“高分一號(hào)”衛(wèi)星遙感影像面向?qū)ο蟮乃吘€提取

趙芝玲 李慧 董月娥 徐偉 王萍 荊林海

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“高分一號(hào)”衛(wèi)星遙感影像面向?qū)ο蟮乃吘€提取

趙芝玲1,2李慧2董月娥3徐偉3王萍1荊林海2

（1 山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266950）（2 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

水邊線提取對(duì)揭示沿海地區(qū)自然資源管理狀況和人工海域使用程度具有重要的指示作用。文章以津冀地區(qū)沿海城市海岸帶為例，選取“高分一號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射校正、幾何校正、影像融合和裁剪等處理，然后采用面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)提取技術(shù)自動(dòng)提取了研究區(qū)內(nèi)大范圍的水邊線，并在充分了解不同海岸類型的遙感解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上對(duì)提取的岸線進(jìn)行了分類。結(jié)果顯示研究區(qū)的岸線類型主要以砂礫質(zhì)岸線、養(yǎng)殖/鹽田岸線和港口碼頭岸線為主。在分類結(jié)果的精度驗(yàn)證過(guò)程中，以與“高分一號(hào)”衛(wèi)星相近時(shí)期的亞米級(jí)遙感影像為底圖，以目視解譯的方式從中提取高精度的海岸線，并將目視解譯的結(jié)果與從“高分一號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取到的岸線進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，兩者位置、長(zhǎng)度等基本吻合，從而證明了該海岸線提取方法對(duì)高分辨率遙感影像的有效性。該方法為基于“高分一號(hào)”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍海岸的水邊線提取提供了技術(shù)支撐，也為實(shí)現(xiàn)中國(guó)海岸線的定期自動(dòng)更新奠定了基礎(chǔ)。

面向?qū)ο蠓椒?水邊線提取 岸線類型 “高分一號(hào)”衛(wèi)星 遙感應(yīng)用

0 引言

海岸線是地球表面上最重要的線性特征之一，具有一種動(dòng)態(tài)的自然特征[1]。海岸線是劃分陸地與海洋的水邊界，并受地質(zhì)作用、海洋泥沙淤積、氣象、海洋條件和人類活動(dòng)等綜合因素的影響。海岸線的變化會(huì)改變潮間帶的海灘資源和環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，進(jìn)而影響人類的生產(chǎn)和生活[2]。因此，研究如何快速、實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地提取海岸線及識(shí)別岸線類型對(duì)沿海地區(qū)生態(tài)資源和海域使用管理具有重大 意義[3]。

