GF-3號SAR衛(wèi)星遙感圍填海監(jiān)測方法研究——以大連金州灣為例

范劍超, 姜大偉, , 趙建華, 初佳蘭, 謝春華, 安文韜, 黃鳳榮

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GF-3號SAR衛(wèi)星遙感圍填海監(jiān)測方法研究——以大連金州灣為例

范劍超1, 姜大偉1, 2, 趙建華1, 初佳蘭1, 謝春華3, 安文韜3, 黃鳳榮2

(1. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 遼寧 大連 116023; 2. 遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116029; 3. 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心, 北京 100081)

依據(jù)不同圍填海類型在高分三號(GF-3)合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)衛(wèi)星遙感影像上可分性, 建立圍填海遙感分類體系及相應(yīng)的圍填海類型解譯標(biāo)志, 進(jìn)而分析SAR圖像岸線提取方法, 構(gòu)建GF-3圍填海監(jiān)測技術(shù)流程。采用幾何主動輪廓模型進(jìn)行GF-3 SAR影像自動提取海岸線, 獲得圍填海專題圖。通過外業(yè)精度調(diào)查驗證GF-3 SAR衛(wèi)星遙感影像可以有效獲取圍填海信息。

合成孔徑雷達(dá)(SAR); 解譯標(biāo)志; 幾何主動輪廓模型; 高分三號(GF-3)衛(wèi)星

海洋是人類社會發(fā)展的重要基地, 也是人類生存發(fā)展的希望, 面對日益緊張的土地供需矛盾, 圍填海開發(fā)成為沿海地區(qū)拓展生存發(fā)展空間, 緩解人地矛盾的重要途徑。國家海洋局編制的《海域使用分類體系》[1]對“填海造地”和“圍海”做出了明確定義, “填海造地, 指筑堤圍割海域填成土地, 并形成有效岸線的用海方式; 圍海, 指通過筑堤或其他手段, 以全部或部分閉合形式圍割海域進(jìn)行海洋開發(fā)的用海方式”[2-3]。

科學(xué)的圍填海具有環(huán)境凈化功能, 在海陸交界地帶, 潮灘對各種有機(jī)和無機(jī)污染物具有較強(qiáng)的凈化能力, 是處置陸源污染物的良好場所之一, 圍填海和海堤修筑, 能有效地抵擋海洋災(zāi)害的侵襲, 河口圍填海工程還能有效阻擋入海江水的含沙量等[4]。但不合理的圍填海活動嚴(yán)重破壞了沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境, 導(dǎo)致海灣自凈能力減弱, 海洋生物多樣性降低, 加劇了海水富營養(yǎng)化風(fēng)險等等[5-7]。

衛(wèi)星遙感由于其低成本、宏觀、快速、可實時動態(tài)連續(xù)監(jiān)測圍填海變化活動等一系列優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注。高分三號(GF-3)衛(wèi)星是我國首顆C波段全極化合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)成像衛(wèi)星, 已于2016年8月10日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空, 可以全天時全天候?qū)崿F(xiàn)海洋和陸地信息的監(jiān)測, 具有重要研究意義。SAR是主動式微波高分辨率影像雷達(dá), 通過脈沖壓縮和合成孔徑技術(shù)分別有效提高距離向和方位向分辨率[8-9]。SAR衛(wèi)星遙感影像不受天氣條件影響, 可解決可見光遙感影像無法每年完全覆蓋海岸線的難題, 在自然環(huán)境惡劣條件下優(yōu)勢明顯。實時科學(xué)管理圍填海有利于可持續(xù)開發(fā)利用海岸帶資源, 不合理的海域開發(fā)利用將會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境被嚴(yán)重破壞, 因此利用衛(wèi)星遙感技術(shù)手段, 開展海域使用動態(tài)監(jiān)測, 構(gòu)建GF-3號SAR影像圍填海監(jiān)測流程, 及時掌握圍填海變化范圍信息, 有利于擴(kuò)大沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益, 保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

