基于遥感的海岸线提取方法研究47页.ppt

基于遥感的海岸线提取方法研究一、研究目的与意义海洋与陆地是地球表面两个基本地貌单元，他们之间被一条明显的界线所分开这条海与陆相互交汇的界线通常称 为海岸线海岸线位置的确定是海岛海岸带遥感调查的重要环节，快速而又准确 的测定海岸线的动态变化，对于海域使用管理具有十分重要的意义一、研究目的与意义n本文研究目的是以实际观测的海岸特征为依据分析海岸 线在卫星图像中的解译标志，根据其地貌特点提出了对 于卫星图像中海岸线的解译方法；借助数字图像处理技 术对不同类型海岸的图像进行针对性的预处理，利用 Canny算子、中值滤波器和腐蚀算子，完成了对卫星图 像中海岸线的自动提取，证明了使用潮位高度与卫星图 像结合计算坡度的方法，为无明显解译标志的未开发淤 泥质海岸带的海岸线确定提供了校正的依据二、研究现状目前用遥感图像解译海岸线变化主要有目视解译和自动解译两种方法传统的目视解译经手工透图作 业，方法简单，但误差较大自动解译是将岸线作为 图像的边缘检测出来，随着计算机技术的不断发展， 自动解译技术的水平也有很大的提高，各种新的算法 不断出现，成为解译技术发展的主流二、研究现状Ø 冯兰娣等使用高斯函数的一阶导数作为小波变换函数 的核函数，在对黄河三角洲的Landsat近红外遥感图像 做小波变换后，通过检测小波变换模式的极值点得到 图像水边线的候选边缘点，然后再经过滤波得到图像 的水边线。

Ø 朱小鸽等使用多年的MSS与TM 图像，采用神经网络 分类方法，监测珠江口海岸线的变化并计算增长的陆 地面积，分析了海岸线发生变化的最主要原因 二、研究现状Ø 除了这些外，还有的采用了阈值分割法、区域生长 法、边缘检测算法等实现了自动解译Ø 但是他们提取的海岸线只是水边线，即卫星过顶时 刻拍摄的水陆分界线，没有考虑到海水悬浮泥沙、 潮位、季节等因素的影响，不是真正意义的海岸线三、海岸线的分类与解译方法海岸线包括大陆海岸线和岛屿海岸线基于不同学科的研究目的，对于海岸线具体位置的确定还存在一定的分歧， 大致分为5种：（1）低潮线；（2）沿海岸滩与平均海平面 的交线；（3）平均高潮线；（4）多年大潮高潮线或痕迹线 ；（5）最大风暴潮所能达到的位置三、海岸线的分类与解译方法为了提高海岸线研究的精度，真实地反映海岸线的变化趋势，必须有一个统一的标准目前，绝大多数国家，包括 我国现有海洋管理工作的实践都是以平均大潮高潮线为海陆 分界线，有关国家标准和行业标准也都规定其作为海岸线三、海岸线的分类与解译方法从地貌学角度，按海岸形态、成因、物质组成和发展阶段等特征考虑，主要可分为：基岩海岸、砂（砾）质海岸、 淤泥质海岸、生物海岸和人工海岸。

根据动态可把海岸分为堆积海岸和侵蚀海岸；根据外形可把海岸分为基岩港湾海岸和低平的砂岸，其 中砂岸包括砂质海岸和粉砂淤泥质海岸三、海岸线的分类与解译方法1、人工海岸人工海岸是人工建筑物形成的岸线，建筑物一般包括防潮堤、防波堤、码头、凸堤、养殖区和盐田等人工海岸大部分是由混凝土修筑而成的水工建筑，目的 是为了阻挡海水，在设计上是要确保大海潮时不能漫堤，而 且人工海岸的建筑几何形状一般比较规则，例如码头与岸上 的仓库，船在水面上行驶的时候会出现逐渐扩展的水际线， 这些都是判别人工海岸的标志，如图所示人工建筑在近红三、海岸线的分类与解译方法1、人工海岸外波段的图像上具有较高的光谱反射率，与图像中的海水区分明显，其海岸线易于计算机自动提取，海岸线位置确定在 建筑物边缘三、海岸线的分类与解译方法2、基岩海岸基岩海岸由岩石组成，常有突出的海岬和深入陆地的海湾，岸线比较曲折基岩海岸是海边的岩石山体受海水侵蚀形成，由于海水 不能越过海蚀崖，可以作为基岩海岸的岸线沿海区域是人 口居住的密集区域，海边绿化程度较高的山体光谱反射率较 低，表现为粗糙的斑块状，能够区别于一般的岩石或裸地； 岩石山体的面积比较大，植被覆盖较少，因此在图像中能表三、海岸线的分类与解译方法2、基岩海岸现出明显的凹凸感，有比较明显的山脉纹理特征，根据以上 两种特征可以判别出基岩海岸。

