海岸线提取技术研究

第 29卷第 6期 2009年 11月 海 　洋 　测 　绘 H YD RO GRA PH IC SU RV EY IN G AND CHA RT IN G V ol129, N o16 N ov. , 2009 收稿日期 : 2009205220; 修回日期 : 2009207220 作者简介 : 申家双 (19682) ,男 ,河南新乡人 ,高级师 ,博士研究生 ,主要从事海洋测量和海洋遥感技术研究。 海岸线提取技术研究 申家双 1, 2 ,翟京生 2 ,郭海涛 1 (11解放军信息工程大学 测绘学院 ,河南 郑州 　450052; 21海军海洋测绘研究所 ,天津 　300061) 　　摘要 : 海岸线位置的确定是海岸带和海岛礁测绘的重要内容。快速而准确地监测海岸线的动态变化对于海域 的使用管理具有十分重要的意义。遥感技术具有快速、动态、大范围、宏观等突出优势。重点介绍了基本遥感影像 提取瞬时水边线 ,通过潮位校正进而提取海岸线的研究进展 ,提出了基于潮间带 DEM和潮汐模型的海岸线提取方 法 ,了各种提取方法的优缺点 ,并就其存在的不足展望了今后的研究方向。 关键词 : 海洋测量 ;海岸线 ;水边线 ;潮间带 ;遥感 ;潮汐模型 中图分类号 : P237　　　文献标识码 : B　　　文章编号 : 167123044 (2009) 0620074204 1　引 　言 海岸线是多年平均大潮高潮所形成的海水和陆 地分界的痕迹线 ,是划分海洋与陆地行政管理区域 的基准线 ,是确定领海内水和陆地的分界线 ,也是区 分海洋深度基准和陆地高程基准的分界线。由于海 岸带受海水动力作用 (包括潮汐潮流等 )、地球构 造、地貌演变、地质气象灾害、气候变暖导致的海平 面上升等自然条件的变化及人类围垦、填海造地、海 洋工程等人类活动的影响 ,海岸线将发生向海淤进、 向陆蚀退等空间位置的变迁以及海岸类型、走向和 长度的变化 [ 1 ]。快速准确测定海岸线位置和性质 的动态变化是人们研究海陆相互作用、沿海围垦、港 口开发、城镇扩建等必须进行的一项技术活动 [ 1 ] , 是规避海域管理冲突的信息基础 ,也是地形图测绘、 海道测量、海岸带调查等的重要内容。 传统海岸线测绘采用现场探测方式 ,目前较常 用的方法是摄影测量技术 ,此外 GPS技术也被用于 大比例尺岸线测绘 ,陆上车载测绘技术配合 GPS可 机动快速进行海岸线测绘工作 ,但这些方法耗时费 力、效率低、工作周期长 ,难以快速反映海岸线的动 态变化。遥感以其全天候、大范围、同步观测获取不 同尺度时空信息等特点 ,不受地表、海况、天气、地理 环境等条件限制 ,在海岸带资源调查、动态监测、环 境保护等方面表现出较大的优势 ,为检测海岸线的 动态变化提供一种方便和重要的方法 [ 2 ]。目前基 于遥感影像的岸线提取技术已有多人进行了研究 , 并提出许多提取算法 ,各有其优缺点。但由于遥感 摄取的影像 (数据 )一般为瞬时水涯线 (即水边线 ) , 并非海岸线 (大潮高潮线的影像 ) ,因此必须将水边 线通过潮位信息校正至大潮高潮面的水陆分界线才 是真正的海岸线。本文介绍了传统的海岸线探测方 法 ,以及近年来利用多时相遥感影像提取水边线的 各种方法 ,探讨了基于潮位校正遥感影像提取海岸 线技术 ,期望对海岸线自动提取技术的深入研究有 所借鉴和帮助。 2　海岸线现场探测技术 传统的海岸线探测手段通常采用实地测量法和 摄影测量方法。实地测量法一般采用光学测量仪器 (经纬仪、全站仪等 )在高潮潮位线附近每隔一定距 离采集海岸线特征点 ,标划在数字地形图上并连接 成线得到海岸线。GPS定位测量的全天候、高精度、 动态、实时等特点 ,使得海岸线特征点的采集工作变 得快捷方便 ,但仍需人工携带 GPS移动站到现场定 位。周立等 [ 3 ]分析了海岸线测量的特点 ,提出了集 成 GMS无线电数据链 ,利用摩托车携带 DGPS进行 海岸线快速实时动态测量新方法和技术体系。摄影 测量方法是利用摄影像片人工调绘海岸线 ,与实地 测量法一样需要在野外采集海岸线特征点 ,而且要 求影像清晰、细节突出 ,对影像缺乏明显高潮潮位线 特征时 ,判读往往难以进行。现场探测海岸线虽然 详实准确 ,但必须做大量的野外工作 ,不易于大面积 探测和应用推广。 