果連通區(qū)域的個數(shù)為2，對描跡進(jìn)行基于OX波分離的描跡三次細(xì)分(圖11(b3)為右側(cè)描跡基于OX分離的描跡三次細(xì)分結(jié)果)；如果連通區(qū)域的個數(shù)大于2，將連通區(qū)域中面積較小的連通區(qū)域作為描跡的毛刺去掉，只保留連通區(qū)域面積最大和次大的連通區(qū)域并進(jìn)行細(xì)分。第四步，對第三步的描跡細(xì)分結(jié)果進(jìn)行描跡類型的識別與度量。對于經(jīng)過基于OX波分離描跡三次細(xì)分后輸出為骨架化形式的描跡，采用描跡曲線擬合法進(jìn)行描跡類型識別與度量；利用描跡曲線擬合法對描跡的度量和識別步驟如下：首先，確定描跡趨勢：對描跡骨架化結(jié)果進(jìn)行4次多項(xiàng)式擬合。對骨架化結(jié)果用2*2的方陣進(jìn)行形態(tài)學(xué)先膨脹后腐蝕操作對描跡進(jìn)行還原。其次，對還原描跡進(jìn)行度量。定義一個代表還原描跡區(qū)域的位置信息的集合S，S＝{(x，y)}，其中x、y分別為描跡區(qū)域內(nèi)一個像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。利用公式下面三個公式，計(jì)算描跡的最小頻率fmin、最大頻率fmax、描跡虛高h(yuǎn)′min。再根據(jù)虛高的位置、描跡趨勢、頻率信息及電離圖時(shí)間結(jié)合電離圖度量知識進(jìn)行描跡類型判識。fmin＝f0+min(x)*fstepfmax＝f0+max(x)*fsteph′min＝hstep*(W-max(y))第五步，在第二步中直線型描跡判識過程中，檢測到的直線型描跡中混有一些描跡趨勢不明顯的上升型、下降型、中間凸起型描跡，需要進(jìn)行二次判識與度量；在基于最高點(diǎn)的描跡二次細(xì)分中產(chǎn)生了Nnonzero＜50的短小型描跡，利用端點(diǎn)位置分析法進(jìn)行描跡類型識別與度量。針對這兩類描跡采用端點(diǎn)位置分析法進(jìn)行描跡類型識別和度量。首先，確定描跡趨勢：端點(diǎn)位置分析法主要利用描跡的左端最高點(diǎn)(xl，yl)、右端最高點(diǎn)(xr，yr)及描跡最高點(diǎn)(xm，ym)之間的關(guān)系，來確定描跡的趨勢。如果yr-yl≥4，描跡為下降型描跡。如果yl-yr≥4，描跡為上升型描跡。如果|yr-yl|＜4，同時(shí)1/2(yr+yl)-ym≥4時(shí)，描跡為中間凸起型描跡。如果|yr-yl|＜4，同時(shí)1/2(yr+yl)-ym＜4時(shí)，描跡為直線型描跡。其次，描跡類型識別與度量：對于上升型、下降型、直線型描跡，利用下面公式計(jì)算描跡的fmin、fmax。把描跡放入集合S中，利用下面第三個公式可得h′min。對于中間凸起型描跡，按最高點(diǎn)將描跡細(xì)分為兩個描跡并對每個描跡進(jìn)行度量。根據(jù)描跡趨勢、虛高、頻率信息及電離圖時(shí)間結(jié)合電離圖度量知識判斷描跡類型。fmin＝f0+Xl*fstepfmax＝f0+Xr*fsteph′min＝hstep*(W-max(y))結(jié)合圖12：第二類描跡的度量結(jié)果，來說明第二類描跡具體實(shí)施步驟：第二類描跡(擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型)的判讀步驟和第 一類描跡的判讀步驟相同，需要對第一類描跡的判讀算法中描跡預(yù)處理步驟中的膨脹腐蝕算子由2*2方陣改為4*4的方陣。結(jié)合圖13：第三類描跡的中線的斜率結(jié)果，來說明第三類描跡(Es層a型、q型、s型)的判讀算法的具體實(shí)施步驟如下：第一步，檢測s型描跡。確定描跡區(qū)域閉合邊界，找到邊界中每一列的中點(diǎn)，對所有中點(diǎn)利用4次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，確定擬合曲線的兩個端點(diǎn)。利用兩個端點(diǎn)位置做描跡區(qū)域的中線，并計(jì)算中線的斜率。如果斜率大于0.15，就認(rèn)為該描跡為s型描跡。如圖13：第三類描跡的中線的斜率結(jié)果可知，第二個描跡的中線的斜率值為0.36，因此它為s型描跡。第二步，根據(jù)描跡區(qū)域的長度larea，對a型和q型描跡進(jìn)行區(qū)分。如果larea＜100，區(qū)域內(nèi)描跡為a型，否則，描跡為q型。第三步，獲取a型和q型描跡區(qū)域的左端點(diǎn)、右端點(diǎn)、對應(yīng)的頻率值作為描跡的fmin、fmax，把描跡區(qū)域的最低虛高作為該描跡的h′min。