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基于信息熵的气象卫星云图台风分割方法研究

作　者: 陈禹良
导　师: 钱华明
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 台风卫星云图信息熵自动分割二维直方图
分类号: P457.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

台风是中心附近最大风力达到12级以上的热带气旋，由台风带来的狂风、暴雨及风暴潮等组成一种复合性天气系统，是世界上对人类的生产生活影响最为严重的自然灾害之一。台风来临时引起海面巨浪，登陆后又带来风暴降雨摧毁庄家、建筑设施等，对我国工农、渔业、交通及人民财产安全造成了巨大损失。因此，及时准确的台风预报，能够降低台风灾害带来的损失，对社会生活、国家财产和人身安全都有深远影响。然而，台风分割又是台风预报、定位及识别的关键，准确有效的台风分割方法不但对台风的定位、识别起到至关重要的作用，也对台风预报的自动化及大气科学研究有着重要的意义。信息熵是事件出现概率不确定性的量度，应用于图像处理中就是测量灰度级分布随机性的一个特征参数。基于信息熵的图像分割方法，使分割前后的图像信息尽量保持完整，在复杂图像分割中具有较好的分割效果。本文中所使用的卫星云图均为我国正在使用的风云二号卫星所拍摄传回的原始图像，并以2011年登陆我国的第2号台风“桑达”和第9号台风“梅花”为例，对基于信息熵的气象卫星云图台风分割方法做了深入的研究。主要分为以下几个方面：本文分析了台风云系形成、发展及消亡的过程，及其各阶段在卫星云图中的特征，总结归纳现阶段基于气象卫星云图的分割方法及熵理论在图像处理中应用的研究现状。详细说明了卫星云图的研究内容及分析过程，对卫星云图的分类及不同云图的基本特点进行分析，着重比较台风云系在各类云图中的特点，给出各云类在卫星云图上的特征及其识别判据。研究基于信息熵的台风云系自动分割方法，首先研究了基于信息熵的图像分割技术，对信息熵概念及其到图像熵的转化做了分析，并从熵的数学特性和熵函数灵敏度角度论证信息熵应用于卫星云图分割的有效性和合理性。根据台风云系在卫星云图中的特征，将基于信息熵的图像分割方法、面积滤波器、台风区域位置分割、纹理统计特性相结合，设计出一种台风自动分割方法，并对分割和识别的效果进行了实验分析。研究基于信息熵的台风云系主体分割方法，将二维最大熵法和二维Otsu法相结合，利用多目标规划理论，在二维直方图上融合两种算法，并提出一种基于二维直方图的快速优化搜索方法，自适应地调整搜索范围，能有效提高两种分割算法的运行速度，并对具体实例进行了实验分析，比较分割结果。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-21
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 台风与台风的云图特征  11-14
    1.2.1 台风的形成与发展  11-12
    1.2.2 台风的结构和特征  12-14
  1.3 卫星云图分割方法的研究现状  14-18
    1.3.1 经典的图像分割方法  14-16
    1.3.2 基于特定理论的图像分割方法  16-18
  1.4 熵理论在图像处理中的研究现状  18-19
  1.5 主要研究内容及论文结构  19-21
第2章气象卫星云图的分割基础  21-32
  2.1 卫星云图及其分析内容  21-22
  2.2 卫星云图的分类及台风在多通道云图上的特点  22-28
    2.2.1 可见光通道云图的基本特点  22-24
    2.2.2 红外通道云图的基本特点  24-25
    2.2.3 水汽通道云图的基本特点  25-26
    2.2.4 台风云系在多通道云图之间的比较  26-28
  2.3 卫星云图上各类云的识别  28-31
    2.3.1 卫星云图上识别云的六个判据  28-30
    2.3.2 卫星云图上不同云类的特征  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章基于信息熵的图像分割技术  32-38
  3.1 信息熵的原理及性质  32-35
    3.1.1 信息熵的概念  32
    3.1.2 图像的信息熵  32-33
    3.1.3 信息熵的数学性质  33-34
    3.1.4 熵函数的灵敏度  34-35
  3.2 经典的基于信息熵的分割算法  35-36
    3.2.1 最大信息熵法  35-36
    3.2.2 最小交叉熵法  36
  3.3 本章小结  36-38
第4章基于信息熵的气象卫星云图台风自动分割方法  38-49
  4.1 台风自动分割的实现方法  38-45
    4.1.1. 基于最大熵迭代法的初始分割  38-39
    4.1.2. 面积滤波器  39-40
    4.1.3. 台风区域分割  40-42
    4.1.4. 云对象均值、方差筛选  42-43
    4.1.5. 基于信息熵的台风识别  43-45
  4.2 算法流程  45-46
  4.3 实验结果及分析  46-48
  4.4 本章小结  48-49
第5章二维最大熵法和二维 Otsu 结合的台风分割方法研究  49-59
  5.1 两种二维最优阈值法  49-52
    5.1.1 二维直方图  49-50
    5.1.2 二维最大熵法  50-51
    5.1.3 二维 Otsu 阈值法  51-52
  5.2 两种分割方法的融合原理  52-54
  5.3 基于二维直方图阈值法的一种优化快速搜索算法  54-56
  5.4 实验仿真及分析  56-58
  5.5 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-66
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  66-67
致谢  67

基于信息熵的气象卫星云图台风分割方法研究

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