魏東嵐，曹曉晨

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116029)

一、引 言

海岸帶處于海洋與陸地交界處，其自然資源豐富，地理位置優(yōu)越，是人類競(jìng)爭(zhēng)和開發(fā)海洋的重要區(qū)域。海岸線作為海陸分界線，是研究海岸帶動(dòng)態(tài)變化最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。同時(shí)，海岸線也是沿海灘涂面積、濕地生態(tài)系統(tǒng)衰退與否的重要標(biāo)志，其變遷反映了全球環(huán)境變化、海岸環(huán)境變化及人類活動(dòng)相互作用的結(jié)果。因此，對(duì)海岸線地理位置確定的研究具有十分重要的意義。

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，海岸線提取技術(shù)逐漸向多時(shí)空多元化的方向發(fā)展。遙感技術(shù)具有多時(shí)空多尺度多平臺(tái)等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)來(lái)源廣，覆蓋面積大，可以對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行宏觀、詳細(xì)的檢測(cè)，得到的海岸線信息更加精確，時(shí)效性更強(qiáng)。因此，利用衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行海岸線提取逐漸成為獲取海岸線數(shù)據(jù)的主要手段。

目前通過(guò)遙感數(shù)據(jù)對(duì)海岸線進(jìn)行提取的方式主要分為兩大類:目視解譯和自動(dòng)解譯［1］。傳統(tǒng)的目視解譯僅僅利用GIS軟件對(duì)遙感原始圖像進(jìn)行手工矢量化。該方法操作簡(jiǎn)單，但工作量大，準(zhǔn)確性差。隨著GIS與遙感技術(shù)及圖像處理軟件的逐步發(fā)展，自動(dòng)解譯逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的目視解譯。自動(dòng)解譯是對(duì)原始遙感圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，使用自動(dòng)或半自動(dòng)的方式將海岸線作為圖像中的特征地物提取出來(lái)，該方法的核心是對(duì)原始遙感圖像的處理與分析。自動(dòng)解譯的優(yōu)勢(shì)在于其提高了準(zhǔn)確性的同時(shí)，具有較高的效率。目前使用較多的自動(dòng)解譯方式主要有閾值分割法、邊緣提取法、小波變換法等。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員從各個(gè)方面對(duì)海岸線提取方法進(jìn)行了逐步的完善。國(guó)外方面，Andreas Niedermeie將區(qū)域跟蹤法、小波變化法及海岸線的Snake算法3種方法進(jìn)行綜合使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水線的提取。國(guó)內(nèi)方面，陳明泉等利用Matlab采用局部閾值法對(duì)海岸線進(jìn)行的提取，驗(yàn)證了Matlab在海岸線提取中具有方便、易用的優(yōu)點(diǎn)［2］;崔步禮、常學(xué)禮等在對(duì)黃河口海岸線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，使用了閾值分割法對(duì)海岸線進(jìn)行了提?。?］;莊翠蓉等根據(jù)不同海岸類型的地貌特點(diǎn)，綜合Robert算子、Sobel算子和小波多尺度邊緣檢測(cè)等提取解譯方法，對(duì)廈門地區(qū)海岸線的變遷進(jìn)行了研究［4］;李秀梅等在對(duì)渤海灣海岸帶遙感監(jiān)測(cè)及時(shí)空變化時(shí)，使用Canny算子對(duì)海岸帶進(jìn)行了提?。?］;馬小峰、趙冬至等應(yīng)用Canny算子、中值濾波和腐蝕算子對(duì)大連營(yíng)口海岸帶進(jìn)行了位置的校正［6］;郭衍游、盧霞、邵飛卿等利用小波變換法對(duì)連云港海岸線進(jìn)行提取，通過(guò)GPS對(duì)海岸線實(shí)地觀測(cè)，驗(yàn)證了小波變換對(duì)遙感圖像的增強(qiáng)效果明顯，而且增強(qiáng)后提取的海岸線位置準(zhǔn)確度較高［7］。

