基于遙感數據的水邊線提取方法比較
——以海南島為例

蘇倩欣，李高聰，李志強，胡鵬鵬

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

海岸線作為陸地與海洋的分界線，在我國是指多年大潮高潮位時的海陸界限[1]。在海岸泥沙輸運、海平面升降等自然因素與海洋工程建設、圍填海等人類活動的影響下，海岸線位置具有高度的動態(tài)變化特征[2]。國內外學者對海岸線的監(jiān)測分析研究始于20 世紀60 年代，重視海岸線的提取和變遷分析[3]。我國目前對于海岸線類型的劃分尚無統(tǒng)一標準，研究學者大多將海岸線分為自然岸線和人工岸線兩個一級類[4]，認為河口岸線是自然岸線的一類或不單獨分類，再根據地物類型對岸線進行二級類的劃分[5-7]。通過提取海岸線的位置和類型，可以分析和探討海岸線長度、岸線變化與海岸帶土地利用情況等的特征和變遷的驅動因素，具有重要的現實意義[8]。

與傳統(tǒng)的海岸線實地測繪方法相比，遙感技術具有大范圍、多光譜、多時序和不受地理環(huán)境制約等突出優(yōu)勢，目前主要基于遙感影像上岸線的空間關系或光譜特性兩類方法實現岸線的自動提取[9]。應用于海岸線提取的數據源種類較多，如Landsat影像、SPOT 影像、合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）影像、激光雷達（Light Detection and Ranging，LiDAR）點云數據、IKONOS 和QuickBird衛(wèi)星影像等[10-14]。其中Landsat 影像應用最為廣泛，分辨率在15～30 m，具有運行時間長、數據量大、容易獲取等優(yōu)點[15-18]。目前也有許多學者采用多種數據源，以提高岸線提取結果的精度。如胡亞斌等[3]基于1973—2017 年的Landsat 和高分影像數據，提取了連云港市10 期海岸線信息，分析了其演變特征及成因。眾多學者在海岸線提取和岸線變遷分析應用方面，開展了大量工作。海岸線自動提取方法眾多，如水體指數、閾值分離、邊緣檢測、面向對象和元胞自動機等方法[2，11-12，15，18]。但由于研究區(qū)的特殊性和提取方法的特點，單一方法往往無法取得很好的提取效果。因此，研究和分析各種海岸線提取方法的特點，有助于為特定的海岸線影像或類型選取合適的提取方法[19]。如喬學瑾等[9]針對國內外岸線提取方法較為單一的現狀，提出兼顧光譜特征與空間關系的海岸線自動提取方法：融合區(qū)域生長算法的自適應Canny 邊緣提取算法和形態(tài)學方法，優(yōu)化了海岸線的提取結果，精度在1 個像元內。

關于海岸線提取方法的研究，較多著眼于探索某類新方法在某個區(qū)域的可行性，對各種方法綜合系統(tǒng)整理或對多種提取方法的結果進行精度比較的文章較少。在遙感監(jiān)測海南島岸線方面，姚曉靜等、包萌、隋燕等、畢京鵬等先后以多期Landsat衛(wèi)星影像為數據源，分析了海南島1980—2017 年間的海岸線長度和利用類型的時空變化[20-23]，對海南島岸線的基礎研究較多，便于進行對比和后續(xù)研究。因此，本文首先歸納了9 種基于遙感影像的水邊線提取方法的特點，然后選取目視解譯法、閾值分割法、邊緣檢測算子法和區(qū)域生長法應用于2021年海南島的岸線提取，比較各方法的特點和提取精度，為岸線提取方法研究提供參考。

1 水邊線提取方法及評價

1.1 水邊線提取方法

海岸線提取可大致分為瞬時水邊線提取和岸線校正兩個階段[19]。瞬時水邊線是陸地與海洋的交線，其提取實質上是圖像分割的過程。海岸線兩側地表光譜特征因地貌類型及土地利用類型不同而存在明顯差異[24]，常用的基于遙感影像的岸線自動提取方法大致分為兩類：（1）利用海岸線的空間關系，通過形態(tài)學法或算子法先對影像進行邊緣檢測，優(yōu)化檢測結果[9]；（2）基于岸線兩側光譜特性，通過水陸分類對影像進行分割[9，25]。表1 歸納了常用的9 種提取方法，目視解譯、閾值分割法和邊緣檢測算子法為最常用的方法。近年來人們意識到活動輪廓模型、數據挖掘、元胞自動機等復雜智能算法在圖像分類與模式識別中的突出作用，將其應用于某類岸線的邊緣檢測，并驗證其精度。

