基于Canny算子的南通江海岸線研究

蔣科迪，殷 勇，范開桂，張 凌

(1.南京大學地理與海洋科學學院海岸與海島開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210046;2.河海大學海洋學院，江蘇 南京 210098)

海岸帶環境獨特，是大氣圈、水圈、巖石圈相互作用活躍和敏感的地帶[1]，同時也是受人類活動影響較大的地帶。海岸線作為多年平均大潮高潮所形成的海水和陸地分界線的痕跡線[2-3],其時空變化對于研究海岸帶動力地貌演化和環境承載力指數有重要向導作用。因岸線具有瞬時性、動態變化性[4],因此，在實際應用中，常用平均高水邊線(MHWL)、瞬時高水邊線(IHWL)、低水邊線(LWL)、干濕分界線、植物界線、沖痕線、灘線來替代海岸線[5]。目前，國內外學者常基于沉積學、地貌學、環境考古學、歷史地理學、數值模擬、遙感解譯等方法研究海岸線變遷。近幾十年來，基于RS和GIS提取和分析可靠、有價值的目標地物信息，并結合現場實測數據監測海岸動態變化，研究長尺度岸線變遷已成為研究熱點。

當前，基于RS、Matlab等自動提取影像瞬時水邊線技術的研究較為深入。這些自動提取水邊線的方法包括閾值分割法(密度分割法)、邊緣檢測法、色差算子提取法(CDC法)、區域生長提取法、神經網絡分類法等。基于潮灘影像光譜特性,文獻[6]基于TM影像合適的閾值，區分了淤泥質海岸和混濁的海水，但該方法提取水邊線時受波段組合和所處位置坡度影響。文獻[7]提出了依據傳統閾值分割法改進的多閾值形態分割法，利用形態學算子處理沿海岸線孤立區域。文獻[8]使用改進的亞像元分解方法(ISPCW)，有效提取了上海長江入海口區域海岸瞬時水邊線。文獻[9]利用Sobel算子清晰檢測了不同時相SAR-TM融合影像海岸線。文獻[10]基于多源遙感影像數據(Landsat和ERS-2 SAR)，使用Laplace-Gauss算子、Robert算子和Sobel算子提取了長江口渾濁帶九段沙泥灘的瞬時水邊線，并指出Sobel算子提取精度優于Robert算子和Laplace-Gauss算子。文獻[11]利用小波變化法提取了加拿大比格里弗河口SAR影像瞬時水邊線。文獻[12]基于影像彩色信息，使用色差算子，兼顧邊緣定位精確性和抑噪性，有效提取了不同類型海岸水邊線信息。文獻[13]基于多期Landsat影像，使用神經網絡分類法，實現了對珠江口岸線長尺度的動態監測并定量分析了岸線變化的原因和珠江口陸地沖淤面積。以上大部分研究因未充分考慮潮汐等因素的影響，默認提取的瞬時水邊線為海岸線，因此存在較大誤差。對此，文獻[14]提出了潮位校正觀點，文獻[15]指出了潮位校正即水邊線至高潮線的水平距離的校正。

本文基于RS和Matlab平臺，使用改進的Canny算子提取多期遙感影像瞬時水邊線，并結合研究區海岸類型特點和呂四港多年潮汐數據矯正提取的瞬時水邊線，最終獲取南通市1972—2018年近50年江海岸線空間分布位置。

1 研究區概況

自晚更新世以來，蘇北平原受里斯-玉木間冰期、早玉木冰期、玉木亞間冰期、晚玉木冰期和冰后期交替影響，曾有過3次海進、2次海退[16-18]。全新世晚玉木冰期氣候轉暖，南黃海海平面上升至現代海平面水下30～40 m(10 kaBP)，蘇北岸外開始大規模發育古黃河—古長江三角洲。文獻[16]認為弶港即為長江遺棄古河口，全新世冰后期，長江口不斷南移，奠定了蘇北平原南部現代南通地貌的基礎。1885年黃河北歸，南通海岸和沿岸水下沙洲重新調整，形成了現代南通江海岸線格局。20世紀50年代以來，受復雜自然因素和強烈人類經濟活動的雙重影響，研究區江海岸線變遷更為頻繁。南通外沿海岸線北起新閘港，向東南延伸至連興港，全長約198.7 km[19]，屬粉砂淤泥質海岸。其中，新港閘—東灶港段為淤長岸段，東灶港—蒿枝港岸段侵蝕嚴重(大洋港兩側岸段侵蝕最為劇烈)，蒿枝港—連興港岸段相對穩定略有淤長；江岸線從啟東咀向西延伸至靖江焦港，全長約165 km，屬河口岸段，沿江岸段上覆蓋大量松散第四紀沉積物。研究區沿岸灘涂資源豐富，潮上帶灘涂面積約39.667 km2，潮間帶灘涂面積約1342 km2，有“黃金海岸”美稱[20]。

