一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，包括以下步骤，采集第二模态凸型内孤立波引起的水体表面变化图和波形图，获得第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像以及光学遥感图像对应的第二模态凸型内孤立波振幅，构建样本库；基于样本库，通过选取卷积神经网络，构建第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型，第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型用于通过采集真实海洋第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像，获得真实海洋第二模态凸型内孤立波的第二模态凸型内孤立波振幅；本发明专利技术填补了直接利用光学遥感图像探测第二模态凸型内孤立波振幅的技术空白，提高内孤立波振幅探测精度。内孤立波振幅探测精度。内孤立波振幅探测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法


[0001]本专利技术属于内孤立波的光学遥感探测
，特别是涉及一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法。

技术介绍

[0002]内孤立波是海洋中常见的中小尺度动力过程，根据振幅垂向结构所拥有的极值点个数，可分为第一模态、第二模态和更高阶模态。第二模态内孤立波的流核位于海面之下，引发的流速剪切较第一模态内孤立波更大，对海上作业平台造成了严重威胁，因此对第二模态内孤立波的研究日益受到关注。海洋中的第二模态内孤立波分为凸型波和凹型波，凸型波的等密度面起伏在温跃层上下反位相凸起，凹型波则恰好相反。由于海洋的分层结构，现场观测到的大多数是第二模态凸型内孤立波。内孤立波对海洋的影响主要与其强度有关，振幅是衡量内孤立波强度的一个重要指标。因此，利用光学遥感图像探测第二模态凸型内孤立波振幅是急需解决的关键技术。
[0003]研究表明，内孤立波会引起海表层流场发生辐聚、辐散与海面凸起。对于第一模态内孤立波，目前主要利用合成孔径雷达(SAR)图像来进行振幅反演，通过从SAR图像中提取内孤立波条纹的亮暗间距一个参量，利用内孤立波传播方程，结合当地水深、层结、密度等参量得到亮暗间距与半波宽度的关系，进一步得到振幅，并且该方法被借用到光学遥感图像的振幅反演中。第二模态凸型内孤立波的尺度较小，利用高空间分辨率的光学遥感图像才能够清楚观测到，关于第二模态凸型内孤立波遥感探测的研究很少，至今未见报道利用光学遥感图像探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法。
[0004]对于光学遥感来说，内孤立波经过时会在图像上形成亮暗相间的条纹，目前还没有定量描述光学传感器辐亮度与内孤立波波要素关系的研究，并且光学遥感图像本身包含了影响内孤立波的多种信息，这些信息目前在振幅探测方面没有得到充分利用。其次，由于内孤立波的发生具有随机性，光学遥感图像与现场实测数据很难达到时空匹配，从而限制了利用光学遥感图像探测第二模态凸型内孤立波振幅的研究。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的是借助卷积神经网络在图像领域的优势，综合考虑了引起内孤立波光学遥感图像变化的各种因素，利用光学遥感图像条纹全部信息发展第二模态凸型内孤立波振幅探测的新方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，包括以下步骤：
[0007]采集第二模态凸型内孤立波引起的水体表面变化图和波形图，获得第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像以及光学遥感图像对应的第二模态凸型内孤立波振幅，构建样本库；
[0008]基于样本库，通过选取卷积神经网络，构建第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感
探测模型，第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型用于通过采集真实海洋第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像，获得真实海洋第二模态凸型内孤立波的振幅。
[0009]优选地，在采集第二模态凸型内孤立波引起的水体表面变化图和波形图的过程前，对第二模态凸型内孤立波进行模拟，模拟的过程包括：
[0010]通过设置溶液深度、上层溶液、下层溶液以及上层溶液与下层溶液的跃层偏移比、塌陷高度、成像角度，构建仿真模型，其中跃层偏移比用于表示由上层溶液和下层溶液的界面构成的密度跃层的偏移比，所述塌陷高度用于表示利用重力塌陷法造波时重力势能的强度，所述成像角度用于表示由所述模拟实验获取第二模态凸型内孤立波图像时的角度；
[0011]基于仿真模型，通过重力塌陷法，获得第二模态凸型内孤立波。
[0012]优选地，在构建仿真模型过程中，将密度999kg/m3的清水设置为所述上层溶液，将密度范围1020
‑
1085kg/m3的盐水设置为所述下层溶液，所述跃层偏移比为0％
‑
30％，所述的成像角度为10
‑
90
°
，所述仿真模型的溶液深度为40
‑
60cm。
[0013]优选地，在通过重力塌陷法获得第二模态凸型内孤立波的过程中，设置仿真模型的造波区长度为40cm，塌陷高度为5
‑
25cm，其中，造波区长度用于表示生成第二模态凸型内孤立波的区域长度。
[0014]优选地，基于仿真模型，通过设置至少两台图像采集设备通过相同帧频以及刻度定标法的方式，采集水体表面变化图和波形图，其中，图像采集设备包括CCD相机。
