一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法与流程

1.本发明属于航天测量与控制领域，具体涉及一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法。


背景技术：

2.火山喷发的影响和强度分析是地质和环境研究领域的一个重要方向。其中，火山灰是火山喷发后波及范围比较大的危害，会对水源、空气造成污染，给农作物生长带来不良影响，同时会影响航线通信以及全球气温等。
3.由于遥感卫星具有重复周期短、观测效果好的特点，已经广泛应用于国土普查、测绘等领域。因此，如何利用遥感卫星图像对火山灰扩散过程进行高效准确的测量，是一个值得研究的技术方向。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：利用遥感卫星观测火山，获取多帧火山喷发图像；对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像；获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息；并利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围；对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心；利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势；并利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向。
5.在本发明的一个实施例中，所述利用遥感卫星观测火山，获取多帧火山喷发图像之前，所述方法还包括：计算遥感卫星观测目标区域的载荷指向角，并在所述目标区域可见时，调整所述载荷指向角以进行观测定位；其中，所述目标区域包括火山。
6.在本发明的一个实施例中，所述计算遥感卫星观测目标区域的载荷指向角，包括：根据遥感卫星两行根数，利用stk软件结合sgp4模型获取地心惯性坐标系遥感卫星位置；获取地心惯性坐标系下所述目标区域的中心点位置；根据所述地心惯性坐标系遥感卫星位置和所述目标区域的中心点位置，计算遥感卫星位置视向量；计算遥感卫星位置与地心视向量；根据遥感卫星在三个方向的速度，和，计算遥感卫星运动方向向量
；根据遥感卫星位置视向量、遥感卫星位置与地心视向量和遥感卫星运动方向向量，计算遥感卫星观测目标区域的东西载荷指向角和南北载荷指向角为：；其中，表示遥感卫星观测目标区域的东西载荷指向角；表示遥感卫星观测目标区域的南北载荷指向角。
7.在本发明的一个实施例中，所述对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像，包括：对各帧火山喷发图像进行高斯滤波处理，得到对应的滤波后图像；其中，；表示高斯滤波函数；；高斯滤波函数中的表示中的像素点；表示噪声。
8.在本发明的一个实施例中，所述获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息，包括：针对每一帧滤波后图像，通过计算该帧滤波后图像的一阶导数，得到对应的梯度向量：；其中，和表示在方向和方向的一阶偏导数；利用该帧滤波后图像对应的梯度向量，求解该帧滤波后图像在像素点处的梯度幅值为；计算该帧滤波后图像在像素点处的方向角为；并确定该帧滤波后图像的初始图像边缘信息是沿着该方向角方向寻找到的梯度的最大值点：；基于得到的初始图像边缘信息 ，利用双阈值算法确定像素点的像素点边缘信息，并由遍历所有像素点得到的像素点边缘信息得到该帧滤波后图像对应的图像边缘信息。
9.在本发明的一个实施例中，所述基于得到的初始图像边缘信息，利用双阈
值算法确定像素点的像素点边缘信息，包括：若初始图像边缘信息小于双阈值算法预设的低阈值，则剔除所述初始图像边缘信息；若初始图像边缘信息大于双阈值算法预设的高阈值，则保留所述初始图像边缘信息并定义为强边缘，并将所述初始图像边缘信息作为像素点的像素点边缘信息；若初始图像边缘信息满足，则将所述初始图像边缘信息定义为弱边缘，并判断像素点的邻域8像素点中，是否有一个像素点满足强边缘定义，若是，则保留弱边缘为真实边缘，作为像素点的像素点边缘信息。
10.在本发明的一个实施例中，利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围时采用的计算公式，包括：；其中，表示火山灰扩散范围。
11.在本发明的一个实施例中，对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心时采用的计算公式，包括：；其中，表示能量质心的坐标；表示作为目标的火山灰团。
12.在本发明的一个实施例中，利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势时采用的计算公式，包括：；其中，表示相邻两帧得到的火山灰扩散趋势；表示相邻两帧中在先帧得到的火山灰扩散范围；表示相邻两帧中在后帧得到的火山灰扩散范围。
13.在本发明的一个实施例中，所述利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向，包括：将多帧得到的能量质心依次连线得到质心连线，根据所述质心连线的方向确定火山灰扩散方向。
