基于landsam影像的沙脊群地貌因子自动提取方法研究

基于landsam影像的沙脊群地貌因子自动提取方法研究

使用遥感方法研究海岸带变化是一种快速有效的方法。从卫星图像中获得地形数据的传统方法是图像解释。该方法比较简单,但是对于目视判读者的地学知识和解译经验有较高的要求,耗费时间多,劳动强度大,信息获取周期较长,解译质量受到许多因素的制约。因此,该方法难以适应当前快速化、信息化的研究趋势。本文使用ESRIArcGIS平台的地理建模工具———ModelBuilder来集成建模,从而实现辐射沙脊群地貌因子自动提取,希望该方法可以快速有效地得到沿海辐射沙脊群的沙洲水边线、沙脊线等地貌因子。目前关于辐射沙脊群的遥感研究方法主要分为定性研究和定量研究两种。定性研究主要是使用传统的遥感解译方法以及野外实地调查数据进行辐射沙脊群地貌演变的分析,如黄海军、李成治利用海图资料、陆地卫星影像及岸滩实测剖面等资料对辐射沙脊群的主要潮沟进行了研究,相似的研究还有李海宇等、陈君等、LohaniandMason、TabordaandSilva。这些研究侧重利用目视解译地貌的物理过程变化及其规律,遥感和GIS分析只是起辅助作用、做定性分析。而定量研究则是通过遥感分类、图像处理和模式识别进行地貌因子的提取,着重于计算机自动或半自动分析,以获取更为客观、准确的分析结果。早在1982年,唐文周等就提出计算机自动分类技术速度快,并且能同时测算出各类型的面积,更适于海岸动态监测和综合考察的观点。刘永学等提出了TC2分量密度分割法、饱和度分量图像密度分割法和Canny边缘检测3种方法提取辐射沙洲的边缘;Chaaban等以法国南部海岸带为研究区,对海岸线的自动化获取进行了研究。虽然这些自动化提取算法在一些具体的应用上取得了成功,但是太多人工操作使得遥感信息提取效率较低。海岸带的变化是一个持续的周期性的过程,时间因素对于辐射沙脊群地貌因子提取非常重要。以往的研究局限于资料、人力和时间的有限,大多在一段不连续的时间或较小的范围内进行的研究,不能完成一些长时期、大范围、连续数据的研究。随着当前卫星技术的发展,数据获取已经不是难题,但是如何快速、实时地处理海量数据,是有待研究的一个课题。目前国际上有面向任务型网络在线地理信息处理系统,使用ModelBuilder建立的基于GIS的远程景观动态监控工具等研究。本文主要研究如何设计和实现复杂的地理处理模型,将步骤复杂、重复劳动较多的地貌提取过程建立为一站式处理流程。通过其自动化和可重复性,将技术人员从大量繁复工作中解放出来,对于研究效率的提高、研究时间的有效利用有着重要意义。因此,本研究以ArcGIS9.3平台为基础,基于空间分析建模技术,使用ModelBuilder图解建模生成器将辐射沙脊群地貌因子提取的一系列繁复的链式处理流程整合为一个自动化处理流程,从而减少中间过程数据,以达到快捷高效、高准确率地提取两种地貌因子的目的。1沙脊群形成环境本研究的研究区选择江苏沿海辐射沙脊群地区,该区域位于江苏中部沿海,南北长200km,东西宽90km,水深界于0~25m。辐射沙脊群形态特别,共有大小沙体70余个;较大型的沙洲有东沙、高泥、条子泥、竹根沙、月亮沙等,共同构成沙脊群主体,从弶港北岸顺时针向南岸呈扇形展开,其地理位置和外观形态如图1所示。本项研究使用LandsatTM影像作为基础实验数据,其传感器有7个波段,空间分辨率30m,能够满足海岸带区域的研究精度要求。选取2006年4月3日、2008年4月24日、2010年11月27日三期影像进行地貌因子提取的研究。TM影像的获取的时刻均为上午10点30分左右,经三个潮位测点的观测数据得知,在该时刻研究区域是低潮位状态,辐射沙脊群基本全部出露水面,因此能够获得比较准确的地貌因子。地貌因子提取之前,对原始影像使用70年1∶25万的国家海图配准,并进行了辐射矫正、大气矫正预处理。2辐射沙脊群的两种地貌因子提取在辐射沙洲区域,地物大致可分为2类:沙洲和海水,沙洲主要由细颗粒沉积物组成,并为海水周期性淹没。使用一定的分类方法,可以将沙洲和海水分开,再进一步的处理分类后图像就可得到两种地貌因子。图2为本文研究框架,这是一个面向任务的框架,用于针对辐射沙脊群的沙洲水边线和沙脊线信息进行提取,其中,(1)为数据预处理流程;(2)为水边线提取流程;(3)为沙脊中心线提取流程;(4)为辐射沙脊群地貌因子。其具体技术方法将在下文中详细解释。2.1基于生物资本的非监督分类方法沙洲水边线是沙洲在不同潮位下出露的边界,就是沙洲的外轮廓。对水边线的动态变化进行研究,可以较为方便地监测沙脊群区域潮滩的动态变化,把握其变化规律对该地区的围垦开发有着极大的帮助。本文使用基于ISODATA非监督分类的沙洲水边线自动提取方法。