基于Canny算子的南通江海岸線研究

蔣科迪，殷 勇，范開桂，張 凌

(1.南京大學地理與海洋科學學院海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京 210046;2.河海大學海洋學院，江蘇 南京 210098)

海岸帶環(huán)境獨特，是大氣圈、水圈、巖石圈相互作用活躍和敏感的地帶[1]，同時也是受人類活動影響較大的地帶。海岸線作為多年平均大潮高潮所形成的海水和陸地分界線的痕跡線[2-3],其時空變化對于研究海岸帶動力地貌演化和環(huán)境承載力指數(shù)有重要向?qū)ё饔?。因岸線具有瞬時性、動態(tài)變化性[4],因此，在實際應(yīng)用中，常用平均高水邊線(MHWL)、瞬時高水邊線(IHWL)、低水邊線(LWL)、干濕分界線、植物界線、沖痕線、灘線來替代海岸線[5]。目前，國內(nèi)外學者?；诔练e學、地貌學、環(huán)境考古學、歷史地理學、數(shù)值模擬、遙感解譯等方法研究海岸線變遷。近幾十年來，基于RS和GIS提取和分析可靠、有價值的目標地物信息，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)監(jiān)測海岸動態(tài)變化，研究長尺度岸線變遷已成為研究熱點。

當前，基于RS、Matlab等自動提取影像瞬時水邊線技術(shù)的研究較為深入。這些自動提取水邊線的方法包括閾值分割法(密度分割法)、邊緣檢測法、色差算子提取法(CDC法)、區(qū)域生長提取法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法等?；诔睘┯跋窆庾V特性,文獻[6]基于TM影像合適的閾值，區(qū)分了淤泥質(zhì)海岸和混濁的海水，但該方法提取水邊線時受波段組合和所處位置坡度影響。文獻[7]提出了依據(jù)傳統(tǒng)閾值分割法改進的多閾值形態(tài)分割法，利用形態(tài)學算子處理沿海岸線孤立區(qū)域。文獻[8]使用改進的亞像元分解方法(ISPCW)，有效提取了上海長江入海口區(qū)域海岸瞬時水邊線。文獻[9]利用Sobel算子清晰檢測了不同時相SAR-TM融合影像海岸線。文獻[10]基于多源遙感影像數(shù)據(jù)(Landsat和ERS-2 SAR)，使用Laplace-Gauss算子、Robert算子和Sobel算子提取了長江口渾濁帶九段沙泥灘的瞬時水邊線，并指出Sobel算子提取精度優(yōu)于Robert算子和Laplace-Gauss算子。文獻[11]利用小波變化法提取了加拿大比格里弗河口SAR影像瞬時水邊線。文獻[12]基于影像彩色信息，使用色差算子，兼顧邊緣定位精確性和抑噪性，有效提取了不同類型海岸水邊線信息。文獻[13]基于多期Landsat影像，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法，實現(xiàn)了對珠江口岸線長尺度的動態(tài)監(jiān)測并定量分析了岸線變化的原因和珠江口陸地沖淤面積。以上大部分研究因未充分考慮潮汐等因素的影響，默認提取的瞬時水邊線為海岸線，因此存在較大誤差。對此，文獻[14]提出了潮位校正觀點，文獻[15]指出了潮位校正即水邊線至高潮線的水平距離的校正。

本文基于RS和Matlab平臺，使用改進的Canny算子提取多期遙感影像瞬時水邊線，并結(jié)合研究區(qū)海岸類型特點和呂四港多年潮汐數(shù)據(jù)矯正提取的瞬時水邊線，最終獲取南通市1972—2018年近50年江海岸線空間分布位置。

1 研究區(qū)概況

自晚更新世以來，蘇北平原受里斯-玉木間冰期、早玉木冰期、玉木亞間冰期、晚玉木冰期和冰后期交替影響，曾有過3次海進、2次海退[16-18]。全新世晚玉木冰期氣候轉(zhuǎn)暖，南黃海海平面上升至現(xiàn)代海平面水下30～40 m(10 kaBP)，蘇北岸外開始大規(guī)模發(fā)育古黃河—古長江三角洲。文獻[16]認為弶港即為長江遺棄古河口，全新世冰后期，長江口不斷南移，奠定了蘇北平原南部現(xiàn)代南通地貌的基礎(chǔ)。1885年黃河北歸，南通海岸和沿岸水下沙洲重新調(diào)整，形成了現(xiàn)代南通江海岸線格局。20世紀50年代以來，受復雜自然因素和強烈人類經(jīng)濟活動的雙重影響，研究區(qū)江海岸線變遷更為頻繁。南通外沿海岸線北起新閘港，向東南延伸至連興港，全長約198.7 km[19]，屬粉砂淤泥質(zhì)海岸。其中，新港閘—東灶港段為淤長岸段，東灶港—蒿枝港岸段侵蝕嚴重(大洋港兩側(cè)岸段侵蝕最為劇烈)，蒿枝港—連興港岸段相對穩(wěn)定略有淤長；江岸線從啟東咀向西延伸至靖江焦港，全長約165 km，屬河口岸段，沿江岸段上覆蓋大量松散第四紀沉積物。研究區(qū)沿岸灘涂資源豐富，潮上帶灘涂面積約39.667 km2，潮間帶灘涂面積約1342 km2，有“黃金海岸”美稱[20]。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

