基于遙感的海岸線提取方法研究第1頁，共47頁。一、研究目的與意義

海洋與陸地是地球表面兩個(gè)基本地貌單元，他們之間被一條明顯的界線所分開。這條海與陸相互交匯的界線通常稱為海岸線。海岸線位置的確定是海島海岸帶遙感調(diào)查的重要環(huán)節(jié)，快速而又準(zhǔn)確的測(cè)定海岸線的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于海域使用管理具有十分重要的意義。第2頁，共47頁。一、研究目的與意義本文研究目的是以實(shí)際觀測(cè)的海岸特征為依據(jù)分析海岸線在衛(wèi)星圖像中的解譯標(biāo)志，根據(jù)其地貌特點(diǎn)提出了對(duì)于衛(wèi)星圖像中海岸線的解譯方法；借助數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)不同類型海岸的圖像進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)處理，利用Canny算子、中值濾波器和腐蝕算子，完成了對(duì)衛(wèi)星圖像中海岸線的自動(dòng)提取，證明了使用潮位高度與衛(wèi)星圖像結(jié)合計(jì)算坡度的方法，為無明顯解譯標(biāo)志的未開發(fā)淤泥質(zhì)海岸帶的海岸線確定提供了校正的依據(jù)。第3頁，共47頁。二、研究現(xiàn)狀

目前用遙感圖像解譯海岸線變化主要有目視解譯和自動(dòng)解譯兩種方法。傳統(tǒng)的目視解譯經(jīng)手工透圖作業(yè)，方法簡單，但誤差較大。自動(dòng)解譯是將岸線作為圖像的邊緣檢測(cè)出來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)解譯技術(shù)的水平也有很大的提高，各種新的算法不斷出現(xiàn)，成為解譯技術(shù)發(fā)展的主流。

第4頁，共47頁。二、研究現(xiàn)狀馮蘭娣等使用高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為小波變換函數(shù)的核函數(shù)，在對(duì)黃河三角洲的Landsat近紅外遙感圖像做小波變換后，通過檢測(cè)小波變換模式的極值點(diǎn)得到圖像水邊線的候選邊緣點(diǎn)，然后再經(jīng)過濾波得到圖像的水邊線。朱小鴿等使用多年的MSS與TM圖像，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法，監(jiān)測(cè)珠江口海岸線的變化并計(jì)算增長的陸地面積，分析了海岸線發(fā)生變化的最主要原因。

第5頁，共47頁。二、研究現(xiàn)狀除了這些外，還有的采用了閾值分割法、區(qū)域生長法、邊緣檢測(cè)算法等實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)解譯。但是他們提取的海岸線只是水邊線，即衛(wèi)星過頂時(shí)刻拍攝的水陸分界線，沒有考慮到海水懸浮泥沙、潮位、季節(jié)等因素的影響，不是真正意義的海岸線第6頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法

海岸線包括大陸海岸線和島嶼海岸線?；诓煌瑢W(xué)科的研究目的，對(duì)于海岸線具體位置的確定還存在一定的分歧，大致分為5種：（1）低潮線；（2）沿海岸灘與平均海平面的交線；（3）平均高潮線；（4）多年大潮高潮線或痕跡線；（5）最大風(fēng)暴潮所能達(dá)到的位置。第7頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法

為了提高海岸線研究的精度，真實(shí)地反映海岸線的變化趨勢(shì)，必須有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，絕大多數(shù)國家，包括我國現(xiàn)有海洋管理工作的實(shí)踐都是以平均大潮高潮線為海陸分界線，有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也都規(guī)定其作為海岸線。第8頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法

從地貌學(xué)角度，按海岸形態(tài)、成因、物質(zhì)組成和發(fā)展階段等特征考慮，主要可分為：基巖海岸、砂（礫）質(zhì)海岸、淤泥質(zhì)海岸、生物海岸和人工海岸。根據(jù)動(dòng)態(tài)可把海岸分為堆積海岸和侵蝕海岸；根據(jù)外形可把海岸分為基巖港灣海岸和低平的砂岸，其中砂岸包括砂質(zhì)海岸和粉砂淤泥質(zhì)海岸。第9頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法1、人工海岸

