基于ZY-3影像潮水溝槽線的提取

周虹宏，丁賢榮，葛小平，康彥彥

（1.河海大學 水文與水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港航口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

基于ZY-3影像潮水溝槽線的提取

周虹宏1，丁賢榮1，葛小平1，康彥彥2

（1.河海大學 水文與水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港航口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

潮水溝槽線是潮灘重要的地貌特征線，對潮水溝槽線的研究可以了解潮灘微地貌形態的特征以及潮溝的擺動規律。基于2012-11-06獲取的“資源三號”（以下簡稱ZY-3）衛星高分辨率遙感影像，以條子泥實驗區為例，選取近紅外為特征波段，采用ArcScan對該區域二值化灰度圖進行潮水溝中軸線的提取，代替理論上的溝槽線，同時結合條子泥地區的地形進行分析，最終實現對潮水溝槽線的提取，為深入研究潮灘微地貌提供科學依據。

ZY-3；潮水溝；ArcScan；溝槽線提取

1 數據源及研究區域

條子泥沙洲是輻射沙脊群中距岸最近、面積最大的近岸沙洲。本區地處兩大潮波的交匯處，水文狀況復雜，各種大小潮溝極為發育。潮水溝槽線作為潮水溝重要的特征線，反映潮水溝的剖面形態特征，是研究潮灘微地貌以及地形沖淤變化的基礎。本文選取條子泥區域一塊實驗區進行遙感分析。選用ZY-3衛星影像數據，獲取時間為2012-11-06，如圖1所示。ZY-3衛星影像包括藍、綠、紅和近紅外波段4個波段，其光譜范圍分別為0．45 ～0．52 μm，0．52 ～0．59 μm，0．63 ～0．69 μm，0．77 ～0．89 μm。空間分辨率為5．8 m。

圖1 條子泥研究區地理位置

2 研究方法

本文選取一塊條子泥實驗區，根據ZY-3衛星高光譜影像本身的特點，主要選用近紅外波段作為特征波段。由于水體幾乎吸收了全部近紅外波段的入射能量，導致水體在近紅外波段的反射能量很少[1]，而潮水溝在近紅外波段內具有較高的反射特性，這使得潮水溝基本形態在近紅外波段上特征突出。利用近紅外波段進行目標物的提取[2]，通過ArcScan工具實現對條子泥實驗區潮水溝槽線的初步提取。如圖2所示。

圖2 技術流程圖

2.1 數據處理

2.1.1 圖像增強處理

圖像增強主要包括平滑、銳化和紋理特征分析3個方面。首先對遙感圖像進行平滑，平滑后的圖像在去掉噪音的同時也造成了圖像模糊。為了突出邊緣細節，需要進行圖像銳化處理，提高圖像上的邊緣與線性目標的反差[3]，突出潮水溝的目標物特征。最后進行紋理特征分析，反映在圖像上就是對紋理的粗細、走向等特征的描述[4]。圖3為紋理特征分析輸出的圖像，從圖上可以看出潮水溝紋理的基本形態特征。

圖3 紋理特征分析輸出圖像

2.1.2 數學形態學濾波

數學形態學濾波實質是一種二維卷積運算，其基本思想是用具有一定形態的結構元素去度量和提取圖像中的對應形狀以達到對圖像分析和識別的目的[5]。數學形態學的基本運算有腐蝕、膨脹、開運算和閉運算。本文首先對預處理后圖像進行膨脹運算，以填補紋理特征提取的斷裂部分，使潮水溝的紋理變得閉合而連續。

膨脹運算需要進行2次，這使得圖像中某些像元連在一起，致使圖像存在許多小空洞和縫隙。針對這種現象，需要對圖像進行閉運算。不僅使輪廓變得光滑，同時也可以消除狹窄的間斷、長細的鴻溝以及小的孔洞，填補輪廓線的斷裂[6]。

2.2 閾值分割

通過設定不同的特征閾值，把圖像像素點分為若干類[7]。先選擇一個閾值，然后進行波段運算，如果圖像中像素的灰度值小于該閾值，則將該像素的灰度值設置為0，否則將灰度值設置為255[8]。

要選取不同的閾值進行反復操作，通過輸入不同的DN值進行波段計算，選擇出最佳閾值。經過反復實驗，該研究區域最佳閾值為200，通過波段運算得到二值化圖，然后調用柵格轉矢量工具，將目標圖層從背景中分離出來。圖4為通過閾值分割后輸出的二值化圖像。