3　遥感影像水边线提取技术 从遥感影像上获得的海岸线一般是某一时刻海 水与陆地的瞬时交界线 (也称水边线 ) ,受潮汐等因 第 6期 申家双 ,等 　海岸线提取技术研究 素的影响 ,岸线在不断变化。航空摄影或卫星过境 时水边线正好位于平均大潮高潮线的影像难以获 取 ,大部分海岸线自动提取算法研究的都是如何利 用数字图像处理技术提取瞬时水边线 ,因此所提取 的水边线不能直接作为海岸线。但是 ,作为海岸线 自动提取的必要步骤 ,水边线提取算法的研究还是 必不可少的 [ 4 ]。目前用于海岸线提取的数据源主 要有 LandSat、SPOT和 SAR影像 ,部分航空影像和 QuickB ird、IKONOS等高分辨率的卫星影像也开始用 于海岸线提取 [ 2 ]。受海岸线海陆边界特征的影响 ,提 取海岸线特征实质上是一个图像分割的过程 ,方法较 多 ,除目视解译和多光谱分类外 ,目前国内外学者利 用阈值分割法 (又称密度分割法 )、边缘检测法 (常用 的检测算子有 Lap lace2Gauss, Roberts, Prewitt, Soble 和 Canny等 )、主动轮廓模型法、区域生长提取法、数 学形态学法、神经网络分类等方法对水边线自动提取 进行了有益的探索 ,取得了多项研究成果。 在遥感图像水边线信息提取的发展过程中 ,除 上述方法外 ,还有很多方法 ,如面向对象的方法 ,它 是将影像对象作为影像分析的基本单元 ,以自然对 象为出发点 ,根据对象的几何特征、光谱特征以及影 像对象间的语义关系将图像分割成为一个个在光 谱、纹理和空间组合关系等特征单元。由于引入了 影像对象间的语义关系 ,因此可以利用专家知识来 指导影像分析 [ 2 ]。马尔科夫场模型法将影像空间 中地物的分布看作是一个离散随机过程 ,它利用单 个像素及其最近邻域的局部交互来获得复杂的全局 行为。在水边线检测时 ,它首先利用第一个马尔科 夫场以低分辨率将图像分为海、陆、低海浪地带、海 滩等几类 ,得到水边线的粗边界 ,然后再用第二个马 尔科夫场以高分辨率对边界进行精确定位 ,得到准 确的边界 [ 2 ]。 4　海岸线的提取 411　基于潮位校正的海岸线提取技术 当遥感影像比例尺较小 ,空间分辨率较低时 ,在 海岸是陡峭的岩石岸等类型的海岸地段 ,干出滩垂 直海岸线的宽度低于影像的空间分辨率时 ,海岸线 的位置可以用水边线的位置替代 ,此时海岸线的提 取即是水边线的提取 [ 5 ]。当干出滩的宽度大于影 像分辨率时 ,干出滩与陆地在影像上有明显的差别 , 可以利用遥感影像结合潮位校正方法提取海岸线。 通常泥沙质岸的地形一般起伏小 ,坡度较缓 ,很 小的潮差就会导致水边线相差甚远。因此 ,利用遥 感影像提取海岸线时 ,必须考虑潮位的影响 ,对水边 线进行潮位校正。潮位校正一般根据成像时刻的潮 位高度、平均大潮高潮位的潮水高度以及海岸坡度 等信息 ,计算出水边线至高潮线的水平距离 ,从而确 定海岸线的位置。其原理见图 1。 图 1　海岸线位置计算原理 首先提取两幅航空摄影像片 (或两景卫星图 像 )的水边线 ,分别设为 C1 , C2 ,量出图像上两水边 线的距离 ,设为ΔL,同时确定两幅图像中摄影时刻 的潮位高度 ,分别设为 h1 , h2 (假设 h2 > h1 ) ,则有 : 岸滩的坡度为 : θ = arc tan [ ( h2 - h1 ) /ΔL ] (1) 　　然后确定平均大潮高潮位的潮水高度 H (根据 多年潮位观测资料得到 ) ,计算出对水边线 (以 C2为 例 )至海岸线的距离 (校正距离 )为 : L = (H - h2 ) / tanθ (2) 　　最后沿海岸线的走向提取多幅遥感影像不同时 刻的水边线 ,利用地形坡度距离校正的方法可获取 大范围的海岸线。对不同影像不同潮汐资料提取不 同地区的海岸线应充分考虑海岸线之间的拼接。文 献 [ 6 ]使用三个年代阶段的 TM图像对黄河三角洲 地区海岸线的变化进行动态分析 ,并考虑了季节和 卫星过顶时潮位的影响 ,根据图像中水边线的位置 和潮位高度计算出海岸的坡度 ,再根据平均大潮高 潮的潮位对某一潮位时图像的水边线进行校正得出 海岸线位置 ,进一步提高了结果的精确度。