本文依據(jù)相關(guān)圍填海類型在SAR遙感影像的可分性, 建立圍填海遙感分類體系及相應(yīng)的GF-3圖像中圍填海類型解譯標(biāo)志, 對比分析SAR圖像岸線提取方法, 構(gòu)建圍填海監(jiān)測整體流程, 采用幾何主動輪廓模型(geometric active contour models, GAC)提取大連金州灣SAR圖像岸線, 最后將變化范圍信息制成專題圖, 通過外業(yè)現(xiàn)場驗證GF-3 SAR衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在獲取圍填海變化范圍的有效性。

1 GF-3 SAR數(shù)據(jù)分析

GF-3具有聚束、條帶、掃描、全極化、波成像、全球觀測、高低入射角12種成像模式, 最高分辨率可達(dá)1 m, 工作頻率為C波段, 極化方式可選單極化、雙極化和全極化?？紤]空間分辨率和幅寬的因素, 針對圍填海信息提取具體問題, 通常選用如下6種模式進(jìn)行檢測, 具體成像模式詳細(xì)信息如表1所示。

表1 可用于圍填海監(jiān)測的GF-3號衛(wèi)星成像模式

研究數(shù)據(jù)采用2016年8月20日天津港GF-3 SAR精細(xì)條帶2模式數(shù)據(jù)1景, VHVV雙極化模式, 建立圍填海分類解譯標(biāo)志。采用2016年12月19日金州灣GF-3 SAR數(shù)據(jù)1景, HHHV交叉極化模式, C波段, 窄幅掃描成像模式, 進(jìn)行圍填海信息提取。

2 GF-3 SAR圍填海解譯標(biāo)志建立

基于《海域使用分類體系》關(guān)于圍填海用海類型的定義及其在SAR遙感影像中可分性, 制定了圍填海的遙感分類體系, 根據(jù)各種圍填海類型在SAR影像上的紋理、色調(diào)、形狀、空間組合等特征差異, 制定了各圍填海類型基于SAR影像的解譯標(biāo)志, 如圖1和表2所示。

3 SAR圖像岸線提取方法

閾值分割[10]適用于目標(biāo)和背景占據(jù)不同灰度級范圍的影像, 基本原理是通過不同的特征閾值, 將影像像素點分為若干類。其優(yōu)點是計算簡單, 運(yùn)算效率高, 速度快, 但在SAR圖像分割過程中, 后向散射強(qiáng)度受到相干斑噪聲的影響, 容易造成邊界定位不準(zhǔn)確。邊緣檢測法主要依據(jù)影像邊緣處灰度梯度的不連續(xù)性來檢測邊界。常用的經(jīng)典邊緣檢測算子包括: Robert算子、Sobel算子、Prewitt算子、Canny算子等[11-12]。這些算子都是用影像的水平和垂直差分來逼近梯度算子, 最終產(chǎn)生一個梯度影像, 達(dá)到突出邊緣的目的。

圖1 GF-3 SAR圖像圍填海解譯標(biāo)志

A. 建設(shè)填海造地用海; B. 農(nóng)業(yè)填海造地用海; C. 港口建設(shè)用海; D. 圍海養(yǎng)殖用海; E. 鹽業(yè)用海; F. 其他用海

A. construction of reclamation land; B. sea area for agriculture reclamation; C. sea area for port construction; D. sea area for aquaculture reclamation; E. salt industry; F. other sea-area use