2.3 ArcScan的工作步驟

本操作主要在ArcGIS 9．3 中進行。首先將閾值分割后的矢量圖層要素提取出來并建立面狀矢量格式的文件，打開ArcCatalog在相應的文件中新建一線狀矢量文件。先將閾值分割后的矢量圖層在工具欄中轉換成柵格數據的文件；然后根據重分類功能將柵格圖像設置為二值化圖像；最后點擊ArcScan工具欄中的VectorizationGenerate Features 按鈕執行掃描得到所需要的線性文件[9]。將得到的新圖層與條子泥實驗區進行對比分析，如果與實驗區潮水溝的形態一致，就輸出結果；否則，重新選取閾值進行運算。由于得到的新線性圖層屬性信息不僅包括原線性數據，還包括新生成中軸線的屬性數據，因此運用屬性篩選工具對新的線性圖層進行篩選，最終得到中軸線，如圖5。

圖4 閾值分割后的圖像

圖5 使用ArcScan工具提取的中軸線

3 結果分析

將提取出來的中軸線，與高分辨率的條子泥實驗區相對照，結合提取結果與目視解譯，對提取結果進行手動修改。由于提取的中軸線的外邊界與條子泥實驗區的水邊線有一定的偏差，將修改好的線圖層與該區域水邊線的線圖層進行疊加，使用clip 工具進行裁剪。將提取的溝槽線與條子泥實驗區相比較，綜合考慮地形地貌的因素，并使用條子泥二分水線進行對照分析，最終實現對潮水溝槽線的提取，如圖6。

圖6 潮水溝槽線的提取

利用ArcScan對二值化灰度圖提取潮水溝槽線的過程出現一些問題。首先，在特征波段的選取上，由于條子泥實驗區各個波段的DN值、方差相差不大，只能采用各個單波段的目視解譯，可能會造成誤差。其次，從圖5可以看出，提取的中軸線有很多斷線、打圈等情況。出現這種情況有2個原因：①由于圖像進行2次膨脹的強度過大，使得與周圍區域連在一起。②閾值選擇小，將周圍圖像像素都提取出來，也會影響提取結果。但是提取的潮溝形態基本上和遙感圖像中的潮溝形態相吻合，這說明利用ArcScan對二值化灰度圖進行潮水溝槽線的信息提取是可行的。該方法適用于高分辨率的遙感影像，對于分辨率比較低的影像，提取效果不是很好。

4 結 語

ZY-3衛星高分辨率遙感影像為提取潮溝溝槽線提供了豐富的波段光譜信息，通過數據處理、閾值分割等方法獲取二值化灰度圖。結合利用ArcScan，進一步將潮水溝槽線信息提取出來。本文提出的基于ZY-3影像提取潮水溝槽線的方法可用于探索江蘇岸外潮灘上潮水溝的遷移和擺動規律，同時也能為研究潮灘微地貌的穩定性以及動力地貌演變提供依據。

[1] 都金康, 黃永勝, 馮學智, 等． SPOT衛星影像的水體提取方法及分類研究[J]． 遙感學報, 2001, 5(3): 214-219

[2] 李霖, 羅恒, 唐新明, 等． 資源三號衛星多光譜圖像特征分析和質量評價[J]． 國土資源遙感, 2014, 26(1): 17-24

[3] 李素昉, 李金屏, 吳波, 等． 基于紋理分析的圖像形貌特征提取[J]． 濟南大學學報：自然科學版, 2004, 18(3): 217-221

[4] 楊淑瑩, 胡軍, 曹作良． 基于圖像紋理分析的目標物體識別方法[J]． 天津理工學院學報, 2001, 17(4): 31-33

[5] 楊琨, 曾立波, 王殿成． 數學形態學腐蝕膨脹運算的快速算法[J]． 計算機工程與應用, 2005(34): 54-56

[6] 蔡紅玥, 姚國清． 基于分水嶺算法的高分遙感圖像道路提取優化方法[J]． 國土資源遙感,2013, 25(3): 25-29

[7] 陰國富, 基于閾值法的圖像分割技術[J]． 現代電子技術, 2007(23):107-108

[8] 郭臻, 陳遠知． 圖像閾值分割算法研究[J]． 中國傳媒大學學報：自然科學版, 2008, 15(2): 77-82

[9] 魏士春, 張紅日, 蘇奮振, 等． 基于ArcGIS的面狀要素中軸線提取方法研究[J]． 地理空間信息, 2007, 5(2): 45-47

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0107-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.039

周虹宏，碩士，主要研究方向為潮灘微地貌的演變。

2014-05-16。

項目來源：國家海洋公益性行業科研專項資助項目（201005006-3）；江蘇省自然科學基金資助項目(BK2012414)。