本文選擇大連長(zhǎng)興島作為研究區(qū)，分別使用邊緣檢測(cè)法、閾值分割法及小波變化法進(jìn)行海岸線提取，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲取最適合該區(qū)域岸線的提取方式。研究區(qū)域位于中國(guó)遼東半島中西部，大連瓦房店市西側(cè)，四面環(huán)渤海。全島東西長(zhǎng)30 km，南北寬11 km，環(huán)島岸線91.6 km。全島面積252.5 km2，為長(zhǎng)江以北第一大島，具有北方島嶼的典型特征，對(duì)研究長(zhǎng)江以北島嶼岸線的提取有著重要的參考價(jià)值。

二、數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)源為大連長(zhǎng)興島2008年4月15日的Landsat7 TM遙感影像數(shù)據(jù)，UTM投影，地面分辨率為30 m。使用同時(shí)段同區(qū)域高分辨率遙感航片作為基礎(chǔ)圖片，對(duì)提取結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行比較驗(yàn)證。

為了排除在遙感影像獲取過(guò)程中受到的各種因素的干擾，需要對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理操作。同時(shí)，為了盡可能準(zhǔn)確清晰地獲得海岸線的地理信息，須對(duì)圖像進(jìn)行降噪、濾波及幾何配準(zhǔn)處理。

三、海岸線提取方法

1.閾值分割法

閾值分割法是一種最簡(jiǎn)單實(shí)用的影像特征提取方法，適用于要分割的物體與其背景有較強(qiáng)對(duì)比度的圖像［8］。該方法的核心為圖像的二值化。根據(jù)海洋與陸地在遙感影像中所呈現(xiàn)出的像素值差異，選取一個(gè)適當(dāng)?shù)奶卣鏖撝礣，然后通過(guò)該閾值T與圖像中逐個(gè)像素值進(jìn)行對(duì)比，規(guī)定:若f(x，y)＜T，則g(x，y)=0，否則 g(x，y)=1。因此，閾值的選取成為該方法的關(guān)鍵點(diǎn)。

常用的閾值確定方式有直方圖分割法及最大類間方差法等。其中最大類間方差法對(duì)于單一閾值的計(jì)算具有簡(jiǎn)單高效的方式，本文選擇該方法，使用Matlab軟件中g(shù)raythresh函數(shù)及im2bw函數(shù)，確定圖像的相應(yīng)閾值并進(jìn)行圖像的二值化。同時(shí)，為了更有效地對(duì)海岸線進(jìn)行提取，在二值化的過(guò)程中對(duì)圖像進(jìn)行邊緣銳化。

2.邊緣提取法

圖像邊緣指圖像中灰度值急劇變化的像素集合，圖像邊緣處存在明顯的灰度不連續(xù)性，變化情況可以用灰度分布梯度來(lái)反映。邊緣檢測(cè)法正是利用這種灰度值的差異，通過(guò)辨別每個(gè)像素與其鄰域的狀態(tài)，構(gòu)建邊緣提取算子，通過(guò)對(duì)鄰域梯度進(jìn)行計(jì)算來(lái)判斷該像素是否在邊緣上［9］。目前使用的經(jīng)典的邊緣提取算子主要有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子和Canny算子等。

(1)Roberts算子

Roberts算子是根據(jù)任意一對(duì)相互垂直方向上的差分可用來(lái)計(jì)算梯度的原理，采用對(duì)角線方向相鄰兩像素灰度之差，即利用局部差分算子計(jì)算邊緣。若輸入圖像為f(x，y)，輸出圖像為 g(x，y)，則利用Roberts算子進(jìn)行邊緣提取的過(guò)程可以表示為［10］

Roberts算子是一種較為簡(jiǎn)單的邊緣提取算子，使用2×2模板，僅計(jì)算對(duì)角線上的梯度幅度，具有較高的精確度，但抗噪聲能力較差。

(2)Sobel算子

Sobel算子計(jì)算每個(gè)像素值上下左右方位鄰點(diǎn)的灰度加權(quán)差，以此確定像素點(diǎn)的梯度值，最后根據(jù)特定的閾值來(lái)進(jìn)行取舍。

