[发明专利]一种基于蚁群算法的南极海冰遥感图像分割方法

说明书

本发明提供一种基于蚁群算法的南极海冰遥感图像分割方法，其通过模拟蚂蚁觅食行为即寻找食物源的聚类过程，把图像分割看成是一个个具有不同属性特征的像素聚类的过程，使得算法逐渐逼近最佳阈值，通过该最佳阈值可对海冰遥感图像进行分割。本发明的分割方法利用了蚁群算法的去噪性、自适应性和正反馈特性自动选取海冰分割阈值，其分割结果与迭代法、最大熵法和基本全局阈值法进行了对比验证，结果表明：该分割方法是可行的；并同MODSI可见光数据结果进行了对比验证，结果表明：该分割方法能具有更高的精度，从而能够提取更准确的海冰分布信息，提高海冰分布反演精度。

技术领域

本发明涉及图像分割技术领域，具体是涉及一种基于蚁群算法的南极海冰遥感图像分割方法。

背景技术

南极海冰范围的变化对全球热量平衡、水气环流和气候变化等都有显著的影响。近年来，全球变暖的趋势愈加明显，重大灾害频发，极端天气屡屡出现。南极海冰地区作为地球上最大的季节性变化地表之一，人们一直将其作为观察、研究全球气候变化的一项重要指标。自上世纪60年代起人们就开始研究海冰，早期的海冰研究主要依靠雷达、声呐或人工测绘的方法来进行监测，成本高范围小，无法获取大面积海冰的变化情况。例如加拿大冰署(CIS)的海冰分析员曾对大量的海冰SAR图像进行人工分割，而人工分割费时耗力，且其精确度和分辨率均是有限的。因此，通过卫星遥感获取大范围海冰图像并结合某种算法自动分割海冰就显得尤为重要。

近年来的图像分割技术迅速发展，涌现出了多种多样的图像分割算法。目前，已有许多研究人员利用各种方法提取遥感图像海冰范围。其中，国外关于海冰变化的研究开始较早。俄罗斯、加拿大、美国、日本和芬兰等国家在相关领域的研究及投入一直遥遥领先。LeighS等人提出命名为MAGIC双极化SAR遥感图像海冰分类系统对海冰图像进行分类，该方法对冰分类效果较好，但是对于细小的浮冰与油脂冰很难分辨出，且难以获得足量的样本。Zakhvatkina等人利用后向散射直方图和灰度级共生矩阵(GLCM)纹理信息，基于贝叶斯算法和神经网络算法对SAR图像的海冰进行分类，该方法可以有效的区别北极中部地区的海冰类型，但是难以应用于具有许多不同类型的海冰混合物的海冰边缘地区。Mazur A等采取基于对象的图像分析方法对波罗的海的海冰结冰程度和密集度进行研究，以标准偏差及逆差距为分类特征，区分水和海冰，该方法通过对像素进行分组来分割图像，但是相比低分辨率影像OBIA更适合高分辨率图像。Clausi 等在处理多极化数据时，提出利用IRGS(Iter-ative Region Growing using Semantics)算法将边缘强度集成到传统的MRF模型中，从而利用更多的图像信息，提高分割精度。然而，这些基于MRF算法的改进仅仅基于局部边缘强度，对海冰场景的尺度依赖性考虑仍然是全局的。David L等人利用SSMIS的37GHz 亮度温度测量值和来自ASCAT的C波段S0测量值对北极海冰进行了分类，该方法使用主动和被动微波数据有效的提高了海冰分类性能，但是存在整个冬季海冰面积持续增加的异常现象。Yu以及Dawoud等将边界强度融入到多层逻辑模型(multilevel logistic,MLL)中,使算法更适用于SAR图像分割。但是该方法忽略了相干斑噪声的影响,导致高斯模型对SAR图像的特征建模不合理。 Zakharov(2014)等人利用从Geo Eye-1传感器获取的高分辨率光学图像解决了冰特征参数的定量反演的问题。Lindell(2016)基于主动式与被动式微波传感器的数据，利用一种高斯模型和贝叶斯估计函数提升了对多年冰与一年冰的分类效果。Ressel等首先进行特征提取，再输入到神经网络分类器中，并通过互信息分析了相关性和冗余度，进行海冰分类。Liu等基于SVM算法，将后向散射系数、GLCM和海冰密集度三者结合对海冰图像进行分类。但实验数据不具备代表性可能导致方法通用性弱。Zakhvatk-ina等使用纹理特征结合SVM区分海冰和开阔水域。Tan等通过随机森林特征选择方法确定优选特征进行海冰图像解译研究。我国的海冰监测活动始于上世纪六十年代，随着卫星监测手段和相关技术的不断进步，国内的遥感海冰分割方法也不断涌现。卢鹏等已经利用航拍影像成功提取了部分海冰的分布和形态参数，但是航拍影像覆盖的空间和时间范围有限，难以提供大范围海冰的时序变化信息。如石中玉^[18]等利用NSIDC 提供的数据产品，采用M_a、M_v、M_f三种均值方法从南极被动微波日均海冰密集度产品中提取出三种月均海冰边界，对比分析得出冰面周长对不同算法更敏感。张娜利用MODIS资料数据，采用CART决策树方法反演了6个冬季辽东湾海冰面积，对于特殊海洋具有普适性，但是CART决策树容易受样本训练集影响，容易陷入局部最优。邓永飞利用美国国家冰雪中心的Bootstrap海冰密集度卫星遥感资料分析1991-2015年楚科奇海海冰覆盖面积的时空变化特征,并探讨白令海峡入流水对海冰面积变化的作用机制。