傳統(tǒng)的岸線提取手段主要有實(shí)地測(cè)量法和攝影測(cè)量法，通過(guò)量測(cè)拐點(diǎn)坐標(biāo)并順序連接這些點(diǎn)從而形成岸線[4-5]。例如，文獻(xiàn)[5]依據(jù)海岸線測(cè)量的特點(diǎn)用摩托車攜帶差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）進(jìn)行海岸線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。盡管GPS定位技術(shù)已經(jīng)使海岸線采集工作便捷了很多，但是仍需大量的野外踏勘，不利于推廣大面積的岸線提取和應(yīng)用。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，很多人利用遙感影像對(duì)海岸線提取做過(guò)研究。如文獻(xiàn)[6]針對(duì)淤泥質(zhì)海岸，利用水體和陸地反射率的差異采用閾值法從TM數(shù)據(jù)中成功提取了海岸線。文獻(xiàn)[7]利用遙感和地理信息系統(tǒng)集成技術(shù)評(píng)價(jià)了紅樹(shù)林的損壞對(duì)海岸線遷移的影響。文獻(xiàn)[8]采用TM和ETM+數(shù)據(jù)結(jié)合改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）來(lái)提取海陸分界線，然后通過(guò)比較1989、2000和2010年的海岸線變化計(jì)算得到這21年來(lái)海岸在侵蝕和堆積作用下增加或減少的陸地面積。文獻(xiàn)[9]利用印度光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)了門(mén)戈洛爾沿岸地區(qū)4個(gè)不同年份的海岸線變化，主要用到的自動(dòng)岸線檢測(cè)技術(shù)是直方圖均衡化和自適應(yīng)閾值技術(shù)。文獻(xiàn)[10]針對(duì)不同的海岸類型利用SPOT衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取了秦皇島地區(qū)的水邊線并結(jié)合潮位校正的方法得到真正的岸線，最后通過(guò)疊加多時(shí)相的提取結(jié)果定量分析北戴河砂礫質(zhì)海岸線的變化。文獻(xiàn)[11]利用Landsat衛(wèi)星影像對(duì)唐山市近30年來(lái)5個(gè)時(shí)期的海岸帶類型和長(zhǎng)度進(jìn)行解譯并分析了海岸線遷移的規(guī)律，并預(yù)測(cè)唐山市海岸線長(zhǎng)度在沿海經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的前提下將繼續(xù)增加。文獻(xiàn)[12]探討了海岸線的定義模糊問(wèn)題，總結(jié)了傳統(tǒng)遙感方法測(cè)量方法的局限性，并介紹了利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取水邊線的廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[13]利用4個(gè)不同時(shí)間的Landsat衛(wèi)星和HJ-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析杭州灣的海岸線變遷，提取了變化的位置、長(zhǎng)度以及增加或減少的陸地面積，總結(jié)了杭州灣的岸線變化規(guī)律。文獻(xiàn)[14]從ETM+遙感數(shù)據(jù)中提取了黃河三角洲區(qū)域淤泥質(zhì)岸線和人工岸線，比較了Sobel邊緣檢測(cè)算子和MNDWI的海岸線提取效果，認(rèn)為前者的提取精度更高。文獻(xiàn)[15]利用WorldView-2衛(wèi)星影像對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同的海岸線類型建立了不同的解譯標(biāo)志，并采用閾值法實(shí)現(xiàn)了各類海岸水邊線的自動(dòng)提取。文獻(xiàn)[16]以“高分二號(hào)”（GF-2）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為例，利用面向?qū)ο蠓椒▽?duì)海岸線進(jìn)行了提取并將提取結(jié)果與GF-2衛(wèi)星影像進(jìn)行疊加驗(yàn)證，結(jié)果較理想。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于潮間帶數(shù)字高程模型和潮汐模型的岸線提取方法，并通過(guò)該方法得到了真正的海岸線即大潮高潮線，該方法彌補(bǔ)了遙感影像只反映瞬時(shí)海岸線狀態(tài)的不足。文獻(xiàn)[17]采用SPOT-4衛(wèi)星影像對(duì)河北秦皇島地區(qū)不同類型海岸帶設(shè)計(jì)了不同的提取方法，并利用同期海岸線的實(shí)地GPS測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了海岸線提取精度。從上述的海岸線研究中可以看出，遙感技術(shù)的高時(shí)效、大范圍、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)克服了傳統(tǒng)的海岸線提取方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率和準(zhǔn)確性低的缺點(diǎn)，并逐步成為了海岸線提取的主要方法之一。

隨著影像空間分辨率的提高，傳統(tǒng)的基于像素光譜統(tǒng)計(jì)的目標(biāo)提取技術(shù)受到限制，面向?qū)ο蠓椒ㄖ饾u成為處理高分影像的一種主要方法，該方法也在海岸線提取中得到了普遍應(yīng)用。面向?qū)ο蠓ㄗ鳛樗吘€自動(dòng)解譯方法的一種，結(jié)合目標(biāo)地物本身光譜、紋理、色調(diào)、形狀等特征先對(duì)圖像進(jìn)行分割再分類。尤其在高分辨率遙感影像中，該方法相對(duì)于其他分類方法具有較大的優(yōu)勢(shì)。本文以河北天津沿海地區(qū)為研究區(qū)，采用面向?qū)ο蠓ê虶IS技術(shù)相結(jié)合，提取出最新的（2015~2016年）津冀海域的水邊線并統(tǒng)計(jì)其長(zhǎng)度、類型以及濱海陸地類型，從而揭示河北天津地區(qū)的海岸帶自然資源管理狀況和人工海域使用程度，為該地區(qū)今后的發(fā)展提供參考和保障。本文所要提取的海岸線實(shí)際上是米級(jí)高分辨率遙感影像上的瞬時(shí)水邊線，但真正海岸線的定義是平均大潮高潮時(shí)海陸分界的痕跡線。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 區(qū)域概況