文献 [ 7 ]利用已有的潮位数据进行线性拟合 ,得出潮位 与时间的线性关系方程 ,从而精确计算出卫星过境 瞬间的潮位高度。根据上述海岸线位置校正的原 理 ,将提取得到的水边线向陆地方向移动距离 L 即 得到真正意义上的海岸线位置。 通过潮位校正提取海岸线需有详尽的潮位观测 资料 ,是基于地形起伏可以忽略不计的假设 ;因此 , 不适用于地形起伏较大的海域。瞬时水边线潮高的 精确度及影像的空间分辨率对提取结果也有较大 影响 [ 8 ]。 412　基于潮间带 DEM 和潮汐模型的海岸线提取 技术 57 海 　洋 　测 　绘 第 29卷 潮间带通常指平均大潮高潮面 (海岸线 )和理 论最低潮面 (海图理论深度基准面 )之间的潮侵地 带 ,也称干出滩和潮滩 ,是地形测量的困难地区。基 于潮间带 DEM和潮汐模型提取海岸线的基本思路 是 ,首先假定摄影时刻在一定范围内 ,水边线不受潮 位影响 ,水边线的位置可以认为是干出滩上高程一 致点连接而成的等高线 (也称等水位线 )。在上述 假设条件下 ,利用多时相的遥感影像提取的水边线 信息 ,结合潮汐模型 (或验潮数据 )推断出水边线的 高程值 ,一系列不同潮位条件下获得的遥感水边线 即可形成一系列已知高程信息的等高线 ,利用这些 等高线和海图的零米线通过空间插值进而得到潮间 带 DEM ,最后根据潮汐模型计算当地平均大潮高潮 面 (海岸线定义所处潮位 )的高程 ,以此为高程参考 面与 DEM横切 (可用等值线自动跟踪方法 )得到海 岸线。当然可借助潮间带实测的高程断面获得水边 线高程来验证潮汐模型的准确性。海岸线提取流程 见图 2。 图 2　DEM建立与海岸线提取流程 水边线的提取方法可参见上述的各种方法。而 潮汐模型是海岸带高程和水深数据 (垂直基准 )的 枢纽。潮汐预报是以平衡潮理论为基础 ,借助实际 潮位观测资料 ,采用调和分析方法推算任意时刻的 潮汐变化。潮汐表预报潮位只是整点潮位 ,而影像 获取的瞬时时刻一般不是整点时间 ,且每一景扫描 成像过程仅历时十几秒 ,仅依靠整点潮汐观测资料 , 会影响影像瞬时对潮位的推算及对潮情的准确判 断。若要精确获取该时刻的潮位数据 ,一种方法是 已知预报时采用潮汐调和常数 ,内插任意时刻的潮 位数据 ;另一种方法是通过整点的潮位观测数据建 立多项式 ,采用插值 (或拟合 )方法获取任意时刻的 潮位。文献 [ 9 ]采用“blending”同化法 ,同化多年 T/P卫星测高数据反演潮汐参数与沿岸验潮站结 果 ,建立中国邻近海域高分辨率潮汐模型 ,可给出中 国海域任意时刻水边线的潮位 ,结合垂直基准转化 模型可得到高程值 ,对海岸线的自动提取奠定了技 术基础。文献 [ 10 ]依据长江口 1999～2004年多时 相遥感影像光谱特征 ,对不同潮情影像采用不同波 段提取水边线 ,根据实测高程剖面作为控制剖面获 得水边线的高程 ,并对具有高程信息的水边线采用 不三角网方法构建 DEM ,克服了潮汐资料缺乏 的缺点 ,提高了遥感影像提取水边线对高程反演的 精度。文献 [ 11 ]讨论了多时相卫星影像提取潮滩 水边线以此构建潮滩 DEM的方法 ,采用 GIS技术和 验潮站潮位观测推算技术对提取的水边线赋予高程 值 ,构建 DEM与实测资料比对 ,构建的 DEM高程精 度相对误差小于 015m区域占总面积的 70% ,作为 实测资料欠缺的补充。 5　存在问和研究展望 海岸线位置的确定是海岸带和海岛礁测绘的重 要内容 ,快速而准确地测量海岸线的动态变化对于 海岸带的科学管理和持续利用具有十分重要的意 义。相对于常规测量方法 ,遥感技术可以大面积、实 时监测海岸线的动态变化。遥感提取海岸线并分析 其动态变化的研究近年来取得了很多有意义的成 果 ,但还存在以下问题。 (1)海岸带影像数据缺乏。目前我国海岸带地 区的遥感影像比较缺乏 ,尤其是高分辨率遥感影像 , 潮间带 DEM测绘困难。低空间分辨率影像海岸线 模糊 ,难以准确定位 ,低光谱分辨率影像目标与背景 对比度不明显。 (2)海岸线提取不统一。海岸线应为平均 大潮高潮线 ,而有些研究却直接采用成像时刻的水 边线作为海岸线 ,应在提取水边线的基础上进行潮 位校正 ,提取出真正意义上的海岸线。 (3)垂直基准不统一。