Matlab平臺下遙感影像的北方岸線提取研究——以大連長興島為例

魏東嵐，曹曉晨

(遼寧師范大學城市與環境學院，遼寧大連116029)

一、引 言

海岸帶處于海洋與陸地交界處，其自然資源豐富，地理位置優越，是人類競爭和開發海洋的重要區域。海岸線作為海陸分界線，是研究海岸帶動態變化最重要的標準之一。同時，海岸線也是沿海灘涂面積、濕地生態系統衰退與否的重要標志，其變遷反映了全球環境變化、海岸環境變化及人類活動相互作用的結果。因此，對海岸線地理位置確定的研究具有十分重要的意義。

近年來，隨著衛星遙感技術的發展，海岸線提取技術逐漸向多時空多元化的方向發展。遙感技術具有多時空多尺度多平臺等特點，數據來源廣，覆蓋面積大，可以對研究區域進行宏觀、詳細的檢測，得到的海岸線信息更加精確，時效性更強。因此，利用衛星遙感圖像進行海岸線提取逐漸成為獲取海岸線數據的主要手段。

目前通過遙感數據對海岸線進行提取的方式主要分為兩大類:目視解譯和自動解譯［1］。傳統的目視解譯僅僅利用GIS軟件對遙感原始圖像進行手工矢量化。該方法操作簡單，但工作量大，準確性差。隨著GIS與遙感技術及圖像處理軟件的逐步發展，自動解譯逐漸代替傳統的目視解譯。自動解譯是對原始遙感圖像進行數據分析處理，使用自動或半自動的方式將海岸線作為圖像中的特征地物提取出來，該方法的核心是對原始遙感圖像的處理與分析。自動解譯的優勢在于其提高了準確性的同時，具有較高的效率。目前使用較多的自動解譯方式主要有閾值分割法、邊緣提取法、小波變換法等。

近年來，國內外研究人員從各個方面對海岸線提取方法進行了逐步的完善。國外方面，Andreas Niedermeie將區域跟蹤法、小波變化法及海岸線的Snake算法3種方法進行綜合使用，實現了對水線的提取。國內方面，陳明泉等利用Matlab采用局部閾值法對海岸線進行的提取，驗證了Matlab在海岸線提取中具有方便、易用的優點［2］;崔步禮、常學禮等在對黃河口海岸線動態監測時，使用了閾值分割法對海岸線進行了提取［3］;莊翠蓉等根據不同海岸類型的地貌特點，綜合Robert算子、Sobel算子和小波多尺度邊緣檢測等提取解譯方法，對廈門地區海岸線的變遷進行了研究［4］;李秀梅等在對渤海灣海岸帶遙感監測及時空變化時，使用Canny算子對海岸帶進行了提取［5］;馬小峰、趙冬至等應用Canny算子、中值濾波和腐蝕算子對大連營口海岸帶進行了位置的校正［6］;郭衍游、盧霞、邵飛卿等利用小波變換法對連云港海岸線進行提取，通過GPS對海岸線實地觀測，驗證了小波變換對遙感圖像的增強效果明顯，而且增強后提取的海岸線位置準確度較高［7］。

本文選擇大連長興島作為研究區，分別使用邊緣檢測法、閾值分割法及小波變化法進行海岸線提取，并對結果進行對比分析，獲取最適合該區域岸線的提取方式。研究區域位于中國遼東半島中西部，大連瓦房店市西側，四面環渤海。全島東西長30 km，南北寬11 km，環島岸線91.6 km。全島面積252.5 km2，為長江以北第一大島，具有北方島嶼的典型特征，對研究長江以北島嶼岸線的提取有著重要的參考價值。

二、數據源及數據預處理

本文使用的數據源為大連長興島2008年4月15日的Landsat7 TM遙感影像數據，UTM投影，地面分辨率為30 m。使用同時段同區域高分辨率遙感航片作為基礎圖片，對提取結果的準確性進行比較驗證。

為了排除在遙感影像獲取過程中受到的各種因素的干擾，需要對遙感圖像進行輻射定標、大氣校正等預處理操作。同時，為了盡可能準確清晰地獲得海岸線的地理信息，須對圖像進行降噪、濾波及幾何配準處理。