津冀沿海地區(qū)主要包括天津市和河北三市（滄州、唐山、秦皇島）所轄行政區(qū)，見(jiàn)圖1，毗鄰北京，東臨渤海，北與遼寧省葫蘆島市為鄰，南與山東省濱州市為界，地理坐標(biāo)位于北緯37°29′至39°，東經(jīng)117°20′至119°19′，處于環(huán)渤海地區(qū)中心地帶。該區(qū)擁有黃驊港、天津港、唐山港、秦皇島港四大港口，陸域面積約3.8萬(wàn)平方千米，海域面積約1萬(wàn)平方千米。

圖1 津冀沿海研究區(qū)影像疊加圖

1.2 遙感數(shù)據(jù)源

以津冀沿海地區(qū)的海岸為例，選取2015~2016年的17景“高分一號(hào)”（GF-1）衛(wèi)星影像覆蓋整個(gè)研究區(qū)。該星搭載了2臺(tái)高分辨率全色/多光譜相機(jī)（PMS）相機(jī)和4臺(tái)中分辨率的寬幅相機(jī)（WFV），其中PMS相機(jī)的幅寬大于60km，WFV相機(jī)拍攝的圖像幅寬大于800km，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 “高分一號(hào)”衛(wèi)星有效載荷部分技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Some technical specifications of GF-1 satellite payload

本研究需要提取高精度的水邊線，主要使用2m分辨率全色/8m分辨率多光譜PMS相機(jī)，重訪和覆蓋周期分別為4天和41天，基本能達(dá)到研究區(qū)海岸線以月為周期監(jiān)測(cè)的需求?？紤]到研究區(qū)冬季海水結(jié)冰的現(xiàn)象，在選取遙感數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)盡量避免12月至次年2月的影像。

2 基于面向?qū)ο蠓椒ǖ暮０毒€提取

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在應(yīng)用該數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線提取前，需要分別對(duì)全色影像和多光譜影像進(jìn)行遙感預(yù)處理，主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正和圖像融合、裁剪等。其中輻射定標(biāo)和大氣校正是為了獲得目標(biāo)的表觀反射率，將DN值轉(zhuǎn)換成具有實(shí)際物理意義的大氣頂層輻射亮度或反射率。還需對(duì)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，把獲取的所有數(shù)據(jù)都與具有準(zhǔn)確地理坐標(biāo)的Google Earth衛(wèi)星影像進(jìn)行同名點(diǎn)的選取以糾正較為明顯的幾何偏差。圖像融合在高分辨率遙感影像的信息提取中也是極為必要的，本文對(duì)校正過(guò)的2m全色影像和8m多光譜影像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。大氣校正選用的是ENVI軟件中的FLAASH模型；幾何校正以0.5m Google Earth影像為參考影像，依據(jù)同名點(diǎn)選取的原則，采用手動(dòng)選取控制點(diǎn)和ArcGIS軟件相結(jié)合，利用二次多項(xiàng)式分別對(duì)全色和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，誤差控制在1個(gè)像元內(nèi)；數(shù)據(jù)融合采用的是PCI軟件中的Pansharp算法[18-19]，該方法能較好地保存影像的光譜紋理細(xì)節(jié)信息。圖2為秦皇島某一景影像預(yù)處理前后的影像對(duì)比圖（波段4,3,2標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成），可以看到，影像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后分辨率得到了明顯提高，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別海岸線。

（a）原始GF-1衛(wèi)星多光譜圖像 （b）多光譜融合圖像

2.2 海岸線位置確定

多尺度分割算法是面向?qū)ο笥跋裥畔⑻崛〖夹g(shù)的基礎(chǔ)和核心，而分形網(wǎng)絡(luò)演化方法（Fractal Net Evolution Approach，F(xiàn)NEA）是廣泛應(yīng)用的一種多尺度分割算法[20]。本文在該算法基礎(chǔ)上提出以下技術(shù)流程，如圖3所示?；诟叻直媛蔬b感影像的面向?qū)ο蠛０毒€提取方法主要分為三步：影像分割、分類、分類后處理（如孔洞填充和小面積區(qū)域合并等）。

