衛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

（1.三亞學院信息與智能工程學院 海南省三亞市 572022 2.三亞學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，超過大自然對其自身改變，成為海岸變遷的主要驅動因素。近年來，除了全球變暖導致海平面上升以外，由于人類對海岸帶開發也越來越頻繁，海岸帶的變化更加活躍。因此精準、快速地提取海岸帶、實時監測海岸帶變化對我國規劃和利用海岸帶、發展海洋經濟具有重要意義[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、淤泥質海岸等[3]。人工海岸線可以分為：防護岸線、碼頭港口、鹽田、養殖和農業圍墾等。人工岸線受人類活動影響，以圍堤的形式存在。由于大力開發海洋資源，人工岸線比例升至73%。受地理環境影響，天然岸線可轉化為人工岸線[4]。

2.2 基于遙感影像的海岸線檢測

通過海洋衛星遙感影像提取海岸線信息已經成為一種有效手段，衛星遙感技術具有快捷方便、全面綜合以及動態實時監測的特點，對于海岸線變化以及海岸帶變遷的監測效率非常高。結合GIS等技術可以監測海岸線的動態演變，分析海岸線的變遷[5]。

但是遙感所記錄的圖像是衛星過境時的瞬時圖像，不同時間的影像拍攝出的潮汐的位置不同，瞬時海岸線的位置也不同，因此在測量時會有很大的誤差。我國嚴格規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。海岸侵蝕是一種災害性的海岸地質現象，近年來呈現不斷加劇的趨勢，常造成堤岸塌陷、村鎮后遷、海岸工程設施破壞，由此進行的海岸侵蝕管理花費了大量的專項投入，給沿海地區經濟社會的發展造成了極大危害[7]。

目前大多采用面積法、基線法和緩沖區覆蓋法等來對海岸線變遷進行分析。面積法通過岸線擺動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，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側說明陸地面積減少，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：實驗方案

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

（1）對圖像進行高斯平滑操作，抹去很多小的最小值，這些小區域會被合并；

（2）可以通過手動標注（Mark）的方式將相對較高的灰度值像素作為起始點，從標記處開始進行淹沒，這樣很多小區域就會被合并為一個區域[10]。

4 衛星遙感影像邊緣檢測與海岸線提取

本文采用基于標注的分水嶺算法對衛星遙感獲取的海岸影像數據進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，遙感影像數據來源于Google Earth 的歷年遙感影像數據（QuickBird 衛星），如圖1 所示。

圖3：2009-2016 年基于衛星遙感影像的海岸線邊緣提取結果

圖4：2010 年與2016 年三亞灣-大東海海岸線比對

實驗流程如圖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 年歷年遙感影像數據，經過分水嶺算法分割邊緣提取后的海岸帶邊緣結果分別如圖3(a)-(h)所示。

5.2 海岸線提取

根據上述基于2010-2016 年衛星遙感影像邊緣結果，對提取三亞市三亞灣-大東海沿線海岸線，結果進行做一個比對，如圖4 所示，其中紅色線為2010 年海岸線結果，藍色線為2016 年海岸線提取結果。

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象，兩段海岸皆為砂質海岸，易受侵蝕。

6 海岸帶變遷分析

三亞市經濟發展迅速，是21 世紀海上絲綢之路的重要節點。本文基于衛星遙感影像提取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，例如鳳凰島、三亞灣路等。岸邊的原生植被遭到破壞。砂質海岸的特性、臺風等也是導致海平面上升的原因。

（2）由于旅游業是三亞的支柱產業，三亞的發展主要受旅游業發展的影響，尤其是砂質海岸對旅游尤為重要。三亞港口建設加速、人工岸線不斷增建，海岸線上不斷建設酒店與房地產項目。

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

（4）海平面的上升也會導致海岸線的變化，國家海洋局海平面監測和分析結果表明，中國沿海海平面變化總體呈現波動上升趨勢。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，中國沿海各省（自治區、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，海平面上升會導致海岸線的上升。由于人口增長和發展壓力，與洪水相關的沿海地形變化引起了人們的關注，沿海地區可能在未來十幾年繼續脆弱。