對于s型描跡只需要記錄它的類型。結(jié)合圖14：第四類描跡的度量結(jié)果，來說明第四類描跡(直線型描跡與s型描跡混合)的判讀算法的具體實(shí)施步驟如下：第一步，將第四類描跡區(qū)域電離圖原圖，按照行中線和列中線將描跡分為四塊，然后將四塊描跡區(qū)域中ρa(bǔ)rea＜0.1的描跡區(qū)域內(nèi)像素值非零的點(diǎn)賦值為0。第二步，確定描跡區(qū)域每個非零行中從左到右第一個非零值所在的列值col(i)。從第一行開始比較第i行與第i+1行是否滿足|col(i+1)-col(i)|＜35，如果滿足繼續(xù)比較，知道不滿足條件停止。不滿足條件時(shí)，對應(yīng)的行值i就是s型描跡與直線型描跡的分割線。如圖14(a)：第四類描跡的原圖，如圖14(b)：第四類描跡區(qū)域中直線型描跡與s型描跡的分割線。第三步，如圖14(c)：按分割線得到的直線型描跡和s型描跡。對劃分后的直線型描跡類型識別與度量(因s型描跡無需度量參數(shù)值及其類型，所以這里只對直線型描跡進(jìn)行度量)。根據(jù)描跡的左端點(diǎn)、右端點(diǎn)對應(yīng)的頻率值作為描跡的fmin、fmax，同時(shí)描跡的最低非零行對應(yīng)的虛高值，作為h′min。根據(jù)描跡趨勢、虛高、頻率信息及電離圖時(shí)間判斷描跡類型。如圖14(d)：第四類描跡區(qū)域的度量結(jié)果。結(jié)合圖15：電離圖E區(qū)描跡度量結(jié)果，來說明步驟g.獲取E區(qū)參數(shù)的具體實(shí)施步驟：通過對電離圖上的每個描跡進(jìn)行類型識別與度量，已經(jīng)確定電離圖E區(qū)描跡的個數(shù)、類型及每個描跡的fmin、fmax、h′min。通過對所有描跡的度量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，就可以確定電離圖上Es層的個數(shù)及類型、E區(qū)描跡的最小頻率、foE、h′E、h′Es、ftEs。如圖15電離圖E區(qū)描跡度量結(jié)果所示。比較實(shí)驗(yàn)：由于本文算法可以識別的Es層種類較多，但是目前公開的方法識別可以識別的Es種類較少。所以，在對比實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)集是不同時(shí)間段和不同地區(qū)的1000張電離圖(這1000張電離圖中包含的Es層類型是其他方法也可識別的)。將本文算法得到的結(jié)果、中國海洋大學(xué)盧紅光碩士論文中《基于圖像處理的垂測頻高圖E、Es層描跡自動判讀研究》中的算法得到的結(jié)果(在下面表格中用‘他人方法’表示)，分別與人工度量結(jié)果(真值)進(jìn)行對比。算法得到的結(jié)果與人工度量的結(jié)果之間有差值，如果差值在誤差允許范圍內(nèi)，就認(rèn)為算法度量結(jié)果正確。將本文算法與盧紅光的算法的正確率得到的參數(shù)foE、h′E、h′Es、ftEs的正確率和Es類型識別的正確率如下：foE、ftEs的正確率對比如下表：(誤差允許范圍為0.1MHz)方法foE正確率ftEs正確率本發(fā)明方法75％76％他人方法63％71％h′E、h′Es的正確率對比如下：(誤差允許范圍為7km)方法h′E正確率h′Es正確率本發(fā)明方法76％81％他人方法70％74％Es類型識別正確率對比結(jié)果如下：本文方法Es類型識別的正確率為75％；他人方法Es類型識別的正確率為65％。綜上，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中以下幾方面的不足。第一，在常規(guī)的電離圖E區(qū)描跡檢測算法中，首先對電離圖進(jìn)行去噪、形態(tài)學(xué)操作等預(yù)處理過程，然后在預(yù)處理后的電離圖上進(jìn)行描跡的檢測。這樣會出現(xiàn)由于去噪過程導(dǎo)致描跡信息丟失的現(xiàn)象，如果不進(jìn)行去噪，直接進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作會導(dǎo)致，將聚集的噪聲信息作為描跡的情況，導(dǎo)致描跡檢測出錯。在本發(fā)明中提出基于密集點(diǎn)檢測的E區(qū)描跡檢測算法，該算法可以在原始電離圖上為候選描跡找到合適的閉合邊界，然后根據(jù)描跡區(qū)域內(nèi)的信息排除非描跡區(qū)域只保留E區(qū)描跡區(qū)域。本發(fā)明中的描跡檢測算法避免了對電離圖的預(yù)處理過程導(dǎo)致描跡信息丟失的現(xiàn)象，同時(shí)提高E區(qū)描跡檢測的正確率。