圖3 海岸線提取技術(shù)流程

2.2.1 多尺度影像分割

多尺度影像分割通過(guò)合并相鄰的分割對(duì)象，在保證對(duì)象與對(duì)象之間異質(zhì)性最小的前提下，基于區(qū)域合并技術(shù)實(shí)現(xiàn)影像分割[21]。在eCognition中進(jìn)行多尺度分割時(shí)，首先需要選取最適當(dāng)?shù)姆指畛叨?、波段?quán)重、形狀和緊致度參數(shù)。其中分割尺度越大生成的影像對(duì)象越大，反之越小。對(duì)提取信息用處較大的波段可以賦予較大的權(quán)重，本文在提取水體信息時(shí)可以給近紅外波段賦予更大的權(quán)重，因?yàn)樗w在近紅外波段包含更多的光譜信息。本文主要是提取海岸線，不涉及對(duì)其他地物的分類，所以在滿足一定的分割效率時(shí)可以選擇相對(duì)較大的分割尺度。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本文最終確定分割尺度為100時(shí)效果最佳，在該分割尺度下不僅地物細(xì)節(jié)得到了較好的區(qū)分，分割時(shí)間也較短。

2.2.2 影像分類及分類后處理

為了獲得海域輪廓線，只需要將影像分為海水和陸地兩大類，不涉及其他地物的分類。本文采取規(guī)則分類的方法判斷分割對(duì)象是否是一個(gè)類別，要提取的類別認(rèn)為是目標(biāo)類別，其他類別認(rèn)為是背景類別，當(dāng)目標(biāo)類別和背景類別在某一特征上差別很大時(shí)，可以通過(guò)指定類算法來(lái)創(chuàng)建分類規(guī)則。此處海水為目標(biāo)類別，陸地則為背景類別。

針對(duì)水體，可以在自定義特征歸一化水體指數(shù)（NDWI）的基礎(chǔ)上來(lái)建立規(guī)則，主要的理論依據(jù)是水體從可見(jiàn)光波段到紅外波段的反射率逐漸降低，在短波段（藍(lán)綠）反射率很強(qiáng)，而在近紅外波段幾乎全吸收且水體呈黑色，因此可用綠波段和近紅外波段的反差來(lái)突出影像中的水體信息

所以，對(duì)GF-1衛(wèi)星融合后影像的NDWI選擇適當(dāng)?shù)拈撝祦?lái)分離水體和非水體，提取海水的同時(shí)會(huì)將陸地水體也提取出來(lái)，所以需要用面積特征將陸地內(nèi)小面積水體從水體類別中剔除，同時(shí)將海水中船只等非水地物從非水體類別中剔除。分類過(guò)程還會(huì)受到其他因素的影響如浪花、泥沙等，對(duì)于水邊線向海一側(cè)的浪花，由于NDWI值比較低，容易誤判為陸地，可以根據(jù)亮度特征和距海水距離特征把海浪從陸地類別中剔除，同時(shí)把海浪移到海水類別中。另外，由于海灘水與泥沙混合，水邊線的提取容易受到泥沙影響，可以利用近紅外波段特征把淺灘泥沙從陸地類別改變到海水類別中。因此，本文設(shè)計(jì)了不同影響因素下的各種海岸線提取規(guī)則，在無(wú)浪花和泥沙影響的情況下，采用的提取規(guī)則不同。

在消除各種干擾因素的影響之后，再分別對(duì)兩種類別所包含的分割對(duì)象進(jìn)行合并，此時(shí)影像就分為海水和非海水兩類。針對(duì)大范圍水邊線提取，本文對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同類型海岸線自動(dòng)提取方法模型進(jìn)行綜合和融合，構(gòu)建面向?qū)ο蠓椒ㄗ詣?dòng)提取水邊線的分類規(guī)則，以獲得整個(gè)研究區(qū)的海陸分類圖。圖4為研究區(qū)內(nèi)兩個(gè)局部區(qū)域的分類結(jié)果圖，其中海水為藍(lán)色顯示，陸地為紅色顯示。最后把分類結(jié)果以矢量形式輸出就可以提取出完整的海岸線，即確定海岸線的幾何位置。