人工海岸是人工建筑物形成的岸線，建筑物一般包括防潮堤、防波堤、碼頭、凸堤、養(yǎng)殖區(qū)和鹽田等。

人工海岸大部分是由混凝土修筑而成的水工建筑，目的是為了阻擋海水，在設(shè)計(jì)上是要確保大海潮時(shí)不能漫堤，而且人工海岸的建筑幾何形狀一般比較規(guī)則，例如碼頭與岸上的倉庫，船在水面上行駛的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)逐漸擴(kuò)展的水際線，這些都是判別人工海岸的標(biāo)志，如圖所示。人工建筑在近紅第10頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法1、人工海岸

外波段的圖像上具有較高的光譜反射率，與圖像中的海水區(qū)分明顯，其海岸線易于計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取，海岸線位置確定在建筑物邊緣。第11頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法2、基巖海岸

基巖海岸由巖石組成，常有突出的海岬和深入陸地的海灣，岸線比較曲折。基巖海岸是海邊的巖石山體受海水侵蝕形成，由于海水不能越過海蝕崖，可以作為基巖海岸的岸線。沿海區(qū)域是人口居住的密集區(qū)域，海邊綠化程度較高的山體光譜反射率較低，表現(xiàn)為粗糙的斑塊狀，能夠區(qū)別于一般的巖石或裸地；巖石山體的面積比較大，植被覆蓋較少，因此在圖像中能表第12頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法2、基巖海岸現(xiàn)出明顯的凹凸感，有比較明顯的山脈紋理特征，根據(jù)以上兩種特征可以判別出基巖海岸。而基巖海岸與海水相連接的邊界非常明顯，其解譯標(biāo)志就是海岬角以及直立陡崖與海水的結(jié)合處。第13頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法3、砂質(zhì)海岸砂質(zhì)海岸是砂粒在海浪作用下堆積形成的，在波浪無法作用的區(qū)域砂質(zhì)也就會(huì)消失，因此可以把砂質(zhì)海岸和陸地上非砂質(zhì)地物的分界線作為海岸線。砂質(zhì)海岸在靠近陸地的方向上與其他類型的地物相連接，有可能是建筑物、公路等用地，也可能是海水不能到達(dá)的其他非砂質(zhì)地物，這些與沙灘相接的地物亮度比較低，所以砂質(zhì)海岸的岸線在圖像上的紋理特征是比較明顯的。

第14頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法3、砂質(zhì)海岸需要注意的是，由于潮汐作用的影響，沙灘有時(shí)會(huì)被海水部分或全部淹沒，當(dāng)海水退去時(shí)，被淹沒又露出的沙灘在圖像上亮度較低，未被海水淹沒的沙灘亮度較高，而海岸線應(yīng)該是整個(gè)砂質(zhì)海岸與非砂質(zhì)地物的分界線作為海岸線。

第15頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法4、淤泥質(zhì)海岸根據(jù)遙感圖像的解譯方法，淤泥質(zhì)海岸可分為兩種類型，一類是大部分已經(jīng)被開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，建成了蝦池、鹽田等養(yǎng)殖區(qū)；另一類是保持自然狀態(tài)的淤泥質(zhì)海岸，這類淤泥質(zhì)海岸未經(jīng)開發(fā)，岸灘面積較大，如下圖所示。

第16頁，共47頁。三、海岸線的分類與解譯方法4、淤泥質(zhì)海岸對(duì)于已開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，可以選擇其他地物（如植被，蝦池，公路等）與淤泥質(zhì)海岸的分界線作為海岸線，因?yàn)樵诖蟪备叱睍r(shí)，海水不能越過其邊界線。對(duì)于未開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，淤泥質(zhì)岸灘與海水的分界線在圖像上很清晰。但是，由于其岸灘面積較大，在圖像上無法找到明顯的解譯標(biāo)志，需要通過潮位與衛(wèi)星圖像的對(duì)比進(jìn)行計(jì)算，才能得到海岸線在淤泥質(zhì)海岸的準(zhǔn)確位置。

