基于Canny算子的南通江海岸线研究

蒋科迪，殷 勇，范开桂，张 凌

(1.南京大学地理与海洋科学学院海岸与海岛开发教育部重点实验室,江苏 南京 210046;2.河海大学海洋学院，江苏 南京 210098)

海岸带环境独特，是大气圈、水圈、岩石圈相互作用活跃和敏感的地带[1]，同时也是受人类活动影响较大的地带。海岸线作为多年平均大潮高潮所形成的海水和陆地分界线的痕迹线[2-3],其时空变化对于研究海岸带动力地貌演化和环境承载力指数有重要向导作用。因岸线具有瞬时性、动态变化性[4],因此，在实际应用中，常用平均高水边线(MHWL)、瞬时高水边线(IHWL)、低水边线(LWL)、干湿分界线、植物界线、冲痕线、滩线来替代海岸线[5]。目前，国内外学者常基于沉积学、地貌学、环境考古学、历史地理学、数值模拟、遥感解译等方法研究海岸线变迁。近几十年来，基于RS和GIS提取和分析可靠、有价值的目标地物信息，并结合现场实测数据监测海岸动态变化，研究长尺度岸线变迁已成为研究热点。

当前，基于RS、Matlab等自动提取影像瞬时水边线技术的研究较为深入。这些自动提取水边线的方法包括阈值分割法(密度分割法)、边缘检测法、色差算子提取法(CDC法)、区域生长提取法、神经网络分类法等。基于潮滩影像光谱特性,文献[6]基于TM影像合适的阈值，区分了淤泥质海岸和混浊的海水，但该方法提取水边线时受波段组合和所处位置坡度影响。文献[7]提出了依据传统阈值分割法改进的多阈值形态分割法，利用形态学算子处理沿海岸线孤立区域。文献[8]使用改进的亚像元分解方法(ISPCW)，有效提取了上海长江入海口区域海岸瞬时水边线。文献[9]利用Sobel算子清晰检测了不同时相SAR-TM融合影像海岸线。文献[10]基于多源遥感影像数据(Landsat和ERS-2 SAR)，使用Laplace-Gauss算子、Robert算子和Sobel算子提取了长江口浑浊带九段沙泥滩的瞬时水边线，并指出Sobel算子提取精度优于Robert算子和Laplace-Gauss算子。文献[11]利用小波变化法提取了加拿大比格里弗河口SAR影像瞬时水边线。文献[12]基于影像彩色信息，使用色差算子，兼顾边缘定位精确性和抑噪性，有效提取了不同类型海岸水边线信息。文献[13]基于多期Landsat影像，使用神经网络分类法，实现了对珠江口岸线长尺度的动态监测并定量分析了岸线变化的原因和珠江口陆地冲淤面积。以上大部分研究因未充分考虑潮汐等因素的影响，默认提取的瞬时水边线为海岸线，因此存在较大误差。对此，文献[14]提出了潮位校正观点，文献[15]指出了潮位校正即水边线至高潮线的水平距离的校正。

本文基于RS和Matlab平台，使用改进的Canny算子提取多期遥感影像瞬时水边线，并结合研究区海岸类型特点和吕四港多年潮汐数据矫正提取的瞬时水边线，最终获取南通市1972—2018年近50年江海岸线空间分布位置。

1 研究区概况

自晚更新世以来，苏北平原受里斯-玉木间冰期、早玉木冰期、玉木亚间冰期、晚玉木冰期和冰后期交替影响，曾有过3次海进、2次海退[16-18]。全新世晚玉木冰期气候转暖，南黄海海平面上升至现代海平面水下30～40 m(10 kaBP)，苏北岸外开始大规模发育古黄河—古长江三角洲。文献[16]认为弶港即为长江遗弃古河口，全新世冰后期，长江口不断南移，奠定了苏北平原南部现代南通地貌的基础。1885年黄河北归，南通海岸和沿岸水下沙洲重新调整，形成了现代南通江海岸线格局。20世纪50年代以来，受复杂自然因素和强烈人类经济活动的双重影响，研究区江海岸线变迁更为频繁。南通外沿海岸线北起新闸港，向东南延伸至连兴港，全长约198.7 km[19]，属粉砂淤泥质海岸。其中，新港闸—东灶港段为淤长岸段，东灶港—蒿枝港岸段侵蚀严重(大洋港两侧岸段侵蚀最为剧烈)，蒿枝港—连兴港岸段相对稳定略有淤长；江岸线从启东咀向西延伸至靖江焦港，全长约165 km，属河口岸段，沿江岸段上覆盖大量松散第四纪沉积物。研究区沿岸滩涂资源丰富，潮上带滩涂面积约39.667 km2，潮间带滩涂面积约1342 km2，有“黄金海岸”美称[20]。

