基于監(jiān)督分類和多源遙感數(shù)據(jù)的珠海市海岸線提取

俎金言

摘 要：為了更好平衡珠海市城市建設(shè)與海岸線生態(tài)環(huán)境，本文以珠海市10年為界限，基于2005年、2009年、2016年三期珠海遙感l(wèi)andsat8以及l(fā)andsat5圖像，對珠海市區(qū)域進(jìn)行海岸線的提取與分析。由于傳統(tǒng)的歸一化水體指數(shù)易受近岸水體以及建筑物的影像，為此，采用改進(jìn)的采用歸一化水體指數(shù)（MNDWI）與支持向量機(jī)（SVM）的方法進(jìn)行水陸分離并對結(jié)果進(jìn)行交叉處理。經(jīng)過對提取的海岸線分析，發(fā)現(xiàn)近十年來，2009到2016的海岸線開發(fā)速率較高，主要開發(fā)集中在珠海東岸，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)人工岸線增長最高，其中增長最多的為港口碼頭，總表現(xiàn)為海產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的建立，填海造陸等。

關(guān)鍵詞：遙感；海岸線；珠海；MNDWI；SVM

中圖分類號(hào)：P715.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0182-02

海岸線是劃分陸地與海洋的分界基準(zhǔn)線。自然因素和人為因素都可能導(dǎo)致海岸線的擴(kuò)展或退縮，進(jìn)而帶來一系列近海岸的生態(tài)環(huán)境問題，如海岸帶的污染、海岸帶生物多樣性遭到破壞等。珠海市位于廣東省西南部的沿海城市，是珠江三角洲海陸運(yùn)輸?shù)慕煌ㄒ?。近年來，隨著人類活動(dòng)逐漸劇烈，在對城市的不斷發(fā)展以及擴(kuò)建中，珠海市海岸線的增長趨勢為向海推移，包括填海造陸，建立海產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，修建碼頭等，對其沿海生態(tài)環(huán)境造成了很嚴(yán)重的影響。珠海市作為正在飛速發(fā)展的沿海城市，近年來其海岸線變化劇烈。因此，以珠海市為研究區(qū)展開海岸線動(dòng)態(tài)變化研究有重要的意義。

目前在應(yīng)用遙感影像對海岸線提取與研究中，國內(nèi)外已有很多成功先例。孫偉富[1]等針對不同類型海岸線，從遙感影像的多個(gè)特征對其建立解譯標(biāo)志，提出了針對不同類型岸線的提取原則。瞿繼雙[3]等提出了基于多閾值的形態(tài)分割方法。張朝陽[4]等利用改進(jìn)了canny算子，并實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的邊緣提取。現(xiàn)有的海陸分割法可分為三種：邊緣檢測法，閾值分割法和監(jiān)督分類法[5]。其中監(jiān)督分類的精度更高，但是需要人工樣本的選擇；閾值分割法更為簡單方便，然而因?yàn)榻端w的光譜特征受周邊環(huán)境影響較大，近岸水體常被錯(cuò)分為岸線，導(dǎo)致分割精度較低[2]。而邊緣檢測法對遙感影像的適應(yīng)度較低，提取出的岸線連續(xù)性較差[5]。

為了得出更精確的岸線結(jié)果，本文在利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI的基礎(chǔ)上，增加利用支持向量機(jī)SVM的監(jiān)督學(xué)習(xí)模型的基礎(chǔ)上對海岸線進(jìn)行提取。并對兩次結(jié)果結(jié)合實(shí)地調(diào)查資料進(jìn)行交叉比對，根據(jù)海岸線提取結(jié)果對珠海市海岸線近十五年來的變化做出分析，并針對海岸線變化劇烈的典型岸段進(jìn)行詳細(xì)分析以及調(diào)查。

1 數(shù)據(jù)源與提取方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

（1）珠海市位于廣東省珠江口的西南部，北緯21°～22°、東經(jīng)113°～114°之間。珠海市是珠三角城市中海岸線最長的城市。其中珠海西岸以人工岸線為主，沿途大多為港口碼頭和人工岸線，包括沙灘以及養(yǎng)殖區(qū)域。東部沿岸以道路為主，自然海岸保存率較高[1]。研究區(qū)域示意圖如圖1所示。

本文以2018年和2009、2005年3期Landsat5/8影像，以5年為間隔為基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)對珠海海岸線進(jìn)行提取，Landsat5/8陸地資源下載于美國地址勘探局（USGS）。

1.2 海岸線提取以及分析方法

本文所指的海岸線為陸地與海洋的分界線，即海水向陸地所達(dá)到的極限位置的連線。由于潮汐作用等自然與人文影響，海岸線一直于動(dòng)態(tài)變動(dòng)之中[2]。本研究區(qū)域內(nèi)主要以自然海岸線和人工海岸線為主，自然海岸線包括淤泥質(zhì)海灘，人工海岸線則包括堤壩中心線以其后期人為填海所影響的海陸分界線該方法包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、利用面向?qū)ο蠓椒▽Ｑ蠛完懙剡M(jìn)行分類與分離、海岸線提取，利用最終提取海岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合比對分析[3]。