第17頁，共47頁。四、海岸線提取

算法：

對(duì)海岸線自動(dòng)提取的研究首先是對(duì)水邊線提取算法的分析，是進(jìn)行海岸線動(dòng)態(tài)研究的必要環(huán)節(jié)。針對(duì)灰度圖像中水陸邊界線的提取，本文采用了各種邊緣檢測(cè)算法對(duì)衛(wèi)星圖像進(jìn)行了處理，經(jīng)過對(duì)比，使用Canny算子獲得了超出其他算子的檢測(cè)效果。Canny算子提出了好的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)邊緣的定位要準(zhǔn)確，對(duì)同一邊緣要有低的響應(yīng)次數(shù)三個(gè)圖像邊緣提取限制條件，是效果最好的階梯型邊緣檢測(cè)算子，而衛(wèi)星圖像中的水陸分界線基本都是階梯型邊緣，即灰度圖像從陸地躍遷到海水的變化，使用Canny算子獲得了超出其它算子的檢測(cè)效果，可以作為衛(wèi)星圖像的海岸線自動(dòng)提取的基本算法。

第18頁，共47頁。四、海岸線提取

不同類型的海岸線有不同的遙感解譯標(biāo)志，應(yīng)該針對(duì)不同的海岸線進(jìn)行解譯分析，確定其在圖像中的準(zhǔn)確位置，然后使用邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行提取。各類海岸都有各自的地貌特征，在衛(wèi)星圖像上的光譜特征也有很大差異，但單波段灰度圖像中的海岸線特征不十分明顯，而邊緣檢測(cè)算子只能對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理，因此需要根據(jù)海岸類型對(duì)灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理后才能提取，具體提取過程如下圖。第19頁，共47頁。第20頁，共47頁。四、海岸線提取—圖像預(yù)處理圖像校正圖像分割第21頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取1、人工海岸和基巖海岸衛(wèi)星圖像中人工海岸與基巖海岸的共同特點(diǎn)是水陸分界線非常明顯，可以用高通濾波器進(jìn)行圖像銳化增強(qiáng)，常用的幾種邊緣檢測(cè)算法也屬于高通濾波器，因此圖像銳化增強(qiáng)原理與邊緣檢測(cè)算法原理相同，只是在模板的設(shè)置方法上有區(qū)別。銳化增強(qiáng)模板的中心像素值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍像元值，可表示為：1111X1111第22頁，共47頁。第23頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取1、人工海岸和基巖海岸經(jīng)過銳化增強(qiáng)的圖像的邊緣特征更加突出，使用Canny算子直接進(jìn)行提取，即可獲得很好的圖像，如圖所示。第24頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取1、人工海岸和基巖海岸需要注意的是，漲落潮對(duì)圖像中基巖海岸的岸線位置判斷會(huì)造成影響。由于潮流的作用，海水并不是一直與海蝕崖相接，只有當(dāng)大潮高潮時(shí)衛(wèi)星過頂拍攝到的圖像中水邊線才滿足海岸線定義的要求。因此，在確定基巖海岸的時(shí)候所選用的圖像應(yīng)盡量選取高潮位時(shí)刻的圖像，以保證提取的海岸線的準(zhǔn)確性。第25頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸根據(jù)砂質(zhì)海岸的海岸線解譯方法，首先要在圖像上提取出整個(gè)砂質(zhì)海岸圖塊，然后取砂質(zhì)海岸靠近陸地一側(cè)的邊緣即可作為砂質(zhì)岸線。但是砂質(zhì)海岸在衛(wèi)星圖像上并不是每個(gè)像素都是同樣的灰度，在和非砂地區(qū)的連接處會(huì)有一些亮度低于砂質(zhì)地物而高于非砂地物的像素。為了去掉這些像素的干擾，可以使用平滑圖像的方法，把這些點(diǎn)作為噪聲去除。第26頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑平滑圖像的方法有很多種，其中比較常用的有均值平滑、中值濾波、高斯低通濾波三種方法：（1）均值平滑—均等的對(duì)待鄰域中的每個(gè)象元，對(duì)待每個(gè)象元在以它為中心的鄰域內(nèi)取平均值，作為該像元新的灰度值。假定鄰域的大小為Ｍ×Ｎ，則均值平滑的公式為：第27頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑當(dāng)Ｍ＝Ｎ時(shí)，用３×３的模板進(jìn)行運(yùn)算，此時(shí)的模板φ(m,n)為111111111均值平滑算法簡單，計(jì)算速度快，但在去掉尖銳噪聲的同時(shí)造成圖像模糊程度也更加嚴(yán)重。第28頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑（2）高斯低通濾波—這種平滑方法與均值平滑方法類似，是對(duì)均值平滑模板的改進(jìn)。均值平滑模板雖然考慮了鄰域點(diǎn)的作用，但并沒有考慮各點(diǎn)位置的影響，對(duì)于所有的9個(gè)點(diǎn)都一視同仁，所以平滑的效果并不理想。實(shí)際上離中心點(diǎn)越近的點(diǎn)對(duì)該中心點(diǎn)的影響應(yīng)該越大，為此高斯低通濾波器引入了加權(quán)系數(shù)，將均值平滑模板改造成為：