2 数据来源

2.1 遥感影像数据

多时相MSS、TM、OLI系列影像数据(见表1)下载自美国USGS官网，其中MSS影像空间分辨率为80 m，TM与OLI影像空间分辨率为30 m(OLI Band 8全色波段影像为15 m)。

表1 Landsat卫星系列数据

2.2 潮汐数据

研究收集了吕四港近5年来潮汐数据(历史潮位数据主要通过潮汐调和分析进行推算获得)。其中，2011年至今的潮位数据采集方式为固定时长的连续采集方式，每隔5 min采集一次，每次采集时长为3 s。

3 瞬时水边线提取

3.1 图像预处理

南通市整体涉及3景影像(119-37、119-38、118-38)，需先镶嵌拼合图像、羽化边缘并按经纬度坐标分幅裁剪。为提高后期Canny算子检测精度，本文使用ENVI 5.2中FLAASH大气校正模型实现大气校正，提高影像质量。图像几何精校正结合1∶50 000地形数据，均匀选取30个地面控制点(GCP)，使用二次多项式纠正模型，利用双线性内插法配准遥感影像图，校正遥感器的位置及姿态的测量精度误差，使重采样后4期影像总体误差在1个像元之内。

3.2 图像增强

大气校正后的4期影像清晰度大幅提升，但仍存在些许椒盐噪声和斑点。在此，本文选用中值滤波(滤波核为3×3)平滑图像。

3.3 图像分割

目前，基于灰度特征和纹理特征均可以实现图像分割(如图1所示)，常用Hough变换、Otsu2D、Gabor滤波器、分裂合并法分割图像。本文使用计算简单、分类效果较好的Otsu2D自动阈值法分割图像[21]。按二维矢量描述像素，一幅灰度图像可表示为

FM×N=[f1(x,y),f2(x,y)]M×N

式中，M×N表示图像大小；f1(x,y)∈GL=(0，1，2，…，L-1)表示(x，y)处灰度值；f2(x,y)∈GL=(0，1，2，…，L-1)表示(x，y)邻域处灰度值。像素灰度级为i、邻域灰度均值为j的联合概率密度为

pij=p(f1=i,f2=j)=Nij/M×N

式中，Nij为矢量(i，j)出现的频数。本文假设阈值(s，t)，则

式中，ωb为背景目标概率；ωo为目标类目标概率。两类对应的均值矢量为

则最佳阈值矢量为

3.4 Canny算子瞬时水边线提取

John F Canny于1986年提出了多级边缘检测算子(Canny算子)[22]，此后该算子被广泛应用。但传统Canny算子在实际检测中受局部噪声干扰且会检测出虚假边缘，因此许多学者基于传统的Canny算子和实际检测图像作了相应的改进[23-25]。针对直接使用Canny算子检测的不足，本文在检测图像边缘前，综合利用ENVI 5.2和Matlab 2016b工具实现图像增强、图像分割(如图1所示)。对比Sobel算子(如图2所示)和传统Canny算子(如图3所示)边缘检测图像，改进后的Canny算子(如图4所示)定位更精确、单边缘响应性更好、信噪比更高。

4 潮位校正

研究区外沿海岸线以粉砂淤泥质海岸和人工海岸为主，结合目视解译标志，利用改进后的Canny算子提取的人工海岸瞬时水边线与实际岸线基本一致，但研究区部分潮滩受涨落潮和地形起伏因素影响(尤其是新港闸—东灶港段岸段)，提取的瞬时水边线与实际岸线相差较大，因此需对其进行潮位校正，获取较为精确的岸线空间位置。针对坡度较缓、潮滩面积宽广粉砂淤泥质海岸和河口冲淤岸段，文献[15，26—27]提出了岸线提取潮位校正算法和模型。结合前人研究成果，本文使用平均低潮线法完成淤积岸段的潮位校正。

