謝祖明

（福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003）

0.引言

海岸線(xiàn)是陸地和海洋的分界線(xiàn)，海岸線(xiàn)的位置不固定，流水沉積、海水侵蝕和人類(lèi)活動(dòng)等均對(duì)海岸線(xiàn)造成影響。為提升海洋資源利用率、豐富人類(lèi)生活、改善海洋生態(tài)環(huán)境，需對(duì)海岸線(xiàn)信息進(jìn)行管理。大量研究結(jié)果表明：海岸線(xiàn)是海岸帶信息中的重要組成部分，快速、精準(zhǔn)地確定海岸線(xiàn)位置對(duì)于海岸帶及海域管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1，2]。海岸線(xiàn)信息的提取對(duì)于海洋資源的利用、沿海城市的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。與此同時(shí)，海洋環(huán)境保護(hù)、沿海城市規(guī)劃及海洋地圖測(cè)繪等領(lǐng)域的發(fā)展，都將海岸線(xiàn)定位與提取作為基礎(chǔ)。為此，研發(fā)可獲取高質(zhì)量海岸線(xiàn)信息的海岸線(xiàn)提取方法迫在眉睫。

通過(guò)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，海岸線(xiàn)是遙感圖像中一種較為特殊的邊界，其提取方法與其他邊界的提取方法存在差異[3，4]。在此領(lǐng)域的研究中，西方國(guó)家起步較早，其應(yīng)用技術(shù)也較完善。當(dāng)前我國(guó)使用的大部分大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)均將海岸線(xiàn)提取技術(shù)按照常規(guī)圖像邊界提取方法進(jìn)行設(shè)定，此種情況大大降低了海岸線(xiàn)提取結(jié)果的精準(zhǔn)度[5]。針對(duì)此問(wèn)題，本研究提出一種基于遙感圖像的大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)，此系統(tǒng)將遙感圖像作為研究基礎(chǔ)，使用適合海岸線(xiàn)提取的技術(shù)，完成整體圖像的處理與信息獲取。本研究以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)的檢測(cè)精度，從而獲取高質(zhì)量的海岸線(xiàn)信息。

1.基于遙感圖像的大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本研究將遙感圖像作為大區(qū)域海岸線(xiàn)提取的基礎(chǔ)，為了更好獲取此圖像并完成圖像處理，對(duì)系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行了改善與優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 基于遙感圖像的大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)硬件框架

本研究將海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)硬件大致分為三部分，分別為遙感圖像采集模塊、圖像處理與提取模塊及中央控制模塊。對(duì)所需設(shè)備重新選型，構(gòu)建系統(tǒng)新型硬件框架。由于此系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)章節(jié)均在軟件開(kāi)發(fā)部分，因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)僅對(duì)遙感圖像采集模塊與中央控制模塊進(jìn)行描述。

1.1 遙感圖像采集模塊

本次研究中將遙感相機(jī)作為遙感圖像采集裝置，考慮到圖像的完整性與系統(tǒng)的安全性，對(duì)多種遙感相機(jī)進(jìn)行參數(shù)比對(duì)后，選擇RedEdge-MX BIUE十光譜相機(jī)作為圖像采集設(shè)備。為保證此遙感相機(jī)的使用效果，在其內(nèi)部安裝一個(gè)控制器，此控制器組成部分設(shè)定如下：

（1）控制板：ARM控制板；

（2）處理器：32位微處理器；

（3）接口：USB接口、SD卡接口、通信網(wǎng)口；

（4）內(nèi)存：NAND Flash；

（5）時(shí)鐘源：32.00MHz；

（6）存儲(chǔ)器型號(hào)：K9F2G08UOM；

（7）電平：RS-232電平串口。

根據(jù)上述參數(shù)，對(duì)遙感相機(jī)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將其與相機(jī)進(jìn)行組裝。在獲取遙感圖像的同時(shí)，系統(tǒng)中增設(shè)高分辨率數(shù)碼相機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像采集，用以提高遙感影像采集精度。

