不同類型海岸線遙感解譯標(biāo)志建立和提取方法研究

孫偉富，馬 毅，2，張 杰，2，劉善偉，任廣波

(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061;2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266061)

不同類型海岸線遙感解譯標(biāo)志建立和提取方法研究

孫偉富1，馬 毅1，2，張 杰1，2，劉善偉1，任廣波1

(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061;2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266061)

傳統(tǒng)的海岸線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且個(gè)別地區(qū)難以到達(dá)，遙感技術(shù)的出現(xiàn)為海岸線的獲取提供了重要手段，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足。應(yīng)用SPOT 5影像，通過(guò)野外實(shí)地踏勘獲取的現(xiàn)場(chǎng)資料及經(jīng)驗(yàn)，分析各種海岸類型在影像中的特征，從顏色、紋理、地物鄰接關(guān)系等方面建立海岸類型的遙感解譯標(biāo)志，提出基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線的提取原則。經(jīng)與實(shí)測(cè)岸線對(duì)比，海岸線解譯標(biāo)志和提取原則獲取的海岸線在細(xì)節(jié)上更加合理、準(zhǔn)確。

遙感;海岸線提取;解譯標(biāo)志

一、引 言

海岸線是陸地與海洋的分界線，在我國(guó)是指多年大潮平均高潮位時(shí)的海陸分界線［1］。海岸線與海岸保護(hù)及利用、海域使用、海洋執(zhí)法等活動(dòng)密切相關(guān)，是海岸帶綜合管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的海岸線獲取方法主要基于常規(guī)測(cè)量手段，通過(guò)測(cè)量拐點(diǎn)坐標(biāo)，順序連接后形成岸線。實(shí)測(cè)拐點(diǎn)的疏密在一定程度上影響了所獲取的海岸線位置的準(zhǔn)確性，特別是一些淤泥質(zhì)潮灘和陡崖海岸，拐點(diǎn)測(cè)量困難或無(wú)法到達(dá)。另外，常規(guī)測(cè)量手段耗時(shí)較長(zhǎng)，人力物力消耗巨大。

遙感具有大范圍同步、高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是高分辨率遙感具有較高的空間分辨率和定位精度，可彌補(bǔ)常規(guī)海岸線測(cè)量方法的不足。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于遙感手段的海岸線信息提取方法開展了大量的研究，可以歸納為兩類:第一類是瞬時(shí)水邊線的提取［2-6］，第二類是基于嚴(yán)格定義的海岸線提取［7-8］。第一類研究把海岸線和瞬時(shí)水邊線混淆，沒有考慮潮汐的變化對(duì)其所謂“岸線”位置的影響;第二類研究考慮了海岸線與潮汐的關(guān)系，但沒有給出具體的海岸線遙感解譯標(biāo)志及提取原則。

我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)(簡(jiǎn)稱908專項(xiàng))設(shè)置有海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查任務(wù)，海岸線是其主要調(diào)查內(nèi)容之一。該任務(wù)將海岸線類型劃分為基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線等五類，本文基于908專項(xiàng)獲取的SPOT 5影像，通過(guò)野外實(shí)地踏勘，分析各種海岸類型在影像中的構(gòu)象特征，從顏色、紋理、地物鄰接關(guān)系等方面建立海岸類型的遙感解譯標(biāo)志，提出上述五類岸線的提取原則，并與實(shí)測(cè)岸線進(jìn)行對(duì)比。

二、數(shù)據(jù)源

本文應(yīng)用的SPOT 5衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，其全色和多光譜影像空間分辨率分別為2.5 m和10 m，包括近紅外、紅、綠、短波紅外等四個(gè)波段，利用主成分分析的方法進(jìn)行融合。基于信標(biāo)差分GPS采集的亞米級(jí)控制點(diǎn)和1∶50 000萬(wàn)比例尺DEM數(shù)據(jù)，對(duì)全色和多光譜影像的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正，校正后影像的平面定位精度優(yōu)于±5 m。

三、海岸線遙感解譯標(biāo)志和提取原則

基于校正后的SPOT 5融合影像，通過(guò)野外實(shí)地踏勘，以近紅外、紅、綠波段組合后的假彩色影像為例，從色彩、紋理、地物鄰接關(guān)系等方面建立不同海岸類型的遙感解譯標(biāo)志，提出基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線等五類岸線的提取原則。