第29頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑

121242121這個(gè)模板是通過采樣二維高斯函數(shù)得到的，因此也成為高斯（GAUSS）模板

第30頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑（3）中值濾波—這種方法對(duì)以每個(gè)像元為中心的Ｍ×Ｎ鄰域內(nèi)所有像元按灰度值大小排序，用其中值作為中心像元的灰度值，是一種非線性的圖像平滑方法。中值濾波以中值替代平均值，起到濾波器的作用，在抑止噪聲的同時(shí)能夠有效地保留邊緣，減少模糊。中值濾波與均值平滑的目的都是為了去除圖像上的尖銳噪聲，平滑處理圖像，但兩者之間又有區(qū)別，選用方法需要根據(jù)圖像特點(diǎn)和處理目的來決定。

第31頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑由于我們對(duì)砂質(zhì)岸線圖像進(jìn)行平滑處理的目的是為了在去除圖像中尖銳噪聲點(diǎn)的同時(shí)盡量保留圖像灰度變化的

“階梯效果”，保留邊緣，通過對(duì)比可以看出中值濾波后圖像灰度變化的階梯效果被保留，而均值平滑后“階梯效果”消失，邊緣模糊、灰度值呈漸變趨勢(shì)，根據(jù)圖像平滑方法的特點(diǎn)和對(duì)圖像預(yù)處理的視覺效果，中值濾波后的圖像更能突出圖像的邊界，符合海岸線提取研究的要求。因此選擇中值濾波的方法進(jìn)行圖像平滑。

第32頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—海岸線提取經(jīng)過中值濾波以后，圖像中砂質(zhì)海岸的邊界已經(jīng)清晰，為了把砂與非砂地物確定為兩類不同的圖像類型，還要使用目視解譯的方法對(duì)圖像的直方圖進(jìn)行拉伸，確定一個(gè)閾值使砂質(zhì)海岸與其他地物分為兩個(gè)不同的兩個(gè)灰度值，從而實(shí)現(xiàn)圖像的二值化。經(jīng)過二值化后的圖像，其砂質(zhì)海岸與非砂質(zhì)地物的分界線非常明顯，可以使用Canny算子進(jìn)行海岸線提取。

第33頁，共47頁。第34頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)這種分析方法是由一組形態(tài)學(xué)的代數(shù)算子組成，用這些算子機(jī)器組合進(jìn)行圖像形狀和結(jié)構(gòu)的分析處理。最常見的有七種，包括膨脹、腐蝕、開、閉、擊中、薄化、厚化。其中膨脹和腐蝕是兩種最基本最重要的交換。

第35頁，共47頁。需要注意的是，漲落潮對(duì)圖像中基巖海岸的岸線位置判斷會(huì)造成影響。經(jīng)過銳化增強(qiáng)的圖像的邊緣特征更加突出，使用Canny算子直接進(jìn)行提取，即可獲得很好的圖像，如圖所示。三、海岸線的分類與解譯方法在每幅提取圖像中均選擇30個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)提取的海岸線圖像進(jìn)行了檢驗(yàn)，如圖所示。三、海岸線的分類與解譯方法自動(dòng)解譯是將岸線作為圖像的邊緣檢測(cè)出來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)解譯技術(shù)的水平也有很大的提高，各種新的算法不斷出現(xiàn)，成為解譯技術(shù)發(fā)展的主流。海岸線包括大陸海岸線和島嶼海岸線。均值平滑算法簡單，計(jì)算速度快，但在去掉尖銳噪聲的同時(shí)造成圖像模糊程度也更加嚴(yán)重。2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑在每幅提取圖像中均選擇30個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)提取的海岸線圖像進(jìn)行了檢驗(yàn)，如圖所示。3、淤泥質(zhì)海岸—未開發(fā)海岸2、砂質(zhì)海岸—海岸線提取平滑圖像的方法有很多種，其中比較常用的有均值平滑、中值濾波、高斯低通濾波三種方法：四、海岸線提取—精度檢驗(yàn)四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法腐蝕變換—是把結(jié)構(gòu)元素B平移a后得到Ba，若Ba包含于X，則記下這個(gè)點(diǎn)a，所有滿足上述條件的a點(diǎn)組成的集合稱為X被B腐蝕的結(jié)果，如下圖所示。