多時相MSS、TM、OLI系列影像數(shù)據(jù)(見表1)下載自美國USGS官網(wǎng)，其中MSS影像空間分辨率為80 m，TM與OLI影像空間分辨率為30 m(OLI Band 8全色波段影像為15 m)。

表1 Landsat衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)

2.2 潮汐數(shù)據(jù)

研究收集了呂四港近5年來潮汐數(shù)據(jù)(歷史潮位數(shù)據(jù)主要通過潮汐調(diào)和分析進行推算獲得)。其中，2011年至今的潮位數(shù)據(jù)采集方式為固定時長的連續(xù)采集方式，每隔5 min采集一次，每次采集時長為3 s。

3 瞬時水邊線提取

3.1 圖像預處理

南通市整體涉及3景影像(119-37、119-38、118-38)，需先鑲嵌拼合圖像、羽化邊緣并按經(jīng)緯度坐標分幅裁剪。為提高后期Canny算子檢測精度，本文使用ENVI 5.2中FLAASH大氣校正模型實現(xiàn)大氣校正，提高影像質(zhì)量。圖像幾何精校正結(jié)合1∶50 000地形數(shù)據(jù)，均勻選取30個地面控制點(GCP)，使用二次多項式糾正模型，利用雙線性內(nèi)插法配準遙感影像圖，校正遙感器的位置及姿態(tài)的測量精度誤差，使重采樣后4期影像總體誤差在1個像元之內(nèi)。

3.2 圖像增強

大氣校正后的4期影像清晰度大幅提升，但仍存在些許椒鹽噪聲和斑點。在此，本文選用中值濾波(濾波核為3×3)平滑圖像。

3.3 圖像分割

目前，基于灰度特征和紋理特征均可以實現(xiàn)圖像分割(如圖1所示)，常用Hough變換、Otsu2D、Gabor濾波器、分裂合并法分割圖像。本文使用計算簡單、分類效果較好的Otsu2D自動閾值法分割圖像[21]。按二維矢量描述像素，一幅灰度圖像可表示為

FM×N=[f1(x,y),f2(x,y)]M×N

式中，M×N表示圖像大?。籪1(x,y)∈GL=(0，1，2，…，L-1)表示(x，y)處灰度值；f2(x,y)∈GL=(0，1，2，…，L-1)表示(x，y)鄰域處灰度值。像素灰度級為i、鄰域灰度均值為j的聯(lián)合概率密度為

pij=p(f1=i,f2=j)=Nij/M×N

式中，Nij為矢量(i，j)出現(xiàn)的頻數(shù)。本文假設(shè)閾值(s，t)，則

式中，ωb為背景目標概率；ωo為目標類目標概率。兩類對應(yīng)的均值矢量為

則最佳閾值矢量為

3.4 Canny算子瞬時水邊線提取

John F Canny于1986年提出了多級邊緣檢測算子(Canny算子)[22]，此后該算子被廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)Canny算子在實際檢測中受局部噪聲干擾且會檢測出虛假邊緣，因此許多學者基于傳統(tǒng)的Canny算子和實際檢測圖像作了相應(yīng)的改進[23-25]。針對直接使用Canny算子檢測的不足，本文在檢測圖像邊緣前，綜合利用ENVI 5.2和Matlab 2016b工具實現(xiàn)圖像增強、圖像分割(如圖1所示)。對比Sobel算子(如圖2所示)和傳統(tǒng)Canny算子(如圖3所示)邊緣檢測圖像，改進后的Canny算子(如圖4所示)定位更精確、單邊緣響應(yīng)性更好、信噪比更高。

