基于多源遙感影像的圍填海項目監視監測系統的設計與應用

孫玉超,楊帆,田松,李雪瑞,涂植鳳

(國家海洋局南海規劃與環境研究院 廣州 510300)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展,我國沿海地區工業化和城鎮化進程加快,圍填海成為拓展發展空間和緩解人-地矛盾的重要途徑[1]。填海造地指筑堤圍割海域填成土地,并形成有效岸線的用海方式;圍海指通過筑堤或其他手段,以全部或部分閉合的形式圍割海域,進行海洋開發利用活動的用海方式[2]。

圍填海屬于完全改變海域自然屬性的用?；顒?同時對周邊海域資源條件和開發利用活動造成較大影響[3]。根據《填海項目竣工海域使用驗收管理辦法》,海域使用權人應當自填海項目竣工之日起30日內,向相應的竣工驗收組織單位提出竣工驗收申請,并提交填海項目竣工海域使用驗收申請和施工過程海域使用動態監測報告等材料[4-5]。開展圍填海工程的海域使用動態監測是海洋管理部門加強海域監管、規范項目用海和施工以及保護海洋資源環境的有效手段[1]。本研究所述圍填海項目監視監測主要針對圍填海項目的填海界址,監測其是否在批復范圍內進行圍填海施工。

1 圍填海遙感監測

近年來,遙感技術尤其是衛星遙感技術以其低成本、宏觀、快速和實時動態連續監測等優勢受到廣泛關注[6],并成為國家海域使用動態監視監測的重要手段[7]。利用遙感技術能夠快速獲取圍填海信息,在一定程度上解決圍填海實地調查難的問題,并能廣泛和及時地掌握圍填海的變化過程及其存在的問題[8]。

目前對圍填海遙感監測的研究主要集中在海岸線遙感提取和變遷監測、長時間序列遙感影像圍填海演變監測以及圍填海遙感分類等方面。劉芳蕾[9]提出基于海岸線類型差異的海岸線綜合提取方法,并對大連市海岸線進行遙感提取和變化監測;柯麗娜等[10]基于多源遙感影像,對錦州灣附近海域的圍填海信息進行動態演變分析;孫書翰[11]利用Landsat影像以及運用決策樹分類和監督分類方法,對錦州灣附近海域的圍填海信息進行分類提取和變化分析。

已有研究為圍填海和海岸線的遙感提取、影像分類和動態監測提供技術支撐,但主要研究對象為低精度和大尺度范圍的遙感監測,無法滿足對大量圍填海項目長時期、高頻率和精細化的動態監測工作需求。本研究基于多源遙感影像,采用ArcGIS與ENVI一體化開發方式,設計圍填海項目監視監測系統,以期實現對重點圍填海項目的有效管控。

2 多源遙感影像數據

近年來,以高分一號、高分二號和資源三號為代表的國產高分影像在海島海岸帶監視監測工作中發揮著越來越重要的作用,航空影像、商業衛星影像和谷歌地球影像等也為海島海岸帶遙感監測提供重要的數據來源。本研究涉及的多源遙感影像數據主要包括4類:①國產高分影像數據主要為資源三號、高分一號和高分二號衛星,空間分辨率為1～2 m,包括紅、綠、藍以及近紅外波段;②航空影像數據主要為2008年前后獲取的沿海地區0.5 m航空影像,經過幾何精校正可作為遙感監測的參考影像;③商業衛星影像數據主要包括World View、Quick Bird、Geoeye、Pleiades和IKONOS等高分辨率影像,空間分辨率為0.5～1 m,包括紅、綠、藍以及近紅外波段;④谷歌地球影像數據主要為發布在“谷歌地球”上的高分辨率商業衛星影像,空間分辨率約為1 m,僅包括紅、綠、藍可見光波段。

3 系統關鍵技術

本研究采用ArcGIS與ENVI一體化開發方式,實現對圍填海項目填海范圍的監視監測。系統關鍵技術主要包括ArcGIS與ENVI一體化開發、影像數據批量處理、填海范圍自動提取以及監測成果圖件批量輸出。

3.1 ArcGIS與ENVI一體化開發

C#是微軟公司推出的基于.NET框架的面向對象的高級編程語言,以其強大的操作能力、優雅的語法風格、創新的語言特性和便捷的面向組件的編程支持而成為.NET開發的首選語言。ArcGIS Engine是完整的嵌入GIS的組件庫和工具,開發人員可用來創建新的獨立的GIS應用程序。通過C#調用ArcGIS Engine組件,可快速構建功能強大的GIS應用軟件。

交互式數據語言(IDL)是美國ITT VIS公司推出的第四代交互式、跨平臺、面向矩陣處理的編程語言,具有快速的數據分析和圖像處理功能以及強大的可視化功能。ENVI遙感影像處理軟件是美國RSI公司推出的由專業遙感科學家基于IDL開發的功能強大的遙感影像處理系統[12],其平臺所具有的圖像處理功能大部分以函數方式提供,可通過IDL直接調用并進行二次開發。

通過C#調用ArcGIS Engine組件以及C#與IDL混合編程技術,訪問ENVI函數或ENVI Tasks接口,可實現在C#+IDL混合開發環境下對ArcGIS與ENVI的一體化開發[13],并將所有功能集成到同一個系統中。

3.2 影像數據批量處理

影像數據批量處理主要包括批量大氣校正、影像批量融合、影像自動配準和影像批量裁剪。ENVI提供FLAASH大氣校正和快速大氣校正(QUAC)2種大氣校正方法,由于使用FLAASH大氣校正的方法相對復雜,且須進行輻射定標,不便于批量化處理。QUAC可自動從圖像上收集不同物質的波譜信息并獲取經驗值,以完成高光譜和多光譜的快速大氣校正,校正結果滿足水體提取要求。本系統主要調用QUAC進行批量大氣校正。