14.本发明的有益效果：本发明实施例所提供的方案中，首先利用遥感卫星获取多帧火山喷发图像；其次对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像；接下来获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息；并利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围；
然后对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心；最后利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势；并利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向。可见，本发明实施例通过边缘检测，可以完成火山灰扩散范围判断，通过图像质心提取可以判断火山灰运动方向，因而能够利用遥感卫星图像对火山灰扩散过程进行高效准确的测量，以进一步分析其对环境的影响等。
附图说明
15.图1为本发明实施例所提供的一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法的流程示意图；图2为本发明实施例获取的多帧火山喷发图像；图3为本发明实施例各帧滤波后图像对应的图像边缘信息。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.当前，随着遥感卫星的作用越来越广泛，其飞行过程中可以探测掌握火山喷发过程。而遥感卫星具有重复周期短、观测效果好的特点，因此，本发明实施例考虑可以利用遥感卫星通过观测规划，对火山喷发区域进行重点监视。具体的，针对火山喷发，可以通过遥感卫星定期回访，总结火山喷发及火山灰变化规律，通过分析遥感卫星图像，总结火山灰扩散及移动规律，为地质和环境研究提供基础服务。
18.如图1所示，本发明实施例所提供的一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，可以包括如下步骤：s1，利用遥感卫星观测火山，获取多帧火山喷发图像；可以理解的是，每一帧火山喷发图像为火山喷发时的遥感卫星图像。
19.其中，在s1之前，所述方法还包括：计算遥感卫星观测目标区域的载荷指向角，并在所述目标区域可见时，调整所述载荷指向角以进行观测定位；其中，所述目标区域包括火山，即为待测的火山。
20.具体的，计算遥感卫星观测目标区域的载荷指向角，可以包括以下步骤：1)根据遥感卫星两行根数，利用stk软件结合sgp4模型获取地心惯性坐标系遥感卫星位置；本发明实施例是结合遥感卫星运行轨道对火山喷发进行观测，其中stk软件是satellite tool kit软件的简称，该软件是由美国analytical graphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件。sgp4模型全称simplified deep space perturbations，意为简化深空摄动模型，利用该模型可进行轨道外推获取各时刻卫星位置。
21.该步骤的具体实现过程请结合相关技术理解，在此不做详细说明。
22.2)获取地心惯性坐标系下所述目标区域的中心点位置；其中，地心惯性坐标系下所述目标区域的中心点位置是预先已知的，可以直接获取到对应的坐标值。
23.3)根据所述地心惯性坐标系遥感卫星位置和所述目标区域的中心点位置，计算遥感卫星位置视向量；可以理解的是，各时刻均可以计算出相应的遥感卫星位置视向量。
24.4)计算遥感卫星位置与地心视向量；同样的，各时刻均可以计算出遥感卫星位置与地心视向量。
25.5)根据遥感卫星在三个方向的速度，和，计算遥感卫星运动方向向量；同样的，在每一时刻，利用遥感卫星在该时刻三个方向的速度，和，均可以计算出该时刻遥感卫星运动方向向量。
26.6)根据遥感卫星位置视向量、遥感卫星位置与地心视向量和遥感卫星运动方向向量，计算遥感卫星观测目标区域的东西载荷指向角和南北载荷指向角为：；其中，表示遥感卫星观测目标区域的东西载荷指向角；表示遥感卫星观测目标区域的南北载荷指向角。
27.可以理解的是，当计算出遥感卫星观测目标区域的载荷指向角后，在所述目标区域可见时，可以调整所述载荷指向角实现目标区域的观测，获得多帧火山喷发图像。
28.s2，对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像；对各帧火山喷发图像进行滤波处理是为了去除噪声，同时更好保留边缘信息。
29.可选的一种实施方式中，s2可以包括：对各帧火山喷发图像进行高斯滤波处理，得到对应的滤波后图像；其中，；表示高斯滤波函数；；高斯滤波函数中的表示中的像素点；表示噪声。
30.关于高斯滤波的过程，请结合相关技术理解，在此不做详细说明。
31.s3，获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息；并利用每一帧得到的图像边缘
信息计算对应的火山灰扩散范围；获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息即火山喷发图像的轨迹边缘，可以利用边缘检测算法实现。
32.可选的一种实施方式中，所述获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息，包括：a1，针对每一帧滤波后图像，通过计算该帧滤波后图像的一阶导数，得到对应的梯度向量：；其中，和表示在方向和方向的一阶偏导数。
33.a2，利用该帧滤波后图像对应的梯度向量，求解该帧滤波后图像在像素点处的梯度幅值为；计算该帧滤波后图像在像素点处的方向角为；并确定该帧滤波后图像的初始图像边缘信息是沿着该方向角方向寻找到的梯度的最大值点：；a3，基于得到的初始图像边缘信息，利用双阈值算法确定像素点的像素点边缘信息，并由遍历所有像素点得到的像素点边缘信息得到该帧滤波后图像对应的图像边缘信息。