4 潮位校正

研究區(qū)外沿海岸線以粉砂淤泥質(zhì)海岸和人工海岸為主，結(jié)合目視解譯標志，利用改進后的Canny算子提取的人工海岸瞬時水邊線與實際岸線基本一致，但研究區(qū)部分潮灘受漲落潮和地形起伏因素影響(尤其是新港閘—東灶港段岸段)，提取的瞬時水邊線與實際岸線相差較大，因此需對其進行潮位校正，獲取較為精確的岸線空間位置。針對坡度較緩、潮灘面積寬廣粉砂淤泥質(zhì)海岸和河口沖淤岸段，文獻[15，26—27]提出了岸線提取潮位校正算法和模型。結(jié)合前人研究成果，本文使用平均低潮線法完成淤積岸段的潮位校正。

4.1 確定潮位值

本文收集了近5年南通呂四港驗潮站潮位數(shù)據(jù)，歷史潮位數(shù)據(jù)主要通過潮汐調(diào)和分析推算獲得。4期影像衛(wèi)星過境具體時間分別為1973年11月15日1時56分9.50秒、1988年7月7日1時55分40.612秒、2003年8月2日2時1分44.91秒和2018年5月23日2時23分55.29秒。近年來(2011年至今)潮位數(shù)據(jù)以固定時長連續(xù)采集(每隔5 min采集1次潮位數(shù)據(jù)，每次采集時長為3 s)，因此，本文使用線性內(nèi)插法獲取任意時刻的潮位站潮高信息(尤其是Landsat衛(wèi)星過境時刻的潮位信息)。

4.2 推算歷史潮位

基于驗潮站數(shù)據(jù)，研究使用文獻[28]提供的T_Tide程序完成調(diào)和分析。推算歷史時期潮位高度，以期獲取4期影像成像時的潮位值。T_Tide模型將次要分潮從主要分潮中分離，并對保留的分潮作顯著性檢驗[29]。因此，即使在潮位數(shù)據(jù)缺乏時，依然可以獲得較為準確的潮汐調(diào)和常數(shù)，最終推算出潮位站點4個時相的平均大潮低潮位(如圖5所示)。

4.3 平均低潮線法校正

具體方法為：①計算潮灘坡度θ。選取兩條不同時相的相鄰水邊線(C1和C2)，確定其高差Δh和水平距離ΔL，則θ=arctan(Δh/ΔL)。②計算平均低潮線(C)。查取對應(yīng)岸段平均低潮位，計算其與瞬時水邊線C1(或瞬時水邊線C2)的水位高差H，則瞬時水邊線C1外推平距L=H/tanθ,將瞬時水邊線C1校正后得到的平均低潮線C視為海岸線(如圖6所示)。潮位校正后，即可獲取研究區(qū)空間位置相對精確的4期外沿海岸線和江岸線(如圖7所示)。

4.4 海岸線提取

經(jīng)潮位校正后，本文使用ArcGIS提取了南通市近45年來4期(1973年、1988年、2003年、2018年)江海岸線(如圖7所示)。

5 分析與討論

本文選取一條抵近1973岸線的平直剖面線為基線，以約1 km為單位垂直于基線均勻繪制200條斷面線，量測并計算近45年來南通岸線向海(江)推進距離。依據(jù)岸段蝕淤變化特征，將沿岸線和沿江岸線分為新港閘—東灶港、東灶港—蒿枝港、蒿枝港—連興港、連興港—圩角港、圩角港—營船港、營船港—九圩港、九圩港—焦港7個岸段，具體如下：

(1)新港閘—東灶港：岸線長約120 km，為淤積岸段。歷史資料顯示，1954—1980年新港閘附近高潮線向海推進1.6 km，1980—1984年環(huán)港斷面年均淤長65 m/a[19]。斷面統(tǒng)計結(jié)果顯示：近45年來，較其余6個岸段，新港閘—東灶港岸段淤漲最快，尤其是小洋口—栟茶運河兩側(cè)岸段，其最大向海推進距離為2.9 km，約64 m/a。近30年來，在自然驅(qū)動力和人為驅(qū)動力雙重作用下，環(huán)港—挖港岸段、凌港村—華新村岸段向海推進速率也較快，前者約30～50 m/a，后者約45 m/a。

(2)東灶港—蒿枝港：岸線全長約35 km，為侵蝕岸段。文獻[19]對比歷史地形資料，指出該岸段在1916—1969年53年中高灘平均后退1000 m，1955—1969年全線沖刷后退，蝕退幅度 140～150 m。斷面統(tǒng)計結(jié)果顯示：近45年來岸段蝕淤變化與1916—1969年大體類似，但略有不同。20世紀70年代以來對東灶港—蒿枝港岸段實施了海堤加固等工程，1973—1988年間大部分岸段仍然不斷蝕退，但近30年來隨著大規(guī)模的圍填海工程和海岸海洋開發(fā)，袁家大場—蒿枝港外海岸段開始逐年向海推進，充分體現(xiàn)出人類經(jīng)濟活動在其中扮演的重要作用。