第二，目前存在E區(qū)描跡類型識別的范圍只包括常規(guī)E層、l型Es描跡、與E層常規(guī)描跡相連的c型描跡和僅存的c型Es描跡等這些常規(guī)情況，在本文中E區(qū)描跡類型識別的范圍包括了目前為止所有有定義的描跡類型(E層、Es層(l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型、a型、q型、s型)、E2層)。同時(shí)本文的算法在描跡類型識別率上取得了較好的效果。本發(fā)明與背景文件中的現(xiàn)有技術(shù)中記載的‘一種基于圖像處理的垂測電離圖E區(qū)描跡自動判讀方法’的區(qū)別為：第一，E區(qū)描跡經(jīng)常會存在著不同程度的擴(kuò)散現(xiàn)象，同時(shí)在電離圖上還存在著各種原因引起的噪聲。如果對去噪處理后的電離圖進(jìn)行描跡區(qū)域查找，會導(dǎo)致描跡信息的丟失。本發(fā)明中提出的基于密集點(diǎn)查找的描跡自動檢測算法，可以在原電離圖上找到包含描跡區(qū)域的閉合邊界，再把描跡區(qū)域放在干凈電離圖上進(jìn)行判讀。第二，在本發(fā)明中根據(jù)描跡擴(kuò)散特點(diǎn)將描跡分成四類：第一類是擴(kuò)散程度比較小的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二類是擴(kuò)散程度比較大的E層、E2層、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三類是Es層a型、q型、s型，第四類是直線型描跡與s型描跡混合；然后，根據(jù)四類描跡的不同特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了不同的描跡判讀算法。第三，在第一 類描跡的判讀算法中，本發(fā)明利用E區(qū)描跡的分布特征對描跡進(jìn)行三次細(xì)分，根據(jù)細(xì)分后描跡的不同特征，設(shè)計(jì)兩種描跡判讀算法：描跡曲線擬合法、端點(diǎn)位置分析法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別：第一，在現(xiàn)有技術(shù)中提出的基于E區(qū)、F區(qū)之間的谷區(qū)的水平投影積分法中，設(shè)定一個固定的積分區(qū)域(電離圖的220～260行)。這種E區(qū)、F區(qū)分割方法沒有考慮到電離圖的多樣性，對于存在描跡間斷、F層存在變形的電離圖會出現(xiàn)錯分。本發(fā)明中的垂測電離圖E區(qū)F區(qū)分割算法考慮到了電離圖描跡的多樣性，并結(jié)合了電離圖參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出的E區(qū)F區(qū)算法取得了較好效果。第二，在蔣百靈的《中國海洋大學(xué)》碩士論文‘基于圖像處理的電離層垂測電離圖自動度量方法研究’中，對于E區(qū)描跡的研究中，只涉及E區(qū)描跡檢測，而沒有涉及E區(qū)描跡的類型識別與度量。同時(shí)在蔣百靈的《中國海洋大學(xué)》碩士論文‘基于圖像處理的電離層垂測電離圖自動度量方法研究’中的E區(qū)描跡檢測算法中，對電離圖進(jìn)行了形態(tài)學(xué)操作以及領(lǐng)域增強(qiáng)的預(yù)處理操作，對預(yù)處理后的電離圖進(jìn)行E區(qū)描跡檢測，會導(dǎo)致把聚集的噪聲誤認(rèn)為是描跡。本文中的E區(qū)描跡檢測算法，在原始電離圖上確定候選描跡區(qū)域的閉合邊界，根據(jù)原始電離圖候選描跡區(qū)域內(nèi)的信息，對非描跡區(qū)域進(jìn)行排除，實(shí)現(xiàn)E區(qū)描跡檢測。本文的描跡檢測算法克服了由于電離圖的預(yù)處理過程導(dǎo)致的描跡信息丟失和誤把噪聲作為描跡的現(xiàn)象。第三，在《中國海洋大學(xué)》徐高峰的碩士論文‘基于圖像處理的電離層垂測頻高圖參數(shù)提取方法的研究’中和《中國海洋大學(xué)》盧紅光的碩士論文‘基于圖像處理的垂測頻高圖E層、Es層描跡自動判讀研究’中對于E區(qū)描跡類型識別的范圍只包括常規(guī)E層、l型Es描跡、與E層常規(guī)描跡相連的c型描跡和僅存的c型Es描跡。而本專利中E區(qū)描跡類型識別范圍包括了到目前為止定義的所有描跡類型：E層、Es層(l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型、a型、q型、s型)、E2層。當(dāng)前第1頁1 2 3