灘涂濕地的海岸線提取技術(shù)研究

史晟愷

【摘 要】在世界范圍內(nèi)，海岸帶通常是人口最為密集、活動(dòng)最為頻繁的區(qū)域。沿海城市由于位置的獨(dú)特性，可發(fā)展港口運(yùn)輸業(yè)，便于各國間的貿(mào)易與交流。由于它位于大陸的邊界，其不穩(wěn)定因素之一就是海岸線容易發(fā)生變化。因此，監(jiān)測(cè)海岸線的位置變化，可以為海岸帶的經(jīng)濟(jì)開發(fā)、生態(tài)保護(hù)、科學(xué)研究和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。論文分析了上海市部分濕地的海岸線位移情況，先后運(yùn)用ENVI以及MATLAB等軟件對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、影像分割和邊緣提取，并進(jìn)行后期處理，進(jìn)一步研究了灘涂濕地海岸線自動(dòng)提取技術(shù)。

【Abstract】 The coastal zone is usually the most densely populated and active area in the world. Because of the unique location of coastal cities， port transportation can be developed to facilitate the trade and exchange between countries. Because of its location on the continental boundary， one of its destabilizing factors is the coastline is prone to change. Therefore， monitoring the location change of the coastline can provide a basis for the economic development， ecological protection， scientific research and dynamic monitoring of the coastal zone. This paper analyzes the shoreline displacement of some wetlands in Shanghai， and applies ENVI and MATLAB software to preprocess， image segmentation and edge extraction， as well as post-processing， and further studies the shoreline automatic extraction technology of mudflat wetlands.

【關(guān)鍵詞】海岸線提取;影像分割;邊緣提取;精細(xì)化處理

【Keywords】coastline extraction; image segmentation; edge extraction; fine treatment

【中圖分類號(hào)】TN957.52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）07-0131-02

1 引言

1.1 傳統(tǒng)采集方式的劣勢(shì)

傳統(tǒng)海岸線數(shù)據(jù)采集的方式是去野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，通過運(yùn)用全站儀、RTK或三維激光掃描等手段，測(cè)量海岸線的特征點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量的坐標(biāo)，相連成線作為海岸線。實(shí)測(cè)點(diǎn)的疏密以及連線的準(zhǔn)確度勢(shì)必會(huì)影響到海岸線的精確度。此外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘探還需要耗費(fèi)大量的外業(yè)時(shí)間，投入的人時(shí)成本巨大，效率相對(duì)低下，不利于大面積地區(qū)測(cè)繪工作的開展。海岸帶周邊環(huán)境不穩(wěn)定以及突發(fā)情況頻繁，由人工去實(shí)地進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)顯然不切實(shí)際。由于遙感觀測(cè)具有大范圍、準(zhǔn)同步、多時(shí)相、高精度的特點(diǎn)，可以避免人工外業(yè)測(cè)繪時(shí)出現(xiàn)的各種不可抗因素，而且耗材成本低，帶來的社會(huì)效益高，符合人工智能的發(fā)展潮流。這項(xiàng)技術(shù)在未來勢(shì)必會(huì)廣泛應(yīng)用于海岸線的提取研究中。

1.2 學(xué)術(shù)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)遙感影像邊界的提取技術(shù)進(jìn)行了大量研究，提出了很多可行的方法。這些方法大致可歸納為兩大類。第一類是基于圖像邊緣檢測(cè)的提取方法，利用海岸線的空間關(guān)系，將海岸線的提取等同于水陸邊緣檢測(cè)。第二類是基于影像分割分類的方法，利用水體和陸地光譜特性的差異，對(duì)影像中水和陸的區(qū)域進(jìn)行分割分類，以水陸分割線作為海岸線。傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法為微分算子法，比較常用的經(jīng)典圖像邊緣檢測(cè)算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Canny算子等[1]。

2 數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的遙感影像數(shù)據(jù)均來自于Landsat系列的TM和ETM+數(shù)據(jù)，共5個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星影像。陸地衛(wèi)星在該地區(qū)上空的過境時(shí)間比較接近，所處的地區(qū)天氣情況類似。又因研究期間無法得知現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的潮汐變化情況，故本文僅討論從遙感影像中解譯瞬時(shí)水邊線的變化，不作海岸線推算。但是由于影像獲取條件相似，水邊線變化一定程度上也能反映出海岸線。

