山體背景熱場模型約束的地下熱源晝間遙感探測定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感技術(shù)、自然地理和模式識(shí)別的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種山體背景 熱場模型約束的地下熱源晝間遙感探測定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類的發(fā)展離不開各種自然資源，為了獲得豐富的地下資源、礦產(chǎn)資源以及地下 水資源等，需要修建大量的地下設(shè)施，因而地下建筑、地下設(shè)施等地下目標(biāo)的探測技術(shù)顯得 日益重要。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，地下目標(biāo)和周圍區(qū)域具有不同 的熱力學(xué)特性，在外界環(huán)境的作用下，地下目標(biāo)的存在會(huì)影響周圍區(qū)域的內(nèi)部熱傳導(dǎo)過程， 造成存在地下目標(biāo)的地方和周圍背景出現(xiàn)隨時(shí)間變化的溫度差異。從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上講，即 地下目標(biāo)的溫度場高于或低于山體背景的溫度場。因此，可以將這些地下目標(biāo)看作不同于 背景熱源的地下熱源。相比于其他探測手段，紅外技術(shù)手段探測具有一定的優(yōu)勢。非遙感 探測手段無法實(shí)現(xiàn)大面積的同步觀測，在惡劣的環(huán)境下難以使用，獲取信息的速度慢，且耗 時(shí)費(fèi)力?，F(xiàn)有的常規(guī)遙感探測手段主要針對(duì)于地表或水面上的條件對(duì)象，獲取信息受到自 然環(huán)境、背景環(huán)境的限制，無法探測到深層地下熱源目標(biāo)。目前，電磁誘導(dǎo)技術(shù)只可以探測 淺層地表下的金屬目標(biāo)，同時(shí)容易受到地下散落金屬碎片的影響。因此，紅外技術(shù)手段探測 成為了一種有效的地下目標(biāo)探測手段。
[0003]目前，國內(nèi)外對(duì)地下目標(biāo)的探測也有一定的研究。國內(nèi)主要是集中在淺層目標(biāo)的 探測，以及針對(duì)多時(shí)相圖像下目標(biāo)的探測，且這些地下目標(biāo)大多是大尺度的地下熱源。多國 內(nèi)也未見深層（距地表距離大于l〇m)地下熱源目標(biāo)探測的相關(guān)報(bào)道，尤其是小尺度的地下 熱源目標(biāo)。國外有利用機(jī)載中波和長波紅外線掃傳感器探測地下目標(biāo)的研究，但是未見利 用遙感圖像進(jìn)行地下目標(biāo)探測的相關(guān)報(bào)道。對(duì)于平面的帶狀目標(biāo)的探測，現(xiàn)有的模式識(shí)別 方法并沒有采用背景濾波的方法。而且它探測到的僅僅是疑似目標(biāo)區(qū)，并沒有準(zhǔn)確定位地 下目標(biāo)所在位置。不僅如此，探測得到的疑似目標(biāo)區(qū)的漏警率不理想，虛警率高，而定位準(zhǔn) 確度也不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種山體背景熱場模型約束下，對(duì)深層（距地表距離大于10m)的地 下分布式熱源晝間探測定位的方法，解決了現(xiàn)有的只針對(duì)淺層地下熱源探測定位的問題， 利用模擬仿真軟件對(duì)山體進(jìn)行熱場的模擬仿真，分析得到山體本體背景的熱場模型，利用 真實(shí)紅外圖對(duì)山體熱場模型進(jìn)行映射統(tǒng)一，并利用映射后的模型對(duì)真實(shí)紅外圖像進(jìn)行背景 濾波處理，降低山體本體背景熱場對(duì)探測的影響，最后準(zhǔn)確定位地下目標(biāo)所在的位置。
[0005] 本發(fā)明提供一種基于山體背景熱場模型約束的地下分布式熱源晝間探測定位方 法。建立山體背景熱場模型時(shí)，根據(jù)實(shí)際山體熱場做適當(dāng)?shù)暮喕玫胶喕哪Ｐ?，具體步 驟如下：
[0006] (1)山體背景熱場模型的建立，包括以下子步驟：
[0007] (1· 1)山體模型的建立步驟
[0008] (1. 1. 1)通過遙感測繪獲得山體的三維數(shù)字高程模型，得到真實(shí)山體的海拔高度 數(shù)據(jù)信息。
[0009] (1. 1. 2)ANSYS幾何山體模型的構(gòu)建是以點(diǎn)、線、面和體來構(gòu)成的，點(diǎn)（坐標(biāo)）是構(gòu) 建幾何模型的基礎(chǔ)。所以根據(jù)上述的海拔信息，幾何山體的創(chuàng)建是由關(guān)鍵點(diǎn)生成閉合的曲 線，閉合的曲線生成平面，然后由閉合的曲面圍成幾何山體。而幾何山體就構(gòu)成了整個(gè)山體 模型。
[0010] (1.2)山體模型的有限元網(wǎng)格劃分步驟
