海岸线遥感解译和提取方法研究

殷 飞，田林亚，王 涛，吕玲玲

（1. 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210000；2江苏省人民政府国有资产监督管理委员会，江苏 南京 210000）

海岸线的界定和测绘方法多种多样。传统的海岸线测绘常用的方法主要有摄影测量技术，GPS测量技术也被应用到大比例尺的海岸线测绘，陆上车载测绘技术配合GPS可以快速机动地进行海岸线的测绘工作[1]。这些方法通常效率低、成本高、工作周期长，不能实时对海岸线的动态变化进行监测。利用遥感技术分析提取海岸线具有宏观、高效、数据更新快速等优势，并且不受地表、海况、地理环境等外界条件限制，是实施海岸线测绘和动态变化监测的重要方法。近年来，国内外学者在海岸线提取方面做了大量研究。Joo Hyung Ryu[2]等利用TM影像，选出适当的阀值，分离陆地和水体，这种方法在提取淤泥质海岸时误差很大，容易受到波段组合和地形的影响；Andreas Niedermeier[3]等利用SAR影像，采用小波边缘检测的算法提取了海岸线；王李娟[4]等利用ETM影像通过Soble图像边缘检测算法和修复归一化水体指数的方法（MNDWI）对淤泥质海岸进行提取，并验证了精度；董宝根[5]等利用LiDAR点云数据，提取了有地形约束区域的海岸线。岸线的分类体系多种多样，本实验将海岸线分为砂质岸线、淤泥质岸线、基岩岸线和人工岸线四类，并分别建立海岸线解译标志，提出了不同岸线的提取方法。

1 数据源及研究区域概况

实验采用美国Landsat 8陆地卫星遥感影像数据，波段范围0.433～12.5 μm，全色波段和多光谱波段的空间分辨率分别为15 m和30 m。使用2010年ALOS卫星2.5 m江苏影像作为几何校正参考数据，进行影像图的配准，误差小于1个像元。利用0.3 m的高精度航拍影像对照分析各种海岸类型在遥感卫星影像中的构成特征，结合先验知识，建立解译标志。

实验区连云港地处江苏省最北端，是南北气候的过渡地带，岸线资源丰富，种类齐全。地理坐标34°12′～35°07′N、118°24′～119°48′E，连岛面积7.57 km2，是连云港市最大的岛屿。

2 不同类型海岸线遥感标志及提取方法

多光谱影像能够呈现不同地物的典型而且丰富的光谱特征，通过不同类型海岸的地理学特征和光学特征，结合野外考察和高精度航拍影像的验证，建立解译标志。

2.1 基岩海岸

基岩海岸是经过长时间海水侵蚀和波浪作用形成的一种海岸类型（图1a）。在标准假彩色影像上，水体的反射率很低，灰度值很小，海水区域呈现蓝色或者深蓝色；陆地上，岩石、道路、建筑物等地物被辐射作用，具有很高的反射率，呈现出亮白色，陆地植被也有很高的反射率，呈现红色，颜色差异较为明显，可以将水体和陆地的分界线作为海岸线（图 1b）。

基岩海岸受到地形和潮汐作用的影响较小，在提取海岸线时，采用密度分割法进行水边线的提取。因为水体和陆地的背景值明显，影像的TM6波段具有明显的两个峰值，选取两峰值之间的谷底所对应的灰度值作为所需要的阀值，将图像进行陆地和非陆地的二值变换。影像经过陆地和水体分离以后，可利用Roberts算子提取基岩海岸的水边线。

图1 基岩海岸

2.2 人工海岸

人工海岸是人工建成的具有永久性和封闭性的建筑物（图2a）。根据用途差异可分为丁坝与突堤、港口码头、养殖与盐田围堤、交通围堤、防潮堤等。同基岩海岸类似，可以将人工海岸向水一侧的水陆边界线作为海岸线（图2b）。提取方法和基岩海岸相同，也采用阀值密度分割的方法，岸线位置应该在向海一侧。

图2 人工海岸

2.3 砂质海岸

砂质海岸是经过长期海水的波浪作用形成的，一般是在基岩岬角之间的相对开阔的区域分布，向陆一侧在风力和波浪作用下形成沙堤，也称为“滩脊”。因为波浪的影响，将大量水草残体、贝壳碎片等杂物堆积到海滩上部，形成一条明显的痕迹线。这条痕迹线的位置就是砂质海岸的海岸线位置（图3a）。沙岸一般有3种类型，分别是海滩、具有陡岸的海滩、沙坝－潟湖海滩等[6]。

