刁永洲
(廣州海事測(cè)繪中心, 廣州 510200)
海岸線是海洋和陸地的分界線,也是海水歷經(jīng)陸地極限位置所連接的線,屬于構(gòu)成海洋和陸地不可缺少的重要線狀地形要素。人為的活動(dòng)嚴(yán)重影響了海岸線生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,使其成為海洋生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。海岸線水域變化精度檢測(cè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)海岸線水域量值穩(wěn)定,保證船舶安全運(yùn)行有重要意義,也是目前我國(guó)海岸線水域測(cè)量的主要目標(biāo)之一[1-3]。因此,準(zhǔn)確檢測(cè)海岸線位置、屬性及水域變化,對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。
目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對(duì)海岸線水域變化檢測(cè)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于多時(shí)相遙感影像的海岸線變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用多時(shí)相遙感影像技術(shù),根據(jù)該技術(shù)空間限制特點(diǎn),獲取海岸線分布情況,構(gòu)建海岸線水域變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)海岸線水域變化監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)具有一定的有效性,但系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性較差。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于潮汐規(guī)律修正的海岸線遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用Landsat數(shù)據(jù),結(jié)合修正歸一化水體指數(shù),提取海岸線水邊線,對(duì)潮汐規(guī)律影響海岸水邊線提取信息的因素進(jìn)行分析,利用海岸高程數(shù)據(jù),獲取潮位校正方法,構(gòu)建海岸線水域變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)海岸線遙感監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)具有一定的可行性,但該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度較低。
為了解決上述問題,本文設(shè)計(jì)了基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過主控器、多光譜傳感器和電源設(shè)計(jì)了硬件結(jié)構(gòu),采用衛(wèi)星影像技術(shù),嵌入Linux操作系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫,完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)海岸線水域變化高精度檢測(cè),并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的檢測(cè)穩(wěn)定性較好、精度較高,能夠有效縮短海岸線水域變化檢測(cè)時(shí)間。
衛(wèi)星影像技術(shù)是目前研究的新型技術(shù),通過衛(wèi)星獲取地面圖像,得到的圖像可以進(jìn)行數(shù)字化掃描。相較于普通的影像技術(shù),衛(wèi)星影像技術(shù)得到的畫面更加細(xì)致,能夠大幅度獲取圖像,具有很強(qiáng)的宏觀性。除此之外,衛(wèi)星影像技術(shù)具備的多波動(dòng)性和多時(shí)相性也是其他技術(shù)難以比擬的,大量信息融合,方便用戶處理。本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由主控器、多光譜傳感器和電源三部分組成。其中,采用STM32C8T6為主控芯片的主控器,完成高效的數(shù)據(jù)處理、通訊連接和集中控制。以多光譜傳感器為核心光學(xué)檢測(cè)設(shè)備,通過采集光學(xué)數(shù)據(jù),生成海岸線水域圖像。采用圖像信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片為核心外接電源,完成電壓轉(zhuǎn)換,將OUTPUT作為電源開關(guān)輸出引腳,完成主控器電源控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
主控器是基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)中具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、通訊連接和集中控制能力的中央控制設(shè)備。
本文設(shè)計(jì)的主控器以STM32C8T6為主控芯片,STM32C8T6具有2個(gè)高級(jí)定時(shí)器以及3個(gè)通用定時(shí)器,SRMB大小為20 kB,F(xiàn)LASH大小為64 kB,兼具IIC、USB、CAN、ADC通用IO口等多種接口,實(shí)現(xiàn)與外界設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。主控器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 主控器結(jié)構(gòu)圖
圖2中,主控器最多可同時(shí)控制255個(gè)遠(yuǎn)程P2C終端硬件設(shè)備,主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、檢測(cè)器等在內(nèi)的P2C終端硬件設(shè)備[6-8]。針對(duì)海岸線水域變化檢測(cè)需求,采用基于P2C技術(shù)完善主控器性能,采用導(dǎo)軌式安裝方式,提升主控器的控制能力。即通過局域網(wǎng)和前置通信設(shè)備,且在子站中網(wǎng)管通訊協(xié)議下,以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的提取和云數(shù)據(jù)的傳輸。
為實(shí)現(xiàn)高精度的海岸線水域變化檢測(cè),以多光譜傳感器為主要檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行光學(xué)檢測(cè),通過采集光學(xué)數(shù)據(jù)生成海岸線水域圖像。從結(jié)構(gòu)上,可將多光譜傳感器分為光學(xué)部分和顯示部分兩類[9-10]。光學(xué)部分主要包括反射光學(xué)元件、成像光學(xué)元件、分光元件,分別實(shí)現(xiàn)入射光的反射、成像以及劃分。針對(duì)采集光的光譜類別,將分光光譜劃分為11個(gè)譜段,且為補(bǔ)償光譜成像的非均勻性,在成像光學(xué)元件的周圍放置標(biāo)準(zhǔn)溫度板,從而提升成像的可辨識(shí)度。多光譜傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 多光譜傳感器結(jié)構(gòu)圖
圖3中,顯示部分包括圖像信號(hào)處理器、溫度控制器和顯示器,其中,多光譜傳感器的成像元件的成像為數(shù)字化格式,為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,采用圖像信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理,最高處理速度為8 bit[11-12]。溫度控制器的控制范圍為20~40 ℃,能夠有效降低傳感器本身紅外感應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。顯示器的圖像水平分辨率高于1 000線顯示格式為標(biāo)準(zhǔn)I2C格式。