(3)蒿枝港—連興港：該岸段全長約45 km，為小幅淤長岸段。20世紀60年代以前蒿枝港—連興港岸段受較強的沖刷侵蝕作用，70年代以來隨著大米草的引種和海岸圍墾，蝕退岸段開始緩慢向海推進。近15年來啟東圓陀角東側(cè)外沿海岸的開發(fā)，使得該處海岸線迅速向海推進(約1.2 km，平均80 m/a)。該岸段近45年來的岸線變遷體現(xiàn)出后期人類改造活動和經(jīng)濟活動中起到的重要作用。

(4)連興港—圩角港：該岸段處于長江河口北支分叉區(qū)。已有研究顯示，1916—1970年間共坍蝕土地約217 km2；1955—1980年除局部岸段基本穩(wěn)定外，幾乎全線沖刷后退[19]。研究顯示，隨著人工護岸和沿江開發(fā)，近45年來連興港—圩角港岸段大部分穩(wěn)定并略有淤長，部分岸段有蝕退風險，其中以青龍港、靈甸港、三條港附近蝕退最為嚴重。

(5)圩角港—營船港：該岸段岸線變遷頻繁。歷史資料顯示[30]，1940—1954年間，約38 km2土地被沖刷坍沒入江；1955年后長江水動力條件發(fā)生改變，江岸由蝕變淤，迅速向南推進(至1969年南移了6～7 km)；1969—1980年該岸段侵蝕作用加劇，岸線迅速后退[19]。本文研究發(fā)現(xiàn)，由于自然動力條件和人類改造活動的動態(tài)平衡，該岸段近45年來基本穩(wěn)定，未見明顯蝕淤變化。總體而言，營船港附近岸線向南推進距離較大，最大推進距離約550 m。此外，可見圩角港西南側(cè)江心沙向南淤長，其中，以江心沙西南角和東南角淤長最為明顯。

(6)營船港—九圩港：該岸段受強烈侵蝕作用，有不斷蝕退的風險。其中，通呂運河口—龍爪巖附近沖刷侵蝕作用最為劇烈。近30年來，因為人為筑堤建壩、護岸保灘工程，侵蝕風險得到了有效管控。

(7)九圩港—焦港。近45年來除極少數(shù)岸段(九圩港附近)侵蝕后退外，其余岸段基本保持穩(wěn)定，部分岸段因為沿江開發(fā)利用，向海推進200～250 m。

6 結(jié) 語

對于某一地區(qū)較長尺度岸線變遷的研究(30～50年)，本文基于Matlab、ENVI和ArcMap平臺，使用改進的Canny算子實現(xiàn)了對瞬時水邊線的提?。欢蠡诤０镀露认嗨萍僭O(shè)和潮汐預報，使用平均低潮線法實現(xiàn)潮位校正并最終獲取了空間位置較為精確的岸線。本文提取了南通市近45年間4期江海岸線，依據(jù)岸線蝕淤變化特征，將外沿海岸線和江岸線劃分為7個岸段，并結(jié)合歷史資料，研究了南通市較長尺度岸線演變特性。

(1)近45年來，新港閘—東灶港全線為沖淤岸段；東灶港—蒿枝港受強烈的沖刷侵蝕作用；蒿枝港—連興港為淤長岸段；連興港—圩角港大部分岸段相對穩(wěn)定并略有淤長；圩角港—營船港在20世紀70年代以前蝕淤變化頻繁，70年代以后相對穩(wěn)定，未見明顯蝕淤變化；營船港—九圩港受強烈侵蝕作用，部分岸段顯示長期蝕退趨勢；九圩港—焦港除極少數(shù)岸段(九圩港附近)侵蝕后退外，其余岸段基本保持穩(wěn)定。

(2)近45年來南通市外沿海岸線變化受自然驅(qū)動力和人為驅(qū)動力雙重影響，其中人為驅(qū)動力控制作用大于自然驅(qū)動力且其控制力逐期增強。如沖刷侵蝕作用強烈的東灶港—蒿枝港部分岸段(袁家大場—蒿枝港外海岸段)，近30年來仍強勢表現(xiàn)出向海推進趨勢；近15年來啟東圓陀角東側(cè)外沿海岸的開發(fā)，使得該處海岸線迅速向海推進約1.2 km，平均80 m/a。

(3)隨著廢黃河口泥沙向南輸運量的減弱，弶港以南岸段沖淤作用未來有減弱趨勢，因此對南通外沿海岸開發(fā)利用和岸線整治需作相應(yīng)調(diào)整；此外，沿江岸段中青龍港、靈甸港、三條港等附近岸線蝕退依然嚴重，需強化對這些岸段的防護整治。