1.2 中央控制模塊

在上述模塊設(shè)定完成后，為保證遙感圖像采集模塊與圖像存儲(chǔ)模塊等硬件模塊可協(xié)同工作，對(duì)系統(tǒng)的中央控制模塊進(jìn)行優(yōu)化，選擇微型控制芯片設(shè)定新的系統(tǒng)控制器。在對(duì)大量遙感相機(jī)的控制器進(jìn)行比對(duì)后，將控制器的相關(guān)設(shè)定如下：

（1）支持接收機(jī)器類(lèi)型：DSM2、DSMJ；

（2）工作電壓：3.5V；

（3）控制精度：0.1°；

（4）工作環(huán)境溫度：-20℃-50℃；

（5）尺寸大?。?00mm×150mm×10mm。

根據(jù)上述設(shè)定內(nèi)容，對(duì)中央控制器模塊的基本內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定，具體如圖2所示。

圖2 中央控制器基本結(jié)構(gòu)

由圖2可知：對(duì)中央控制模塊的基本內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定，并將其替換至原始中央控制器位置。以中央控制器為中心，將優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件進(jìn)行整合，得到新的系統(tǒng)硬件框架。

2.基于遙感圖像的大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 海岸線(xiàn)區(qū)域主輪廓獲取模塊

在獲取研究區(qū)域的遙感圖像后，使用GVF算法獲取海岸線(xiàn)區(qū)域主輪廓信息，得到海岸線(xiàn)區(qū)域主輪廓獲取方程組，如式（1）所示：

式（1）中，ωθ為計(jì)算過(guò)程中的實(shí)參數(shù)；inv為計(jì)算中的彈性系數(shù)；δ為圖像剛性能系數(shù)；Xi為文中系統(tǒng)提取海岸線(xiàn)的橫坐標(biāo)；Yi為文中系統(tǒng)提取海岸線(xiàn)的縱坐標(biāo)。通過(guò)上述計(jì)算，獲取海岸線(xiàn)區(qū)域主輪廓，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。

2.2 大區(qū)域海岸線(xiàn)提取模塊

在海岸線(xiàn)區(qū)域主輪廓獲取模塊設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)海岸線(xiàn)提取模塊展開(kāi)優(yōu)化。將遙感圖像中的RGB色彩空間轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)AB色彩空間，并對(duì)色彩空間中的顏色進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用K均值算法對(duì)彩色信息進(jìn)行聚類(lèi)，得到陸地空間與海洋空間兩部分。在上述計(jì)算過(guò)程完成后，使用Canny算子提取海岸線(xiàn)。由于提取的結(jié)果存在斷裂位置，需要對(duì)提取后結(jié)果進(jìn)行填充，并對(duì)填充后的結(jié)果的平均灰度值進(jìn)行計(jì)算。接下來(lái)，對(duì)海岸線(xiàn)提取結(jié)果進(jìn)行二值化處理，完成圖像之間的分割工作，并對(duì)其進(jìn)行填充，在此，對(duì)提取的海岸線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，保證其連續(xù)性與完整性。將上述模塊與硬件優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行融合處理。至此，基于遙感圖像的大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3.系統(tǒng)測(cè)試

在本研究中提出基于遙感圖像的大區(qū)域海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)，為證實(shí)此系統(tǒng)具有研究?jī)r(jià)值，構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)，從功能測(cè)試與非功能測(cè)試兩方面測(cè)定文中系統(tǒng)基礎(chǔ)性能。

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

本次系統(tǒng)測(cè)試采用功能測(cè)試與黑盒測(cè)試結(jié)合的方式，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中使用白盒測(cè)試的方式，對(duì)系統(tǒng)在運(yùn)行中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行考量，而后對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行單元測(cè)試，保證系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能符合設(shè)定要求。在全部模塊測(cè)定完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成測(cè)試，確保系統(tǒng)功能具有完整性。具體系統(tǒng)調(diào)試用例與調(diào)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)調(diào)試用例及調(diào)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

