衛(wèi)星遙感影像分水嶺分割與邊緣檢測的海岸線提取

楊博雄 陳穎 于杰

（1.三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院 海南省三亞市 572022 2.三亞學(xué)院容淳銘院士工作站 海南省三亞市 572022）

1 前言

海岸帶作為海洋和陸地互相作用的區(qū)域，含有大量的自然資源和人文景觀，具有信息交換與能量流動(dòng)的作用，是人類不可多得的資源[1]。由于海岸線的人工密集開發(fā)，超過大自然對其自身改變，成為海岸變遷的主要驅(qū)動(dòng)因素。近年來，除了全球變暖導(dǎo)致海平面上升以外，由于人類對海岸帶開發(fā)也越來越頻繁，海岸帶的變化更加活躍。因此精準(zhǔn)、快速地提取海岸帶、實(shí)時(shí)監(jiān)測海岸帶變化對我國規(guī)劃和利用海岸帶、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)具有重要意義[2]。

2 海岸線提取與變化檢測方法

2.1 海岸線分類

海岸線可以分為自然岸線和人工岸線兩種類型。自然海岸線可以分為基巖海岸、沙礫海岸、生物海岸、淤泥質(zhì)海岸等[3]。人工海岸線可以分為：防護(hù)岸線、碼頭港口、鹽田、養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)圍墾等。人工岸線受人類活動(dòng)影響，以圍堤的形式存在。由于大力開發(fā)海洋資源，人工岸線比例升至73%。受地理環(huán)境影響，天然岸線可轉(zhuǎn)化為人工岸線[4]。

2.2 基于遙感影像的海岸線檢測

通過海洋衛(wèi)星遙感影像提取海岸線信息已經(jīng)成為一種有效手段，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有快捷方便、全面綜合以及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測的特點(diǎn)，對于海岸線變化以及海岸帶變遷的監(jiān)測效率非常高。結(jié)合GIS等技術(shù)可以監(jiān)測海岸線的動(dòng)態(tài)演變，分析海岸線的變遷[5]。

但是遙感所記錄的圖像是衛(wèi)星過境時(shí)的瞬時(shí)圖像，不同時(shí)間的影像拍攝出的潮汐的位置不同，瞬時(shí)海岸線的位置也不同，因此在測量時(shí)會(huì)有很大的誤差。我國嚴(yán)格規(guī)定海岸線的位置是平均大潮位，在影像上是一條痕跡線，岸線提取難度較大[6]。

2.3 海岸線變化檢測

海岸線侵蝕是指由自然因素、人為因素或者兩種因素疊加而引起的海岸線位置后退或岸灘（包括海灘或潮難）下蝕。海岸侵蝕是一種災(zāi)害性的海岸地質(zhì)現(xiàn)象，近年來呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢，常造成堤岸塌陷、村鎮(zhèn)后遷、海岸工程設(shè)施破壞，由此進(jìn)行的海岸侵蝕管理花費(fèi)了大量的專項(xiàng)投入，給沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展造成了極大危害[7]。

目前大多采用面積法、基線法和緩沖區(qū)覆蓋法等來對海岸線變遷進(jìn)行分析。面積法通過岸線擺動(dòng)的影響范圍來反映海岸線變遷，海岸線距離陸地變長意味著海岸帶陸地的面積增加。距離陸地距離變短則反映海岸陸地面積減少。利用GIS 技術(shù)，疊加早期和后期的海岸線，對比海岸線的重合程度，如果后期在早期的內(nèi)側(cè)說明陸地面積減少，反之則增加[8]。

3 基于分水嶺算法的圖像分割

圖1：基于Google Earth 的三亞灣-大東海遙感影像

圖2：實(shí)驗(yàn)方案

分水嶺（Watershed）算法是基于地理形態(tài)分析的圖像分割算法，模擬地理結(jié)構(gòu)（如山川、溝壑、盆地等）來實(shí)現(xiàn)對不同物體的分類[9]。分水嶺分割算法可以用于圖像的邊緣檢測與提取，在利用該算法進(jìn)行圖像邊緣檢測時(shí)，由于噪聲或其他因素干擾，圖像可能會(huì)被過度分割，出現(xiàn)很多孤立小區(qū)域。解決辦法有：