第36頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法膨脹變換—可以看做是腐蝕的對(duì)偶運(yùn)算，其定義是：把結(jié)構(gòu)元素B平移a后得到Ba，若Ba擊中X，則記下這個(gè)a點(diǎn)，所有滿足上述條件的a點(diǎn)組成的集合稱為X被B膨脹的結(jié)果，如下圖所示。

第37頁，共47頁。Canny算子提出了好的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)邊緣的定位要準(zhǔn)確，對(duì)同一邊緣要有低的響應(yīng)次數(shù)三個(gè)圖像邊緣提取限制條件，是效果最好的階梯型邊緣檢測(cè)算子，而衛(wèi)星圖像中的水陸分界線基本都是階梯型邊緣，即灰度圖像從陸地躍遷到海水的變化，使用Canny算子獲得了超出其它算子的檢測(cè)效果，可以作為衛(wèi)星圖像的海岸線自動(dòng)提取的基本算法。四、海岸線提取—分類提取2、砂質(zhì)海岸—圖像噪聲的平滑在每幅提取圖像中均選擇30個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)提取的海岸線圖像進(jìn)行了檢驗(yàn)，如圖所示。四、海岸線提取—分類提取四、海岸線提取—分類提取中值濾波以中值替代平均值，起到濾波器的作用，在抑止噪聲的同時(shí)能夠有效地保留邊緣，減少模糊。1、人工海岸和基巖海岸（4）多年大潮高潮線或痕跡線；另一類是保持自然狀態(tài)的淤泥質(zhì)海岸，這類淤泥質(zhì)海岸未經(jīng)開發(fā)，岸灘面積較大，如下圖所示。3、淤泥質(zhì)海岸—已開發(fā)海岸實(shí)際上離中心點(diǎn)越近的點(diǎn)對(duì)該中心點(diǎn)的影響應(yīng)該越大，為此高斯低通濾波器引入了加權(quán)系數(shù)，將均值平滑模板改造成為：四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—已開發(fā)海岸對(duì)于已開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，可以選擇其他地物（如植被，蝦池，公路等）與淤泥質(zhì)海岸的分界線作為海岸線。圖像中的蝦池、鹽田儲(chǔ)有大量海水，與淤泥質(zhì)海岸區(qū)分明顯，但是在不同蝦池的分界處有一些引海水入池的槽溝，這些槽溝在圖像中與淤泥質(zhì)海岸相同，而且與其相連接，影響了對(duì)岸線的提取。

第38頁，共47頁。第39頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—已開發(fā)海岸為了去除槽溝對(duì)海岸線提取的影響，首先利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的腐蝕變換對(duì)圖像進(jìn)行濾波，使圖像中的槽溝與蝦池融為一體，再利用Canny算子實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中海岸線的提取，效果如下圖所示。

第40頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—未開發(fā)海岸對(duì)于未開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，淤泥質(zhì)岸灘與海水的分界線在圖像上很清晰，經(jīng)過銳化濾波器增強(qiáng)圖像后即可使用Canny算子提取岸線。但是，由于其岸灘面積較大，在圖像上無法找到明顯的解譯標(biāo)志，需要通過潮位與衛(wèi)星圖像的對(duì)比進(jìn)行計(jì)算，才能得出海岸線在淤泥質(zhì)海岸上的準(zhǔn)確位置。

根據(jù)計(jì)算海灣年沉積速率時(shí)，其計(jì)算原理認(rèn)為可以將淤泥質(zhì)海岸在整體上看做光滑的坡面。第41頁，共47頁。四、海岸線提取—分類提取3、淤泥質(zhì)海岸—未開發(fā)海岸取兩景衛(wèi)星圖像，提取出其中的水邊線，分別設(shè)為C1、C