針對(duì)基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)的供電需求,采用12 V外接電源進(jìn)行供電,考慮不同硬件設(shè)備的電壓供給,采用XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。電源結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 電源結(jié)構(gòu)圖
電壓可調(diào)范圍為1~37 V,主要電壓可轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V。XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片具有一個(gè)150 kHz的DC/DC轉(zhuǎn)換器,不需設(shè)置其他的外部元件,其本身的最高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為2 A,平均負(fù)載電流為1 200 mA,轉(zhuǎn)換效率高,能夠維持系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定的電源供給的同時(shí),具有極好的線性電流輸出[13-14]。XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片以O(shè)UTPUT作為電源開關(guān)的輸出引腳,便于主控器對(duì)電源進(jìn)行控制,當(dāng)引腳處于低狀態(tài)時(shí),電源處于開啟狀態(tài),反之,處于關(guān)閉狀態(tài)。
基于上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),在基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)框架平臺(tái)上嵌入Linux操作系統(tǒng),引入U(xiǎn)buntu操作系統(tǒng)、MySQL數(shù)據(jù)庫、衛(wèi)星影像分析處理、網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)技術(shù)[15-17],構(gòu)建系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)開源軟件共享的同時(shí),滿足多用戶任務(wù)處理需求,完成海岸線水域變化高精度檢測(cè)。
Linux操作系統(tǒng)遵循GNA規(guī)范,不僅開發(fā)成本低,而且穩(wěn)定性強(qiáng)、性能高。由于Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序編碼以C語言為編譯語言,因此支持AMD、i386等系統(tǒng)平臺(tái)和多種硬件設(shè)備,且Linux操作系統(tǒng)自帶圖像處理軟件,兼具高性能的同時(shí),Linux還具有漏洞升級(jí)、入侵防護(hù)、攻擊控制等功能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[18-20]。采用衛(wèi)星影像技術(shù),對(duì)采集的海岸線水域圖像進(jìn)行濾波處理、降噪處理以及圖像二值化計(jì)算等,針對(duì)衛(wèi)星影像的分析,不需安裝其他軟件,只需進(jìn)行原有軟件的升級(jí)就能實(shí)現(xiàn)高精度的海岸線水域變化檢測(cè)?;谛l(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)操作流程如圖5所示。
圖5 基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)操作流程圖
基于Linux操作系統(tǒng)支持x86、x64等多種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì),考慮大多是開發(fā)者的操作體驗(yàn),為建立與Windows相似的桌面系統(tǒng),搭建Ubuntu操作系統(tǒng),提升系統(tǒng)的抗病毒干擾性,為系統(tǒng)提供豐富的桌面操作接口,便于開發(fā)者進(jìn)行操作,從而有效實(shí)現(xiàn)海岸線水域變化高精度檢測(cè)。
MySQL數(shù)據(jù)庫是一種應(yīng)用廣泛、開發(fā)簡(jiǎn)單、應(yīng)用編程接口豐富的SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),以SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言為核心開發(fā)語言,相較于其他的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),其優(yōu)勢(shì)在于存儲(chǔ)量大、更新便利、操作速度較快且能夠記錄用戶的實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)。
MySQL數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建為動(dòng)態(tài)Web應(yīng)用和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)海岸線水域變化檢測(cè)系統(tǒng)提供的豐富的功能。本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)采用MySQL V5.5版本,其主要的工作方式為客戶端/服務(wù)器,包含多種服務(wù)端程序和客戶端命令程序,其優(yōu)點(diǎn)如下:
1)默認(rèn)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)引擎為InnoDB,采用完全多線程存儲(chǔ),提升海岸線水域圖像存儲(chǔ)能力。
2)提升了Windows、Linux操作系統(tǒng)下的系統(tǒng)性能,對(duì)Java、c語言等多種系統(tǒng)開發(fā)語言提供接口,支持系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
3)耦合性低、兼容性較強(qiáng),全面支持采用SOL查詢語言的聚合函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的JOIN、ODBC等。
4)包含DATE、TIME、CHAR在內(nèi)的多種列類型,且每一列均具有缺省值,實(shí)現(xiàn)海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)選擇,為海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的運(yùn)行提供便利。
為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)的有效性,將文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
在此次實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定海岸線水域的原始高度為3 m,海岸線水域變化精度檢測(cè)裝置的檢測(cè)范圍為0~6 m,為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室正常溫度和光照下進(jìn)行。
首先對(duì)比3種檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度,將檢測(cè)誤差作為檢測(cè)精度的評(píng)估指標(biāo),通常情況下,檢測(cè)誤差越小,系統(tǒng)的檢測(cè)精度越高,反之,檢測(cè)誤差越大,系統(tǒng)的檢測(cè)精度越低。選取5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位,在相同的實(shí)驗(yàn)溫度和光照下,分別進(jìn)行海岸線水域上升和下降兩種水域變化實(shí)驗(yàn),分別記錄3種檢測(cè)系統(tǒng)的水域變化結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。