1.基巖岸線

基巖岸線位于基巖海岸之上，基巖海岸由巖石組成，常有突出的海岬和深入陸地的海灣，岸線比較曲折。

基巖海岸有明顯的起伏狀態(tài)和巖石構(gòu)造，在北方常有海珍品養(yǎng)殖池，近岸水深較大，在遙感影像上顏色較深，破波帶呈亮白色(見圖1中a點(diǎn))，近岸礁石呈灰白色，分布散亂，且亮度不均，紋理粗糙(見圖1中b點(diǎn))，海岸養(yǎng)殖池一般呈塊狀分布，顏色近于海水(見圖1中c點(diǎn))。海岸植被根據(jù)不同的長(zhǎng)勢(shì)呈淺紅色或暗紅色(見圖1中d點(diǎn))，裸巖呈灰白色(見圖1中e點(diǎn))，建筑物的亮度較高，呈白色(見圖1中f點(diǎn))。

在影像中，基巖岸線的位置應(yīng)在明顯的水陸分界線上(圖1中黑線)。礁石、破波帶以及養(yǎng)殖區(qū)等位于岸線的向海一側(cè);植被、裸巖和建筑物等應(yīng)位于岸線向陸一側(cè)。

圖1 基巖岸線

2.砂質(zhì)岸線

砂質(zhì)岸線位于砂質(zhì)海岸上，砂質(zhì)海岸常分為一般砂質(zhì)海岸和具有陡崖的砂質(zhì)海岸兩類［9］。下面就這兩種海岸給出砂質(zhì)岸線的遙感解譯標(biāo)志。

1)砂質(zhì)海岸一般比較平直，海灘上部因大潮潮水搬運(yùn)，常常堆積成一條與岸平行的脊?fàn)钌百|(zhì)沉積——灘脊［9］。灘脊的位置即為海岸線位置，一般在干燥的砂灘下限處，堆積成一條痕跡線。海岸的干燥灘面光譜反射率較高，在影像上表現(xiàn)為白亮的區(qū)域(見圖2中a點(diǎn))，灘脊痕跡線處堆積有植物碎屑、雜物等，亮度較低(見圖2中b點(diǎn))，海水的光譜反射率較低，含水量較高的砂灘光譜反射率也較低，在影像上表現(xiàn)略暗(見圖2中c點(diǎn))。

在遙感影像中，砂質(zhì)岸線的位置應(yīng)取在灘脊痕跡線上限處(見圖2中黑線)。

2)具有陡崖的砂質(zhì)海岸一般無(wú)灘脊發(fā)育，海灘與基巖岸直接相鄰［9］，陡崖有明顯的基巖海岸紋理特征，其影像表現(xiàn)如上所述，陡崖下部灘面長(zhǎng)期被海水浸沒，含水量高，在影像上顯示為灰色或灰白色，紋理平滑(見圖3中a點(diǎn))。

圖2 一般砂質(zhì)海岸

在遙感影像中，這類海岸線位置應(yīng)位于陡崖基部與沙灘的交線上(見圖3中黑線)。

圖3 具有陡崖的砂質(zhì)海岸

3.粉砂淤泥質(zhì)岸線

粉砂淤泥質(zhì)岸線位于淤泥質(zhì)海岸上，這種海岸主要由潮汐作用形成，受上沖流的影響，灘面坡度平緩，灘面寬度可達(dá)數(shù)千米甚至更寬［9］。

粉砂淤泥質(zhì)海岸向陸一側(cè)一般植被生長(zhǎng)茂盛，呈紅色或暗紅色(見圖4中a點(diǎn))，向海一側(cè)植被較為稀疏呈淺紅色(見圖4中b點(diǎn))或沒有植被(見圖4中c點(diǎn))，裸露潮灘上多有樹枝狀潮溝發(fā)育(見圖4中d點(diǎn))。

大潮上水淹沒潮灘，致使淹沒范圍內(nèi)高潮線處植被極其稀疏，在影像中，植被茂盛與稀疏程度明顯差異處即為粉砂淤泥質(zhì)岸線所在位置(見圖4中黑線)。

圖4 粉砂淤泥質(zhì)岸線

4.生物岸線

生物岸線一般分為紅樹林岸線、珊瑚礁岸線和蘆葦岸線，分別位于紅樹林海岸、珊瑚礁海岸和粉砂淤泥質(zhì)海岸上。紅樹林以紅樹科植物為主，多分布在河口附近潮灘、水陸交界處，具有向海延伸的能力。一般均成片分布，在遙感影像中表現(xiàn)為紅色;與陸地植被相比，顏色較暗且形狀不規(guī)則;多沿海岸分布，紋理平滑，有立體感(見圖5中a點(diǎn))。紅樹林附近養(yǎng)殖區(qū)布局規(guī)則，紋理呈長(zhǎng)條狀，空間分布集中，顏色近于海水(見圖5中b點(diǎn))，陸地植被表現(xiàn)為紅色，顏色較深(見圖5中c點(diǎn))。

