基于hog特征提取的全球海洋中尺度渦識別算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于特征提取及海洋可視化領(lǐng)域，具體涉及一種基于HOG (Histogram ofOriented Gradient，方向梯度直方圖)的全球海洋中尺度禍識別算法。
【背景技術(shù)】
[0002]從20世紀(jì)70年代以來，中尺度渦方面的研宄越來越成為物理海洋學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。由于中尺度渦可以引起溫度躍層以及鹽度躍層垂向位置的變化，所以無論在大洋動力學(xué)等理論研宄方面還是國防軍事等實(shí)際應(yīng)用方面，都具有很高的研宄價(jià)值和意義。
[0003]對海洋中尺度渦識別提取的方法有多種，目前常見的渦旋識別方法有SeaSurface Height (SSH)法、Okubo-Weiss (Off)法、Vector Geometry (VG)法和 HybirdDetect1n (HD)法等。
[0004](I)SSH法:該方法以最外圈的閉合等值線為渦旋邊界，再以渦旋邊界內(nèi)的SSH局地極值為渦旋中心，無閾值的SSH法雖增強(qiáng)了程序的自動性，但仍依賴于其他的閾值(面積和水平尺度)且運(yùn)算量大。
[0005]⑵OW法:0W法以W值作為物理參數(shù)，W值是由SSH計(jì)算得到的。將-0.2 σ w ( ow為整個(gè)W場的標(biāo)準(zhǔn)差)作為閾值，判斷檢測區(qū)域是否為渦旋。OW法從中尺度渦的物理性質(zhì)出發(fā)定義判別標(biāo)準(zhǔn)，更能揭示中尺度渦的物理本質(zhì)，但卻存在明顯的缺陷。第一，在赤道附近科氏力是趨于0，因此，由SLA和科氏力以及重力加速度計(jì)算得到的OW參數(shù)不正確。第二，W場會產(chǎn)生很多噪點(diǎn)，往往被誤判為渦旋。第三，不同閾值得到的結(jié)果波動很大。
[0006](3) VG法:該方法檢測得到的渦心為渦流速率最小的網(wǎng)格點(diǎn)，渦邊則是對應(yīng)著最大平均旋轉(zhuǎn)速度的閉合流線。該方法在準(zhǔn)確率方面比OW法有優(yōu)勢，但其檢測過程較復(fù)雜。
[0007](4)HD法:是OW法和SSH法的混合。先以SSH局地極值和“渦核”(W〈_0.2 σ w)確定渦心，再以包含“渦核”的最內(nèi)圈閉合SSH等值線為渦邊，最后確定“多核結(jié)構(gòu)”及其邊界。
[0008]采用以上方法進(jìn)行渦旋識別中，都要加入地轉(zhuǎn)流速作為確定渦旋的因素，而在基于高度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算地轉(zhuǎn)流速時(shí)，都加入了科氏力參數(shù)，科氏力在赤道附近是趨近于零的，因此在赤道附近由高度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)流速是不準(zhǔn)確的，這就對渦旋識別結(jié)果造成誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種基于HOG的全球海洋中尺度渦識別算法。其在全球海洋中尺度渦提取方面，提高了赤道附近渦旋識別的有效率，提升了渦旋識別效率。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，具體步驟為:
(O構(gòu)建高度計(jì)圖像的方向梯度直方圖，收集圖像的HOG特征向量； (2)由方向梯度直方圖特征向量提取渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線；
(3)對渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線加以渦旋性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，得到渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線；
(4)由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線對海平面高度異常等高線進(jìn)行迭代，得到渦旋中心及渦旋邊界。
[0011]上述步驟(I)中，將高度計(jì)圖像分成小的連通區(qū)域，即細(xì)胞單元，計(jì)算高度計(jì)圖像的像素梯度值及梯度方向，基于梯度值的方向權(quán)重投影得到方向梯度直方圖特征向量，并進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的方向HOG特征向量是對高度計(jì)圖像邊緣特征的描述。
[0012]上述步驟(2)中，根據(jù)上述步驟(I)中得到的HOG特征向量，提取待檢測窗口每個(gè)細(xì)胞單元的方向梯度直方圖值最大的梯度方向，將待檢測窗口中所有最大梯度方向線連接起來，就是渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線。
[0013]上述步驟(3)中，根據(jù)渦旋性質(zhì)對渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線進(jìn)行篩選，得到渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線。
[0014]上述步驟(4)中，由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線起，向里迭代海平面高度異常等高線得到渦旋中心，向外迭代得到渦旋邊界，迭代過程中加以渦旋性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:該方法通過收集衛(wèi)星高度計(jì)圖像的HOG特征值，根據(jù)HOG特征值來提取渦旋邊界，避免在進(jìn)行渦旋識別時(shí)，受科氏力的影響而造成赤道附近渦旋識別結(jié)果不準(zhǔn)確，提高了渦旋識別效率。
【附圖說明】