表1 主要的水邊線提取方法

1.2 岸線校正與精度評價

岸線易受潮汐等因素的影響，可利用潮位高度數據計算得到岸灘坡度及岸線修正距離，校正水邊線。如何校正以得到準確的岸線，特別是應用于地形剖面變化較大的江蘇淤泥質海岸，是廣受關注的問題。比較常用的方法最早由MASON D C 等[28]提出，是利用海岸帶遙感影像水邊線蘊含的潮位高程信息，構建潮灘DEM，推算海岸線。在長江口[29]、萊州灣[30]的淤泥質灘涂的高程重建中均取得了較好的效果。近年來，有較多學者改進了岸線校正方法。如沙宏杰等[31]根據多時相遙感水邊線之間的潮差關系自動判斷江蘇中部淤泥質海岸的剖面形態(tài)，采用不同的函數進行剖面擬合，構建了一種剖面形態(tài)自適應的海岸線遙感推算新方法，精度明顯提高。陳瑋彤等[32]針對淤泥質海岸潮間帶坡度平緩的特點，基于多潮位站插值校正的水邊線離散點潮位賦值及坡度計算，對水邊線方法進行了改進，取得了較好的成果。

經過圖像的預處理、瞬時水邊線的提取及岸線校正等步驟，得到真正的海岸線，但其精度仍需驗證。目前主要有定性分析與定量分析兩類精度評價方式。定性分析即人工目視對比結果的差異，此法存在人為誤差，且無法對提取結果進行定量化表達。如今，多采用定量分析方法以精確描述提取結果與基礎線的匹配程度，主要有3 種：（1）緩沖區(qū)方法[9，14]；（2）計算用戶精度、生產者精度和總體精度[33]；（3）計算平均偏移量與均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）[6，34]。其中，RMSE 是使用最多的定量方法。

2 海南島的岸線提取方法比較

2.1 海南島概況

海南島是我國第二大島，位于中國最南端，四面環(huán)海，是東西方交流的主要通道，包含沿海12 個市縣。全省陸地總面積3.54×104km2，其中海南本島面積3.39×104km2[35]。海南屬熱帶季風氣候，地形為穹形山體，中間高四周低，河流眾多。海岸帶地區(qū)擁有豐富的濕地資源和森林資源，珊瑚礁和紅樹林海岸全國典型。海南島的海岸線約占全國海岸線總長的1/10，形狀綿延曲折，岬灣眾多，有利于發(fā)展旅游業(yè)及優(yōu)良港灣[21]。1990 年后，海南省海岸線開發(fā)經歷了從圍墾養(yǎng)殖到港口建設、圍填海工程建設發(fā)展的過程，人工岸線長度顯著增加，自然岸線長度減少，局部砂質海岸線侵蝕嚴重、功能退化[36]。2017 年海南島岸線類型長度、占比及圖像如表2 所示，砂質岸線和人工岸線為主要類型[23]。

表2 2017 年海南島岸線類型

三亞市地處海南島最南端，環(huán)三亞灣展布，熱帶海濱資源豐富，是生態(tài)修復、海綿城市和綜合管廊建設綜合試點城市，其海岸環(huán)境的變化及海岸侵蝕演變引起政府重視和研究者的廣泛關注[37]。侵蝕現象突出表現在三亞灣岸段，西起天涯海角岬，東至鹿回頭半島，主要受砂質海岸特性、海平面上升、臺風風暴潮等自然因素和修建工程、河道挖沙等人為因素的影響[38]。

2.2 提取方法

在ArcGIS、ENVI 和Matlab 平臺上，以海南島的Landsat OLI 影像為數據源（時間為2021-01-01，行 列 號 為123046、124046、125046、123047 和124047，來源于https：//www.usgs.gov/），在不考慮岸線類型的情況下，選取目視解譯法、閾值分割法、邊緣檢測法這3 種最常用方法提取其瞬時水邊線[7，10，15]，比較各方法的提取結果。然后綜合多種岸線提取方法，實現三亞灣岸段的岸線全自動提取。多數提取方法類文獻以瞬時水邊線代替岸線以便于描述，本文提取的岸線均為圖像的瞬時水邊線[15-16，26]。主要提取過程如下。

（1） 采用目視解譯法，歸一化差值水體指數（Normalized Difference Water Index，NDWI）、修正歸一化差值水體指數（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）、二次改進歸一化差異水體指數（Second Modified Normalized Difference Water Index， SMNDWI） 3 種 水 體 指 數 法 及 Sobel、Roberts、Canny 3 種邊緣檢測算子法提取海南島全島的岸線。目視解譯提取的岸線常常作為基礎岸線或真實岸線。閾值分割法和邊緣檢測算子法均是利用圖像灰度值的差異，前者是通過設置閾值將目標與背景分割，后者是利用邊緣周圍灰度值的不連續(xù)性，提取其分界線。水體指數法多用于提取多波段影像的岸線，經過多次改進，提升了圖像的水陸對比度。這6 種方法比較成熟，采用較多，但容易受噪聲影響，提取結果需進行人工處理以去除偽邊緣、雙線等明顯誤差。一般需要結合其他方法以實現高精度提取[2，26]。