2 數據來源

2.1 遙感影像數據

多時相MSS、TM、OLI系列影像數據(見表1)下載自美國USGS官網，其中MSS影像空間分辨率為80 m，TM與OLI影像空間分辨率為30 m(OLI Band 8全色波段影像為15 m)。

表1 Landsat衛星系列數據

2.2 潮汐數據

研究收集了呂四港近5年來潮汐數據(歷史潮位數據主要通過潮汐調和分析進行推算獲得)。其中，2011年至今的潮位數據采集方式為固定時長的連續采集方式，每隔5 min采集一次，每次采集時長為3 s。

3 瞬時水邊線提取

3.1 圖像預處理

南通市整體涉及3景影像(119-37、119-38、118-38)，需先鑲嵌拼合圖像、羽化邊緣并按經緯度坐標分幅裁剪。為提高后期Canny算子檢測精度，本文使用ENVI 5.2中FLAASH大氣校正模型實現大氣校正，提高影像質量。圖像幾何精校正結合1∶50 000地形數據，均勻選取30個地面控制點(GCP)，使用二次多項式糾正模型，利用雙線性內插法配準遙感影像圖，校正遙感器的位置及姿態的測量精度誤差，使重采樣后4期影像總體誤差在1個像元之內。

3.2 圖像增強

大氣校正后的4期影像清晰度大幅提升，但仍存在些許椒鹽噪聲和斑點。在此，本文選用中值濾波(濾波核為3×3)平滑圖像。

3.3 圖像分割

目前，基于灰度特征和紋理特征均可以實現圖像分割(如圖1所示)，常用Hough變換、Otsu2D、Gabor濾波器、分裂合并法分割圖像。本文使用計算簡單、分類效果較好的Otsu2D自動閾值法分割圖像[21]。按二維矢量描述像素，一幅灰度圖像可表示為

FM×N=[f1(x,y),f2(x,y)]M×N

式中，M×N表示圖像大小；f1(x,y)∈GL=(0，1，2，…，L-1)表示(x，y)處灰度值；f2(x,y)∈GL=(0，1，2，…，L-1)表示(x，y)鄰域處灰度值。像素灰度級為i、鄰域灰度均值為j的聯合概率密度為

pij=p(f1=i,f2=j)=Nij/M×N

式中，Nij為矢量(i，j)出現的頻數。本文假設閾值(s，t)，則

式中，ωb為背景目標概率；ωo為目標類目標概率。兩類對應的均值矢量為

則最佳閾值矢量為

3.4 Canny算子瞬時水邊線提取

John F Canny于1986年提出了多級邊緣檢測算子(Canny算子)[22]，此后該算子被廣泛應用。但傳統Canny算子在實際檢測中受局部噪聲干擾且會檢測出虛假邊緣，因此許多學者基于傳統的Canny算子和實際檢測圖像作了相應的改進[23-25]。針對直接使用Canny算子檢測的不足，本文在檢測圖像邊緣前，綜合利用ENVI 5.2和Matlab 2016b工具實現圖像增強、圖像分割(如圖1所示)。對比Sobel算子(如圖2所示)和傳統Canny算子(如圖3所示)邊緣檢測圖像，改進后的Canny算子(如圖4所示)定位更精確、單邊緣響應性更好、信噪比更高。