[0011] Anasy有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，由于山體的模型并 不是規(guī)則的，因此進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，可以自由的在面上自動(dòng)生成三角形或者是四面體網(wǎng) 格，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格，同時(shí)人工進(jìn)行智能尺寸的控制。
[0012] (1. 3)山體模型邊界條件設(shè)置和求解步驟
[0013] 對(duì)上述網(wǎng)格劃分后的山體進(jìn)行載荷邊界條件的設(shè)置，利用山體熱傳導(dǎo)和山體-空 氣熱對(duì)流的基本熱傳遞物理基礎(chǔ)，根據(jù)山體的熱傳導(dǎo)率K和山體-空氣的熱對(duì)流率Φ設(shè)置 熱傳遞的參數(shù)，經(jīng)過Ansys的求解計(jì)算得到山體的溫度場分布，最后對(duì)山體的溫度場分布 進(jìn)行灰度圖的映射和溫度分辨率的調(diào)整，最終得到山體熱場模型。
[0014] (2)山體背景熱場8位到16位映射，包括以下子步驟：
[0015] 由于建立的山體背景紅外熱場模型圖像為8位，而真實(shí)的山體背景熱場圖像為16 位，所以需要對(duì)上面得到的山體背景熱場模型與真實(shí)山體背景熱場進(jìn)行8位到16位的映射 處理。在模型的熱場和真實(shí)的熱場分布變化大致相同的情況下，保證模型熱場更加接近真 實(shí)山體的熱場。
[0016] (2. 1)真實(shí)山體背景灰度值范圍的確定步驟
[0017] 真實(shí)山體背景的熱場受到諸多外界因素的影響，比如房屋、道路等。由于這些外界 因素在整個(gè)背景中所占的比例很小，因此可將其當(dāng)作干擾。故而需要進(jìn)行區(qū)域約束處理，通 過直方圖統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行閾值處理，剔除外界因素的干擾，具體過程如下：
[0018] (2. 1. 1)設(shè)變量r代表圖像中像素灰度級(jí)，在離散的形勢下，用rk代表離散灰度 級(jí)，用P(rJ代衷概率密度函數(shù)，有下式成立：
[0019]
[0020] k= 0, 1，2. · · 1-1
[0021] 式中nk為圖像中出現(xiàn)r1<灰度的像素?cái)?shù)，η為圖像中像素?cái)?shù)總數(shù)，就是概率論中 ?Ι 的頻數(shù)，1為灰度級(jí)的總數(shù)目。
[0022] 已知外界因素影響占整幅圖像中所占面積比為Ρ%，則有下式：
[0023] Pr(rk) ^P
[0024] 依次累計(jì)灰度直方圖，如果累計(jì)值大于或等于目標(biāo)物所占比例，停止累加，記錄rk 的值，作為背景的指導(dǎo)值。
[0025] (2. 2)山體熱場模型的映射校正步驟
[0026] 山體熱場模型背景的灰度值根據(jù)上述得到的值和圖像的灰度最小值進(jìn)行線性映 射校正處理。具體的公式如下： .....
[0027] ? =:: -~^{〇,, -〇,) +〇； V-7/
[0028] 其中，I為熱場模型的灰度值，^為熱場模型的最低亮度灰度值，Ih為熱場模型的 最高亮度灰度值，為真實(shí)山體紅外圖像的最低亮度灰度值，〇h為上述求得的rk，0為映射 校正后的山體背景模型。
[0029] (3)利用映射后的山體背景熱場模型進(jìn)行背景濾波步驟
[0030] 由于遙感器觀測的角度和太陽照射角的影響，可將山體分為陽面和陰面。太陽直 接照射的山體部分稱為陽面，太陽無法直接照射的部分稱為陰面。山體背景和周圍環(huán)境有 熱輻射，直接照射和非直接照射時(shí)的熱輻射存在差異。不僅如此，晝間山體背景的熱場和夜 間山體背景的熱場也不一樣，本發(fā)明針對(duì)的是山體背景熱場模型約束的地下熱源晝間探測 定位。首先找到陰面和陽面的分界處的像素點(diǎn)，利用最小二乘擬合的方法擬合陰面和陽面 的分割線，然后對(duì)陰面進(jìn)行灰度補(bǔ)償操作，最后進(jìn)行背景濾波處理。
[0031] (3. 1)原始紅外圖像陰面陽面分界線提取步驟
[0032] (3. 1. 1)利用陰面和陽面灰度差值的區(qū)別確定分界處的像素點(diǎn)，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的 信息可以確定分界線是東西走向，所以只需比較上下的像素點(diǎn)灰度值即可，如果上下鄰近 的像素灰度差異大于K，公式如下：
[0033]G(x,y)>G(x,y-l)+K
[0034]G(x,y)>G(x,y-2)+K
[0035]G(x,y)>G(x,y-3)+K
[0036]G(x,y)>G(x,y-l)+K
[0037] 如果上述四個(gè)不等式成立，就將（x，y)視為分界線附近的像素點(diǎn)，遍歷全圖得到 分界線附近的所有像素點(diǎn)。
[0038] (3. 1. 2)接下來對(duì)上述得到的所有分界線附近的像素點(diǎn)進(jìn)行三次多項(xiàng)式最小二乘 法擬合線性處理，具體過程如下：
[0039]
[0040]
[0041] 其中φ(Χ)為最小二乘擬合的三次多項(xiàng)式，err為誤差目標(biāo)函數(shù)，通過使err最小達(dá) 到最優(yōu)的三