[0015]优选地，在构建得到样本库的过程中，通过时序化处理、滤波处理、单根特征条纹裁剪处理的预处理方法，对水体表面变化图进行预处理，获得光学遥感图像，通过预处理方法对波形图进行预处理，获得第二模态凸型内孤立波振幅，其中，时序化处理用于通过设置取样线，将所述水体表面变化图基于时间顺序合并成第一时间序列图，将波形图合并成第二时间序列图，基于第一时间序列图构建光学遥感图像，基于第二时间序列图，获得第二模态凸型内孤立波振幅。
[0016]优选地，在获得第二模态凸型内孤立波振幅的过程中，采集上层溶液的水深、第二时间序列图的上边界高度差以及第二时间序列图的中心位置高度差，获得第二模态凸型内孤立波振幅，其中，
[0017]上边界高度差用于表示第二时间序列图中，水面与密度跃层的第一高度差；
[0018]中心位置高度差用于表示第二时间序列图中，第二模态凸型内孤立波振幅的垂向极值点中心位置与密度跃层的第二高度差。
[0019]优选地，在构建第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型的过程中，通过依次设置输入层、第一卷积层、第一池化层、第二卷积层、第二池化层、第一全连接层、第二全连接层、输出层，构建卷积神经网络。
[0020]优选地，基于卷积神经网络，通过样本库对卷积神经网络进行验证、测试，构建初始内孤立波振幅探测模型，其中，样本库的条纹包括若干张单根内孤立波特征条纹图像，单根内孤立波特征条纹图像作为卷积神经网络的输入样本；
[0021]通过采集真实海洋第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像，对初始内孤立波振幅探测模型进行修正，获得第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型。
[0022]优选地，在对初始内孤立波振幅探测模型进行修正的过程中，通过ENVI软件对真实海洋第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像进行几何校正和单根特征条纹裁剪，获得校
正样本，通过校正样本对初始内孤立波振幅探测模型进行修正，获得第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型。
[0023]本专利技术的积极进步效果在于：
[0024]本专利技术利用内孤立波光学遥感仿真数据建立了第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型，经过实测数据的校正，最终使其能够应用于真实海洋中，通过输入预处理后的第二模态凸型内孤立波光学遥感图像，直接得到振幅。在内孤立波的光学遥感图像受多种因素共同影响的情况下，充分利用了卷积神经网络在图像领域的优势，对内孤立波在光学遥感图像中产生的亮暗条纹包含的信息进行综合的特征提取与学习，通过输入预处理后的内孤立波光学遥感图像，能够直接得到振幅，填补了直接利用光学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，其特征在于，包括以下步骤：采集第二模态凸型内孤立波引起的水体表面变化图和波形图，获得所述第二模态凸型内孤立波的光学遥感图像以及所述光学遥感图像对应的第二模态凸型内孤立波振幅，构建样本库；基于所述样本库，通过选取卷积神经网络，构建第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型，所述第二模态凸型内孤立波振幅光学遥感探测模型用于通过采集真实海洋第二模态凸型内孤立波的所述光学遥感图像，获得所述真实海洋第二模态凸型内孤立波的所述第二模态凸型内孤立波振幅。2.如权利要求1所述一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，其特征在于，在采集所述第二模态凸型内孤立波引起的所述水体表面变化图和所述波形图的过程前，对所述第二模态凸型内孤立波进行模拟，模拟的过程包括：通过设置溶液深度、上层溶液、下层溶液以及所述上层溶液与所述下层溶液的跃层偏移比、塌陷高度、成像角度，构建仿真模型，其中所述跃层偏移比用于表示由所述上层溶液和所述下层溶液的界面构成的密度跃层的偏移比，所述塌陷高度用于表示利用重力塌陷法造波时重力势能的强度，所述成像角度用于表示由所述模拟实验获取第二模态凸型内孤立波图像时的角度；基于所述仿真模型，通过重力塌陷法，获得所述第二模态凸型内孤立波。3.如权利要求2所述一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，其特征在于，在构建所述仿真模型过程中，将密度999kg/m3的清水设置为所述上层溶液，将密度范围1020
‑
1085kg/m3的盐水设置为所述下层溶液，所述跃层偏移比为0％
‑
30％，所述的成像角度为10
‑
90
°
，所述仿真模型的溶液深度为40
‑
60cm。4.如权利要求3所述一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，其特征在于，在通过所述重力塌陷法获得所述第二模态凸型内孤立波的过程中，设置所述仿真模型的造波区长度为40cm，塌陷高度为5
‑
25cm，其中，所述造波区长度用于表示生成所述第二模态凸型内孤立波的区域长度。5.如权利要求4所述的一种用于探测第二模态凸型内孤立波振幅的方法，其特征在于，基于所述仿真模型，通过设置至少两台图像采集设备通过相同帧频以及刻度定标法的方式，采集所述水体表面变化图和所述波形图，其中，所述图像采集设备包括CCD相机...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晶，李志鑫，张猛，苗洪利，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：