而基岩海岸与海水相连接的 边界非常明显，其解译标志就是海岬角以及直立陡崖与海水 的结合处三、海岸线的分类与解译方法3、砂质海岸砂质海岸是砂粒在海浪作用下堆积形成的，在波浪无法 作用的区域砂质也就会消失，因此可以把砂质海岸和陆地上 非砂质地物的分界线作为海岸线砂质海岸在靠近陆地的方 向上与其他类型的地物相连接，有可能是建筑物、公路等用 地，也可能是海水不能到达的其他非砂质地物，这些与沙滩 相接的地物亮度比较低，所以砂质海岸的岸线在图像上的纹 理特征是比较明显的三、海岸线的分类与解译方法3、砂质海岸需要注意的是，由于潮汐作 用的影响，沙滩有时会被海水部 分或全部淹没，当海水退去时， 被淹没又露出的沙滩在图像上亮 度较低，未被海水淹没的沙滩亮 度较高，而海岸线应该是整个砂 质海岸与非砂质地物的分界线作 为海岸线三、海岸线的分类与解译方法4、淤泥质海岸根据遥感图像的解译方法，淤泥质海岸可分为两种类型 ，一类是大部分已经被开发的淤泥质海岸，建成了虾池、盐 田等养殖区；另一类是保持自然状态的淤泥质海岸，这类淤 泥质海岸未经开发，岸滩面积较大，如下图所示三、海岸线的分类与解译方法4、淤泥质海岸对于已开发的淤泥质海岸，可以选择其他地物（如植被 ，虾池，公路等）与淤泥质海岸的分界线作为海岸线，因为 在大潮高潮时，海水不能越过其边界线。

对于未开发的淤泥质海岸，淤泥质岸滩与海水的分界线 在图像上很清晰但是，由于其岸滩面积较大，在图像上无 法找到明显的解译标志，需要通过潮位与卫星图像的对比进 行计算，才能得到海岸线在淤泥质海岸的准确位置四、海岸线提取算法：n 对海岸线自动提取的研究首先是对水边线提取算法的分析，是进行海岸 线动态研究的必要环节针对灰度图像中水陆边界线的提取，本文采用 了各种边缘检测算法对卫星图像进行了处理，经过对比，使用Canny算 子获得了超出其他算子的检测效果nCanny算子提出了好的检测结果，对边缘的定位要准确，对同一边缘要 有低的响应次数三个图像边缘提取限制条件，是效果最好的阶梯型边缘 检测算子，而卫星图像中的水陆分界线基本都是阶梯型边缘，即灰度图 像从陆地跃迁到海水的变化，使用Canny算子获得了超出其它算子的检 测效果，可以作为卫星图像的海岸线自动提取的基本算法四、海岸线提取不同类型的海岸线有不同的遥感解译标志，应该针对不 同的海岸线进行解译分析，确定其在图像中的准确位置，然 后使用边缘检测算子进行提取各类海岸都有各自的地貌特 征，在卫星图像上的光谱特征也有很大差异，但单波段灰度 图像中的海岸线特征不十分明显，而边缘检测算子只能对灰 度图像进行处理，因此需要根据海岸类型对灰度图像进行预 处理后才能提取，具体提取过程如下图。

四、海岸线提取—图像预处理Ø图像校正Ø图像分割四、海岸线提取—分类提取1、人工海岸和基岩海岸卫星图像中人工海岸与基岩海岸的共同特点是水陆分界 线非常明显，可以用高通滤波器进行图像锐化增强，常用的 几种边缘检测算法也属于高通滤波器，因此图像锐化增强原 理与边缘检测算法原理相同，只是在模板的设置方法上有区 别锐化增强模板的中心像素值远远大于周围像元值，可表 示为：111 1X1 111四、海岸线提取—分类提取1、人工海岸和基岩海岸经过锐化增强的图像的边缘特征更加突出，使用Canny 算子直接进行提取，即可获得很好的图像，如图所示四、海岸线提取—分类提取1、人工海岸和基岩海岸需要注意的是，涨落潮对图像中基岩海岸的岸线位置判 断会造成影响由于潮流的作用，海水并不是一直与海蚀崖 相接，只有当大潮高潮时卫星过顶拍摄到的图像中水边线才 满足海岸线定义的要求因此，在确定基岩海岸的时候所选 用的图像应尽量选取高潮位时刻的图像，以保证提取的海岸 线的准确性四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸根据砂质海岸的海岸线解译方法，首先要在图像上提取 出整个砂质海岸图块，然后取砂质海岸靠近陆地一侧的边缘 即可作为砂质岸线。