表2 圍填海方式在SAR圖像上的遙感解譯標(biāo)志

小波變換[13-14]是空間(時間)和頻率的局部變換, 能對信號進(jìn)行多尺度細(xì)化與分析, 有效從信號中提取信息。在岸線提取過程中, 首先將海陸灰度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號, 在海陸分界處數(shù)字信號具有明顯的奇異性, 通過小波技術(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行分析, 找到奇異點, 確定海岸線位置。主動輪廓模型(active contour model)[15-18]算法首先在影像中初始化一個封閉曲線, 然后通過最小化能量泛函使初始曲線運(yùn)動到目標(biāo)對象的邊界, 獲得影像分割結(jié)果。但是由于SAR圖像具有對比度小、易受雷達(dá)固有相干斑噪聲干擾等問題, 主動輪廓模型方法在處理SAR圖像時仍會遇到一些問題, 需進(jìn)一步完善。

幾何主動輪廓模型[19-20]又稱為水平集方法, 是將移動界面作為零水平集嵌入到高一維度的閉合水平集函數(shù)中, 通過水平集函數(shù)的循環(huán)迭代, 確定零水平集即初始輪廓的演化結(jié)果, 其優(yōu)點是輪廓拓?fù)渥赃m應(yīng)能力強(qiáng), 能有效處理輪廓線的分裂合并, 數(shù)值求解穩(wěn)定, 存在唯一解。幾何主動輪廓模型方法可以有效結(jié)合SAR遙感數(shù)據(jù)特點, 因此本文采用該方法進(jìn)行岸線自動提取。上述不同方法在SAR圖像中岸線檢測效果優(yōu)劣對比如表3所示。

表3 SAR圖像岸線提取不同方法性能比較

4 圍填海監(jiān)測技術(shù)流程

海岸線動態(tài)反映圍填海分布信息, 首先針對GF-3 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點, 對SAR圖像預(yù)處理, 包括輻射校正、幾何校正、相干斑降噪等。選取隨機(jī)初始岸線, 利用幾何主動輪廓模型進(jìn)行循環(huán)迭代計算, 將得到的岸線柵格數(shù)據(jù)矢量化, 用ArcGIS軟件行使矢量編輯功能對海岸線精修正, 得到圍填海變遷數(shù)據(jù)。在圍填?，F(xiàn)場進(jìn)行亞米級GPS測量, 分別針對2007—2016年圍填海信息進(jìn)行GPS站位點現(xiàn)場測量, 與圍填海信息自動提取、人工目視解譯和現(xiàn)場測量的結(jié)果進(jìn)行一致性校驗。最后根據(jù)達(dá)到外業(yè)驗證精度要求的數(shù)據(jù)和建立的不同類型SAR圖像遙感解譯標(biāo)志制成圍填海信息專題圖, 如圖2所示。

5 大連金州灣圍填海信息提取

金州灣位于大連市金州鎮(zhèn)西2 km渤海海域, 海域?qū)掗煶蕶E圓形, 南北長28 km, 寬約為15 km。岸線北自金州區(qū)大魏家鎮(zhèn)蕎麥山、葫蘆套一帶, 南至甘井子區(qū)黃龍尾咀, 長約74 km, 面積約為7 453 km2, 是大連地區(qū)渤海沿岸最大的海灣。

以2007年4月SPOT數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 對2016年12月19日金州灣GF-3 SAR數(shù)據(jù)1景, HHHV交叉極化模式, C波段, 窄幅掃描成像模式, 進(jìn)行圍填海變化信息檢測, GF-3如圖3A所示, 圖3B為同期GF-2空間分辨率為1 m真彩色數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)GF-3 SAR衛(wèi)星遙感影像可以更加清晰地表征出海陸分界線, 對比度更強(qiáng)。相對于高分辨率可見光衛(wèi)星遙感影像, 可以減少懸浮泥沙等海洋水色要素的影響。圖4A為基于幾何主動輪廓模型自動提取海岸線, 直觀上該算法可以準(zhǔn)確獲得海岸線位置。采用50個GPS站位點進(jìn)行測量, 如圖4B所示, 進(jìn)行外業(yè)精度驗證。圖4C和圖4D分別為調(diào)查區(qū)域現(xiàn)場照片。通過調(diào)查結(jié)果顯示, 金州灣圍填海用地類型絕大部分為建設(shè)填海用地。GF-3 SAR遙感影像可以準(zhǔn)確獲得圍填海變化信息。經(jīng)過與基礎(chǔ)原始岸線比較, 人工交互精修正, 獲得金州灣圍填海專題圖, 如圖5所示。

