专利名称：一种基于水面波浪图像的浪级监测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，具体涉及一种基于矩形环内功率谱能量比的水面浪级监测方法，适用于海洋环境预报以及海洋科学研究，也可用于无人水面艇对周围环境的监测。
背景技术：
波浪的运动与产生是海洋中最常见的物理现象之一，波浪检测对于海上运输和作业、海洋环境预报以及海洋科学研究都是非常重要的。
现有的波浪测量方法有加速度测量法、压力法、波面测量法、波面粗糙度反演法等，其中除波面测量法之外其他均为间接测量。波面测量法是利用测量波面高度变化的方法来测量波浪参数的，即利用固定高度的探头测量其至水面距离的变化来实现波浪测量，多数采用非接触式(遥测)如激光、微波、或超声波等测量方式；波面测量设备可以安装在水面以上的海洋构筑物如海洋石油平台上。这些传统波浪监测的设备采用单点测量方式，测量范围小。即使多点布设测量仪器，测量范围也是有限的，且布防难度大、易丢失、维护成本闻。随着遥感和遥测技术的发展，采用图像测量海洋波浪参数的方法得到进一步的应用。用视频图像监测波浪参数，与传统的海洋监测设备相比较，有测量范围大、整体性强的优点。目前采用多种方式获取图像包括卫星遥感图像、飞机航空拍摄图像、船舶航行时拍摄图像、岸边或平台固定摄像装置拍摄的图像等，可以用于波浪参数的测量。应用图像不仅能记录波浪的静态信息，而且还可以记录波浪的动态信息，能够测量出波浪的运动参数。目前，国际上领先的海洋视频图像监测技术首推美国的Argus项目(Holman, R. A. and J. Stanley. The history and technical capabilities of Argus,Coastal En-gineering[J]. 2007, 54 (6-7), 477-491.)。现有文献报导的视频图像波浪测量方法包括通过检测波浪运动中产生的碎波白冠，在图像处理中跟踪具有较高亮度的波峰带，来获取运动参数的方法；通过傅里叶变换检测波浪运动中频谱和相关函数，获取运动参数的方法；通过小波变换分离波浪运动频谱各向异性获取方向参数的方法；基于波浪爬高的检测方法和基于波浪冲刷时空特性的波浪检测方法。上述波浪监测技术可在一定条件下，监测一定范围和类型的波浪，各具优点和局限性，尚不能很好解决波浪的实时监测问题。为此，有必要设计一种更有效的水面浪级监测方法。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，方便对一定水面区域的浪级进行实时监测。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，包括以下步骤
I)采集一定水面区域的视频图像并进行直方图均衡化处理；2)对直方图均衡化处理后的图像进行傅立叶变换，并计算矩形环内的功率谱能量比；3)采用分段线性回归的方法，提取矩形环内功率谱能量比曲线的两条特征直线斜率和截距；4)根据两条特征直线斜率和截距的关系，确定浪级的参数。在一个实施例中，图像的分辨率为640X480。步骤2)中，傅立叶变换根据下式计算
权利要求
1.一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，其特征在于，包括以下步骤 1)采集一定水面区域的视频图像并进行直方图均衡化处理； 2)对直方图均衡化处理后的图像进行傅立叶变换，并计算矩形环内的功率谱能量比； 3)采用分段线性回归的方法，提取矩形环内功率谱能量比曲线的两条特征直线斜率和截距； 4)根据两条特征直线斜率和截距的关系，确定浪级的参数。
2.根据权利要求I所述的一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，其特征在于，步骤1)中，图像的分辨率为640X480。
3.根据权利要求I所述的一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，其特征在于，步骤2)中，傅立叶变换根据下式计算式中f (x, y)是图像的灰度值，x、y为空间域中图像的横、纵坐标轴，u=0, I, . . . M_1; v=0, I, . . . , N-I ;频率u对应于X轴,频率V对应于y轴，F(u, v)是两个实频率变量u和v的复值函数； 傅立叶变换的功率谱根据下式计算 P (u, V) = F (u, V) 12 = R2 (u, V) +I2 (u, V) 式中R(u, v), I (u, v)分别表示F (u, V)的实部和虚部； 每个矩形环内的功率谱能量根据下式计算 式中表示第i个矩形环内的功率谱能量，式中u, V取值为 m (i-1) ^ I u-M/2 I < m i，n (i-1) ^ | v-N/2 | < n i。
全文摘要
本发明提出一种基于水面波浪图像的浪级监测方法，首先采集一定水面区域的视频图像并进行直方图均衡化处理；然后对直方图均衡化处理后的图像进行傅立叶变换，并计算矩形环内的功率谱能量比；接着采用分段线性回归的方法，提取矩形环内功率谱能量比曲线的两条特征直线斜率和截距；最后根据两条特征直线斜率和截距的关系，确定浪级的参数。由于本发明的浪级视频图像监测方法基于图像的频域特征，具有受环境光照条件变化影响小的优点。
文档编号G01C13/00GK102721411SQ20121021911
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者冯海涛, 刘康克, 张晓杰, 李刚, 熊亚洲, 王建华 申请人:上海海事大学