34.可选的一种实施方式中，基于得到的初始图像边缘信息，利用双阈值算法确定像素点的像素点边缘信息，可以包括：
①
若初始图像边缘信息小于双阈值算法预设的低阈值，则剔除所述初始图像边缘信息；本发明实施例用双阈值算法确定真实和潜在的边缘，具体采用低阈值和高阈值实现，。和可以根据需要合理设置，在此不做限制。
35.具体的，若初始图像边缘信息小于双阈值算法预设的低阈值，则将其剔除。
36.②
若初始图像边缘信息大于双阈值算法预设的高阈值，则保留所述初始图像边缘信息并定义为强边缘，并将所述初始图像边缘信息作为像素点的像素点边缘信息；
③
若初始图像边缘信息满足，则将所述初始图像边缘信息定义为弱边缘，并判断像素点的邻域8像素点中，是否有一个像素点满足强边缘定义，若是，则保留弱边缘为真实边缘，作为像素点的像素点边缘信息。需要说明的是，若像素点的邻域8像素点中没有一个像素点满足强边缘定义，则舍弃该边
缘点。
37.其中，强边缘定义请见
②
中描述。可以理解的是，通常选择算法测试设定合适的阈值后，初始图像边缘信息高于的肯定是边缘点，介于和中间的则可能是也可能不是，而双阈值方法在设定的阈值合适时会有较好的处理效果，能够准确确定像素点的像素点边缘信息。
38.按照上述方式遍历所有像素点得到的像素点边缘信息后，可以得到该帧滤波后图像对应的图像边缘信息，请参见图2和图3理解，图2为本发明实施例获取的多帧火山喷发图像，图3为各帧滤波后图像对应的图像边缘信息。
39.本发明实施例s3获取火山喷发图像的轨迹边缘后，在此基础上，可以通过火山喷发图像的边缘计算火山灰扩散范围，即结合图像边缘信息分析火山灰作用范围。
40.可选的一种实施方式中，利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围时采用的计算公式，包括：；其中，表示火山灰扩散范围，即火山灰作用范围。可以理解的是，该公式表示积分求解面积。
41.因此，针对每一帧可以按照上述公式计算出对应的火山灰扩散范围。
42.s4，对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心；该步骤可以在s2后执行。可选的一种实施方式中，对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心时采用的计算公式，包括：；其中，表示能量质心的坐标；表示作为目标的火山灰团。可以理解的是，火山灰团的能量质心为所有点位的平均值。
43.s5，利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势；并利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向。
44.可选的一种实施方式中，利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势时采用的计算公式，包括：；其中，表示相邻两帧得到的火山灰扩散趋势；表示相邻两帧中在先帧得到的火山灰扩散范围；表示相邻两帧中在后帧得到的火山灰扩散范围。
45.因此，相邻两帧可以得到一个，那么，多帧火山喷发图像可以得到(帧数-1)个。
46.可选的一种实施方式中，所述利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向，包括：将多帧得到的能量质心依次连线得到质心连线，根据所述质心连线的方向确定火山灰扩散方向。
47.可以理解的是，能量质心依次连线得到的质心连线可能呈折线状，每一段线段为相邻两个时刻的能量质心的连线段，因此，可以利用不同时刻间各连线段的方向确定对应时刻火山灰的扩散方向，并统计分析所有时刻火山灰扩散方向的变化趋势，得到其运动趋势等。
48.本发明实施例所提供的方案中，首先利用遥感卫星获取多帧火山喷发图像；其次对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像；接下来获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息；并利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围；然后对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心；最后利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势；并利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向。可见，本发明实施例通过边缘检测，可以完成火山灰扩散范围判断，通过图像质心提取可以判断火山灰运动方向，因而能够利用遥感卫星图像对火山灰扩散过程进行高效准确的测量，以进一步分析其对环境的影响等。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，包括：利用遥感卫星观测火山，获取多帧火山喷发图像；对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像；获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息；并利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围；对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心；利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势；并利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向。