圖2 GF-3 SAR圍填海動態(tài)監(jiān)測流程圖

圖3 大連金州灣多源衛(wèi)星遙感影像

A. GF-3號SAR數(shù)據(jù); B. GF-2號真彩色數(shù)據(jù)

A. GF-3 SAR data; B. GF-2 true color data

圖4 自動提取與現(xiàn)場驗證

A. 幾何主動輪廓模型解譯結(jié)果; B. GPS站位點測量; C. 現(xiàn)場調(diào)查區(qū)域1; D. 現(xiàn)場調(diào)查區(qū)域2

A. GAC results, B. GPS site survey, C. Area 1, D. Area 2

6 結(jié)語

依據(jù)圍填海類型在SAR遙感影像和可見光影像上的可分性, 建立了圍填海遙感分類系統(tǒng)及相應(yīng)的圍填海類型解譯標(biāo)志。分析典型SAR遙感影像岸線提取算法優(yōu)缺點, 構(gòu)建了圍填海監(jiān)測技術(shù)流程, 采用幾何主動輪廓模型實現(xiàn)大連金州灣機(jī)場圍填海變化檢測, 并進(jìn)行現(xiàn)場實地精度校驗, 驗證GF-3 SAR衛(wèi)星遙感影像可以有效獲取圍填海變化信息, 在國家海域使用動態(tài)監(jiān)測中具有廣泛地推廣意義。

圖5 金州灣2016年12月圍填海變化專題圖

致謝:

感謝國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供首批GF-3 SAR衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真實驗。

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Marine reclamation monitoring approach research based on GF-3 remote sensing image: A case study of the Jinzhou Bay in Dalian

FAN Jian-chao1, JIANG Da-wei1, 2, ZHAO Jian-hua1, CHU Jia-lan1, XIE Chun-hua3, AN Wen-tao3, HUANG Feng-rong2

(1. National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China; 2. China School of Urban Environment, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China; 3. National Satellite Ocean Application Service, Beijing 100081, China)

GF-3(Gaofen-3) is the first earth observation satellite to be equipped with a full polarimetric synthetic aperture radar (SAR) imaging sensor, which provides the capability for dynamic national marine monitoring. Based on the separability of the reclamation categories in SAR images, in this study, we establish a land reclamation classification system and interpret marks associated with the corresponding reclamation categories. In addition, we apply and analyze various coastline extraction approaches with respect to SAR imagery and establish a flowchart for the reclamation monitoring process. We adopt the geometric active contour model to automatically extract the coastline from GF-3 SAR imagery and use reclamation-change range information to generate a thematic map for GF-3 SAR images. Our field survey results demonstrate that GF-3 SAR remote sensing imagery can be effectively used to obtain reclamation information.

synthetic aperture radar; interpretation mark; geometric active contour model; GF-3 (Gaofen-3)

(本文編輯: 劉珊珊)

[National Key R&D Program of China, No.2017YFC1404902, No.2016YFC1401007; National Natural Science Foundation of China, No. 41706195, 61273307; National High Resolution Special Research, No. 41-Y30B12-9001-14/16]

Nov. 30, 2016

范劍超(1985-), 內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市人, 副研究員, 博士, 研究方向為SAR圖像信息提取, 人工智能技術(shù)等, E-mail: jcfan@nmemc.org.cn

TP79

A

1000-3096(2017)12-0060-06

10.11759/hykx20161130002

2016-11-30;

2017-04-07

國家重點研發(fā)計劃(2017YFC1404902, 2016YFC1401007); 國家自然科學(xué)基金項目(41706195, 61273307); 國家高分重大科研專項(41-Y30B12-9001-14/16)