ISODATA(iterativeself-organizingdataanalysistechniquesalgorithm)算法,又称迭代自组织聚类法,是常用的非监督分类方法;其计算过程是先计算均匀分布在数据空间的类的平均值,然后用最小距离法反复对剩下的像元进行聚类;每一个往返过程都重新计算平均值并且重新用最小距离法对剩下的像元进行分类;类的分割、合并、删除都是基于所输入的闭值;所有像元都被归并到最近的类;这个过程一直继续,直到每一类的像元数变化小于所选择的像元变化阈值,或最大的往返计算次数已经达到。非监督分类可以有效地将沙洲与海水分开,得到有两种或多种类别的多边形矢量文件,之后可以通过属性选取将沙洲水边线从中分离。在ArcGIS的Select工具中,通过设定SQL表达式,将输入要素类中符合要求的要素提取出来,生成一个新的要素图层。筛选公式为式(1)中,(CLASS_NAME)为分类结果矢量文件的类别名称字段名,Class1为陆地部分,Class.shp表示输出该类别所在的矢量图斑文件。分类过程中会产生许多细碎多边形,经过多次试验,设定面积阈值,将细碎噪声图斑去除,之后进行格式转换为线状要素,对线条其进行平滑处理,得到最终的沙洲水边线的矢量文件。2.2辐射沙脊线的提取沙脊中心线的是沙脊中心点的连线,它的摆动体现出了沙脊在潮流作用下的产生的长期的方位移动方向和趋势。在几何上,多边形的中心线(centerline)也叫多边形的对称轴(symmetricaxis)、骨架线(skeleton);在一定程度上,多边形的中心线可以反映出原多边形的形状特征,从而代表该平面形体的构成方式,因此经常被作为形体特征的分析工具。目前,对于面状要素的中心线,主要的提取方法有:垂线族法、约束Delaunay/Voronoi图法和栅格形态变换法。在应用过程中,考虑到方法的实用性,本研究选择采用ESRIArcGIS的扩展模块ArcScan来完成辐射沙洲中心线的提取,这种方法简化了ArcGISWorkstation的数据获取工作流程,增加了栅格编辑和扫描数字化等能力。使用ArcScan模块,能够自动实现从二值化的栅格图像中提取矢量格式文件,其功能包括栅格编辑,自动的栅格矢量化和批量矢量化。运用该模块的中心线矢量化功能可以方便地实现中心线的提取。需要注意的是,在栅格转换为矢量格式时,栅格像素阈值大小的设定非常关键。经过多次试验,像素阈值设定为栅格要素宽度最小值或长度最小值的百分之十到六十之间,结果较为理想。为便于软件运算,阈值应设置为整数。即:式(2)中,S为像素阈值,p为比例系数(一般取0.1~0.6),Lmin为要素长度最小值,Wmin为要素宽度最小值。提取的结果是每条沙脊线由若干条细小的线段组成,删除其中的细小琐碎分支;对照原影像,删除延伸至岸滩的多余线段,并对合并后的中心线进行合并、平滑等后处理,得到几个大沙洲的沙脊线。3基于gis的多应用实现方法ModelBuilder工具是软件ArcGIS中的图解建模工具,它可以将该软件及其扩展工具中的一系列空间运算分析工具和实验数据流程化地结合起来,以实现地理处理过程可视化;可以方便地保存每一次修改和更新,自行设计界面,为模型使用者提供图文结合的帮助;建立的模型可以保存在SDE数据库中,与别人共享,或者通过ArcGISServer实现互联网共享和在线地理处理。ModelBuilder的图形式操作界面可以方便地将空间分析工具整合到模型中,按使用者需求将其连接以实现GIS空间运算任务;模型中还可以包含子模型,以适应更为复杂的运算。此外,模型还可以通过Python,VbScript和JavaScript等语言脚本语言编辑,实现功能定制。图3为本研究的地貌因子自动提取流程示意图,以2006年卫片为例,输入模型后经过六阶段处理,得到三个输出文件,分别为研究区分类矢量文件、水边线文件和沙洲多边形栅格文件。因为中心线自动提取的工具ArcScan需要独立运行,因此沙脊中心线的提取及后续处理没有集成在该流程之中,需要人工交互进行。在模型集成后,通过反复调试叠加次数、各项阈值等参数,尽可能减少系统误差,以达到较高精度。实验结果表示,水边线提取过程依据计算机性能基本上可以实现实时或准实时完成,沙脊线提取速度在普通微机上计算也仅需十到二十分钟,其过程文件的图像与提取到的地貌因子效果如图5所示。4自动提取法联合其他方法对比图4和图5分别是辐射沙洲水边线、沙脊线的提取结果示意图。从图5可以看出,水边线提取效果较好,不仅大沙洲边线完整切合,效果良好,小沙洲也几乎没有遗漏。将结果文件与原遥感影像叠加对比,除南部海岸线处还有冗杂线条之外,与原图基本一致。同样,从图4可以看出,沙脊线经过人工删除自动提取后文件中的细碎分支,并对照影像去除延伸至岸滩的多余分支,较长的沙洲的中心线由多条线段组成,将其合并,平滑处理之后得到最后效果。将自动提取法得到的地貌因子与传统方法得到的结果在ArcGIS软件中进行叠加比较,两者差异很小,但是在细碎潮水沟分布密集处,人工方法提取的结果