4.1 确定潮位值

本文收集了近5年南通吕四港验潮站潮位数据，历史潮位数据主要通过潮汐调和分析推算获得。4期影像卫星过境具体时间分别为1973年11月15日1时56分9.50秒、1988年7月7日1时55分40.612秒、2003年8月2日2时1分44.91秒和2018年5月23日2时23分55.29秒。近年来(2011年至今)潮位数据以固定时长连续采集(每隔5 min采集1次潮位数据，每次采集时长为3 s)，因此，本文使用线性内插法获取任意时刻的潮位站潮高信息(尤其是Landsat卫星过境时刻的潮位信息)。

4.2 推算历史潮位

基于验潮站数据，研究使用文献[28]提供的T_Tide程序完成调和分析。推算历史时期潮位高度，以期获取4期影像成像时的潮位值。T_Tide模型将次要分潮从主要分潮中分离，并对保留的分潮作显著性检验[29]。因此，即使在潮位数据缺乏时，依然可以获得较为准确的潮汐调和常数，最终推算出潮位站点4个时相的平均大潮低潮位(如图5所示)。

4.3 平均低潮线法校正

具体方法为：①计算潮滩坡度θ。选取两条不同时相的相邻水边线(C1和C2)，确定其高差Δh和水平距离ΔL，则θ=arctan(Δh/ΔL)。②计算平均低潮线(C)。查取对应岸段平均低潮位，计算其与瞬时水边线C1(或瞬时水边线C2)的水位高差H，则瞬时水边线C1外推平距L=H/tanθ,将瞬时水边线C1校正后得到的平均低潮线C视为海岸线(如图6所示)。潮位校正后，即可获取研究区空间位置相对精确的4期外沿海岸线和江岸线(如图7所示)。

4.4 海岸线提取

经潮位校正后，本文使用ArcGIS提取了南通市近45年来4期(1973年、1988年、2003年、2018年)江海岸线(如图7所示)。

5 分析与讨论

本文选取一条抵近1973岸线的平直剖面线为基线，以约1 km为单位垂直于基线均匀绘制200条断面线，量测并计算近45年来南通岸线向海(江)推进距离。依据岸段蚀淤变化特征，将沿岸线和沿江岸线分为新港闸—东灶港、东灶港—蒿枝港、蒿枝港—连兴港、连兴港—圩角港、圩角港—营船港、营船港—九圩港、九圩港—焦港7个岸段，具体如下：

(1)新港闸—东灶港：岸线长约120 km，为淤积岸段。历史资料显示，1954—1980年新港闸附近高潮线向海推进1.6 km，1980—1984年环港断面年均淤长65 m/a[19]。断面统计结果显示：近45年来，较其余6个岸段，新港闸—东灶港岸段淤涨最快，尤其是小洋口—栟茶运河两侧岸段，其最大向海推进距离为2.9 km，约64 m/a。近30年来，在自然驱动力和人为驱动力双重作用下，环港—挖港岸段、凌港村—华新村岸段向海推进速率也较快，前者约30～50 m/a，后者约45 m/a。

(2)东灶港—蒿枝港：岸线全长约35 km，为侵蚀岸段。文献[19]对比历史地形资料，指出该岸段在1916—1969年53年中高滩平均后退1000 m，1955—1969年全线冲刷后退，蚀退幅度 140～150 m。断面统计结果显示：近45年来岸段蚀淤变化与1916—1969年大体类似，但略有不同。20世纪70年代以来对东灶港—蒿枝港岸段实施了海堤加固等工程，1973—1988年间大部分岸段仍然不断蚀退，但近30年来随着大规模的围填海工程和海岸海洋开发，袁家大场—蒿枝港外海岸段开始逐年向海推进，充分体现出人类经济活动在其中扮演的重要作用。