2.根据权利要求1所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，所述利用遥感卫星观测火山，获取多帧火山喷发图像之前，所述方法还包括：计算遥感卫星观测目标区域的载荷指向角，并在所述目标区域可见时，调整所述载荷指向角以进行观测定位；其中，所述目标区域包括火山。3.根据权利要求2所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，所述计算遥感卫星观测目标区域的载荷指向角，包括：根据遥感卫星两行根数，利用stk软件结合sgp4模型获取地心惯性坐标系遥感卫星位置；获取地心惯性坐标系下所述目标区域的中心点位置；根据所述地心惯性坐标系遥感卫星位置和所述目标区域的中心点位置，计算遥感卫星位置视向量；计算遥感卫星位置与地心视向量；根据遥感卫星在三个方向的速度，和，计算遥感卫星运动方向向量；根据遥感卫星位置视向量、遥感卫星位置与地心视向量和遥感卫星运动方向向量，计算遥感卫星观测目标区域的东西载荷指向角和南北载荷指向角为：；其中，表示遥感卫星观测目标区域的东西载荷指向角；表示遥感卫星观测目标区域的南北载荷指向角。4.根据权利要求1所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，所述对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像，包括：对各帧火山喷发图像进行高斯滤波处理，得到对应的滤波后图像；
其中，；表示高斯滤波函数；；高斯滤波函数中的表示中的像素点；表示噪声。5.根据权利要求4所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，所述获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息，包括：针对每一帧滤波后图像，通过计算该帧滤波后图像的一阶导数，得到对应的梯度向量：；其中，和表示在方向和方向的一阶偏导数；利用该帧滤波后图像对应的梯度向量，求解该帧滤波后图像在像素点处的梯度幅值为；计算该帧滤波后图像在像素点处的方向角为；并确定该帧滤波后图像的初始图像边缘信息是沿着该方向角方向寻找到的梯度的最大值点：；基于得到的初始图像边缘信息，利用双阈值算法确定像素点的像素点边缘信息，并由遍历所有像素点得到的像素点边缘信息得到该帧滤波后图像对应的图像边缘信息。6.根据权利要求5所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，所述基于得到的初始图像边缘信息，利用双阈值算法确定像素点的像素点边缘信息，包括：若初始图像边缘信息小于双阈值算法预设的低阈值，则剔除所述初始图像边缘信息；若初始图像边缘信息大于双阈值算法预设的高阈值，则保留所述初始图像边缘信息并定义为强边缘，并将所述初始图像边缘信息作为像素点的像素点边缘信息；若初始图像边缘信息满足，则将所述初始图像边缘信息定义为弱边缘，并判断像素点的邻域8像素点中，是否有一个像素点满足强边缘定义，若是，则保留弱边缘为真实边缘，作为像素点的像素点边缘信息。7.根据权利要求6所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围时采用的计算公式，包括：
；其中，表示火山灰扩散范围。8.根据权利要求4所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心时采用的计算公式，包括：；其中，表示能量质心的坐标；表示作为目标的火山灰团。9.根据权利要求7所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势时采用的计算公式，包括：；其中，表示相邻两帧得到的火山灰扩散趋势；表示相邻两帧中在先帧得到的火山灰扩散范围；表示相邻两帧中在后帧得到的火山灰扩散范围。10.根据权利要求8所述的基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，其特征在于，所述利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向，包括：将多帧得到的能量质心依次连线得到质心连线，根据所述质心连线的方向确定火山灰扩散方向。

技术总结
本发明公开了一种基于遥感卫星图像对火山灰扩散过程的测量方法，包括：利用遥感卫星观测火山，获取多帧火山喷发图像；对各帧火山喷发图像进行滤波处理，得到对应的滤波后图像；获取每一帧滤波后图像对应的图像边缘信息；并利用每一帧得到的图像边缘信息计算对应的火山灰扩散范围；对每一帧滤波后图像获取火山灰团的能量质心；利用多帧得到的火山灰扩散范围确定火山灰扩散趋势；并利用多帧得到的能量质心确定火山灰扩散方向。本发明通过边缘检测，可完成火山灰扩散范围判断，通过图像质心提取可判断火山灰运动方向，因而能利用遥感卫星图像对火山灰扩散过程进行高效准确的测量，以进一步分析其对环境的影响等。以进一步分析其对环境的影响等。以进一步分析其对环境的影响等。


技术研发人员：邹璐 郑凌宇 王军 赖鹏 赵志豪 李晨光 蒋健 王昱杰欣 张鹏 贺景瑞 陈美竹 乔丹
受保护的技术使用者：中国人民解放军32035部队
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/8/9