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基于视频的白冠覆盖率自动提取算法研究

基于视频的白冠覆盖率自动提取算法研究

作者：刘西瑶国家海洋技术中心

学位级别：硕士

波浪破碎是发生在海表面的常见现象,其过程影响了表面波的高度,加快了海气通量的传递,生成了海盐气溶胶,产生的泡沫改变了海表的光学特性。因此,在海洋物理研究、海洋观测和海洋工程等许多方面有重要影响意义。白冠覆盖率作为波浪破碎... 详细信息

波浪破碎是发生在海表面的常见现象,其过程影响了表面波的高度,加快了海气通量的传递,生成了海盐气溶胶,产生的泡沫改变了海表的光学特性。因此,在海洋物理研究、海洋观测和海洋工程等许多方面有重要影响意义。白冠覆盖率作为波浪破碎的重要统计性参数,可以有效地反映海况变化,其关系式在海洋建模、底层大气和气候变化研究中起到衔接作用。本文以波浪破碎和海-气交换模型为理论基础,以图像处理和视频分析为技术方法,对白冠的自动识别算法进行了研究,其主要研究内容及创新之处总结如下:1.针对白冠测量要求,设计并搭建了船载风浪观测系统,选取了可见光拍摄和船舶走航方式获取数据。为了进一步提高测量准确性,对所安装的摄像头进行了标定实验,得到了其内参矩阵,以便进行图像的还原工作;并对海面实际选取面积设计了有效面积的验证试验,排除了近距离及远距离的干扰因素。2.针对船载风浪观测系统所拍摄视频的特点,通过对海天线角度的检测来替代惯性装置获取船身的横摇和纵摇。提出了一种基于双层结构的海天线识别算法,消除波浪边界对直线检测的干扰,实现了复杂多变海面环境下对海天线位置的识别,并应用海天线的角度校正海面有效面积的图像,还原世界坐标系下俯视海面的图像,以此来减少白冠覆盖率的提取误差。针对白冠图像易受光照不均的影响,提出了自适应光照不均滤波的预处理算法,并利用图像增强技术加大了图像对比度,实现了序列图像的稳定计算。3.根据白冠像素特征提出了基于区域的白冠自动提取算法——RAWE。首先应用SLIC超像素分割对白冠图像进行粗分割,再利用最大类间方差算法对欠分割区域二次分类达到精细提取。该算法不仅仅关注于像素亮度,同时考虑到了像素的空间关系。“粗分割”与“细提取”两步算法共同实现了不同尺度下的白冠像素识别。本文工作对白冠覆盖率的识别算法及应用进行了详细分析,并设计了基于船载风浪观测系统所拍摄视频的自动提取白冠的有效方法,运用了图像校正、图像预处理、超像素分割、Otsu算法等图像处理技术,实现了复杂海面条件下白冠覆盖率的自动计算。区别于以往对白冠覆盖率进行的半经验半统计性研究,该算法在海洋观测中实现了对这一参数的实测,并通过数字图像技术使其具有更高的准确性和可应用性。

关键词：波浪破碎白冠覆盖率海天线识别光照校正超像素分割

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由卫星资料反演全球白冠覆盖率的初步研究

由卫星资料反演全球白冠覆盖率的初步研究

作者：于婷中国海洋大学

学位级别：硕士

海洋白冠作为波浪破碎的重要表现,是海气界面普遍存在的现象,长期以来一直引起人们的广泛关注。全面地理解它的生成机制和消衰过程以及准确地参数化白冠覆盖率对海-气相互作用、海洋遥感、海浪理论、海洋工程等各方面的理论和应用研究... 详细信息