得到水體指數法和算子法提取的岸線后，以目視解譯得到的水邊線作為基礎線，通過統(tǒng)計各方法的岸線長度、與目視解譯的長度差值和平面位置精度，比較各方法的提取效果。平面位置精度評價，即計算基礎線與提取水邊線之間的距離，能夠表現各方法提取效果的局部差異，公式[39]如下。

式中，m 表示平面位置精度；Li-L′i表示各方法提取的水邊線到基礎線（目視解譯的水邊線）的水平距離；N 表示樣本個數，每種方法采集50 個樣本，樣本點分布在明顯差異處（圖1）。

（2） 以上水邊線提取方法雖然常用，但提取精度有待提高。為了提高精度，常使用高分辨率影像，結合多方法進行岸線提取。本文以第五波段作為底圖（行列號為12047 的圖像，裁剪為三亞灣區(qū)域），綜合采用區(qū)域生長法、Otsu 閾值分割法和Canny 邊緣檢測方法，提取海南島三亞灣的水邊線，以增強提取效果[16]。三亞灣呈對數螺旋形，為岬灣砂壩潟湖海岸，是海南島的主要侵蝕區(qū)域，實現對其岸線的快速提取，能夠快速分析其侵蝕速率變化，進行岸線位置進退的定量研究，具有重要的研究意義。該方法的核心思想是區(qū)域生長法，即選取一個種子像素作為區(qū)域的生長點，然后通過設置合適的閾值和生長規(guī)則以合并區(qū)域內與生長點有相同或相似性質的像元。Otsu 閾值法是利用最小二乘法求得圖像的最佳閾值，進而對其灰度進行類間差分，其結果圖灰度分布明顯。Canny 邊緣檢測法作為認同度最高的微分算子法，能夠提取盡量多的圖像信息，精度較高[40]。

2.3 提取結果

比較水體指數法和邊緣檢測算子法的岸線提取結果（表3 和圖1）發(fā)現，各方法的岸線長度誤差均在26%內，整體與真實地物差別不明顯。其中Canny 的誤差最小，Roberts 和SMNDWI 的誤差較小，提取的岸線比較平滑；Sobel 的長度誤差最大，岸線位置與真實有較大差異。

圖1 海南島岸線提取結果圖

表3 海南島水邊線提取結果對比

各方法的岸線平面位置精度均在14 m 以內，岸線曲折處偏移量較大。其中SMNDWI 的精度最好，3 種算子法的精度均較好，NDWI 的精度最差。Canny 算子提取的岸線在地物復雜處（典型岸段）與基礎線的偏移量較大，因此雖然長度誤差最小，但平面位置精度比SMNDWI 差。綜上所述，Canny算子、Roberts 算子與SMNDWI 均能較為準確地提取出海岸線，與真實岸線擬合程度較高；NDWI 提取效果較差。

比較幾種水體指數法和邊緣檢測算子法內部的提取效果。MNDWI 和SMNDWI 是通過對NDWI 的改進得到，NDWI 只考慮植被因素，MNDWI 在其基礎上加入土壤或建筑物因素，SMNDWI 能更好地抑制海域特征，探測水體的細微變化。這三種方法的提取誤差和平面位置精度呈遞減，提取效果得到改善。Sobel、Roberts 和Canny 的提取誤差和精度也呈現遞減關系，說明二階微分算子Canny 的提取結果比一階微分算子Sobel 和Roberts 更準確，與魏東嵐等的試驗結果一致[15]。但如果涉及具體的岸線類型，Canny 算子不一定比Sobel、Roberts 算子更有優(yōu)勢。海南島的岸線以砂質岸線和人工岸線為主，根據前人研究，人工岸線多用Roberts 提取，而砂質岸線多用Sobel 提取，而本文的Sobel 和Roberts 提取結果精度也較好，因此需結合研究區(qū)特點選擇合適的方法[2，26，41]。

選取的典型岸段分別為儋州灣、花場灣、如意島、清瀾港、新村港和小海，如圖1（a）至圖1（f）所示，主要為海南島養(yǎng)殖塘重點監(jiān)測區(qū)域或港口碼頭區(qū)域，年際面積變化大，岸線類型主要為人工岸線[22-23]。各方法的提取結果在典型岸段具有較明顯差異，原因是這些區(qū)域的岸線曲折、地物形態(tài)極不規(guī)則，各方法的提取結果差異也直觀表現在彎曲度大的區(qū)域，特別是Canny 方法的提取結果，在新村港和小海岸段，與目視解譯有較大差異，明顯趨于平滑。

