一种基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法技术

本发明专利技术提供一种基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法，包括以下步骤：a.垂测电离图E区F区分割；b.E区候选描迹区域检测；c.非描迹区域排除；d.基于描迹扩散特点将描迹划分为4类：第一类是扩散程度比较小的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二类是扩散程度比较大的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三类是Es层a型、q型、s型，第四类是直线型描迹与s型描迹混合；e.对第三类描迹区域进行合并；f.分别对四类描迹进行类型识别与度量；g.获取E区参数；本发明专利技术方法全面考虑目前存在的所有类型的Es层描迹，是一种全面的电离图E描迹判识方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及垂测电离图自动度量领域，特别涉及一种基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法。
技术介绍
作为“太阳活动的反光镜”和“大气扰动的放大镜”，电离层研究具有极其重要的学术意义和社会经济价值。目前世界各国已经有了各种电离层探测方法，其中电离层垂直探测是电离层研究中历史最悠久、至今仍然广泛使用的电离层地面常规探测方法。随着电离层探测技术的发展，探测数据量变得非常巨大，并且对探测数据处理的时效性提出了更高的要求，人工度量电离层参数的模式已经不能满足现在研究工作的实际需求。国内外较多学者都在进行电离图自动判读的研究，但由于电离层时变、色散等特殊性，并受太阳活动和地磁活动等因素的影响，电离图复杂多变。至今仍没有一个完善的方法适应复杂多变的电离图，电离图的自动判读研究还有重要意义。电离图E区描迹是由E层、Es层和E2层构成。Es层的主要特点是出现没有规律性，种类多，描迹还存在不同程度的扩散现象。电离图E区描迹自动判读算法是电离图自动判读算法中重要的一部分。现有技术中，《中国海洋大学》硕士论文作者：蒋百灵，公开了‘基于图像处理的电离层垂测电离图自动度量方法研究’主要有一下几方面的内容：1.在电离图预处理环节中，基于垂测仪探测原理，将垂测数据转换为灰度图像；根据电离层反射回波信号特点，结合灰度形态学操作、邻域增强以及Otsu自动阈值去噪方法在保持描迹结构及形态特征不变的前提下，去除噪声，得到电离图二值图像。2.在电离图分割环节中，针对存在的高频区强干扰，基于电离图描迹的区域范围，利用图像垂直投影积分法实现有效频带分割；结合电离层的分层结构以及E-F谷区所在高度范围，采用分割线定位算法实现了电离图E区、F区的分割。3.在电离图识别环节中，主要采用图像处理相关技术实现F区描迹识别和参数判读以及E区描迹检测。E区描迹检测基于电离图度量规则以及对E区描迹特点的统计分析，结合E区单次反射描迹的高度范围，利用连通成分标记以及图像水平投影法检测E区描迹，为E区常出现的无描迹状况下相关电离层参数的度量做准备。同时，现有技术中，还有《中国海洋大学》硕士论文作者：卢红光公开了‘基于图像处理的频高图E、Es层描迹自动判读研究’和《中国海洋大学》硕士论文作者：徐高峰公开了“基于图像处理的电离层垂测频高图参数提取方法的研究”。这两个公开的方法对于E区描迹的判读主要思路：(1)通过垂直方向的积分投影方式对图像中有效频域进行定位，划分出目标图像区域，同时滤除非目标区域的干扰信息。然后结合电离层频高图描迹的分层特征，采用分割线定位法，对E层和F层进行分割，为后续的分层参数提取提供基础。(2)对F层中的参数进行提取。本文根据电离层频高图中干扰信号的强度比有用信号强度弱的特点，首先对图像进行了预处理。通过图像灰度拉伸、类间方差法和最小值滤波的方式对电离层频高图中的椒盐噪声和孤立噪声点进行滤除。然后通过旋转投影积分法和连通分量标记法对频高图F层的二次反射进行去除，有效的提取了F层主描迹分量。最后通过骨架化和限定窗口的方法，结合最小二乘法拟合的数学方法对F层中的参数进行提取。(3)对E层中的参数进行提取。本文首先通过对E层图像中的描迹进行形态学处理，修复描迹中的断裂点，并且通过滤波的方式对E层图像中的噪声点进行滤除。然后结合E层描迹的形状特征对E层中的Es描迹进行识别，最后结合人工度量的先验知识对E层中的参数进行提取。现有技术存在缺陷，对于存在描迹间断、F层存在变形的电离图会出现错分：没有涉及E区描迹的类型识别与度量；对预处理后的电离图进行E区描迹检测，会导致把聚集的噪声误认为是描迹。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种精确度高的电离图E区描迹自动判读方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供了基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法，所述方法包含以下步骤：a.垂测电离图E区F区分割；b.对E区候选描迹区域进行检测；c.非描迹区域排除；d.基于描迹扩散特点将描迹划分为4类，第一类是扩散程度比较小的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二类是扩散程度比较大的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三类是Es层a型、q型、s型，第四类是直线型描迹与s型描迹混合；e.