海洋白冠作为波浪破碎的重要表现,是海气界面普遍存在的现象,长期以来一直引起人们的广泛关注。全面地理解它的生成机制和消衰过程以及准确地参数化白冠覆盖率对海-气相互作用、海洋遥感、海浪理论、海洋工程等各方面的理论和应用研究都有着重要作用。白冠覆盖率长期以来都是大气、海洋科学家们关注的热点问题之一。观测研究表明白冠覆盖率在风速和一系列其它的环境和气象因素的作用下有着很强的时空变化。本文总结了白冠覆盖率的研究进展,阐述了白冠覆盖率的研究意义,并指出共同作用于它的众多环境影响因子。为了更加现实的模拟全球海域范围具有高度可变性的白冠覆盖率W,并考虑除风速以外的一系列环境和气象因子的影响,本文改进了已有的卫星遥感数据反演白冠覆盖率模型,利用2001至2005年各逐日卫星观测数据资料:海表面亮温TB ,大气柱水汽含量V,云中液态水含量L,海面10米高度风速U10,海表面温度TS和盐度S等,研究了全球海域月平均和季节内(夏季)周平均的平均白冠覆盖率,这种方法是在宏观框架下针对更接近现实海况的白冠覆盖率的模拟计算迈出的第一步。论文详细介绍了反演方法的物理背景、理论方法、数据处理和误差分析,与传统的依赖于单一风速经验公式和包含浪场信息的经验公式模拟结果所作的比较,与全球海表面感热和潜热通量分布的关系以及模式进一步改进提高。论文主要揭示了全球海域白冠覆盖率W的如下特征:(1) W随时间和空间的变化呈现很大的可变性;(2)太平洋赤道海区常年保持低值的白冠覆盖率且空间分布基本保持不变;在其它海区对时间变化有相对较强的强弱震荡;(3)全球海区,基本上每个月W的平均值在4%到5%之间;(4)北半球冬季的平均白冠覆盖率高于同时间的南半球;南半球高纬海区的白冠覆盖率的月变化不及北半球明显,大于9%的白冠覆盖率多出现在北半球中高纬海区,出现时间自十一月至次年三月,而南半球则主要分布于南极绕极流区,时间为五月至十一月;(5)赤道以北有一条明显分布的较高W值的条带状海区,与大约位于赤道和12°N间随季节迁移的热带辐合带(ITCZ)相吻合;(6)考虑云中液态水所造成的衰减系数的大气校正会降低反演的白冠覆盖率平均值。由于白冠覆盖率的时空分布在海气交换研究中的重要地位,需要建立连续、准确、可靠的由卫星遥感数据估算全球白冠覆盖率模式,这还有赖于今后进一步的深入研究。

关键词：海气相互作用白冠覆盖率卫星遥感亮温

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海表白冠覆盖率的散射计资料反演研究

物理学报 2010年第5期59卷 3607-3610页

作者：李琨魏恩泊宋金宝中国科学院海洋环流与波动重点实验室青岛266071 中国科学院研究生院北京100049

针对波浪破碎海况,采用考虑波浪破碎的KHCC03散射模式和散射计卫星遥感资料,对白冠覆盖率进行了反演研究,并得到了白冠覆盖率的反演公式.经检验,在10m高度处风速取值为7m/s—16m/s时,利用文中给出的公式得到的白冠覆盖率反演结果与实测... 详细信息

针对波浪破碎海况,采用考虑波浪破碎的KHCC03散射模式和散射计卫星遥感资料,对白冠覆盖率进行了反演研究,并得到了白冠覆盖率的反演公式.经检验,在10m高度处风速取值为7m/s—16m/s时,利用文中给出的公式得到的白冠覆盖率反演结果与实测数据相比,优于以往其他计算公式的对应结果.这表明,利用散射计资料和波浪破碎的散射模式,可以反演白冠覆盖率.而且,这种方法不同于人们通常采用的被动遥感方法.