（a）區(qū)域1原圖 （b）區(qū)域1分類圖

（a）Original image of region 1 （b）Classification map of region 1

2.3 海岸線類型識(shí)別

海岸線提取的內(nèi)容包括幾何位置的確定和海岸線類型的識(shí)別。通過(guò)分析海岸線在遙感影像上的特征以及海岸線與海岸類型之間的關(guān)系，本研究識(shí)別出該研究區(qū)提取的所有水邊線類型。參照中國(guó)大陸岸線分類體系[22]，海岸線按形成的原因可以分為自然岸線和人工岸線兩種類型，按岸線的形態(tài)又可以細(xì)分為各種不同的岸線類型。

參考不同岸線類型的遙感解譯標(biāo)志，結(jié)合影像光譜屬性、紋理屬性和類屬性，本文對(duì)提取的津冀地區(qū)海岸線進(jìn)行分類，并給每一段岸線賦予屬性，統(tǒng)計(jì)完整岸線類型。解譯結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)主要包括的海岸類型有基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線、淤泥質(zhì)岸線、生物岸線等自然岸線（圖5），養(yǎng)殖/鹽田圍堤岸線、港口碼頭岸線、城鎮(zhèn)與工業(yè)岸線、防護(hù)岸線等人工岸線（圖6）。

（a）基巖岸線 （b）淤泥質(zhì)岸線 （c）砂礫質(zhì)岸線 （d）生物岸線

（a）養(yǎng)殖/鹽田岸線 （b）城鎮(zhèn)與工業(yè)岸線 （c）港口碼頭岸線 （d）防護(hù)岸線

本文將自動(dòng)提取的水邊線與河北省和天津市的行政界線相結(jié)合，分析津冀地區(qū)海岸線類型的分布情況。津冀地區(qū)大陸海岸線東起秦皇島市山海關(guān)區(qū)，與遼寧海域交界，南至滄州市海興縣，與山東海域交界。從圖7可見(jiàn)，秦皇島市的海岸線類型主要以砂礫質(zhì)岸線和港口碼頭岸線為主，而唐山市、天津市和滄州市的海岸線主要都是以養(yǎng)殖/鹽田岸線和港口碼頭岸線為主。總的來(lái)說(shuō)，津冀海區(qū)的岸線類型還是比較豐富的，沿岸河流縱橫，地貌復(fù)雜多樣，是海水養(yǎng)殖、海鹽生產(chǎn)、港口航運(yùn)、城市工業(yè)化建設(shè)等人類生產(chǎn)活動(dòng)的重要場(chǎng)所。其中海水養(yǎng)殖主要分布在樂(lè)亭縣、曹妃甸新區(qū)、昌黎縣和黃驊縣；鹽場(chǎng)用地主要集中在黃驊縣、海興縣、樂(lè)亭縣、曹妃甸新區(qū)和豐南縣；港口航運(yùn)用地主要集中在曹妃甸新區(qū)、樂(lè)亭縣、秦皇島海港區(qū)和天津?yàn)I海新區(qū)；城市建設(shè)和工業(yè)用地主要集中在曹妃甸新區(qū)、豐南縣、唐山海港開(kāi)發(fā)區(qū)、秦皇島山海關(guān)及北戴河等地。研究海岸帶類型對(duì)潮間帶區(qū)域的資源有效利用和沿海地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃有著重要的指示作用。

圖7 津冀地區(qū)海岸線分類圖

3 結(jié)果與分析

由于本文旨在提取河北省和天津市管轄的海岸線，研究區(qū)覆蓋范圍較大。因此，為了保證海岸線的提取結(jié)果的精度，需要對(duì)自動(dòng)提取結(jié)果進(jìn)行檢查和糾正。對(duì)河口岸線，人工確定河海分界線，主要原則包含以靠近河口的道路橋梁或防潮閘作為河海分界線，以河口地區(qū)地貌形態(tài)來(lái)判定河口岸線，即以河口忽然變寬處的凸起點(diǎn)連線作為河海分界線，存在明顯行政性界限的則依據(jù)界線來(lái)確定[22]。本文在采用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行高分辨率遙感影像的水邊線提取時(shí)依據(jù)上述原則及經(jīng)驗(yàn)對(duì)自動(dòng)提取的水邊線進(jìn)行優(yōu)化，最后得到津冀地區(qū)沿海城市的海岸線與影像疊加圖（圖8）。