Sobel算子將2×2的模板擴(kuò)展至3×3的模板，具有兩個(gè)卷積核，受噪聲影響比較小，當(dāng)使用大的領(lǐng)域時(shí)，抗噪性能會(huì)更好，較容易在空間上實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生許多偽邊緣，邊緣定位精度不高［11］。

(3)Prewitt算子

Prewitt算子與Soble算子類似，是一個(gè)含有兩個(gè)卷積核的3×3的算子。中心像素梯度值利用周圍8個(gè)點(diǎn)的像素值進(jìn)行確定:在圖像空間利用兩個(gè)方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積，這兩個(gè)方向模板一個(gè)檢測(cè)水平邊緣，一個(gè)檢測(cè)垂直邊緣［12］。具體表達(dá)式為

式中，s1、s2分別為Prewitt算子2個(gè)模板的卷積;s為所求像素的梯度值。

該算子在處理低噪聲的圖像時(shí)有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，但在處理混合多復(fù)雜噪聲的圖像時(shí)，效果較差。

(4)Canny算子

1986年Canny提出了邊緣檢測(cè)性能的3個(gè)準(zhǔn)則:信噪比準(zhǔn)則、定位精度準(zhǔn)則和單邊緣響應(yīng)準(zhǔn)則，基于這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)多級(jí)邊緣檢測(cè)算法——Canny算子被提出，這是目前最優(yōu)的邊緣提取算子［13］。

Canny算子主要分為4個(gè)步驟:

1)利用高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。利用二維高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)對(duì)原始圖像f(x，y)進(jìn)行平滑去噪，得到平滑圖像I(x，y)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇高斯濾波參數(shù)。

2)在2×2的鄰域內(nèi)進(jìn)行差分運(yùn)算，對(duì)平滑后的圖像灰度梯度進(jìn)行運(yùn)算，像素點(diǎn)大小M和方向θ的計(jì)算公式為

式中，P、Q分別為該點(diǎn)x、y方向偏微分的一階近似值，即

3)對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制，只保留幅值局部變化最大的點(diǎn)。圖像的梯度值與圖像陣列的M(i，j)值成正比例關(guān)系，為確定邊緣，必須通過(guò)抑制梯度方向上所有非屋脊峰值的幅值來(lái)細(xì)化幅值圖像中的屋脊帶。

4)邊緣檢測(cè)及邊緣連接。這個(gè)過(guò)程使用雙閾值法，選用高、低兩個(gè)閾值對(duì)經(jīng)過(guò)非極大值抑制后的圖像作進(jìn)一步處理，即凡是像素點(diǎn)的梯度幅度大于高閾值的一定是邊緣點(diǎn);凡是梯度幅度小于低閾值的一定不是邊緣點(diǎn)。

Canny算子是目前邊緣提取法中最為有效的一種算子，其提出的邊緣提取準(zhǔn)則在實(shí)際應(yīng)用中獲得了顯著的效果，為今后的邊緣提取工作提供了極大的參考價(jià)值。Canny算子自身具有很高的綜合性，在提取邊緣時(shí)可以很精確地計(jì)算出邊緣像素。但由于Canny算子采用的是2×2的模板，在垂直鄰域內(nèi)對(duì)噪聲較為敏感，容易造成假邊緣，存在失真情況。同時(shí)，高低閾值限定無(wú)法顧及局部特征信息，致使邊緣不連續(xù)的情況出現(xiàn)，且閾值的參數(shù)只能人為設(shè)定，使得Canny算子的自適應(yīng)性不強(qiáng)，自動(dòng)化程度低［14］。

3.小波變換法

小波變換法在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展迅速，是1974年由法國(guó)工程師J.Morlet提出的，是一個(gè)時(shí)間和頻率的局域變換，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化與分析，從而有效地從信號(hào)中提取信息。

