[发明专利]基于像素优化的海冰冰块分水岭分割方法

说明书

一种基于基于像素优化的分水岭算法，可有效对海冰冰块识别，并计算海冰尺寸分布，属于图像处理及自动化检测技术领域。在处理的过程中首先利用经纬度对海冰卫星图像的实际尺寸进行标定及灰度图像转化；用分水岭法对海冰冰块进行边界的分割。对分割以后的海冰和海水图像进行二值化处理，通过灰度平均值、最大值、方差等像素总体特性来区分海水和海冰；然后，用腐蚀‑膨胀方法对分割结果进行分割边界优化，去掉无效分割，将复制图像优化的分割结果与原始图像相叠加；最后，计算出等效直径及其分布区间，由此拟合得到海冰尺寸概率密度分布函数。本发明通过像素优化分水岭分割海冰方法，有效解决了高清卫星图像中海冰和海水较难区分和统计海冰尺寸分布的技术难题。

技术领域

本发明属于图像处理及自动化检测技术领域，涉及一种基于像素优化的海冰冰块分水岭 分割方法，可服务于海上交通运输和海上资源开采等领域。

背景技术

渤海和黄海北部是我国主要的结冰海区。渤海位于北半球中纬度地区(37°07′～41°0′N； 117°35′～121°10′E)，环抱于山东、河北、天津和辽宁三省一市之间，为半封闭的内海。渤海 南北长560km，东西宽300km，海区面积约78000km²，平均水深18m，最大水深78m。黄海北 部指老铁山水道以东鸭绿江口以西的辽东半岛近岸海域。

渤海冬季每年均会出现海冰，每年冰情差别较大，对海上生产活动构成威胁，冰情严重 时酿成严重的灾害。近年来，随着环渤海经济迅速发展，结冰海区已经陆续建立许多石油平 台和港口，海洋油气开发、船舶航运和海洋渔业等生产日益活跃，海冰对海上经济活动影响 不容忽视。海冰灾害发生时会封锁航道和港口，破坏海港设施；流冰的切割、碰撞和挟持， 将严重威胁舰船航行的安全。

海冰的尺寸分布是一个可以影响到海冰热力学和动力学过程的重要状态参数，海冰受到 外力作用发生破碎后形成碎冰量级可以从米跨越到千米。影响海冰尺寸分布的因素主要包括 海冰的厚度、密集度、地理条件(如海岸线)、风以及海流的强度等。由于形状和大小改变， 浮冰对于动力以及热力作用的响应也会发生相应的变化。因此，分析浮冰大小分布特征，对 于研究渤海区的动量和热量收支有着重要意义。

发明内容

针对上述问题的需求，本发明提出一种基于像素优化的分水岭算法，可有效对海冰碎冰 块识别，并计算尺寸分布。

为了实现上述目的，本发明的技术方案步骤为：

一种基于像素优化的海冰冰块分水岭分割方法，包括以下步骤：

第一步，首先加载具有代表性分辨率达米级的高清卫星图像，利用经纬度对海冰及海水 卫星图像的实际尺寸进行标定，获得每个像素代表的实际面积。并将原始图像转化为灰度图 像。

第二步，利用分水岭法对海冰冰块之间以及海冰与海水交界进行识别和分割。

2.1)对原始图像中感兴趣的区域进行框选并复制得到复制图像，接下来仅对复制的图像 进行处理；

2.2)通过基于一阶导数的滤波器Sobel方法检测图像水平边缘区域和垂直边缘区域，分 别对横向纵向进行差分运算，得到图像两个方向的梯度值；

2.3)低通滤波器Gaussian以一个二维正太分布作为卷积模板，通过概率意义上的正态分 布的形式对整个图像像素进行等权平均，以达到图像变模糊的效果，从而抑制细节信息，凸 显更大尺度的块面信息；

2.4)将图像所有灰度值扩大一定的倍数(一般在3-5倍)增大灰度范围，由于海冰与海 冰或者海冰与海水交界本身梯度较大，整体灰度增加一定倍数以后边界梯度值更大。从而在 图像上可以获得粗略的独立海冰冰块边界和海冰与海水的边界。此时不区分海冰与海水，每 一个梯度变化较大的灰度线围成一定的范围的封闭区域作为局部灰度区域；