對(duì)上述系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，文中系統(tǒng)的硬件連接效果較好，系統(tǒng)的基本功能均可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能模塊可穩(wěn)定運(yùn)行。在后續(xù)系統(tǒng)測(cè)試中可對(duì)文中系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能展開(kāi)研究與分析，對(duì)系統(tǒng)的使用效果進(jìn)行判定。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試方案

為驗(yàn)證文中所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中使用遙感圖像對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前，將原始圖像的像素塊設(shè)定為32×32大小，原始測(cè)試圖像如圖3所示。

圖3 海岸線(xiàn)提取測(cè)試原始圖像

在系統(tǒng)性能測(cè)試中，將系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定為系統(tǒng)提取結(jié)果與外業(yè)手動(dòng)提取結(jié)果的相似度，具體內(nèi)容如式（2）所示：

式（2）中，xi為主輪廓橫坐標(biāo)；yi為主輪廓縱坐標(biāo)；xi為外業(yè)手動(dòng)提取海岸線(xiàn)的橫坐標(biāo)；yi為外業(yè)手動(dòng)提取海岸線(xiàn)的縱坐標(biāo)。本次測(cè)試中使用此指標(biāo)確定文中系統(tǒng)提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在系統(tǒng)測(cè)試前對(duì)海岸線(xiàn)進(jìn)行外業(yè)手動(dòng)提取，所得提取結(jié)果如圖4所示。

圖4 海岸線(xiàn)外業(yè)手動(dòng)提取結(jié)果

在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，選取具有代表性的基礎(chǔ)提取系統(tǒng)、雷達(dá)提取系統(tǒng)與文中系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析三種系統(tǒng)的優(yōu)劣。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上述系統(tǒng)測(cè)試方案，對(duì)海岸線(xiàn)提取測(cè)試原始圖像進(jìn)行提取，所得測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 大區(qū)域海岸線(xiàn)提取結(jié)果

由圖5可知：不同系統(tǒng)的海岸線(xiàn)提取結(jié)果差異性較大。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察可以看出，文中系統(tǒng)的海岸線(xiàn)提取結(jié)果相對(duì)細(xì)致，其他兩種系統(tǒng)的提取結(jié)果相對(duì)粗糙。為了更好分析不同系統(tǒng)的海岸線(xiàn)提取結(jié)果，對(duì)提取過(guò)程中的檢測(cè)率、處理時(shí)間及分辨率進(jìn)行分析，所得分析結(jié)果如表2所示。

表2 遙感圖像海岸線(xiàn)提取結(jié)果

對(duì)上表中內(nèi)容進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在三種系統(tǒng)的分辨率一致情況下，文中系統(tǒng)的圖像大小、檢測(cè)率及響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)均優(yōu)于其他兩種系統(tǒng)，由此判定文中系統(tǒng)的提取精度相對(duì)較高。使用式（2）對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果如下：

文中系統(tǒng)海岸線(xiàn)外業(yè)手動(dòng)提取結(jié)果最為接近，其他兩種方法的海岸線(xiàn)提取結(jié)果與海岸線(xiàn)外業(yè)手動(dòng)提取結(jié)果相差較大。通過(guò)此結(jié)果可以確定，文中系統(tǒng)的海岸線(xiàn)提取精度較高。對(duì)此次系統(tǒng)測(cè)試的全部結(jié)果進(jìn)行整理與分析，證實(shí)文中系統(tǒng)的功能性與性能均符合當(dāng)前海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在今后的研究中可使用其對(duì)大區(qū)域海岸線(xiàn)進(jìn)行提取。

4.結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前海岸線(xiàn)提取過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，本研究提出一種新型海岸線(xiàn)提取系統(tǒng)。其對(duì)原有系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行全方位優(yōu)化，并驗(yàn)證此系統(tǒng)的應(yīng)用效果。由于條件限制，此次系統(tǒng)測(cè)試樣本較少。在今后的研究中還需擴(kuò)大系統(tǒng)測(cè)試樣本量，以證實(shí)此系統(tǒng)的穩(wěn)定性。