三、海岸線提取方法

1.閾值分割法

閾值分割法是一種最簡單實用的影像特征提取方法，適用于要分割的物體與其背景有較強對比度的圖像［8］。該方法的核心為圖像的二值化。根據海洋與陸地在遙感影像中所呈現出的像素值差異，選取一個適當的特征閾值T，然后通過該閾值T與圖像中逐個像素值進行對比，規定:若f(x，y)＜T，則g(x，y)=0，否則 g(x，y)=1。因此，閾值的選取成為該方法的關鍵點。

常用的閾值確定方式有直方圖分割法及最大類間方差法等。其中最大類間方差法對于單一閾值的計算具有簡單高效的方式，本文選擇該方法，使用Matlab軟件中graythresh函數及im2bw函數，確定圖像的相應閾值并進行圖像的二值化。同時，為了更有效地對海岸線進行提取，在二值化的過程中對圖像進行邊緣銳化。

2.邊緣提取法

圖像邊緣指圖像中灰度值急劇變化的像素集合，圖像邊緣處存在明顯的灰度不連續性，變化情況可以用灰度分布梯度來反映。邊緣檢測法正是利用這種灰度值的差異，通過辨別每個像素與其鄰域的狀態，構建邊緣提取算子，通過對鄰域梯度進行計算來判斷該像素是否在邊緣上［9］。目前使用的經典的邊緣提取算子主要有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子和Canny算子等。

(1)Roberts算子

Roberts算子是根據任意一對相互垂直方向上的差分可用來計算梯度的原理，采用對角線方向相鄰兩像素灰度之差，即利用局部差分算子計算邊緣。若輸入圖像為f(x，y)，輸出圖像為 g(x，y)，則利用Roberts算子進行邊緣提取的過程可以表示為［10］

Roberts算子是一種較為簡單的邊緣提取算子，使用2×2模板，僅計算對角線上的梯度幅度，具有較高的精確度，但抗噪聲能力較差。

(2)Sobel算子

Sobel算子計算每個像素值上下左右方位鄰點的灰度加權差，以此確定像素點的梯度值，最后根據特定的閾值來進行取舍。

Sobel算子將2×2的模板擴展至3×3的模板，具有兩個卷積核，受噪聲影響比較小，當使用大的領域時，抗噪性能會更好，較容易在空間上實現，但同時也會產生許多偽邊緣，邊緣定位精度不高［11］。

(3)Prewitt算子

Prewitt算子與Soble算子類似，是一個含有兩個卷積核的3×3的算子。中心像素梯度值利用周圍8個點的像素值進行確定:在圖像空間利用兩個方向模板與圖像進行鄰域卷積，這兩個方向模板一個檢測水平邊緣，一個檢測垂直邊緣［12］。具體表達式為

式中，s1、s2分別為Prewitt算子2個模板的卷積;s為所求像素的梯度值。

該算子在處理低噪聲的圖像時有較為明顯的優勢，但在處理混合多復雜噪聲的圖像時，效果較差。

(4)Canny算子

1986年Canny提出了邊緣檢測性能的3個準則:信噪比準則、定位精度準則和單邊緣響應準則，基于這3個標準，一個多級邊緣檢測算法——Canny算子被提出，這是目前最優的邊緣提取算子［13］。

Canny算子主要分為4個步驟:

1)利用高斯濾波對圖像進行平滑處理。利用二維高斯函數的一階導數對原始圖像f(x，y)進行平滑去噪，得到平滑圖像I(x，y)。在具體實現時，需要根據實際情況選擇高斯濾波參數。

2)在2×2的鄰域內進行差分運算，對平滑后的圖像灰度梯度進行運算，像素點大小M和方向θ的計算公式為

式中，P、Q分別為該點x、y方向偏微分的一階近似值，即

3)對梯度幅值進行非極大值抑制，只保留幅值局部變化最大的點。圖像的梯度值與圖像陣列的M(i，j)值成正比例關系，為確定邊緣，必須通過抑制梯度方向上所有非屋脊峰值的幅值來細化幅值圖像中的屋脊帶。

4)邊緣檢測及邊緣連接。這個過程使用雙閾值法，選用高、低兩個閾值對經過非極大值抑制后的圖像作進一步處理，即凡是像素點的梯度幅度大于高閾值的一定是邊緣點;凡是梯度幅度小于低閾值的一定不是邊緣點。