沙堤的向陆一侧滩面比较干燥，光谱反射率很高，在遥感影像上呈现亮白色；沙堤的向海一侧砂石含水量较高，颜色相对比较灰暗，水边线的位置因为浪花的反射率较高会呈现亮白色，有明显的分层现象（图3b）。采用监督分类和图像边缘检测算子相结合的方法提取砂质海岸线，首先通过对照0.3 m高分辨率航拍影像，在遥感影像中选择训练样区，对影像进行监督分类，提取出整个砂质海岸的图斑；然后依据砂质海岸的解译标志确定海岸线的位置。对分类后的图像进行后处理，包括相同地物图斑的合并，小图斑的聚类和过滤处理等去除噪声；最后采用Sobel对海岸线进行提取。Sobel算子对灰度渐变和噪声较多的图像处理效果较好，对噪声有平滑作用，完成后需要对提取的海岸线进行人工修测。

图3 砂质海岸

2.4 淤泥质海岸

淤泥质海岸是由入海河流携带泥沙和海岸的侵蚀作用产生的，主要特点是海岸低平，滩涂面积较大，坡度平缓，而且一般都会有潮沟发育（图4a）。淤泥质岸滩受到海浪、潮汐的影响，在潮间带向陆区域有大量的耐盐植物生长且向陆一侧耐盐植物生长茂盛，在遥感影像上呈现红色或者深红色，而向海一侧植物则涨势稀疏矮小，在影像上呈现浅红色，形成了一种天然的植物界线。通常把这种天植物界线定义为淤泥质海岸的海岸线（图4b）。

淤泥质岸滩上的水体、潮沟、沉积物颗粒等产生大量的噪声干扰潮滩水边线的自动提取[7]。利用灰度形态学方法对影像进行预处理，将岸滩上植被带附近的零碎区域进行合并，得到一个相对连续的植被区域，但是岸滩环境不均匀的特点还是会形成大量的噪声点。Canny算子对噪声影响处理效果较好又能够保持良好的边缘监测特性[8]。这种方法能很好地把细碎区域合并，检测的水边线较为连续且附近的干扰细节较少，实现了淤泥质海岸带潮滩模糊边界的水边线自动提取。

图4 淤泥质海岸

3 实例验证

利用空间分辨率为30 m的Landsat8遥感影像提取了研究区域的海岸线（图5a），研究区域岸线类型丰富，包括了基岩海岸、人工海岸和砂质海岸3种海岸类型，满足实验需求。为了验证海岸线的提取效果，将遥感影像提取的海岸线叠加到0.3 m的高精度航拍影像上进行对比验证（图5b），结果表明，提取效果较好。实验选用了11个GPS实测岸线点数据（该数据仅为本次实验所使用，不具有保密性质），该数据测量于2016-08，通过CORS方法获取，精度±30 cm，计算GPS点到提取岸线的距离为岸线差值（表1）。结果表明，实测GPS岸线点与遥感提取海岸线相比（图6），最大差值距离8.974 3 m，最小距离差值3.867 2 m，平均差值6.135 4 m，优于0.5个像元（15 m），达到精度要求。

图5 研究区域海岸线

图6 遥感影像提取海岸线与实测GPS岸线点对比

表1 遥感提取海岸线精度验证

4 结 语

通过分析0.3 m高精度航拍影像建立不同岸线解译标志，提出不同类型海岸线的提取方法。通过遥感影像提取的海岸线与0.3 m高精度航片叠加和野外实测GPS岸线点对比分析，证明本实验所建立的海岸线解译标志和提出的海岸线提取方法合理、准确，并得到以下结论：

1）基岩岸线，人工岸线和砂质岸线的提取效果较好，因为基岩海岸、人工海岸、砂质海岸在影像上陆地与水体的光谱反射率差异明显，提取的精度较高。

2）淤泥质岸线相对其他岸线提取效果较差，因为海岸线周边地物间光谱特征的差异较小，水边线十分模糊，获取准确、连续的水边线轮廓有一定困难，需要结合实地测量的方式对淤泥质海岸线进行人工修测。

3）在海岸线的解译和提取过程中，不同学者采取的解译标志和提取方法不同，所以产生的结果也不同。丰富的先验知识和提取经验非常重要，需要收集大量的相关资料，以达到准确判定、精确提取的目的。