圖6 水域上升實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖7 水域下降實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)圖6可知,在進(jìn)行水域上升實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域上升高度為5.2 m,文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域上升高度為4.5 m,文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域上升高度為4.2 m。分別將3種系統(tǒng)的水域上升高度與實(shí)際水域上升高度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域高度誤差為0.2 m,而文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域高度誤差為0.5 m,文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域高度誤差為0.8 m。由此可知,在水域上升實(shí)驗(yàn)中,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)誤差較小,表明系統(tǒng)的檢測(cè)精度較高。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用衛(wèi)星影像技術(shù),結(jié)合Linux操作系統(tǒng)和Ubuntu操作系統(tǒng),以數(shù)字形式記錄采集的海岸線水域圖像,可以準(zhǔn)確記錄海岸線相關(guān)地面信息,從而有效提高海岸線水域變化檢測(cè)精度。
根據(jù)圖7可知,在水域下降實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域下降到2.2 m,文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域下降到2.4 m,文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域下降到2.6 m,而實(shí)際海岸線水域下降到2.0 m。分別將3種系統(tǒng)的水域上升高度與實(shí)際水域上升高度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域下降誤差為0.2 m,而文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域下降誤差為0.4 m,文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域下降誤差為0.6 m。由此可知,在水域下降實(shí)驗(yàn)中,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)誤差較小,表明系統(tǒng)的檢測(cè)精度較高。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用衛(wèi)星影像技術(shù),對(duì)采集的海岸線水域圖像進(jìn)行濾波、降噪等處理,使其采集的海岸線水域圖像具有較強(qiáng)的連續(xù)性,并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫,實(shí)時(shí)記錄海岸線水域變化數(shù)據(jù),為海岸線水域變化高精度檢測(cè)提供了有效保障。
設(shè)置海岸線水域的原始高度為3 m,其海岸線水域變化精度檢測(cè)偏移范圍設(shè)定在[3 m,-3 m]之間?;谏鲜鰧?shí)驗(yàn)條件下,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn),評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)為水域在上升以及下降實(shí)驗(yàn)過程中水域位置的偏移范圍,偏移范圍越小,系統(tǒng)檢測(cè)穩(wěn)定性越好,偏移范圍越大,系統(tǒng)檢測(cè)穩(wěn)定性越差,3種系統(tǒng)的檢測(cè)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)檢測(cè)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過對(duì)圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知,隨著時(shí)間的不斷改變,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域位置偏移范圍在[3 m,-3 m]之間,其偏移范圍最小,而文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)水域位置偏移范圍在[4 m,-4 m]之間,其偏移范圍次之,文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)水域位置偏移范圍在[5 m,-5 m]之間,其偏移范圍最大。由此可知,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的水域在上升以及下降實(shí)驗(yàn)過程中,水域位置的偏移范圍最小,表明系統(tǒng)的檢測(cè)穩(wěn)定性較好。
在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間,在MATLAB仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下,采用Toolbox工具箱,記錄在水域上升和下降過程中,3種系統(tǒng)海岸線水域變化檢測(cè)時(shí)間,3種系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比結(jié)果如表1所示。
表1 3種系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比結(jié)果
根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知,隨著水域高度的增加,3種系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間隨之增加。當(dāng)水域高度為7 m時(shí),文獻(xiàn)[4]基于多時(shí)相遙感影像的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間為39.5 s,文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間為43.9 s,而本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間為30.4 s。由此可知,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效縮短檢測(cè)時(shí)間。
綜合上述分析,通過獲得的系統(tǒng)檢測(cè)精度、檢測(cè)穩(wěn)定性以及檢測(cè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星圖像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)穩(wěn)定性較好,能夠有效提高檢測(cè)精度,縮短檢測(cè)時(shí)間。
針對(duì)海岸線內(nèi)水域的動(dòng)態(tài)變換,本文設(shè)計(jì)了一種基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測(cè)系統(tǒng),在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,采用衛(wèi)星影像技術(shù),嵌入Linux操作系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)海岸線水域變化高精度。該系統(tǒng)能夠有效提高檢測(cè)精度和穩(wěn)定性,降低檢測(cè)時(shí)間。通過掌握海岸線水域的變化情況,了解海洋與陸地的時(shí)空變化特征,建設(shè)我國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境,為海洋資源的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保證,同時(shí)促進(jìn)衛(wèi)星影像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,為其他相關(guān)檢測(cè)領(lǐng)域提供技術(shù)借鑒。