1.一种基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤S1,获取目标海域连续多个时刻的静止卫星影像数据,对影像数据进行预处理以增强示踪物纹理特征,并生成用于标识无效观测区域的初始有效性掩膜;
步骤S2,基于增强后的相邻时刻影像,采用运动估计算法计算像素位移矢量,获得单时刻初始流场观测值,并对初始流场观测值进行平滑处理,根据初始有效性掩膜对无效区域进行标记;
步骤S3,将多个时刻的初始流场观测值进行时空对齐与统一栅格化处理,映射至标准地理空间网格,构建包含空间维度和时间维度的多维时空流场数据立方体,并同步整合各时刻的有效性掩膜形成时空观测状态矩阵;
步骤S4,基于双向时序滤波方法对流场数据进行时序重构,包括:前向递推:按时序从前向后递推,利用前一时刻的估计结果对当前时刻进行预测,并结合当前时刻的有效观测进行更新,对无效观测区域降低观测更新权重或跳过更新,使估计结果保持时序连续性;
后向递推:按时序从后向前递推,利用后一时刻的估计结果对当前时刻进行预测,并结合当前时刻的有效观测进行更新;
双向融合:将前向递推估计结果与后向递推估计结果按各自的不确定度进行加权融合,得到时序重构流场;
步骤S5,基于流体运动的物理一致性原则,对时序重构流场施加散度约束,通过迭代方式计算散度梯度并对流速矢量进行修正,使流场散度趋于满足连续性要求,输出经物理一致性约束修正后的时空连续的海表流场反演结果。
2.根据权利要求1所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于,步骤S1包括以下子步骤:S1.1、基于质量标识生成掩膜:通过构建掩膜 ,将所有受云遮挡、海冰覆盖、陆地区域或反演异常影响的像元统一标记为无效,如下式:,
式中, 表示云/云遮挡对应的掩码位、 表示海冰对应的掩码位、表示陆地对应的掩码位、 表示质量失败/无效/检索失败对应的掩码位、 表示在时刻t、像素点 (x,y)处读取到的原始质量标识值、表示按位与运算;
S1.2、局部标准化处理:对图像中的每一个像素点(x, y),计算其邻域内的局部均值和局部标准差 ,如下式:,
,
式中,滑动窗口的大小为W×W,k=(W‑1)/2, 为滑动窗口内有效像元的数量,表示原始影像在像素 ( ) 处的像素值或灰度值;
之后,执行标准化映射得到归一化图像 ,如下式:,
式中, 表示原始影像在中心像素 处的像素值, 为极小常数,防止分母为零;
S1.3、基于百分位截断的线性拉伸:对归一化图像 进行线性拉伸,剔除由噪点引起的极值干扰,获得增强后的影像 ,计算公式如下:,
式中, 表示归一化映射的下限, 表示归一化映射的上限,clip表示截断/限幅函数 表示四舍五入取整,将浮点数转为整数。
3.根据权利要求1所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于, 步骤S2包括以下子步骤:S2.1、利用Farneback稠密光流算法,将图像局部邻域内的信号强度用二次多项式近似,如下式:,
,
式中,p= 为像素点的空间坐标向量, 表示二次项系数矩阵,描述局部邻域的二次曲面形状、 、 表示常数项,表示局部亮度偏移、b1,b2表示一次项系数向量,描述梯度方向,T表示转置, ,d为全局位移,满足: ,通过最小二乘法求解二次多项式,得到每一像素点的位移( ,并采用多层金字塔策略捕捉不同尺度的位移,参数设定包括:金字塔层数,平均窗口大小,多项式阶数,多项式高斯标准差;
S2.2、对水平流速分量u和垂直流速分量v分量分别应用二维高斯卷积平滑,定义高斯核函数:,
式中, 表示高斯核的标准差, 表示空间坐标 (x, y)处的权重值,用于对待平滑像元及其邻域进行加权平均;
计算平滑后的流场观测值 为:
,
式中, 表示第t帧在像素 (x,y)处的原始光流反演结果;
S2.3、异常值剔除:若像素点的流速幅值 大于最大流幅值 ,则将其视为算法发散点,强制标记为无效值,纳入后续的掩膜 中。
4.根据权利要求1所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于,步骤S3包括以下子步骤:S3.1、基于步骤S2输出的连续N个时刻的初始流场数据,针对每一时刻的观测数据构建基于k‑d 树的空间索引,对于标准网格上的每一个目标格点,依据目标网格分辨率确定半径R,并寻找该半径R内的有效初始流速观测点,采用反距离权重法进行空间聚合;
S3.2、经过空间网格一致化聚合后,将连续N个时刻的聚合结果按时间维叠置,分别形成维度为 的东西向流速分量序列u_maps与南北向流速分量序列v_maps,其中,H和W为统一标准网格的空间尺寸,同时,以各时刻流速分量的有效性生成维度为 的观测有效性掩膜矩阵,对于任一时刻 t,若格点在搜索半径内无预设数量的有效观测样本,则该格点在 u_maps、v_maps 中保持为缺失值,并在掩膜中记为无效,作为后续双向时序重构过程中跳过观测更新并进行连续化重构的依据。
