基于 BJ—1的環(huán)渤海區(qū)海岸工程變化遙感監(jiān)測研究

楊娟++賈周云++邵靖凈

摘 要：及時、有效地監(jiān)測海岸工程的變化情況，對相關(guān)單位準(zhǔn)確掌握海岸帶及其附屬經(jīng)濟(jì)腹地的發(fā)展?fàn)顩r有重要意義。以BJ-1（北京一號）數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，采用多種變化監(jiān)測方法對天津港和長興島港區(qū)2009—2011年海岸工程進(jìn)行了變化監(jiān)測研究，得到了所選區(qū)域3年中每年4個季度的監(jiān)測結(jié)果。結(jié)果表明，基于自動提取與目視解譯的方法更適用于BJ-1數(shù)據(jù)的遙感變化監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：渤海；海岸工程；衛(wèi)星；動態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.012

目前，利用遙感影像進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的方式主要運(yùn)用于土地利用和土地覆被方面，很少用于海岸工程動態(tài)監(jiān)測的研究。比如，馮鐘葵等對 1986—2005年 青海湖地區(qū)的 TM數(shù)據(jù)進(jìn)行了跟蹤分析，得到 20年間青海湖的水域面積及湖岸線等的變化信息，并將其與青海湖同期的氣象資料進(jìn)行了對比分析，得到了湖區(qū)的變化趨勢及其他相關(guān)變化信息；雷聲等基于鄱陽湖 1983—2010年的 100顆多景衛(wèi)星遙感影像，并結(jié)合鄱陽湖區(qū)水文站的水位信息進(jìn)行了綜合分析，得到了鄱陽湖的水位、面積等多種分析結(jié)果。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域分別選擇了天津港和長興島。針對環(huán)渤海地區(qū)重大海岸工程動態(tài)監(jiān)測的研究內(nèi)容，設(shè)定了2個重點實驗區(qū)，即天津區(qū)塊（117.37°～120°E，37.98°～39.5°N）和長興島區(qū)塊（121°～121.5°E，38.7°～39.5°N）。天津港地處渤海灣頂?shù)暮：尤牒？?，是綜合性的對外貿(mào)易港口；大連長興島港區(qū)位于中國遼東半島中西部，大連瓦房店市西側(cè)，四面環(huán)渤海，全島東西長30 km，南北長11 km，環(huán)島岸線長91.6 km，具有建設(shè)2×105～3×105 噸級碼頭的優(yōu)良深水岸線資源。

兩港區(qū)的地理特征不同，天津港水域的條件較差，泥沙淤積嚴(yán)重，難以滿足巨型船舶進(jìn)、出港的要求；長興島港區(qū)的水深條件好，底床和岸灘穩(wěn)定，水體含沙量小，泥沙淤積輕微，沒有驟淤問題。本文選取不同性質(zhì)的港口進(jìn)行了變化監(jiān)測分析，具有實際參考意義。

1.2 數(shù)據(jù)處理

圖像預(yù)處理，首先進(jìn)行BJ-1衛(wèi)星智能輻射增益條件下的輻

射校正。以天津港為例，選取其2010-05-01的BJ-1衛(wèi)星影像作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。經(jīng)實驗分析，利用直方圖匹配法對其2006-11-01的BJ-1衛(wèi)星影像進(jìn)行了輻射校正，并進(jìn)行了幾何糾正，結(jié)果如圖1所示。其中，（a）為2010-05-01的基準(zhǔn)影像，（b）為2006-11-01待校正的影像，（c）為2006-11-01校正后的影像，（d）為校正后紅色方框區(qū)域內(nèi)的影像疊加效果。2 海岸工程變化監(jiān)測方法及監(jiān)測結(jié)果

2.1 海岸工程變化監(jiān)測方法

海岸工程的動態(tài)監(jiān)測主要分為2個步驟，即變化信息的監(jiān)測和變化信息的提取處理。監(jiān)測變化信息時，可運(yùn)用差值法、比值法、波段替換法、分類后比較法、PCA主分量差值法、PCA