將Otsu 法、區(qū)域生長法及Canny 邊緣檢測算子法相結合，應用于三亞灣的岸線提取流程及結果如圖2 所示。通過研究發(fā)現：（1）經Otsu 閾值分割后，海陸分布明顯，易于選擇種子點；（2）采用區(qū)域生長法選取種子點后，灰度相近區(qū)域合并，陸域地物信息大部分被去除，島嶼信息保留，但三亞河附近的地物無法完全清除，圖像上陸域為黑色，水域為白色，突出了海陸交界線；（3）若進行腐蝕處理，三亞河周圍地物被去除，海域擴大，同時鳳凰島、西瑁洲和東瑁洲都被去除，故不采用形態(tài)學方法；（4）對區(qū)域生長法結果進行Canny 邊緣檢測，提取到完整的岸線。通過疊加圖發(fā)現：該海岸線提取方法效果較好，海陸分割效果明顯，提取信息較完整，主要表現為三亞河、鳳凰島、西瑁洲和東瑁洲被完整地提取出來了。因此，可認為該方法的提取結果符合圖像的海岸線分布，具有一定的實際應用價值[16]。

圖2 三亞灣水邊線提取流程及結果

2.4 討論

目前，海岸線提取方法較多，但均有一定的局限性，因此可將多種方法相結合，融合各方法的優(yōu)勢，使海岸線的提取效果更好，適用范圍更廣。如王常穎等[27]采用決策樹方法挖掘地物的分類規(guī)則，然后多次運用基于密度的聚類方法實現噪聲去除，該方法適用于天津河道區(qū)域的海岸線提取。喬學瑾等[9]利用融合區(qū)域生長法、自適應Canny 邊緣檢測法和形態(tài)學法，提取黃河三角洲復雜區(qū)域的岸線。在岸線提取過程中，研究者常使用腐蝕或膨脹方法進行結果優(yōu)化，但本文實驗發(fā)現，島嶼信息和河道附近地物會被腐蝕去除，結果不理想。因此，提取方法的實用性需要在其他地區(qū)進行實驗。同時，探索如深度學習等新方法，增強提取效果[19]。

對于不同類型的岸線，其地貌特征存在差別，應該采用不同的方法進行岸線提取。目前有較多學者研究不同類型岸線的優(yōu)勢方法，如莊翠蓉[26]采用Roberts 算子提取基巖岸線、人工岸線和紅土岸線，采用Sobel 算子和小波多尺度方法分別提取砂質岸線和淤泥質岸線。殷飛等[41]采用Roberts 算子提取基巖岸線和人工岸線，采用監(jiān)督分類法和Sobel 算子提取砂質岸線，采用灰度形態(tài)學法和Canny 算子提取淤泥質岸線。淤泥質海岸由入海河流攜帶泥沙和海岸的侵蝕作用產生，表現為海岸低平，灘涂面積較大，坡度平緩，常有潮溝發(fā)育等特征，是岸線提取的重點。搜索文獻發(fā)現，較多學者采用Canny算子提取淤泥質岸線，但提取效果較差，需結合實地測量進行人工修測[2，41]。海南島的淤泥質岸線主要分布在儋州灣和后水灣附近（圖1），但各方法的提取結果差異不明顯。典型岸段主要為人工岸線，Canny 結果線與目視解譯線差別較大，特別是新村港和小海區(qū)域，但Canny 法提取的全島水邊線結果誤差最小，因此需要分類型進行分析。

3 結 論

本文總結了國內外多種岸線提取方法，采用目視解譯、閾值分割法、邊緣檢測算子法和區(qū)域生長法等方法提取2021 年海南島或三亞灣的岸線，結果如下。

（1）NDWI 的提取效果較差，岸線曲折處偏移量大；Canny、Roberts 和SMNDWI 的提取誤差較小，精度較高，能較為準確地提取出海岸線，與真實岸線擬合程度較高。

（2） 若不考慮岸線類型，在海南島區(qū)域，NDWI、MNDWI 和SMNDWI 提取結果的誤差和精度呈遞減關系，效果得到改進；二階微分算子Canny 的提取結果比一階微分算子Sobel 和Roberts更準確。

（3）各提取方法在典型岸段，即形態(tài)不規(guī)則、彎曲度大的養(yǎng)殖塘和港口碼頭區(qū)域，存在明顯差異。

（4）區(qū)域生長法與Otsu 閾值法、Canny 邊緣檢測相結合的岸線自動提取方法在三亞灣提取效果較好，海陸分布明顯，地物要素完整，可實現岸線的快速提取。

未來可在多方法結合、探索并應用新方法、研究各類岸線的優(yōu)勢提取方法（尤其是淤泥質岸線）等方面完善海岸線提取方法的研究。