关键词：白冠覆盖率 KHCC03散射模式波浪破碎

海洋环境因素对白冠覆盖率的影响及其数值估算

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海洋与湖沼 2018年第4期49卷 746-755页

作者：王亚楠赵栋梁中国海洋大学海洋与大气学院青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室青岛266100

波浪破碎是一个强非线性过程,破碎时产生的大量气泡在海面上表现为白冠,白冠覆盖率是刻画波浪破碎一个重要参数。研究表明,白冠覆盖率与海上风速、海浪状态和大气稳定度等多种海洋环境因素有关。综合前人的观测数据,本文给出了更为可靠... 详细信息

波浪破碎是一个强非线性过程,破碎时产生的大量气泡在海面上表现为白冠,白冠覆盖率是刻画波浪破碎一个重要参数。研究表明,白冠覆盖率与海上风速、海浪状态和大气稳定度等多种海洋环境因素有关。综合前人的观测数据,本文给出了更为可靠的依赖风速的白冠覆盖率公式,发现海水温度越高,白冠覆盖率越大。提出了以波浪破碎耗散函数为参数的白冠覆盖率公式,同时发现波龄小于某个临界值时,白冠覆盖率随波龄增大,波龄大于临界值时,白冠覆盖率保持不变,该临界值随风速增大而减小。

关键词：白冠覆盖率风速海水温度破碎耗散函数波龄

海浪破碎统计及其在海-气通量估计中的应用——Ⅰ.理论模型

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中国科学（D辑） 2003年第7期33卷 695-703页

作者：张书文袁业立国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学和数值模拟重点实验室青岛266061

以5阶Stokes波作为破碎统计模型的原始波场,重新导出了破碎水体体积和白冠覆盖率等统计量。基于海浪破碎是海-气强交换过程中的重要控制机制这一观测事实,主要开展了破碎过程对海-气热通量和水汽通量交换的影响研究,导出了气泡在海面平... 详细信息

以5阶Stokes波作为破碎统计模型的原始波场,重新导出了破碎水体体积和白冠覆盖率等统计量。基于海浪破碎是海-气强交换过程中的重要控制机制这一观测事实,主要开展了破碎过程对海-气热通量和水汽通量交换的影响研究,导出了气泡在海面平均体积通量和浪花水滴海面谱分布的理论表达式,建立了破碎气泡和浪花水滴热通量和水汽通量交换的物理模型,为进一步深入研究海-气通量交换模式奠定了基础。

关键词：海浪破碎 Stokes波破碎统计模型海-气通量交换模式破碎波破碎水体体积白冠覆盖率

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一个新的破碎波统计模式

海洋与湖沼 1993年第6期24卷 577-583页

作者：袁业立华锋 N.E.Huang M.A.Donelan 国家海洋局第一海洋研究所 Laboratory for Oceans NASA Goddard Space Flight CentreGreenbelt MD 20771 National Water Research Institute of Canada Burlington L7R 4A6

由运动方程和涡度方程所导得的两个首次积分估计给出了海波破碎的发生条件和破碎波的波面限制。由这两个条件所构造的新的破碎波统计模式,可导出海波的破碎面积率、破碎体积率和破碎能量损耗率的解析表达式,加之一个简单的白冠物理模型... 详细信息

由运动方程和涡度方程所导得的两个首次积分估计给出了海波破碎的发生条件和破碎波的波面限制。由这两个条件所构造的新的破碎波统计模式,可导出海波的破碎面积率、破碎体积率和破碎能量损耗率的解析表达式,加之一个简单的白冠物理模型又导出了一个新的白冠覆盖率的解析表达式。

关键词：破碎波统计模式白冠覆盖率波浪

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白冠自动识别算法的比较、改进及应用研究

半导体光电 2017年第5期38卷 758-761页

作者：刘西瑶张锁平李明兵党超群国家海洋技术中心天津300112

海洋白冠是一种典型的海表现象,对白冠覆盖率(WC)的研究具有重要的科学意义和实用价值。基于数字图像处理的白冠自动识别技术具有快速、高效、低成本和大批量的特点,对比分析了自动提取白冠算法、自适应阈值分割算法和迭代类间方差算法... 详细信息