4 潮位校正

研究區外沿海岸線以粉砂淤泥質海岸和人工海岸為主，結合目視解譯標志，利用改進后的Canny算子提取的人工海岸瞬時水邊線與實際岸線基本一致，但研究區部分潮灘受漲落潮和地形起伏因素影響(尤其是新港閘—東灶港段岸段)，提取的瞬時水邊線與實際岸線相差較大，因此需對其進行潮位校正，獲取較為精確的岸線空間位置。針對坡度較緩、潮灘面積寬廣粉砂淤泥質海岸和河口沖淤岸段，文獻[15，26—27]提出了岸線提取潮位校正算法和模型。結合前人研究成果，本文使用平均低潮線法完成淤積岸段的潮位校正。

4.1 確定潮位值

本文收集了近5年南通呂四港驗潮站潮位數據，歷史潮位數據主要通過潮汐調和分析推算獲得。4期影像衛星過境具體時間分別為1973年11月15日1時56分9.50秒、1988年7月7日1時55分40.612秒、2003年8月2日2時1分44.91秒和2018年5月23日2時23分55.29秒。近年來(2011年至今)潮位數據以固定時長連續采集(每隔5 min采集1次潮位數據，每次采集時長為3 s)，因此，本文使用線性內插法獲取任意時刻的潮位站潮高信息(尤其是Landsat衛星過境時刻的潮位信息)。

4.2 推算歷史潮位

基于驗潮站數據，研究使用文獻[28]提供的T_Tide程序完成調和分析。推算歷史時期潮位高度，以期獲取4期影像成像時的潮位值。T_Tide模型將次要分潮從主要分潮中分離，并對保留的分潮作顯著性檢驗[29]。因此，即使在潮位數據缺乏時，依然可以獲得較為準確的潮汐調和常數，最終推算出潮位站點4個時相的平均大潮低潮位(如圖5所示)。

4.3 平均低潮線法校正

具體方法為：①計算潮灘坡度θ。選取兩條不同時相的相鄰水邊線(C1和C2)，確定其高差Δh和水平距離ΔL，則θ=arctan(Δh/ΔL)。②計算平均低潮線(C)。查取對應岸段平均低潮位，計算其與瞬時水邊線C1(或瞬時水邊線C2)的水位高差H，則瞬時水邊線C1外推平距L=H/tanθ,將瞬時水邊線C1校正后得到的平均低潮線C視為海岸線(如圖6所示)。潮位校正后，即可獲取研究區空間位置相對精確的4期外沿海岸線和江岸線(如圖7所示)。

4.4 海岸線提取

經潮位校正后，本文使用ArcGIS提取了南通市近45年來4期(1973年、1988年、2003年、2018年)江海岸線(如圖7所示)。

5 分析與討論

本文選取一條抵近1973岸線的平直剖面線為基線，以約1 km為單位垂直于基線均勻繪制200條斷面線，量測并計算近45年來南通岸線向海(江)推進距離。依據岸段蝕淤變化特征，將沿岸線和沿江岸線分為新港閘—東灶港、東灶港—蒿枝港、蒿枝港—連興港、連興港—圩角港、圩角港—營船港、營船港—九圩港、九圩港—焦港7個岸段，具體如下：

(1)新港閘—東灶港：岸線長約120 km，為淤積岸段。歷史資料顯示，1954—1980年新港閘附近高潮線向海推進1.6 km，1980—1984年環港斷面年均淤長65 m/a[19]。斷面統計結果顯示：近45年來，較其余6個岸段，新港閘—東灶港岸段淤漲最快，尤其是小洋口—栟茶運河兩側岸段，其最大向海推進距離為2.9 km，約64 m/a。近30年來，在自然驅動力和人為驅動力雙重作用下，環港—挖港岸段、凌港村—華新村岸段向海推進速率也較快，前者約30～50 m/a，后者約45 m/a。

(2)東灶港—蒿枝港：岸線全長約35 km，為侵蝕岸段。文獻[19]對比歷史地形資料，指出該岸段在1916—1969年53年中高灘平均后退1000 m，1955—1969年全線沖刷后退，蝕退幅度 140～150 m。斷面統計結果顯示：近45年來岸段蝕淤變化與1916—1969年大體類似，但略有不同。20世紀70年代以來對東灶港—蒿枝港岸段實施了海堤加固等工程，1973—1988年間大部分岸段仍然不斷蝕退，但近30年來隨著大規模的圍填海工程和海岸海洋開發，袁家大場—蒿枝港外海岸段開始逐年向海推進，充分體現出人類經濟活動在其中扮演的重要作用。