2 利用面向?qū)ο筇崛『０毒€

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了保證遙感數(shù)據(jù)據(jù)保持相同的幾何精度和坐標(biāo)系統(tǒng)，首先對遙感影像進(jìn)行處理：（1）波段融合，首先對將landsat8的多波段和全色波段進(jìn)行融合，使其分辨精度從30m提升至15m；（2）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)性幾何精糾正，消除多源數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)差異，將其統(tǒng)一至WGS-84坐標(biāo)系；（3）影像裁剪，剪裁出所需要的遙感影像區(qū)域，圖像太大會(huì)導(dǎo)致指數(shù)計(jì)算有偏差，以及計(jì)算時(shí)間過長等問題。

2.2 MNDWI閾值分割

由于海水與陸地的歸一化水體指數(shù)反差明顯，因而可以通過判斷MDNWI的分布圖，通過波谷點(diǎn)尋找水陸分割閾值，即可實(shí)現(xiàn)水陸分割[5]。由于珠海市是沿岸城市，在海岸線旁的建筑較多，而用NDWI來提取有建筑物的水體，其效果會(huì)受到近岸區(qū)域影像，結(jié)果較差。故采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）[6]，其公式如式1。

MNDWI=（ρGreen-ρMIR）/（ρGreen+ρMIR） 式1

式中ρGreen為綠色波段，ρMIR為近紅外波段。

2.3 利用向量機(jī)提取海岸線

由于近岸水體容易受周邊區(qū)域環(huán)境的影像。為此，在使用MNDWI閾值分割的基礎(chǔ)上，使用基于樣本分類的支持向量機(jī)海岸線遙感自動(dòng)提取算法。

SVM是Vapnik等于20世紀(jì)90年代提出的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，SVM算法根據(jù)有限的樣本平衡模型的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)能力[7]。本文以MNDWI的分割結(jié)果為樣本庫，對不同的分類對象以及樣本進(jìn)行交叉訓(xùn)練，不斷剔除方差大的樣本分類區(qū)域，直到得到可靠的水陸分類。

2.4 海岸線提取

利用MNDWI和訓(xùn)練后的SVM模型對遙感影像進(jìn)行分類和分割后，通過目測判斷是否為陸地水體。將結(jié)果格式轉(zhuǎn)化為Arcgis可識(shí)別的格式，在Arcgis中對分類后的圖像跟蹤矢量化，轉(zhuǎn)化為線要素，得到最終的岸線分布制圖[10]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對珠海市2016年4月3日獲取的一景l(fā)andsat8遙感圖像的岸線流程提取過程如圖2所示。

圖2（a）為經(jīng)過幾何精校正后的landsat8的假彩色合成圖像；圖2（b）為MNDWI計(jì)算后的圖像；圖2（c）為經(jīng)過閾值分割后的水路分離圖像；圖2（d）為使用svm向量機(jī)進(jìn)行監(jiān)督分類后的水陸分離分布圖；圖2（e）為對MNDWI和監(jiān)督分類結(jié)果交叉比對后矢量化的水陸分布圖；圖2（f）為最終珠海市海岸線分布圖。可以看出，最終得到的岸線分布清晰，對于內(nèi)陸河流，可以在arcgis中進(jìn)行刪除后填充。

分別對三景2016、2009和2005年的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行海陸分割和岸線提取，最終海岸帶海岸線分布如圖3所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2005年～2016年，珠海市海岸線長度增加，整體表現(xiàn)為向海擴(kuò)張。2005年岸線總長度為420.82km，2009年岸線總長度為430.9km，較2005年增長了10.08km，年增長速率為2.416km/年。2016年，海岸線總長度達(dá)到450.8km，相對2009年增長了17.1km，增長劇烈，年增長速率為2.85km/年。

近十年來，2009到2016的海岸線開發(fā)速率較高，主要開發(fā)集中在珠海東岸，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)人工岸線增長最高，其中增長最多的為港口碼頭，總表現(xiàn)為海產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的建立，填海造陸等。岸線變化最為典型區(qū)域?yàn)楦邫诟蹍^(qū)以及港珠澳大橋附近，其岸線變遷以向海擴(kuò)張為主，岸線變化的主因是港口碼頭建設(shè)[8]。

4 結(jié)論與展望

海岸線的變遷不只影響了海岸帶的海洋生態(tài)環(huán)境以及沿岸城市發(fā)展，同時(shí)反映了人類對海岸的改造利用。而動(dòng)態(tài)精確的檢測海岸線的變化，對更好的平衡海岸帶生態(tài)環(huán)境和城市的建設(shè)與發(fā)展的關(guān)系有著重要的意義[9]。本文采用兩種方法進(jìn)行交叉處理。傳統(tǒng)的MNDWI全局閾值分割方法雖然可以快速實(shí)現(xiàn)水體提取，但是在分割精度上沒有充分保證，尤其是針對較為細(xì)碎的天然岸線；而對光譜復(fù)雜的較容易受影響的近岸水體，通過監(jiān)督分類不斷篩選樣本，可以得到更精確的水陸分離結(jié)果。

目前對海岸線的研究在區(qū)分不同岸線類型以及解決遙感不同影像的分形指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化等問題中依舊缺乏考慮，盡管現(xiàn)在已有針對不同岸線的分類方法，但是多缺乏普遍適應(yīng)性。因此，針對不同類型的海岸以及環(huán)境對海岸線提取時(shí)，需要選擇合適的方法。

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