氣象傳真圖中警戒線的提取方法研究

摘 要：氣象傳真圖在船舶航運等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，通過氣象傳真圖可以及時地了解天氣變化并將其矢量化數(shù)據(jù)提取添加至電子海圖上。文章對氣象傳真圖矢量化中的關(guān)鍵問題-警戒線的識別進(jìn)行研究。根據(jù)氣象傳真圖本身的特征，采用圖形分離的方法去除包括經(jīng)緯線和海岸線等在內(nèi)的底圖。在此基礎(chǔ)上，利用霍夫圓檢測的方法將警戒線從氣象傳真圖中分離出來，然后基于形態(tài)學(xué)的膨脹及骨架提取操作獲取警戒線輪廓，最后跟蹤濾波并進(jìn)行斷線的連接完成對警戒線的輪廓提取以備后續(xù)對其矢量化。實驗結(jié)果表明，這種方法可以完成對警戒線的分離、提取工作。

關(guān)鍵詞：氣象傳真圖；霍夫圓檢測；膨脹；跟蹤濾波；斷線連接

1 概述

氣象傳真圖是將不同區(qū)域的同一時刻的氣象觀測信息填充在特定的底圖上形成的圖，作為天氣圖中的一種，它可以提供更為簡單的、直觀的氣象信息。幾乎航行在所有的海洋的船舶都可以通過氣象傳真機來接收氣象傳真圖，了解更多、更大范圍內(nèi)的天氣演變過程，對航行海區(qū)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生和將要發(fā)生的海洋氣象信息進(jìn)行更好的掌握，船舶的航行條件得到改善，海難事故的發(fā)生也會相應(yīng)的減少。

在一般的氣象傳真圖中，除了等壓線，鋒線以及其它的標(biāo)識以外，還有警戒線，這種線條一般呈現(xiàn)波浪狀。傳統(tǒng)的平滑曲線跟蹤的方法很難將這種線條完整的跟蹤、還原出來，這樣的線條識別也成了難題。文章先利用霍夫圓檢測的原理將這樣的線條的從氣象傳真圖中分離出來，然后基于圖像處理形態(tài)學(xué)中膨脹的原理上對該圖進(jìn)行處理，使其變得平滑便于提取。對平滑完的膨脹圖進(jìn)行提取骨架操作，然后進(jìn)行用α-β跟蹤濾波的方法去除毛刺，最后根據(jù)線條走向完成斷線的連接。這樣將警戒線這種特殊線條識別出來，以備后續(xù)對警戒線進(jìn)行矢量化。

2 氣象傳真圖中警戒線提取方法設(shè)計

首先讀入圖像，設(shè)定圓檢測的半徑和角度，利用霍夫圓檢測的方法進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到警戒線后，對圖像進(jìn)行膨脹處理，使其變得平滑便于提取，然后對膨脹圖進(jìn)行骨架提取操作。由于含有噪聲和干擾，所以利用α-β跟蹤濾波的方法提取輪廓，完成對噪聲和毛刺的去除，最后進(jìn)行斷線連接，完成對警戒范圍的輪廓提取。流程圖如圖1所示。

2.1 霍夫圓進(jìn)行檢測

霍夫變換是圖像處理中從圖像中識別幾何形狀的基本方法之一，應(yīng)用很廣泛，也有很多改進(jìn)算法。Hough變換的基本原理在于，利用點與線的對偶性，將圖像空間的線條變?yōu)閰?shù)空間的聚集點，從而檢測給定圖像是否存在給定性質(zhì)的曲線。圓的方程為：（x-a）^2+（y-2）^2=r^2，通過Hough變換，將圖像空間對應(yīng)到參數(shù)空間。由于警戒線都是呈現(xiàn)波浪狀，可以在設(shè)定一定半徑和角度的情況下將其從去除底圖的氣象傳真圖中分離出來。經(jīng)過實驗，選擇半徑大小在2至5之間可以有效的分離警戒線。圖2（a）是去除底圖的二值圖，經(jīng)霍夫圓檢測得到圖2（b）， 可以看出很好的將警戒線分離出來。

2.2 膨脹與骨架提取

膨脹是將與物體接觸的所有背景點合并到該物體中，使邊界向外部擴(kuò)張的過程。通過膨脹，可以填充圖像中的小孔，及在圖像邊緣處的小凹陷部分。在操作中，輸出圖像中所有給定像素的狀態(tài)都是通過對輸入圖像的相應(yīng)像素及鄰域使用一定的規(guī)則進(jìn)行確定。為了達(dá)到提取的效果，先對原圖進(jìn)行二值化然后膨脹再提取。因為把原圖膨脹后會變成一條比較粗的線條，這樣相對來說曲線的曲折度被大大縮小，再進(jìn)行骨架提取會方便的多。

經(jīng)過實驗，選擇使用10級的square結(jié)構(gòu)元素對圖片進(jìn)行膨脹。實驗結(jié)果如圖3（a）所示?？梢钥闯鐾ㄟ^膨脹大致變成了一條粗直線，于是可以使用Matlab中的bwmorph函數(shù)進(jìn)行骨架提取。經(jīng)過多次的實驗采用shrink方式來對本分膨脹后的圖進(jìn)行輪廓提取。在實驗中對原圖先后進(jìn)行n=4，n=3的兩次提取骨架得到最后的結(jié)果如圖3（b）所示。從實驗結(jié)果中可以看出，該函數(shù)能很好的將膨脹后的粗線條中心位置描述出來，并且得到的結(jié)果為一個像素寬的細(xì)線條，省去了粗線條的細(xì)化過程。

2.3 濾波

在進(jìn)行了線條的膨脹與骨架提取，由于一些其他元素和噪聲的影響，使得提取的骨架有些許毛刺和斷開的地方，會對還原原圖出現(xiàn)一些影響。為此必須對其進(jìn)行濾波。文章根據(jù)線條走向的方法采用常增益α-β濾波器，既降低程序復(fù)雜度，也不影響跟蹤提取的效果。經(jīng)過多次實驗統(tǒng)計，最終設(shè)定α和β的值分別為0.8和0.3。經(jīng)過處理后的實驗結(jié)果圖如圖4所示。

2.4 斷線連接

經(jīng)過上述濾波去噪之后，還會有一些較大的斷裂。由于警戒范圍的連續(xù)閉合性，所以必須對其進(jìn)行斷線連接。斷線連接的的方法是首先找出所有斷點如圖5（a）所示，然后基于兩斷點間的距離和方向共同約束來實現(xiàn)斷點連接。效果如圖5（b）所示，完成了對警戒范圍的斷線連接。

3 實驗結(jié)果與分析

文章結(jié)合霍夫圓檢測和形態(tài)學(xué)方法檢測警戒線，這種方法簡便有效，避開了復(fù)雜的模板選取和匹配，大大減少了工作量和程序的計算量，得到的結(jié)果準(zhǔn)確度也比較高。展望以后的工作，要完成對警戒線的矢量化，將其數(shù)據(jù)疊加到電子海圖或者進(jìn)行氣象信息的反演，為航海人員帶來便利。因此對警戒線識別提取工作的研究有著重要意義。

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