海洋白冠是一种典型的海表现象,对白冠覆盖率(WC)的研究具有重要的科学意义和实用价值。基于数字图像处理的白冠自动识别技术具有快速、高效、低成本和大批量的特点,对比分析了自动提取白冠算法、自适应阈值分割算法和迭代类间方差算法等自动识别算法对海面图像的处理结果,针对光照不均的海面图像提出了应用顶帽变换和图像增强的光照校正改进算法,来消除阳光反射带来的负面影响和运算不稳定。对船拍视频应用该改进算法,在光照不均时,增强了原三种算法的鲁棒性,有效提高了WC的计算正确率,有利于自动化处理视频序列图像。

关键词：白冠覆盖率阈值分割光照校正顶帽变换图像增强

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一种充分考虑高海况的风速反演算法研究

遥感技术与应用 2012年第2期27卷 243-247页

作者：田加胜刘巧云周程石坚邓跃华中科技大学电子与信息工程系湖北武汉430074 华中科技大学文华学院湖北武汉430074

充分考虑海浪成长状态,根据四层介质模型和入射—反射波理论,对Zhao等提出的风速反演算法进行了改进。此改进算法和Zhao等提出的解析反演算法相比,风速反演结果较接近一些经验算法,如Brown算法、Young算法等。该算法在一定程度上弥补了... 详细信息

充分考虑海浪成长状态,根据四层介质模型和入射—反射波理论,对Zhao等提出的风速反演算法进行了改进。此改进算法和Zhao等提出的解析反演算法相比,风速反演结果较接近一些经验算法,如Brown算法、Young算法等。该算法在一定程度上弥补了解析模式未考虑具体海况实践的不足,又克服了经验模式函数的一些局限性。其不仅适用于低风速反演,而且适用于高风速反演,并且能取得更好的风速反演精度和效果。

关键词：卫星高度计风速反演算法高海况解析算法白冠覆盖率

海浪破碎的数值研究及其在海气耦合模式系统中的应用

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海浪破碎的数值研究及其在海气耦合模式系统中的应用

作者：任丹琴国家海洋局第一海洋研究所

学位级别：硕士

基于海浪破碎与白冠覆盖率的历史研究,本论文总结了计算白冠覆盖率的海浪破碎统计理论模型和参数化经验公式,并分析比较其优缺点。通过结合基于卫星数据的参数化公式,利用最优拟合的方法,并考虑海浪破碎条件,改进海浪破碎模型。通过比... 详细信息

基于海浪破碎与白冠覆盖率的历史研究,本论文总结了计算白冠覆盖率的海浪破碎统计理论模型和参数化经验公式,并分析比较其优缺点。通过结合基于卫星数据的参数化公式,利用最优拟合的方法,并考虑海浪破碎条件,改进海浪破碎模型。通过比较白冠覆盖率的卫星数据和原始模型结果可知改进模型的结果更合理。白冠覆盖率在中高纬度海域显著大于低纬度海域,全球白冠覆盖率的平均值大约为1%%。本论文利用海气耦合模式系统COAWST模拟台风Nock-ten过程。通过分析大气物理参数化方案,给出了十组不同物理方案的数值实验。通过定性和定量分析比较实验结果和观测数据,可以验证不同的大气物理参数化方案使得模拟结果存在不同的差异,尤其是台风附近区域。台风路径和强度的模拟结果对Kain-Fritsch积云参数化方案、Goddard短波辐射和RRTM长波辐射方案较为敏感,可导致风速、有效波高、流速偏大以及SST和海面压强偏小。通过统计分析可得到模拟结果最优的数值实验。本论文还建立了海浪破碎与海气通量之间的联系,分别基于飞沫生成机制和破碎物理机制计算由海浪破碎引起的水汽通量,并将海浪破碎模型引入COAWST耦合模式系统中,使该模式系统能够考虑由破碎作用引起的海气通量。通过分析比较基于飞沫生成机制实验、破碎物理机制实验和原始模式实验的模拟结果与观测数据,可知引入破碎模型实验的水汽通量和潜热通量明显增大,其结果更接近观测数据,其中基于飞沫生成机制的实验相对较好。

关键词：海浪破碎白冠覆盖率海气耦合模式大气物理参数化方案海气通量