Canny算子是目前邊緣提取法中最為有效的一種算子，其提出的邊緣提取準則在實際應用中獲得了顯著的效果，為今后的邊緣提取工作提供了極大的參考價值。Canny算子自身具有很高的綜合性，在提取邊緣時可以很精確地計算出邊緣像素。但由于Canny算子采用的是2×2的模板，在垂直鄰域內對噪聲較為敏感，容易造成假邊緣，存在失真情況。同時，高低閾值限定無法顧及局部特征信息，致使邊緣不連續的情況出現，且閾值的參數只能人為設定，使得Canny算子的自適應性不強，自動化程度低［14］。

3.小波變換法

小波變換法在數學領域中發展迅速，是1974年由法國工程師J.Morlet提出的，是一個時間和頻率的局域變換，能夠對信號進行多尺度的細化與分析，從而有效地從信號中提取信息。

設 f∈L2(R)，則其小波變換表示為［7］

其重構公式為

式中，ψ(t)∈L2(R)為母小波，其傅里葉變換φ(x)滿足條件

a、b分別為伸縮因子與平移因子，即母小波ψ(t)通過伸縮和平移后得到的小波序列為

近年來，隨著小波變換在邊緣提取技術方面不斷發展和完善，利用小波變換提取海岸線成為了一種新興的水邊緣提取方法。這種方法首先將海洋和陸地的灰度值轉化為數字信號，在海陸交界處數字信號會有明顯的奇異性(不連續性)，利用小波技術對這種數字信號進行分析，找出奇異點的位置，并把它們依次連接起來，確定海岸線［15］。

由于小波變換技術的時間頻率局部精確化及空間多尺度的特性，小波變換在對圖像水邊緣檢測時，一方面可以在小尺度范圍內細化岸線，對岸線進行精細處理;另一方面，又可以在大尺度下粗化岸線，對在大尺度范圍產生的假邊緣有很好的處理效果，在保證岸線連續性的同時，極大地提高了海岸線的精確度。

四、結果與分析

1.研究結果

為驗證幾種試驗結果的不同效果，本文使用ArcGIS軟件對結果進行比較分析，利用與遙感影像同時段同區域的高分辨率遙感航片，與提取結果進行擬合對比。由于航片影像具有高分辨率性，地物特征表現得較為明顯，能夠清晰地觀察出海陸界限，因此，通過對比航片影像圖中海陸分界線與試驗結果的重合效果，可以較為直觀地看出幾種不同方式的優劣性。擬合效果圖如圖1所示。

圖1

通過試驗結果擬合對比圖可以得到如下結論:

1)閾值分割法對于海岸線的提取結果與真實地物差別最大，提取結果最粗糙。

2)邊緣提取法中Roberts算子、Sobel算子及Prewitt算子的提取結果幾乎相同。

3)小波變換法與Canny算子均能較為準確地提取出海岸線，與真實地物擬合程度較大。與其他方式的差異部分多為人工圍海形成的養殖圈。在復雜海岸線處，小波分析法相較Canny算子呈現明顯優勢。

4)由于填海區域的灰度值與陸地灰度值差距較大，與海域灰度值差距較小，在對其海岸線確定時，存在較大的誤差。幾種提取方法中只有小波變換法與Canny算子能夠對填海區域的海岸線進行提取。其中，Canny算子提取的結果精度更高，更適合研究人工圍填海區域。

2.結果分析與展望

本文采用了ETM遙感影像對海岸線進行研究，利用多種方式對大連長興島海域海岸線進行提取，使用同一時期研究區域航片作為評估標準，對不同的海岸線提取方法進行了對比，結合ENVI、Matlab及ArcGIS等軟件進行了研究分析與對比。研究結果顯示，大連長興島海域最適宜使用小波變換法對其海岸線進行提取，而在對填海區域進行研究時，則適宜使用邊緣提取法中的Canny算子。

五、結束語

遙感圖像由于其實時性和準確性，逐漸成為對海岸線研究的一種趨勢。在本次對研究區域海岸線研究提取的過程中，使用遙感圖像與Matlab軟件相結合的方式，達到了海岸線半自動化的提取，并且實現了快速、高效、準確的提取效果，為今后對黃渤海區域的岸線提取提供了一定的借鑒。

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