对第三类描迹区域进行合并；f.分别对四类描迹进行类型识别与度量；g.获取E区参数；步骤a，垂测电离图E区F区分割。本专利技术考虑了中国不同地区电离图的多样性，提出了基于参考区间内零区个数的E区F区分割方法。具体步骤如下。第一步，对灰度电离图进行二值化预处理得到二值电离图。第二步，确定一个包含电离图各种情况下E区和F区分割线的参考区间。考虑了中国不同地区和不同时段电离图的多样性，对大量电离图F层最低虚高的经验数据进行统计，确定了范围150km～350km(中国电波传播研究所数字垂测仪探测电离图矩阵的180行到260行)作为参考区间，并查找参考区间内零区个数。第三步，基于第二步结果，如果参考区间内无零区，取参考区间水平积分最小值对应的行作为分割线。第四步，基于第二步结果，如果参考区间内只有一个零区，取零区的中线作为分割线。第五步，基于第二步结果，如果参考区间内存在多个零区的情况，采用基于非零区投影值和零区宽度值的最优零区查找方法：首先，查找参考区间内零区上面的非零区中水平投影最大值HPVmax的虚高位置。其次，根据进一步定位分割线。HPVmax可能位于F层、Es层l型或f型描迹的二次反射、Es层n型描迹，根据这些描迹虚高的经验值，设定180km作为阈值对分割线进一步定位：a)如果说明HPVmax位于F层或Es层l型、f型描迹的二次反射上，因此分割线位于下面的零区中；b)如果说明HPVmax位于Es层n型描迹上，因此分割线位于上面的零区中。然后，在上一步定位的零区中，进行最优零区查找。利用零区的宽度值(h′width)来判断零区是不是描迹的间断，根据大量电离图数据的统计结果，设定区分不同层之间的描迹间隙与描迹间断之间的阈值为20km。如果在上一步定位的零区中存在h′width＞20km的零区，选择距离最近且h′width＞20km的零区作为最优零区；否则，选取上一步定位的零区中最宽的零区作为最优零区。最后，将最优零区的中线作为E区F区的分割线。第六步，提取电离图E区。步骤b电离图E区候选描迹区域检测。E区描迹经常会存在着不同程度的扩散现象，同时在电离图上还存在着各种原因引起的噪声。如果直接对电离图进行去噪处理，可能会导致描迹信息的丢失。通过对电离图进行观察，可以发现构成描迹的区域都是电离图上像素点分布比较密集的区域，于是本文提出了基于密集点查找的候选描迹区域自动检测算法，步骤如下：第一步，利用积分图法在E区电离图上遍历找到所有满足2×2和3×1窗口全部有值的小区域，并把区域内的点标记为密集点保留。第二步，在第一步的基础上，确定包含密集点的连通区域。对密集点集进行图像形态学先膨胀后腐蚀操作得到连通区域。第三步，对第二步的基础上，排除小面积连通区域。根据统计结果，设定13作为连通区域面积(像素点个数)阈值对非描迹区域进行排除，排除后剩下的区域为候选描迹区域。第四步，标记候选描迹区域位置。利用连通区域标记和边界查找方法，确定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：a.垂测电离图E区F区分割；b.对E区候选描迹区域进行检测；c.非描迹区域排除；d.基于描迹扩散特点将描迹划分为4类：第一类是扩散程度比较小的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二类是扩散程度比较大的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三类是Es层a型、q型、s型，第四类是直线型描迹与s型描迹混合；e.对第三类描迹区域进行合并；f.分别对四类描迹进行类型识别与度量；g.获取E区参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：a.垂测电离图E区F区分割；b.对E区候选描迹区域进行检测；c.非描迹区域排除；d.基于描迹扩散特点将描迹划分为4类：第一类是扩散程度比较小的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第二类是扩散程度比较大的E层、E2层、l型、f型、c型、h型、r型、k型、n型，第三类是Es层a型、q型、s型，第四类是直线型描迹与s型描迹混合；e.对第三类描迹区域进行合并；f.分别对四类描迹进行类型识别与度量；g.获取E区参数。2.根据权利要求1所述基于图像处理的垂测电离图E区描迹自动判读方法，其特征在于，a步骤包含以下步骤：第一步，对灰度电离图进行二值化预处理得到二值电离图；第二步，确定一个包含电离图各种情况下E区和F区分割线的参考区间，参考区间的范围150km～350km(中国电波传播研究所数字垂测仪探测电离图矩阵的180行到260行)作为参考区间，并查找参考区间内零区个数；第三步，基于第二步结果，如果参考区间内无零区，取参考区间水平积分最小值对应的行作为分割线；第四步，基于第二步结果，如果参考区间内只有一个零区，取零区的中线作为分割线；第五步，基于第二步结果，如果参考区间内存在多个零区的情况，采用基于非零区投影值和零区宽度值的最优零区查找方法：首先，查找参考区间内零区上面的非零区中水平投影最大值HPVmax的虚高位置，其次，根据进一步定位分割线，HPVmax可能位于F层、Es层l型或f型描迹的二次反射、Es层n型描迹，根据这些描迹虚高的经验值，设定180km作为阈值对分割线进一步定位：a)如果说明HPVmax...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑海永，孙晓庆，卢红光，何绍红，姬光荣，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37