紅樹林生長(zhǎng)在潮灘上或海岸沼澤區(qū)，平均大潮高潮淹沒潮灘及沼澤區(qū)，紅樹林內(nèi)邊界即為高潮線位置，因此，紅樹林生物岸線的位置確定在紅樹林內(nèi)邊界上(見圖5中黑線)，海岸線以下為紅樹林，以上為養(yǎng)殖區(qū)和陸地植被等。

圖5 紅樹林岸線

珊瑚礁岸線位于珊瑚礁海岸上，我國(guó)珊瑚礁主要分布在臺(tái)灣島和海南島的沿岸以及南海諸島的128個(gè)以環(huán)礁為主要類型的礁區(qū)［10］，珊瑚礁海岸由珊瑚砂堆積而成，光譜反射率很高，在影像上表現(xiàn)為白亮，紋理平滑，珊瑚砂外圍為礁盤，礁盤區(qū)域常被海水浸沒，水深較淺，光譜反射率稍低于珊瑚砂，岸線確定方法同一般砂質(zhì)岸線。

蘆葦岸線位于生長(zhǎng)蘆葦?shù)挠倌噘|(zhì)灘涂上，在沼澤、河口等淺水濕地形成密集的群落，由陸向海逐漸稀疏。在影像中，這類岸線確定在蘆葦茂盛與稀疏程度明顯差異處，海岸線向海一側(cè)與向陸一側(cè)的表現(xiàn)形式如上所述。

5.人工岸線

人工岸線是人工建筑物形成的岸線，建筑物一般包括防潮堤、防波堤、碼頭、凸堤、養(yǎng)殖區(qū)和鹽田等。

防潮堤、防波堤等建筑物在影像上一般亮度較高，呈白色，狹長(zhǎng)延伸分布紋理平滑(見圖6中a點(diǎn));堤外為淤泥質(zhì)灘涂，顏色灰暗，比裸地略淡(見圖6中b點(diǎn))。海岸線位置確定在建筑物的外緣(見圖6中黑線)。

碼頭處多有居民區(qū)或工廠等，一般成規(guī)模分布，有一定的亮度，但不均勻，有清晰的水泥紋理特征，道路錯(cuò)綜復(fù)雜，呈網(wǎng)狀，容易確認(rèn)(見圖7中a點(diǎn))。碼頭處凸堤在影像中多呈白色，明顯的細(xì)長(zhǎng)條狀突出(見圖7中b點(diǎn))，此處的海岸線位置為碼頭外邊界，橫截寬度小于20 m的凸堤處海岸線位置確定在凸堤根部與陸地相連的連線處(見圖7中黑線)。

圖6 沿海大堤

圖7 碼頭

養(yǎng)殖區(qū)岸線位于基巖海岸或粉砂淤泥質(zhì)海岸上。養(yǎng)殖區(qū)布局規(guī)則，呈長(zhǎng)條狀，空間集中分布，顏色近于海水(見圖8中a點(diǎn));養(yǎng)殖池在干涸情況下，影像上表現(xiàn)很像裸地，呈灰色或灰白色(見圖8中b點(diǎn));陸地植被根據(jù)疏密程度呈淺紅色至暗紅色(見圖8中c點(diǎn));大潮高潮不能淹沒養(yǎng)殖區(qū)外邊緣，海岸線位置確定在養(yǎng)殖區(qū)的外邊緣上(見圖8中黑線)。

圖8 養(yǎng)殖區(qū)

鹽田岸線位于鹽田海岸上，鹽田分布在淤泥質(zhì)潮灘上，規(guī)則小型方塊連續(xù)大面積分布，且一般都分布對(duì)稱(見圖9中a點(diǎn));蒸發(fā)池顏色近于海水(見圖9中b點(diǎn))，而結(jié)晶池因?yàn)楹写罅亢｛}呈白色，亮度較高(見圖9中c點(diǎn));陸地植被與建筑物同養(yǎng)殖區(qū)岸線所述;海岸線位置的確定同養(yǎng)殖區(qū)岸線的確定方法，在鹽田區(qū)域的外邊界(見圖9中黑線)。

圖9 濱海鹽田

四、與實(shí)測(cè)岸線的對(duì)比

以908專項(xiàng)山東省修測(cè)岸線為例，該岸線是由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與遙感提取相結(jié)合的方式獲得的。將山東省修測(cè)海岸線與遙感影像疊加對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線以及人工岸線等岸線位置符合本文提出的遙感海岸線解譯與提取原則，岸線準(zhǔn)確提取，精度較高。