（1）對圖像進(jìn)行高斯平滑操作，抹去很多小的最小值，這些小區(qū)域會(huì)被合并；

（2）可以通過手動(dòng)標(biāo)注（Mark）的方式將相對較高的灰度值像素作為起始點(diǎn)，從標(biāo)記處開始進(jìn)行淹沒，這樣很多小區(qū)域就會(huì)被合并為一個(gè)區(qū)域[10]。

4 衛(wèi)星遙感影像邊緣檢測與海岸線提取

本文采用基于標(biāo)注的分水嶺算法對衛(wèi)星遙感獲取的海岸影像數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線提取和海岸帶變遷分析。下面以三亞市三亞灣-大東海沿線海岸線變化檢測為例，遙感影像數(shù)據(jù)來源于Google Earth 的歷年遙感影像數(shù)據(jù)（QuickBird 衛(wèi)星），如圖1 所示。

圖3：2009-2016 年基于衛(wèi)星遙感影像的海岸線邊緣提取結(jié)果

圖4：2010 年與2016 年三亞灣-大東海海岸線比對

實(shí)驗(yàn)流程如圖2 所示。

5 海岸帶邊緣檢測與海岸線提取

5.1 處理結(jié)果

本文通過Google Earth 獲取三亞灣與大東海2009-2016 年歷年遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過分水嶺算法分割邊緣提取后的海岸帶邊緣結(jié)果分別如圖3(a)-(h)所示。

5.2 海岸線提取

根據(jù)上述基于2010-2016 年衛(wèi)星遙感影像邊緣結(jié)果，對提取三亞市三亞灣-大東海沿線海岸線，結(jié)果進(jìn)行做一個(gè)比對，如圖4 所示，其中紅色線為2010 年海岸線結(jié)果，藍(lán)色線為2016 年海岸線提取結(jié)果。

從圖4 可以看出，對比三亞灣和大東海段的海岸線都有明顯的侵蝕現(xiàn)象，兩段海岸皆為砂質(zhì)海岸，易受侵蝕。

6 海岸帶變遷分析

三亞市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，是21 世紀(jì)海上絲綢之路的重要節(jié)點(diǎn)。本文基于衛(wèi)星遙感影像提取2009-2010 年三亞市的三亞灣-大東海海岸線，主要提取了沙礫海岸線，對變化結(jié)果分析如下：

（1）三亞市近年來的海岸線長度都有明顯的后退，由于人類活動(dòng)，例如鳳凰島、三亞灣路等。岸邊的原生植被遭到破壞。砂質(zhì)海岸的特性、臺(tái)風(fēng)等也是導(dǎo)致海平面上升的原因。

（2）由于旅游業(yè)是三亞的支柱產(chǎn)業(yè)，三亞的發(fā)展主要受旅游業(yè)發(fā)展的影響，尤其是砂質(zhì)海岸對旅游尤為重要。三亞港口建設(shè)加速、人工岸線不斷增建，海岸線上不斷建設(shè)酒店與房地產(chǎn)項(xiàng)目。

（3）三亞灣的海岸線為砂質(zhì)海岸，其海岸特征為灰白淺黃色中細(xì)砂、含礫粗砂。其質(zhì)地較為疏松，易受沖刷。

（4）海平面的上升也會(huì)導(dǎo)致海岸線的變化，國家海洋局海平面監(jiān)測和分析結(jié)果表明，中國沿海海平面變化總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢。1980-2013 年，中國沿海海平面上升速率為2.9mm/a，高于全球平均水平。2013 年，中國沿海各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）海平面均明顯高于常年。其中，海南最高，較常年高143mm。由于三亞的海灘傾斜角度較緩，海平面上升會(huì)導(dǎo)致海岸線的上升。由于人口增長和發(fā)展壓力，與洪水相關(guān)的沿海地形變化引起了人們的關(guān)注，沿海地區(qū)可能在未來十幾年繼續(xù)脆弱。