但是砂质海岸在卫星图像上并不是每个 像素都是同样的灰度，在和非砂地区的连接处会有一些亮度 低于砂质地物而高于非砂地物的像素为了去掉这些像素的 干扰，可以使用平滑图像的方法，把这些点作为噪声去除四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—图像噪声的平滑平滑图像的方法有很多种，其中比较常用的有均值平滑、 中值滤波、高斯低通滤波三种方法：（1）均值平滑—均等的对待邻域中的每个象元，对待每个象 元在以它为中心的邻域内取平均值，作为该像元新的灰度值假定邻域的大小为Ｍ×Ｎ，则均值平滑的公式为：四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—图像噪声的平滑当Ｍ＝Ｎ时，用３×３的模板进行运算，此时的模板φ(m,n)为111 111 111均值平滑算法简单，计算速度快，但在去掉尖锐噪声的同时造 成图像模糊程度也更加严重四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—图像噪声的平滑（2）高斯低通滤波—这种平滑方法与均值平滑方法类似， 是对均值平滑模板的改进均值平滑模板虽然考虑了邻域 点的作用，但并没有考虑各点位置的影响，对于所有的9 个点都一视同仁，所以平滑的效果并不理想实际上离中 心点越近的点对该中心点的影响应该越大，为此高斯低通 滤波器引入了加权系数，将均值平滑模板改造成为：四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—图像噪声的平滑121 242 121这个模板是通过采样二维高斯函数得到的，因此也成为高 斯（GAUSS）模板四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—图像噪声的平滑（3）中值滤波—这种方法对以每个像元为中心的Ｍ×Ｎ邻域 内所有像元按灰度值大小排序，用其中值作为中心像元的 灰度值，是一种非线性的图像平滑方法。

中值滤波以中值 替代平均值，起到滤波器的作用，在抑止噪声的同时能够 有效地保留边缘，减少模糊中值滤波与均值平滑的目的都是为了去除图像上的尖 锐噪声，平滑处理图像，但两者之间又有区别，选用方法 需要根据图像特点和处理目的来决定四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—图像噪声的平滑由于我们对砂质岸线图像进行平滑处理的目的是为了在去除图像中尖锐噪声点的同时尽量保留图像灰度变化的 “阶梯效果”，保留边缘，通过对比可以看出中值滤波后图 像灰度变化的阶梯效果被保留，而均值平滑后“阶梯效果” 消失，边缘模糊、灰度值呈渐变趋势，根据图像平滑方法 的特点和对图像预处理的视觉效果，中值滤波后的图像更 能突出图像的边界，符合海岸线提取研究的要求因此选 择中值滤波的方法进行图像平滑四、海岸线提取—分类提取2、砂质海岸—海岸线提取经过中值滤波以后，图像中砂质海岸的边界已经清晰， 为了把砂与非砂地物确定为两类不同的图像类型，还要使用 目视解译的方法对图像的直方图进行拉伸，确定一个阈值使 砂质海岸与其他地物分为两个不同的两个灰度值，从而实现 图像的二值化经过二值化后的图像，其砂质海岸与非砂质 地物的分界线非常明显，可以使用Canny算子进行海岸线提 取。

四、海岸线提取—分类提取3、淤泥质海岸—数学形态学算法数学形态学这种分析方法是由一组形态学的代数算子 组成，用这些算子机器组合进行图像形状和结构的分析处 理最常见的有七种，包括膨胀、腐蚀、开、闭、击中、 薄化、厚化其中膨胀和腐蚀是两种最基本最重要的交换 四、海岸线提取—分类提取3、淤泥质海岸—数学形态学算法腐蚀变换—是把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba包含 于X，则记下这个点a，所有满足上述条件的a点组成的集 合称为X被B腐蚀的结果，如下图所示四、海岸线提取—分类提取3、淤泥质海岸—数学形态学算法膨胀变换—可以看做是腐蚀的对偶运算，其定义是： 把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中X，则记下这个a点 ，所有满足上述条件的a点组成的集合称为X被B膨胀的结 果，如下图所示四、海岸线提取—分类提取3、淤泥质海岸—已开发海岸对于已开发的淤泥质海岸，可以选择其他地物（如植 被，虾池，公路等）与淤泥。