圖8 津冀地區(qū)海岸線提取與影像疊加圖

因?yàn)檠芯咳狈?shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)，本文在同時(shí)期的亞米級(jí)Google Earth衛(wèi)星影像上對(duì)研究區(qū)內(nèi)海岸線進(jìn)行了人工解譯，通過(guò)對(duì)比自動(dòng)提取的岸線長(zhǎng)度和人工提取的岸線長(zhǎng)度來(lái)驗(yàn)證上述方法的提取精度。結(jié)合已有研究資料，分別統(tǒng)計(jì)了津冀地區(qū)秦皇島、唐山、天津和滄州4市的岸線長(zhǎng)度，見(jiàn)表2。表2中基線為我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)（簡(jiǎn)稱908專項(xiàng)）修測(cè)岸線，實(shí)測(cè)時(shí)間大約為2005年前后[23]

表2 津冀地區(qū)岸線長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

Tab.2 Length statistics of coastlines in Tianjin and Hebei

本研究選取的是最新的遙感數(shù)據(jù)，影像獲取時(shí)間為2015年6月至2016年9月，所以本文所提取的水邊線基本上可以代表我國(guó)環(huán)渤海地區(qū)部分最新岸線情況。由表2可知，每個(gè)城市的自動(dòng)提取岸線長(zhǎng)度要比人工解譯的岸線長(zhǎng)度多3~5km左右，因?yàn)樽詣?dòng)提取岸線是利用面向?qū)ο蠓椒?，這個(gè)方法需要先把圖像分割成成千上萬(wàn)個(gè)對(duì)象，而每個(gè)對(duì)象的邊界都是鋸齒狀的，但人工解譯的邊界是較為光滑的，所以這個(gè)誤差是在可允許范圍內(nèi)的。本文的精度驗(yàn)證以人工解譯的岸線為準(zhǔn)，結(jié)合目視解譯的結(jié)果可以看到自動(dòng)提取的岸線與實(shí)際情況基本吻合，計(jì)算得到自動(dòng)提取精度可以達(dá)到97.4%。由此可見(jiàn)，本研究所采用的岸線提取方法是可靠有效的，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)海岸線定期自動(dòng)更新奠定了一定的基礎(chǔ)。

再結(jié)合2.3節(jié)岸線類型可以看到，近十年圍海養(yǎng)殖、鹽田建設(shè)、港口碼頭開(kāi)發(fā)和城市工業(yè)發(fā)展等大量的人工填?；顒?dòng)逐漸增多，使得海岸線由自然岸線向人工岸線慢慢轉(zhuǎn)變，津冀地區(qū)海岸線長(zhǎng)度增長(zhǎng)較為明顯。從表2還可以看到，本文在影像上提取的岸線長(zhǎng)度與歷史資料有些出入，主要是因?yàn)橐阎毒€長(zhǎng)度并未將港口碼頭岸線、養(yǎng)殖岸線、鹽田岸線等計(jì)算在內(nèi)，而本研究在進(jìn)行岸線提取時(shí)將其都視為海岸線的一部分，即劃分標(biāo)準(zhǔn)不同所致。由圖8可見(jiàn)，與908基線相比，2005/2006~2015/2016這十年間海岸線向海域推進(jìn)了較大距離，特別是天津港、黃驊港、曹妃甸工業(yè)區(qū)這些圍填海聚集區(qū)，其中唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)最遠(yuǎn)處向海域推進(jìn)了近20km，天津港地區(qū)最遠(yuǎn)處向海域推進(jìn)了約13km，黃驊港地區(qū)最遠(yuǎn)處向海域推進(jìn)了14km，圖中黃框區(qū)域?yàn)榘毒€變化明顯處。而圍海養(yǎng)殖對(duì)淤泥質(zhì)及砂礫質(zhì)岸線的占用也使自然岸線大量縮短，綜上所述，這些建設(shè)圍堤的大量增加導(dǎo)致了津冀地區(qū)海岸線長(zhǎng)度的大幅度增長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以我國(guó)津冀地區(qū)沿海城市為研究對(duì)象，采用GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)影像預(yù)處理、融合、多尺度分割、模糊分類等方法對(duì)海水邊線進(jìn)行自動(dòng)提取，構(gòu)建了一套利用面向?qū)ο蠓椒ㄗ詣?dòng)提取大范圍水邊線的技術(shù)流程，成功提取出河北省和天津市管轄的海岸線，并獲取了岸線的幾何位置、類型和長(zhǎng)度等信息。由于部分海岸帶地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)困難，且研究區(qū)覆蓋范圍較廣，所以本文結(jié)合與GF-1衛(wèi)星影像同時(shí)期的亞米級(jí)遙感影像（Google Earth）進(jìn)行精度驗(yàn)證。與目視解譯結(jié)果對(duì)比不難看出，本文方法可以快速高效地提取水邊線，為我國(guó)海岸線的大范圍實(shí)時(shí)獲取提供了可能。