ENVI提供6種影像融合算法,即HSV變換、PC變換、Brovey變換、CN變換、Gram-Schmidt變換和NNDiffuse變換,其中Gram-Schmidt變換能保持影像融合前后波譜信息的一致性,是高保真的遙感影像融合方法。本系統主要調用Gram-Schmidt變換進行影像批量融合。

ENVI提供影像配準工作流,可在少量或無須人工干預的情況下自動、快速而準確地實現影像自動配準,具體流程包括匹配點自動尋找、匹配點過濾、影像配準和配準結果輸出,依次調用相關函數便可實現影像批量自動配準。

ENVI提供基于Shp.文件矢量范圍的影像裁剪工具,可實現影像批量裁剪。

通過使用IDL調用ENVI函數或ENVI Tasks接口,生成pro.文件供C#調用,可實現影像數據批量處理。影像數據批量處理須調用的函數或接口如表1所示。

表1 影像數據批量處理須調用的函數或接口

3.3 填海范圍自動提取

填海范圍提取可理解為對水體范圍的提取。目前已有許多學者利用多光譜遙感數據對水體提取進行研究并提出多種算法,主要包括單波段閾值法[14]、多波段譜間關系法[15]、歸一化差異水體指數法[16]和面向對象分類法[17]。

ENVI提供面向對象的空間特征提取模塊,包含3個工具,分別是基于樣本的特征提取、基于規則的特征提取和分割式特征提取。該模塊可根據影像空間和光譜特征,從高分辨率全色或多光譜數據中提取特征信息,其中基于規則的特征提取工具可采用單波段影像(如航空影像和谷歌地球影像)和多波段影像(如商業衛星影像和國產高分影像),用于水體范圍的自動提取。水體范圍提取須調用的函數或接口如表2所示。

表2 水體范圍提取須調用的函數或接口

3.4 監測成果圖件批量輸出

監測成果圖件須采用事先設計好的出圖模板,通過對ArcGIS進行二次開發,調用有關函數,自動加載項目已填范圍、新增填海范圍、海岸線和對應的遙感影像等數據,并進行符號化和出圖設計,批量導出填海監測成果圖和填海變化分析圖等圖件。

4 系統設計

4.1 總體思路

系統設計的總體思路如圖1所示。

圖1 系統設計

建立圍填海項目本底數據庫,包括填海批復范圍、海岸線信息、完成精校正的參考影像、經過實驗的水體范圍提取規則文件和成果圖件繪制模板等。將填海批復范圍和海岸線信息等矢量數據以PGDB格式存儲在MDB數據庫中,建立每個圍填海項目的文件夾,用于存放處理后的遙感影像、提取的圍填海矢量范圍和監測成果圖件等。

在獲取最新的遙感影像后,使用遙感影像處理模塊完成正射校正、大氣校正以及影像融合、自動配準和批量裁剪等處理,并將已配準和裁剪后的遙感影像存放到對應的圍填海項目文件夾中?；谝雅錅屎筒眉舻倪b感影像,使用填海范圍提取模塊提取圍填海的矢量范圍,并使用成果圖件制作模塊自動繪制監測成果圖件。

4.2 功能模塊

系統主要包括三大功能模塊,分別是遙感影像處理模塊、填海范圍提取模塊和成果圖件制作模塊(圖2)。

圖2 功能模塊

5系統應用

本系統在Visual C#2010+IDL 8.5混合編程環境下,通過調用ArcGIS Engine 10.2和ENVI 5.3 SP1的函數和接口,將遙感影像處理、填海范圍提取和成果圖件制作等功能集成到1個軟件系統中,實現對圍填海項目填海范圍的監視監測。

系統主界面包括菜單欄、工具欄、圖層列表、地圖窗口、制圖窗口和狀態欄等,其中主要功能模塊存放在菜單欄中,地圖窗口主要加載填海批復范圍、海岸線信息和地理底圖等數據。

遙感影像融合和自動配準工具可在較大程度上實現對遙感影像的自動化批量處理。對遙感影像進行處理后,采用基于規則的水體提取工具提取水體范圍,針對不同圍填海項目設置不同的掩膜范圍以消除不必要的干擾,并設置相應的水體提取規則,供不同類型的影像調用。對提取的水體矢量范圍進行去空洞和平滑等處理,并基于海岸線和上次監測已填范圍等數據,提取已填范圍和新增填海范圍。

將已填范圍和新增填海范圍疊加批復用海范圍、海岸線信息和遙感影像等數據,批量自動繪制填海監測成果圖和填海變化分析圖。通過查看填海監測成果圖,可檢查已填范圍和新增填海范圍的提取是否準確。已填范圍能大致反映最新的圍填海情況,但受影像質量等因素的影響,已填范圍鋸齒較多,與影像有不少出入,也無法識別圍填海和施工船只,因此須后期人工修改完善。

6 結語

通過對ArcGIS與ENVI進行一體化開發,實現遙感影像正射校正、大氣校正以及影像融合、自動配準和裁剪等操作的批量處理,圍填海范圍的自動提取以及監測成果圖件的批量輸出,對提高圍填海項目遙感監視監測的自動化水平具有實際意義。

本系統在應用過程中仍存在3個問題:①基于遙感影像的圍填海范圍提取未考慮潮汐等因素的影響,也無法監測圍填海水下坡腳線,因此監測結果僅供參考;②基于遙感影像的圍填海監視監測無法區分圍填海、構筑物和船只等,須結合目視解譯或現場核查結果判斷;③由于遙感影像來源多樣、時相差別較大且質量參差不齊,基于遙感影像的圍填海范圍提取的準確率不夠高,提取結果須人工修改完善。上述問題亟須進一步研究和解決。