908專項(xiàng)江蘇省修測(cè)岸線修測(cè)采用的是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)拐點(diǎn)，然后順序連接形成岸線的方法。將連云港地區(qū)使用該方法獲取的岸線與本文提出的遙感提取岸線原則獲取的岸線疊加顯示(如圖10所示，其中白線為遙感岸線，黑點(diǎn)為實(shí)測(cè)拐點(diǎn)，黑線為連接拐點(diǎn)獲得的修測(cè)岸線)。通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，遙感提取岸線與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查岸線局部細(xì)節(jié)差異較大，原因是測(cè)量的拐點(diǎn)較疏和局部地區(qū)無(wú)法到達(dá)，導(dǎo)致局部地方測(cè)量岸線與實(shí)際岸線不符，不能準(zhǔn)確表示海岸線的實(shí)際位置，而遙感技術(shù)可以彌補(bǔ)這一不足，確保提取的海岸線在細(xì)節(jié)上的合理性和準(zhǔn)確性。

圖10 遙感岸線與實(shí)測(cè)岸線比對(duì)

五、結(jié)論與討論

本文基于908專項(xiàng)獲取的海島海岸帶SPOT 5影像，根據(jù)實(shí)地踏勘資料及解譯經(jīng)驗(yàn)，在分析各種海岸類型在影像中特征的基礎(chǔ)上，從顏色、紋理和地物鄰接關(guān)系等方面建立海岸類型的遙感解譯標(biāo)志，提出基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線等五類岸線的提取原則。經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)岸線對(duì)比，證明本文提出的海岸線遙感提取原則是合理、準(zhǔn)確的。

傳統(tǒng)的海岸線測(cè)量方式周期長(zhǎng)、代價(jià)高，遙感具有大范圍同步、高效和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，可以高效、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)海岸線信息的獲取，是海岸線變遷、海岸侵蝕淤積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段。

雖然遙感技術(shù)在海岸線提取方面具有優(yōu)勢(shì)，但遙感存在無(wú)法有效解決的同物異譜和同譜異物的現(xiàn)象，因此，在海岸線類型解譯及提取過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)踏勘工作仍然不可缺少。

［1］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 18190—2000海洋學(xué)術(shù)語(yǔ)·海洋地質(zhì)學(xué)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［2］杜濤，張斌.小波技術(shù)分析遙感圖像確定岸線位置的研究［J］.海洋科學(xué)，1999(4):19-21.

［3］NIEDERMEIER A，BEN E R，LEHNER S.Detection of Shorelines in SAR Images Using Wavelet Methods ［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2000，38(5):2270-2281.

［4］歐陽(yáng)越，鐘勁松.基于改進(jìn)水平截集算法的SAR圖像海岸線檢測(cè)［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2004，19(6):456-460.

［5］樊彥國(guó)，張淑芹，侯春玲，等.基于遙感影像提取海岸線方法的研究:以黃河三角洲地區(qū)黃河口段和刁口段海岸為例［J］.遙感應(yīng)用，2009(4):67-70.

［6］王琳，徐涵秋，李勝.廈門島及其鄰域海岸線變化的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005，20(4):404-410.

［7］孫美仙，張偉.福建省海岸線遙感調(diào)查方法及其應(yīng)用研究［J］.臺(tái)灣海峽，2004，23(2):213-218.

［8］馬小峰，趙東至，刑小罡，等.海岸線衛(wèi)星遙感提取方法研究［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2007，26(2):185-189.

［9］國(guó)家海洋局908專項(xiàng)辦公室.我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)海岸線修測(cè)技術(shù)規(guī)程［M］.試行本.北京:海洋出版社，2007.

［10］張喬民，余克服，施祺，等.中國(guó)珊瑚礁分布和資源特點(diǎn)［C］∥提高全民科學(xué)素質(zhì)、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家:2006中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集(下冊(cè)).北京: ［s.n.］，419-423.

Study of Remote Sensing Interpretation Keys and Extraction Technique of Different types of Shoreline

SUN Weifu，MA Yi，ZHANG Jie，LIU Shanwei，REN Guangbo

0494-0911(2011)03-0041-04

P237

B

2010-05-05

高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”(2009AA121403);我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)(908-01-WY02、908-01-WY06、908-01-WY08)共同資助

孫偉富(1983—)，男，山東招遠(yuǎn)人，碩士生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感應(yīng)用。