卫星遥感影像分水岭分割与边缘检测的海岸线提取

杨博雄 陈颖 于杰

（1.三亚学院信息与智能工程学院 海南省三亚市 572022 2.三亚学院容淳铭院士工作站 海南省三亚市 572022）

1 前言

海岸带作为海洋和陆地互相作用的区域，含有大量的自然资源和人文景观，具有信息交换与能量流动的作用，是人类不可多得的资源[1]。由于海岸线的人工密集开发，超过大自然对其自身改变，成为海岸变迁的主要驱动因素。近年来，除了全球变暖导致海平面上升以外，由于人类对海岸带开发也越来越频繁，海岸带的变化更加活跃。因此精准、快速地提取海岸带、实时监测海岸带变化对我国规划和利用海岸带、发展海洋经济具有重要意义[2]。

2 海岸线提取与变化检测方法

2.1 海岸线分类

海岸线可以分为自然岸线和人工岸线两种类型。自然海岸线可以分为基岩海岸、沙砾海岸、生物海岸、淤泥质海岸等[3]。人工海岸线可以分为：防护岸线、码头港口、盐田、养殖和农业围垦等。人工岸线受人类活动影响，以围堤的形式存在。由于大力开发海洋资源，人工岸线比例升至73%。受地理环境影响，天然岸线可转化为人工岸线[4]。

2.2 基于遥感影像的海岸线检测

通过海洋卫星遥感影像提取海岸线信息已经成为一种有效手段，卫星遥感技术具有快捷方便、全面综合以及动态实时监测的特点，对于海岸线变化以及海岸带变迁的监测效率非常高。结合GIS等技术可以监测海岸线的动态演变，分析海岸线的变迁[5]。

但是遥感所记录的图像是卫星过境时的瞬时图像，不同时间的影像拍摄出的潮汐的位置不同，瞬时海岸线的位置也不同，因此在测量时会有很大的误差。我国严格规定海岸线的位置是平均大潮位，在影像上是一条痕迹线，岸线提取难度较大[6]。

2.3 海岸线变化检测

海岸线侵蚀是指由自然因素、人为因素或者两种因素叠加而引起的海岸线位置后退或岸滩（包括海滩或潮难）下蚀。海岸侵蚀是一种灾害性的海岸地质现象，近年来呈现不断加剧的趋势，常造成堤岸塌陷、村镇后迁、海岸工程设施破坏，由此进行的海岸侵蚀管理花费了大量的专项投入，给沿海地区经济社会的发展造成了极大危害[7]。

目前大多采用面积法、基线法和缓冲区覆盖法等来对海岸线变迁进行分析。面积法通过岸线摆动的影响范围来反映海岸线变迁，海岸线距离陆地变长意味着海岸带陆地的面积增加。距离陆地距离变短则反映海岸陆地面积减少。利用GIS 技术，叠加早期和后期的海岸线，对比海岸线的重合程度，如果后期在早期的内侧说明陆地面积减少，反之则增加[8]。

3 基于分水岭算法的图像分割

图1：基于Google Earth 的三亚湾-大东海遥感影像

图2：实验方案

分水岭（Watershed）算法是基于地理形态分析的图像分割算法，模拟地理结构（如山川、沟壑、盆地等）来实现对不同物体的分类[9]。分水岭分割算法可以用于图像的边缘检测与提取，在利用该算法进行图像边缘检测时，由于噪声或其他因素干扰，图像可能会被过度分割，出现很多孤立小区域。解决办法有：

（1）对图像进行高斯平滑操作，抹去很多小的最小值，这些小区域会被合并；

（2）可以通过手动标注（Mark）的方式将相对较高的灰度值像素作为起始点，从标记处开始进行淹没，这样很多小区域就会被合并为一个区域[10]。

4 卫星遥感影像边缘检测与海岸线提取

本文采用基于标注的分水岭算法对卫星遥感获取的海岸影像数据进行海岸线提取和海岸带变迁分析。下面以三亚市三亚湾-大东海沿线海岸线变化检测为例，遥感影像数据来源于Google Earth 的历年遥感影像数据（QuickBird 卫星），如图1 所示。

图3：2009-2016 年基于卫星遥感影像的海岸线边缘提取结果

图4：2010 年与2016 年三亚湾-大东海海岸线比对

实验流程如图2 所示。

5 海岸带边缘检测与海岸线提取

5.1 处理结果

本文通过Google Earth 获取三亚湾与大东海2009-2016 年历年遥感影像数据，经过分水岭算法分割边缘提取后的海岸带边缘结果分别如图3(a)-(h)所示。

5.2 海岸线提取

根据上述基于2010-2016 年卫星遥感影像边缘结果，对提取三亚市三亚湾-大东海沿线海岸线，结果进行做一个比对，如图4 所示，其中红色线为2010 年海岸线结果，蓝色线为2016 年海岸线提取结果。

从图4 可以看出，对比三亚湾和大东海段的海岸线都有明显的侵蚀现象，两段海岸皆为砂质海岸，易受侵蚀。

6 海岸带变迁分析

三亚市经济发展迅速，是21 世纪海上丝绸之路的重要节点。本文基于卫星遥感影像提取2009-2010 年三亚市的三亚湾-大东海海岸线，主要提取了沙砾海岸线，对变化结果分析如下：

（1）三亚市近年来的海岸线长度都有明显的后退，由于人类活动，例如凤凰岛、三亚湾路等。岸边的原生植被遭到破坏。砂质海岸的特性、台风等也是导致海平面上升的原因。

（2）由于旅游业是三亚的支柱产业，三亚的发展主要受旅游业发展的影响，尤其是砂质海岸对旅游尤为重要。三亚港口建设加速、人工岸线不断增建，海岸线上不断建设酒店与房地产项目。

（3）三亚湾的海岸线为砂质海岸，其海岸特征为灰白浅黄色中细砂、含砾粗砂。其质地较为疏松，易受冲刷。

（4）海平面的上升也会导致海岸线的变化，国家海洋局海平面监测和分析结果表明，中国沿海海平面变化总体呈现波动上升趋势。1980-2013 年，中国沿海海平面上升速率为2.9mm/a，高于全球平均水平。2013 年，中国沿海各省（自治区、直辖市）海平面均明显高于常年。其中，海南最高，较常年高143mm。由于三亚的海滩倾斜角度较缓，海平面上升会导致海岸线的上升。由于人口增长和发展压力，与洪水相关的沿海地形变化引起了人们的关注，沿海地区可能在未来十几年继续脆弱。