5.根据权利要求1所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于,步骤S4中,前向递推为初步时序约束,从t =1到N逐帧执行,基于状态转移矩阵I和过程噪声协方差Q进行演化预测,其中,预测步:计算先验状态估计为:
= ,
,
其中, 表示时刻t的先验状态估计向量,由东西向流速u和南北向流速v组成;
表示前一时刻t‑1的后验状态估计向量; 表示时刻t的先验误差协方差矩阵,用于量化预测值的不确定性; 表示前一时刻t‑1的后验误差协方差矩阵; 表示过程噪声协方差矩阵,表征流场随时间演变的物理随机性;
依据掩膜Mt更新后验状态:若Mt=1,即有效观测,则计算卡尔曼增益:,
其中, 表示时刻t的卡尔曼增益,决定了观测值对状态更新的贡献权重; 表示时刻 t的观测噪声协方差矩阵,根据观测流速幅值动态计算; ,其中,speed为时刻t的观测流速幅值;r0表示基准观测噪声协方差,speed0为参考速度阈值,为防止除零的微小正数, 表示状态转移矩阵;若Mt=0,即观测无效或云遮挡,则跳过观测更新或等效降低观测权重,使状态退化为预测/惯性传播;
更新步:
状态更新公式,如下:
,
其中, 表示时刻t的后验状态估计向量, 表示时刻t的先验状态估计向量, 表示时刻t的卡尔曼增益, 表示当前时刻t的观测向量, 表示观测残差;
不确定度更新公式,如下:
,
其中, 表示时刻t的后验误差协方差, 表示时刻t 的先验误差协方差;
空间自适应修复:在每一时刻更新后,对流场执行自适应平滑处理,利用距离变换计算像元到可靠观测区的距离d,并依据距离构造权重,对至少两种不同尺度的高斯平滑结果进行多尺度加权融合,以消除孤立的异常跳变点并提升空间连续性;
前向递推结果输出:在完成时刻t的状态更新及空间自适应修复后,得到该时刻的前向状态估计及其不确定度,并将其保存/记录,形成前向估计序列。
6.根据权利要求5所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于,步骤S4中,后向递推为反向时序约束,从t=N到1逆向逐帧执行,基于状态转移矩阵I和过程噪声协方差Q进行演化预测,预测所依据的是后一时刻的后验估计,利用后续时刻信息反向修正前期存在的估计偏差;
其中,预测步:计算先验状态估计为:
,
,
其中, 表示时刻t的先验状态估计向量,由后一时刻t+1的后验估计 反向传播得到, 表示时刻t的先验误差协方差, 表示时刻t+1的后验误差协方差, 表示过程噪声协方差矩阵;
依据掩膜Mt更新后验状态:若Mt =1,即有效观测,则计算卡尔曼增益,并执行状态更新;
若Mt=0,即观测无效或云遮挡,则跳过观测更新或等效降低观测权重,使状态退化为预测/惯性传播,规避无效观测引入异常位移;
更新步:
状态更新公式,如下:
,
其中, 表示时刻t的后验状态估计向量,表示当前时刻t的观测向量;
不确定度更新公式,如下:
,
其中, 表示时刻t的后验误差协方差, 表示时刻t的先验状态估计向量;
空间自适应修复:在每一时刻更新后,对流场执行自适应平滑处理,利用距离变换计算像元到可靠观测区的距离d,并依据距离构造权重,对至少两种不同尺度的高斯平滑结果进行多尺度加权融合,消除孤立的异常跳变点并提升空间连续性;
后向递推结果输出:在完成时刻t的状态更新或跳过更新及空间自适应修复后,得到该时刻的后向状态估计及其不确定度,并将其保存/记录,形成后向估计序列。
7.根据权利要求1所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于,步骤S4中,双向融合具体是:将前向递推得到的时刻t的状态估计与不确定度,以及后向递推得到的时刻t的状态估计与不确定度,按不确定度信息进行加权融合,得到双向重构流场:,
其中, 表示前向估计的融合权重, 表示前向递推过程中时刻t的不确定度,表示后向递推过程中时刻t的不确定度, 表示为保证数值计算稳定性而引入的微小正数;
,
其中, 表示时刻t最终重构的海洋表面流场状态向量,包含东西向和南北向的流速分量, 表示时刻t的前向递推状态估计向量,由前向递推得到; 表示时刻t的后向递推状态估计向量,由后向递推得到。
8.根据权利要求1所述的基于静止卫星高频次影像的海表流场反演与重构方法,其特征在于, 步骤S5包括以下子步骤:S5.1、设定最大迭代次数与约束强度系数;
S5.2、利用中心差分法计算当前时刻流场的离散散度场;
S5.3、对所述离散散度场计算空间梯度;
S5.4、将所述空间梯度作为物理惩罚项,结合约束强度系数,对当前的流速矢量进行修正;
S5.5、重复步骤S5.2至S5.4,直至达到预设的最大迭代次数。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。