設(shè) f∈L2(R)，則其小波變換表示為［7］

其重構(gòu)公式為

式中，ψ(t)∈L2(R)為母小波，其傅里葉變換φ(x)滿足條件

a、b分別為伸縮因子與平移因子，即母小波ψ(t)通過(guò)伸縮和平移后得到的小波序列為

近年來(lái)，隨著小波變換在邊緣提取技術(shù)方面不斷發(fā)展和完善，利用小波變換提取海岸線成為了一種新興的水邊緣提取方法。這種方法首先將海洋和陸地的灰度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在海陸交界處數(shù)字信號(hào)會(huì)有明顯的奇異性(不連續(xù)性)，利用小波技術(shù)對(duì)這種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，找出奇異點(diǎn)的位置，并把它們依次連接起來(lái)，確定海岸線［15］。

由于小波變換技術(shù)的時(shí)間頻率局部精確化及空間多尺度的特性，小波變換在對(duì)圖像水邊緣檢測(cè)時(shí)，一方面可以在小尺度范圍內(nèi)細(xì)化岸線，對(duì)岸線進(jìn)行精細(xì)處理;另一方面，又可以在大尺度下粗化岸線，對(duì)在大尺度范圍產(chǎn)生的假邊緣有很好的處理效果，在保證岸線連續(xù)性的同時(shí)，極大地提高了海岸線的精確度。

四、結(jié)果與分析

1.研究結(jié)果

為驗(yàn)證幾種試驗(yàn)結(jié)果的不同效果，本文使用ArcGIS軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，利用與遙感影像同時(shí)段同區(qū)域的高分辨率遙感航片，與提取結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比。由于航片影像具有高分辨率性，地物特征表現(xiàn)得較為明顯，能夠清晰地觀察出海陸界限，因此，通過(guò)對(duì)比航片影像圖中海陸分界線與試驗(yàn)結(jié)果的重合效果，可以較為直觀地看出幾種不同方式的優(yōu)劣性。擬合效果圖如圖1所示。

圖1

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果擬合對(duì)比圖可以得到如下結(jié)論:

1)閾值分割法對(duì)于海岸線的提取結(jié)果與真實(shí)地物差別最大，提取結(jié)果最粗糙。

2)邊緣提取法中Roberts算子、Sobel算子及Prewitt算子的提取結(jié)果幾乎相同。

3)小波變換法與Canny算子均能較為準(zhǔn)確地提取出海岸線，與真實(shí)地物擬合程度較大。與其他方式的差異部分多為人工圍海形成的養(yǎng)殖圈。在復(fù)雜海岸線處，小波分析法相較Canny算子呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢(shì)。

4)由于填海區(qū)域的灰度值與陸地灰度值差距較大，與海域灰度值差距較小，在對(duì)其海岸線確定時(shí)，存在較大的誤差。幾種提取方法中只有小波變換法與Canny算子能夠?qū)μ詈^(qū)域的海岸線進(jìn)行提取。其中，Canny算子提取的結(jié)果精度更高，更適合研究人工圍填海區(qū)域。

2.結(jié)果分析與展望

本文采用了ETM遙感影像對(duì)海岸線進(jìn)行研究，利用多種方式對(duì)大連長(zhǎng)興島海域海岸線進(jìn)行提取，使用同一時(shí)期研究區(qū)域航片作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同的海岸線提取方法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合ENVI、Matlab及ArcGIS等軟件進(jìn)行了研究分析與對(duì)比。研究結(jié)果顯示，大連長(zhǎng)興島海域最適宜使用小波變換法對(duì)其海岸線進(jìn)行提取，而在對(duì)填海區(qū)域進(jìn)行研究時(shí)，則適宜使用邊緣提取法中的Canny算子。

五、結(jié)束語(yǔ)

遙感圖像由于其實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，逐漸成為對(duì)海岸線研究的一種趨勢(shì)。在本次對(duì)研究區(qū)域海岸線研究提取的過(guò)程中，使用遙感圖像與Matlab軟件相結(jié)合的方式，達(dá)到了海岸線半自動(dòng)化的提取，并且實(shí)現(xiàn)了快速、高效、準(zhǔn)確的提取效果，為今后對(duì)黃渤海區(qū)域的岸線提取提供了一定的借鑒。

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