灘涂濕地的海岸線提取技術研究

史晟愷

（上海市測繪院，上海200129）

1 引言

1.1 傳統采集方式的劣勢

傳統海岸線數據采集的方式是去野外進行現場測繪，通過運用全站儀、RTK 或三維激光掃描等手段，測量海岸線的特征點，根據測量的坐標，相連成線作為海岸線。實測點的疏密以及連線的準確度勢必會影響到海岸線的精確度。此外，現場實地勘探還需要耗費大量的外業時間，投入的人時成本巨大，效率相對低下，不利于大面積地區測繪工作的開展。海岸帶周邊環境不穩定以及突發情況頻繁，由人工去實地進行長期監測顯然不切實際。由于遙感觀測具有大范圍、準同步、多時相、高精度的特點，可以避免人工外業測繪時出現的各種不可抗因素，而且耗材成本低，帶來的社會效益高，符合人工智能的發展潮流。這項技術在未來勢必會廣泛應用于海岸線的提取研究中。

1.2 學術現狀

近年來，國內外學者針對遙感影像邊界的提取技術進行了大量研究，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的提取方法，利用海岸線的空間關系，將海岸線的提取等同于水陸邊緣檢測。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，對影像中水和陸的區域進行分割分類，以水陸分割線作為海岸線。傳統的邊緣檢測方法為微分算子法，比較常用的經典圖像邊緣檢測算子有Roberts 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子、Canny 算子等[1]。

2 數據

2.1 數據來源

本文所用的遙感影像數據均來自于Landsat 系列的TM和ETM+數據，共5 個時相的衛星影像。陸地衛星在該地區上空的過境時間比較接近，所處的地區天氣情況類似。又因研究期間無法得知現場實時的潮汐變化情況，故本文僅討論從遙感影像中解譯瞬時水邊線的變化，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 預處理流程

本文影像預處理流程如下圖所示。

圖1 ETM+影像預處理流程

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，不可避免地會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，從而導致傳感器輻射率測量值與地物實際的光譜輻射率的不一致，即產生輻射畸變。這些影響因素還會隨時間推移而不斷變化。除了地物的變化會引起圖像的輻射值產生變化之外，不變的地物在不同時相影像中的輻射值也有所不同，因而在本實驗中，利用多時相遙感影像的光譜信息來檢測地物的變化，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，即進行輻射校正。

輻射校正是為了縮小在光學遙感數據獲取過程中產生的一切與輻射有關的誤差，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，包括輻射定標和大氣校正。輻射定標就是將記錄的原始數值轉換為大氣外層表面反射率，目的是消除傳感器本身產生的誤差。而大氣校正就是將輻射亮度或者表現反射率轉換為地表實際反射率，目的是消除大氣和光照等引起的誤差。一般衛星地面站提供的影像數據均輻射校正完畢[2]。

2.2.2 幾何校正

衛星在運行的過程中，由于衛星姿態、地球曲率、地形起伏、地球自轉、大氣折射，以及傳感器自身性能等原因，會引起遙感影像的幾何變形，導致遙感影像成圖時，圖像本身的幾何形狀與其對應的地物形狀產生不一致的情況。所以在應用衛星影像進行水邊線提取之前，必須經過幾何校正。本次研究選擇已經經過幾何校正的遙感影像作為初始基準圖，通過從兩幅圖像上選取特征明顯的同名點，對影像進行校準。

3 研究方法

3.1 基本原理

本次研究利用圖像邊緣檢測算子中的Roberts 算子、Sobel算子、Prewitt 算子、Canny 算子提取圖像邊緣。將其中部分結果與人工測繪成果作對比，對自動提取的結果進行校驗，并評價各種方法的優劣。

3.2 結果分析

邊緣檢測算子的提取結果如下圖所示，（a）（b）（c）（d）分別為Canny 算子、Sobel 算子、Roberts 算子、Prewitt 算子的提取結果。水邊線的提取應盡量使圖像中的海岸線保持一個像元的寬度。Roberts 算子提取的邊界是邊緣的條邊，即一個像元的寬度，會導致邊緣出現不連續的情況；Sobel 算子雖然提取了邊緣的雙邊，即兩個像元的寬度，但不是基于圖像灰度進行處理的，沒有模擬出人的視覺生理特征，所以提取到的邊緣結果不能令人滿意；Prewitt 算子雖然保持了兩個像元的寬度，且在計算上比Sobel 算子更簡單，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海岸線。相比之下，Canny 算子雖然出現部分斷點的情況，但它的提取效果好，定位精度較高，邊緣線的完整性和連續性較好。

4 結論

雖然圖像上海岸線自動提取的完整性和連續性有部分缺失，但研究結果與實際情況總體相符。待精細化處理技術更加完善后，此現象會逐漸消除。本次研究所示的方法基本可行。