(3)蒿枝港—連興港：該岸段全長約45 km，為小幅淤長岸段。20世紀60年代以前蒿枝港—連興港岸段受較強的沖刷侵蝕作用，70年代以來隨著大米草的引種和海岸圍墾，蝕退岸段開始緩慢向海推進。近15年來啟東圓陀角東側外沿海岸的開發，使得該處海岸線迅速向海推進(約1.2 km，平均80 m/a)。該岸段近45年來的岸線變遷體現出后期人類改造活動和經濟活動中起到的重要作用。

(4)連興港—圩角港：該岸段處于長江河口北支分叉區。已有研究顯示，1916—1970年間共坍蝕土地約217 km2；1955—1980年除局部岸段基本穩定外，幾乎全線沖刷后退[19]。研究顯示，隨著人工護岸和沿江開發，近45年來連興港—圩角港岸段大部分穩定并略有淤長，部分岸段有蝕退風險，其中以青龍港、靈甸港、三條港附近蝕退最為嚴重。

(5)圩角港—營船港：該岸段岸線變遷頻繁。歷史資料顯示[30]，1940—1954年間，約38 km2土地被沖刷坍沒入江；1955年后長江水動力條件發生改變，江岸由蝕變淤，迅速向南推進(至1969年南移了6～7 km)；1969—1980年該岸段侵蝕作用加劇，岸線迅速后退[19]。本文研究發現，由于自然動力條件和人類改造活動的動態平衡，該岸段近45年來基本穩定，未見明顯蝕淤變化。總體而言，營船港附近岸線向南推進距離較大，最大推進距離約550 m。此外，可見圩角港西南側江心沙向南淤長，其中，以江心沙西南角和東南角淤長最為明顯。

(6)營船港—九圩港：該岸段受強烈侵蝕作用，有不斷蝕退的風險。其中，通呂運河口—龍爪巖附近沖刷侵蝕作用最為劇烈。近30年來，因為人為筑堤建壩、護岸保灘工程，侵蝕風險得到了有效管控。

(7)九圩港—焦港。近45年來除極少數岸段(九圩港附近)侵蝕后退外，其余岸段基本保持穩定，部分岸段因為沿江開發利用，向海推進200～250 m。

6 結 語

對于某一地區較長尺度岸線變遷的研究(30～50年)，本文基于Matlab、ENVI和ArcMap平臺，使用改進的Canny算子實現了對瞬時水邊線的提取；而后基于海岸坡度相似假設和潮汐預報，使用平均低潮線法實現潮位校正并最終獲取了空間位置較為精確的岸線。本文提取了南通市近45年間4期江海岸線，依據岸線蝕淤變化特征，將外沿海岸線和江岸線劃分為7個岸段，并結合歷史資料，研究了南通市較長尺度岸線演變特性。

(1)近45年來，新港閘—東灶港全線為沖淤岸段；東灶港—蒿枝港受強烈的沖刷侵蝕作用；蒿枝港—連興港為淤長岸段；連興港—圩角港大部分岸段相對穩定并略有淤長；圩角港—營船港在20世紀70年代以前蝕淤變化頻繁，70年代以后相對穩定，未見明顯蝕淤變化；營船港—九圩港受強烈侵蝕作用，部分岸段顯示長期蝕退趨勢；九圩港—焦港除極少數岸段(九圩港附近)侵蝕后退外，其余岸段基本保持穩定。

(2)近45年來南通市外沿海岸線變化受自然驅動力和人為驅動力雙重影響，其中人為驅動力控制作用大于自然驅動力且其控制力逐期增強。如沖刷侵蝕作用強烈的東灶港—蒿枝港部分岸段(袁家大場—蒿枝港外海岸段)，近30年來仍強勢表現出向海推進趨勢；近15年來啟東圓陀角東側外沿海岸的開發，使得該處海岸線迅速向海推進約1.2 km，平均80 m/a。

(3)隨著廢黃河口泥沙向南輸運量的減弱，弶港以南岸段沖淤作用未來有減弱趨勢，因此對南通外沿海岸開發利用和岸線整治需作相應調整；此外，沿江岸段中青龍港、靈甸港、三條港等附近岸線蝕退依然嚴重，需強化對這些岸段的防護整治。