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申请/专利权人：中国海洋大学

摘要：本发明提供一种基于多源遥感数据的河流断面形态迁移模拟方法，属于基于计算机模拟的水力学及河流动力学技术领域；首先，通过遥感卫星获取河流图像和断面图像数据，并进行去噪和异常检测处理；其次，设计改进Canny算法进行图像边缘检测，识别出断面图像内的多种突出边缘特征，包括河流边缘及断面边缘等；然后基于改进的随机森林和BP神经网络的图像语义提取方法，从河流图像中提取河流表面信息，并结合边缘检测结果获取河流断面的标准边缘数据；最后，引入元胞自动机模型，通过迭代更新元胞状态实现河流断面形态的动态模拟。本发明同时解决了现有技术中研究成本较高、操作复杂、精度差等问题，为河流管理和生态保护提供了重要手段。

主权项：1.一种基于多源遥感数据的河流断面形态迁移模拟方法，其特征在于，包括以下过程：S1，基于遥感卫星进行河流图像和断面图像数据采集，并通过图像去噪处理方法对图像异常像素点进行剔除和数据填充，以保证图像数据的平滑性，并得到处理后的河流图像和断面图像；S2，针对处理后的断面图像，构建改进Canny算法的图像边缘检测模块进行河流边缘检测，得到断面图像内的多种突出边缘特征；其具体过程为：S21，进行高斯滤波，使用滤波器对原始图像进行高斯平滑滤波，以平滑图像并降低图像中的高频噪声；S22，进行图像边缘增强，首先对图像进行锐化处理，并根据原图像像素B3x,y进行梯度计算像素值，如下所示： 其中，表示梯度计算值，并通过该梯度计算值计算结果加强梯度突变处的像素值，像素加强过程如下式所示： 其中，B4x,y为加强后的像素值；最终将锐化后的图像像素B4x,y与高斯噪声处理后的图像像素B′x,y进行融合，以保留原始图像的背景信息；得到融合图像像素为B"x,y；S23，对融合图像像素为B"x,y使用Sobel算子计算图像的梯度；S24，对图像中的梯度幅值进行非最大抑制处理；在梯度方向上，只保留局部梯度g极大的像素点p，同时将其他像素点设为0，从而抑制并剔除假边缘；S25，进行双阈值边缘连接；预设定两个阈值范围t1,t2,t2t1，对非极大值抑制得到的局部梯度极大值像素点p进行滤波，结合阈值范围可将像素点分成三段：强边缘集合Ss＝{pt2}，弱边缘集合Sw＝{t1pt2}，舍弃集合Sd＝{pt1}；如果某个像素的梯度幅值超过高阈值，则被认为是强边缘；如果梯度幅值低于低阈值，则被认为是舍弃边缘；介于两者之间的像素被标记为弱边缘；最后，使用强边缘像素连接周围的弱边缘像素，形成包含多类边缘的完整边缘图像；S3，基于处理后的河流图像，设计基于改进随机森林的图像语义提取模块，对河流图像进行语义提取得到河流表面信息，并结合断面图像内的突出边缘特征获取河流断面的标准边缘数据；具体过程为：S31，经过随机森林分析，得到输出对多源遥感图像数据训练集部分关于4类特征的特征分类，即河流表面特征的初步类别预测结果；所述4类特征的特征分类包含水体、滩涂、干枯河沟和植被；S32，经过训练后的BP神经网络，得到河流表面特征的提取，然后根据学习到的高级特征继续对图像进行像素级别的softmax分类，实现语义提取的目标；S33，断面边缘匹配；采用逐像素融合方法，将基于Canny边缘检测得到的河流表面边缘图和基于BP神经网络随机森林语义提取后得到的语义提取图像的每个像素进行逐一处理，根据权重占比确定最终融合后的像素值Ifx,y；对于每个像素px,y：Ifx,y＝αI1x,y+βI2x,y其中，I1x,y表示语义提取结果的像素值，I2x,y表示边缘检测结果的像素值；α,β分别为相应的权重值；最终只保留断面图像边缘的像素数据信息，通过融合机制弥补各自图像的缺陷，从而得到准确的断面边缘数据结果；S4，采集水文站观测数据，基于观测数据初始化和元胞自动机的河流断面演变模型，同时设计断面演变规则对河流断面演变过程进行动态模拟，并对河流断面结果进行实时反馈和分析；元胞自动机将得到的河流边缘数据像素图中的每个边缘像素点作为单独的格子，得到像素点位置的动态变换模拟河流断面形态的迁移演化；最终基于元胞自动机模拟河流河床的形态变化，模拟河流断面形态演化规律和趋势，具体包括以下步骤：S41，获取模拟参数；对水文站观测数据进行采集，并将其作为元胞自动机的河流断面演变模型的初始化参数；S42，初始化元胞状态；根据获取的水文站观测参数，创建一个二维的元胞格子，每个像素点均代表一个元胞，则相应元胞格子代表河流断面的位置；确定初始的河流断面形态状态，根据输入的河流水位、断面高度信息确定网格的初始状态；S43，定义状态转换规则；确定元胞的状态转换规则，即确定河流断面形态演化的规律，包括泥沙输移规则、河流流速规则、流量规则因素；S44，迭代更新；按照上述规则，迭代更新每个元胞的状态，即对应每个断面边缘像素位置的实时更新；通过动态地更新断面边缘及其形态位置实现模拟河流断面形态的演化过程，并且在每次迭代中，根据当前元胞状态和邻居状态，更新每个元胞的状态位置，使得河流断面的形态逐步发生变化；S45，模拟结果分析；随着迭代的进行，观察河流断面边缘的变化情况，并对模拟结果进行相应的形态分析和评估。

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百度查询： 中国海洋大学 一种基于多源遥感数据的河流断面形态迁移模拟方法