潮间带 DEM 的获取涉 及 1985国家高程基准和海图深度基准 (理论最低潮 面 ) ,而海岸线提取要依据 DEM 和潮汐数据 ,因此 需建立海岸带垂直基准转化模型 ,实现陆海部地理 信息的融合处理和统一表述。 (4)精度验证困难。海岸线检测涉及的地理空 间尺度一般较大 ,并且部分海岸带地区现场测绘困 67 第 6期 申家双 ,等 　海岸线提取技术研究 难 ,使得检测结果缺乏必要的精度验证。绝大多数结 果是同原图像进行叠加比较 ,并不能代表现场情况。 (5)基于融合方法的研究。不同海岸地貌的海 岸线在影像上的解译标志与提取方法都有其特点或 对于特定的遥感数据 ,或对于海岸线提取的某一阶 段 ,或对于某一特定的岸线类型 ,因此在弄清各自特 点的基础上选择最优的提取方法 ,然后充分挖掘各 种方法和各种遥感数据的优势 ,将其进行融合 ,取长 补短 ,实现不同方法和不同数据源的互补。 (6)充分结合自动解译与目视解译。目前的研 究集中在采用边缘检测算法进行自动提取 ,难免产 生一些明显的假边缘点和丢失一些真实边缘的细节 部分 ,在自动提取的基础上结合目视解译可提高提 取精度。 (7)其他领域研究成果的应用研究。计算机模 拟生物功能 ,如人类识别物体的能力 ,是个庞大的工 程 ,需要长时间不懈的努力。在其实现之前仍需要 利用其他领域的研究成果来提高海岸线信息提取的 精度和质量 ,如数学、计算机图形学、计算机视觉、人 工智能、模式识别等。 (8)综合考虑各种影响因素。如风浪流等海洋 环境对成像瞬间潮高的影响、不同空间分辨率的影 像对海岸线长度的影响以及高含量的悬浮泥沙水体 对水边线提取的影响等因素 ,提高海岸线的提取精 度和效率 ,建立不同比例尺海岸线数据库 ,以满足国 家政治、经济、军事和社会发展的需要。 参考文献 : [ 1 ]　林桂兰. 遥感在海岸线修测中的应用技术探讨 [ J ]. 福 建水产 , 2005, (3) : 59～62. 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N aval Institu te of H ydrograph ic Surveying and C harting, T ianjin, 300061) 　　Ab s tra c t: The coastline position determ ination is the im portan t con tent of the coastal zone, island and reef surveying. It is very im portan t to m onitor the dynam ic change of coastline rap id ly and accura tely regard ing the sea area use and m anagem ent. R em ote sensing techn ique has fast, dynam ic, la rge scope, m acroscop ic and such p rom inen t advan tages. The advances in coastline ex trac tion based on rem ote sensing w as em phasized, the m ethod in coastline extrac tion based on the D EM of the in tertidal zone and tidal m odel w as p roposed, the advan tage and d isadvantage w ere analyzed, and the fu tu re research orien ta tion w as forecasted based on its existen t insuffic iency in b rief. Key wo rd s: m arine survey; coastline; w aterline; in tertida l zone; rem ote sensing; tidal m odel 77