2.2 預(yù)處理流程

本文影像預(yù)處理流程如下圖所示。

2.2.1輻射校正

傳感器在接收來自地物的電磁波輻射能時(shí)，不可避免地會(huì)受到傳感器本身特性、地物光照條件和大氣作用等因素的影響，從而導(dǎo)致傳感器輻射率測(cè)量值與地物實(shí)際的光譜輻射率的不一致，即產(chǎn)生輻射畸變。這些影響因素還會(huì)隨時(shí)間推移而不斷變化。除了地物的變化會(huì)引起圖像的輻射值產(chǎn)生變化之外，不變的地物在不同時(shí)相影像中的輻射值也有所不同，因而在本實(shí)驗(yàn)中，利用多時(shí)相遙感影像的光譜信息來檢測(cè)地物的變化，需要消除變化地物引起的輻射值差異和不變地物的輻射值差異，即進(jìn)行輻射校正。

輻射校正是為了縮小在光學(xué)遙感數(shù)據(jù)獲取過程中產(chǎn)生的一切與輻射有關(guān)的誤差，消除遙感影像成像過程中附加在傳感器輸出輻射能量中的各種噪聲，包括輻射定標(biāo)和大氣校正。輻射定標(biāo)就是將記錄的原始數(shù)值轉(zhuǎn)換為大氣外層表面反射率，目的是消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差。而大氣校正就是將輻射亮度或者表現(xiàn)反射率轉(zhuǎn)換為地表實(shí)際反射率，目的是消除大氣和光照等引起的誤差。一般衛(wèi)星地面站提供的影像數(shù)據(jù)均輻射校正完畢[2]。

2.2.2幾何校正

衛(wèi)星在運(yùn)行的過程中，由于衛(wèi)星姿態(tài)、地球曲率、地形起伏、地球自轉(zhuǎn)、大氣折射，以及傳感器自身性能等原因，會(huì)引起遙感影像的幾何變形，導(dǎo)致遙感影像成圖時(shí)，圖像本身的幾何形狀與其對(duì)應(yīng)的地物形狀產(chǎn)生不一致的情況。所以在應(yīng)用衛(wèi)星影像進(jìn)行水邊線提取之前，必須經(jīng)過幾何校正。本次研究選擇已經(jīng)經(jīng)過幾何校正的遙感影像作為初始基準(zhǔn)圖，通過從兩幅圖像上選取特征明顯的同名點(diǎn)，對(duì)影像進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 研究方法

3.1 基本原理

本次研究利用圖像邊緣檢測(cè)算子中的Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Canny算子提取圖像邊緣。將其中部分結(jié)果與人工測(cè)繪成果作對(duì)比，對(duì)自動(dòng)提取的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，并評(píng)價(jià)各種方法的優(yōu)劣。

3.2 結(jié)果分析

邊緣檢測(cè)算子的提取結(jié)果如下圖所示，（a）（b）（c）（d）分別為Canny算子、Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子的提取結(jié)果。水邊線的提取應(yīng)盡量使圖像中的海岸線保持一個(gè)像元的寬度。Roberts算子提取的邊界是邊緣的條邊，即一個(gè)像元的寬度，會(huì)導(dǎo)致邊緣出現(xiàn)不連續(xù)的情況;Sobel算子雖然提取了邊緣的雙邊，即兩個(gè)像元的寬度，但不是基于圖像灰度進(jìn)行處理的，沒有模擬出人的視覺生理特征，所以提取到的邊緣結(jié)果不能令人滿意;Prewitt算子雖然保持了兩個(gè)像元的寬度，且在計(jì)算上比Sobel算子更簡(jiǎn)單，但容易受到噪聲的影響;因此，Roberts算子、Prewitt算子和Sobel算子均不適用于提取淤泥質(zhì)海岸線。相比之下，Canny算子雖然出現(xiàn)部分?jǐn)帱c(diǎn)的情況，但它的提取效果好，定位精度較高，邊緣線的完整性和連續(xù)性較好。

4 結(jié)論

雖然圖像上海岸線自動(dòng)提取的完整性和連續(xù)性有部分缺失，但研究結(jié)果與實(shí)際情況總體相符。待精細(xì)化處理技術(shù)更加完善后，此現(xiàn)象會(huì)逐漸消除。本次研究所示的方法基本可行。

【參考文獻(xiàn)】

【1】華國春，黃川友，李艷玲，等.拉薩拉魯濕地生態(tài)恢復(fù)與重建對(duì)策研究[J].水資源保護(hù)，2017，23（6）：93-94.

【2】高光林，孫英，米曉娟，等.城市濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及修復(fù)方法探討——以九江市為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，35（1）：156-157.