(3)蒿枝港—连兴港：该岸段全长约45 km，为小幅淤长岸段。20世纪60年代以前蒿枝港—连兴港岸段受较强的冲刷侵蚀作用，70年代以来随着大米草的引种和海岸围垦，蚀退岸段开始缓慢向海推进。近15年来启东圆陀角东侧外沿海岸的开发，使得该处海岸线迅速向海推进(约1.2 km，平均80 m/a)。该岸段近45年来的岸线变迁体现出后期人类改造活动和经济活动中起到的重要作用。

(4)连兴港—圩角港：该岸段处于长江河口北支分叉区。已有研究显示，1916—1970年间共坍蚀土地约217 km2；1955—1980年除局部岸段基本稳定外，几乎全线冲刷后退[19]。研究显示，随着人工护岸和沿江开发，近45年来连兴港—圩角港岸段大部分稳定并略有淤长，部分岸段有蚀退风险，其中以青龙港、灵甸港、三条港附近蚀退最为严重。

(5)圩角港—营船港：该岸段岸线变迁频繁。历史资料显示[30]，1940—1954年间，约38 km2土地被冲刷坍没入江；1955年后长江水动力条件发生改变，江岸由蚀变淤，迅速向南推进(至1969年南移了6～7 km)；1969—1980年该岸段侵蚀作用加剧，岸线迅速后退[19]。本文研究发现，由于自然动力条件和人类改造活动的动态平衡，该岸段近45年来基本稳定，未见明显蚀淤变化。总体而言，营船港附近岸线向南推进距离较大，最大推进距离约550 m。此外，可见圩角港西南侧江心沙向南淤长，其中，以江心沙西南角和东南角淤长最为明显。

(6)营船港—九圩港：该岸段受强烈侵蚀作用，有不断蚀退的风险。其中，通吕运河口—龙爪岩附近冲刷侵蚀作用最为剧烈。近30年来，因为人为筑堤建坝、护岸保滩工程，侵蚀风险得到了有效管控。

(7)九圩港—焦港。近45年来除极少数岸段(九圩港附近)侵蚀后退外，其余岸段基本保持稳定，部分岸段因为沿江开发利用，向海推进200～250 m。

6 结 语

对于某一地区较长尺度岸线变迁的研究(30～50年)，本文基于Matlab、ENVI和ArcMap平台，使用改进的Canny算子实现了对瞬时水边线的提取；而后基于海岸坡度相似假设和潮汐预报，使用平均低潮线法实现潮位校正并最终获取了空间位置较为精确的岸线。本文提取了南通市近45年间4期江海岸线，依据岸线蚀淤变化特征，将外沿海岸线和江岸线划分为7个岸段，并结合历史资料，研究了南通市较长尺度岸线演变特性。

(1)近45年来，新港闸—东灶港全线为冲淤岸段；东灶港—蒿枝港受强烈的冲刷侵蚀作用；蒿枝港—连兴港为淤长岸段；连兴港—圩角港大部分岸段相对稳定并略有淤长；圩角港—营船港在20世纪70年代以前蚀淤变化频繁，70年代以后相对稳定，未见明显蚀淤变化；营船港—九圩港受强烈侵蚀作用，部分岸段显示长期蚀退趋势；九圩港—焦港除极少数岸段(九圩港附近)侵蚀后退外，其余岸段基本保持稳定。

(2)近45年来南通市外沿海岸线变化受自然驱动力和人为驱动力双重影响，其中人为驱动力控制作用大于自然驱动力且其控制力逐期增强。如冲刷侵蚀作用强烈的东灶港—蒿枝港部分岸段(袁家大场—蒿枝港外海岸段)，近30年来仍强势表现出向海推进趋势；近15年来启东圆陀角东侧外沿海岸的开发，使得该处海岸线迅速向海推进约1.2 km，平均80 m/a。

(3)随着废黄河口泥沙向南输运量的减弱，弶港以南岸段冲淤作用未来有减弱趋势，因此对南通外沿海岸开发利用和岸线整治需作相应调整；此外，沿江岸段中青龙港、灵甸港、三条港等附近岸线蚀退依然严重，需强化对这些岸段的防护整治。