[0016]圖1基于方向梯度直方圖的全球海洋中尺度渦識別方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的基于方向梯度直方圖的全球海洋中尺度渦識別方法，包括以下步驟:
(I)收集高度計(jì)圖像的方向梯度直方圖特征向量。
[0018]首先將高度計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像格式，對圖像進(jìn)行色彩和伽馬歸一化，計(jì)算圖像像素梯度值和圖像像素梯度方向，構(gòu)建梯度方向的直方圖，將所有包含多個(gè)像素的細(xì)胞單元在塊上進(jìn)行歸一化，收集檢測圖像所有塊的特征，形成方向梯度直方圖特征向量。
[0019](2)提取方向梯度直方圖特征線，檢測渦旋候選邊界。
[0020]由HOG特征向量提取待檢測窗口各個(gè)細(xì)胞單元的最大梯度方向線，將最大梯度的方向線連接起來，得到的特征線即為渦旋的最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線。
[0021](3)判斷最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線是否滿足渦旋標(biāo)準(zhǔn)，判斷標(biāo)準(zhǔn)具體如下:
(a)對渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線進(jìn)行形狀測試，判斷該特征線覆蓋的區(qū)域與其同面積圓覆蓋區(qū)域的偏差率是否小于55% ；
(b)計(jì)算渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線內(nèi)的像素個(gè)數(shù)I，I是否在8-1000之間。若渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線滿足上述所述步驟(3)中條件(a)、(b)，則其為渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線。
[0022](4)根據(jù)渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線得到渦旋中心和渦旋邊界:
由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線向里迭代海平面高度異常等高線，直到像素個(gè)數(shù)趨于I時(shí)，停止迭代，最后一次迭代等高線所圍多邊形的重心即渦旋中心；由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線向外迭代，直到等高線不滿足上述步驟(3)中的條件(a)、(b)時(shí)停止迭代，最后一次迭代的等高線即渦旋邊界。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于HOG的全球海洋中尺度渦識別方法，其特征在于包括如下步驟: 基于高度計(jì)圖像的HOG特征向量提取渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線，所述步驟(I)具體如下: 根據(jù)HOG特征向量，提取待檢測窗口的每個(gè)細(xì)胞單元的方向梯度直方圖值最大的梯度方向，將所有最大梯度方向線連接起來，就是渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線，根據(jù)渦旋性質(zhì)對渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線進(jìn)行篩選，對渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線進(jìn)行形狀測試，判斷特征線覆蓋的區(qū)域與其同面積圓覆蓋區(qū)域的偏差率是否小于55%，計(jì)算渦旋最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線內(nèi)的像素個(gè)數(shù)I，I是否大于8，小于1000 ;通過以上標(biāo)準(zhǔn)的最大地轉(zhuǎn)速度候選特征線即為渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線。2.(2)由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線迭代得到渦旋中心和渦旋邊界，所述步驟(2)具體如下:由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線起，對海平面高度異常等高線向里進(jìn)行迭代，直到等高線內(nèi)像素個(gè)數(shù)趨于I時(shí)，停止迭代，最后迭代等高線所圍多邊形的重心即渦旋中心；由渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線向外迭代，直到等高線不滿足3中的條件a和條件b則停止迭代，最后一次迭代的海平面高度異常等高線即渦旋邊界。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于HOG特征提取的全球海洋中尺度渦識別算法。該算法使用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，基于HOG特征提取方法檢測渦旋最大地轉(zhuǎn)速度特征線，確定渦旋所在區(qū)域，通過向里收縮和向外擴(kuò)展的方式迭代來確定渦旋中心和渦旋邊界，并在迭代的過程中加以渦旋性質(zhì)的限制，從而確定渦旋空間位置及尺度，完成海洋中尺度渦的識別；該方法以高度計(jì)圖像的HOG特征值，作為渦旋識別的參數(shù)，避免在赤道附近進(jìn)行渦旋識別時(shí)受科氏力的影響而造成結(jié)果不準(zhǔn)確，提高了渦旋識別的準(zhǔn)確率和效率。
【IPC分類】G06K9/46
【公開號】CN104915670
【申請?zhí)枴緾N201510212982
【發(fā)明人】田豐林, 陳戈, 劉穎潔
【申請人】中國海洋大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年4月29日