三分量提取法、最小噪聲分離法和波譜角差異法等。經(jīng)對比分析和組合后，得到了基于BJ-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的海岸工程動態(tài)監(jiān)測的組合方法，如表1所示。

表1 變化信息提取的組合方法

序號 組合方法

1 差值法+直方圖峰值圖像分割法

2 比值法+統(tǒng)計分類法

3 PCA主分量法+峰值圖像分割法

4 波段替換法+SVM 分類法

5 PCA三分量提取法+面向?qū)ο笮畔⑻崛?/p>

6 基于面向?qū)ο蟮姆诸愄崛?/p>

提取變化信息時，主要選取圖像分割法、SVM分類法和面向?qū)ο蟮姆诸惙ㄟM(jìn)行了監(jiān)測試驗。采用圖像分割法可確定分割閾值。目前，常用的自動分割閾值的方法主要有基于直方圖形狀的方法（Otsus、kittlers）、基于力矩的方法（Tsais）和基于信息熵的方法（Kapurs）等。經(jīng)實驗分析，選取Ostus 進(jìn)行了變化信息的提取，其精度較高。

2.2 監(jiān)測結(jié)果及精度分析

基于天津港2期BJ-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，結(jié)合表2中的監(jiān)測方法得到的試驗結(jié)果如圖2所示，精度評價如圖3和圖4所示。圖2的1～6為表1中的6種方法，紅色部分為海岸工程變化的監(jiān)測結(jié)果。

由圖2可知，第6種方法的效果最好，即采用基于面向?qū)ο蟮姆诸愄崛》椒ǖ贸龅谋O(jiān)測結(jié)果最好。該方法可有效監(jiān)測出發(fā)生變化的區(qū)域，出現(xiàn)漏分現(xiàn)象的概率很低，但仍無法避免一些錯分現(xiàn)象的發(fā)生，比如監(jiān)測了天津港北部、南部及西南部等本不在變化監(jiān)測范圍內(nèi)的區(qū)域。由于海岸工程的整體性較強(qiáng)，所以，無法避免相近地物易混淆等現(xiàn)象的出現(xiàn)，且其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)系錯綜，常造成監(jiān)測結(jié)果的錯分。

由圖3和圖4中的精度評價可知，采用波段替換法+SVM分類的處理結(jié)果精度最高。由于波段替換時，波段信號會增強(qiáng)，進(jìn)而形成高維空間，但高維空間需要采用SVM分類法分類。因此，這兩種方法組合后，得到的監(jiān)測結(jié)果精度較高。

綜上所述，基于BJ-1數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蠓诸愄崛》?波段替換法+SVM分類法監(jiān)測的方式適用于環(huán)渤海地區(qū)海岸工程的變化監(jiān)測。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

利用基于BJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的變化監(jiān)測方法，基于 2009—2011年度環(huán)渤海區(qū)重點區(qū)域BJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如表2所示，得到了環(huán)渤海2個重點區(qū)域的變化結(jié)果，如圖5所示。由圖5可知，在這2個重點區(qū)域中，天津港的變化最大，監(jiān)測結(jié)果精度最高，能清晰地反映出天津港各部分的變化情況，這對天津港及其周邊地區(qū)的研究具有重要的參考作用；受自然因素的影響，長興島港區(qū)BJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量較差，監(jiān)測結(jié)果精度較低。

4 結(jié)束語

由海岸工程變化的監(jiān)測結(jié)果可知，采用面向?qū)ο蠓诸愄崛》?波段替換法+SVM分類法監(jiān)測的精度和穩(wěn)定性較高。此外，對于環(huán)渤海區(qū)的2個不同類型的海岸工程，采用上述監(jiān)測方法進(jìn)行動態(tài)分析的準(zhǔn)確性高，具有實際參考意義。

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〔編輯：張思楠〕