但是，由于缺少驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)，本文提取的海岸線其實(shí)是該時(shí)期影像的瞬時(shí)水邊線。下一步研究可以針對(duì)提取的岸線進(jìn)行潮位校正以獲取具有實(shí)際意義的海岸線。一般情況下，人工岸線和基巖岸線受潮位影響較小，而砂礫質(zhì)岸線受漲潮落潮的影響就很大，因此，砂礫質(zhì)海岸必須通過(guò)潮位校正才可以得到準(zhǔn)確的岸線位置。文獻(xiàn)[3]已詳細(xì)論述過(guò)潮位校正的方法，本文不再作解釋。另外，未來(lái)的工作還可以考慮結(jié)合多時(shí)期高分辨率遙感影像監(jiān)測(cè)海岸線變化，并根據(jù)定量指標(biāo)分析津冀地區(qū)海岸線的變化情況。

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（編輯：王麗霞）

Object-oriented Waterline Extraction Based on GF-1 Satellite Remote Sensing Images

ZHAO Zhiling1,2LI Hui2DONG Yue’e3XU Wei3WANG Ping1JING Linhai2

（1 College of Geosciences, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China）（2 Key Laboratory of Digital Earth, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences，Beijing100094, China）（3 National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China)

Waterline extraction is significant to reveal the management of natural resources in coastal areas and the utilization degree of artificial coastal zones. In this research, the coastal zones in Tianjin and Hebei province are selected as the study areas. Based on GF-1 satellite data, the following processes are performed，such as radiometric correction, geometric correction, image fusion and subseting. Then, a wide range of waterline in study area is automatically extracted using object-oriented method. After that, the extracted coastline is classified based on the remote sensing interpretation symbols of different coastal types. The results show that coastline types in study area are mainly sandy coast, aquaculture/saltern coast and harbor dock coast. With contemporaneous submeter remote sensing data (Google Earth images), the coastline is also precisely extracted by visual interpretation. Finally, by comparison of the results obtained from GF-1satellite images and Google Earth images, the position and length of extracted coastline are verified, which proves that this method is effective for coastline extraction of high resolution remote sensing images. This method provides a technical support for the large-scale waterline extraction based on domestic independent high resolution remote sensing data, and lays a foundation for the accomplishing of the automatic updating of the coastline in China.

object-oriented method; waterline extraction; coastal types; GF-1 satellite; remote sensing application

TP 79

A

1009-8518(2017)04-0106-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.04.013

趙芝玲，女，1992生，2014年獲山東科技大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在山東科技大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。研究方向?yàn)楦叻诌b感圖像信息提取和資源環(huán)境遙感。E-mail：471503173@qq.com。

荊林海，男，1971生，2008年獲加拿大約克大學(xué)地理空間信息與遙感專業(yè)博士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)楦叻直媛蔬b感圖像信息處理算法。E-mail：jinglh@radi.ac.cn。

2017-04-10

中國(guó)科學(xué)院“百人項(xiàng)目”（Y34005101A, Y2ZZ03101B）；中國(guó)科學(xué)技術(shù)部國(guó)家科技支撐計(jì)劃專題（2015BAB05B05-02）；高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（30-Y20A37-9003-15/17）；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDRW-ZS-2016-6-1-3）；國(guó)家海洋局項(xiàng)目（Y21702011）