（自然地理学专业论文）基于小波分析的淤泥质潮滩水边线提取.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 海岸带是海陆交互作用下高度动态的地带，是近岸环境监测重点关注的地 区。自遥感技术用于海岸带研究以来，遥感影像海岸线特征的提取就一直是研 究的基础课题之一。淤泥质潮滩由于其特殊的物质组成以及平坦的地形等自然 地理条件，再加上河口地区的悬浮泥沙的影响，其岸线的提取一直是海岸带信 息提取中的难点。 水边线技术是利用遥感技术进行地形反演和潮滩冲淤定量计算的有效手 段，它要求相应采用高精度的水边线提取方法。由于人工数字化的费时费力以 及受主观因素影响，本文研究了基于小波分析的水边线信息提取方法，主要的 工作如下： 1 、首先对当前遥感影像海岸线特征提取的研究现状进行了总结，分析了其 中的问题，并对其发展进行了展望。 2 、总结了淤泥质潮滩的一般特点，并针对具体的长江口崇明东滩研究区详 细分析了潮滩的主要地物光谱特征，然后在进一步对潮滩影像的光谱特征进行 详细研究的基础上，给出了水边线提取时波段选择的原则和方法。 3 、针对获取的遥感影像的特点，采用了灰度形态学的方法对其进行预处理。 然后采用模极大值的方法对其进行了小波多尺度边缘检测，提取了其不同尺度 下的水边线信息。 4 、为了满足从遥感影像提取的特征能够用于更新地理数据库的要求，得到 矢量化的信息，采用了组件技术将m a t l a b 与m c g i s 平台进行集成，首先用 n e tb u i l d e r 将m a t l a b 中的代码封装成n e t 组件，然后在v b n e t 2 0 0 5 中使用 该组件，并采用组件的技术来扩展觚g i s 的功能，从而实现了m a ：t l a b 平台与 觚g i s 的无缝集成，实现了水边线信息的自动提取。 关键词：遥感水边线小波分析潮滩组件技术 华东师范大学硕士学位论文 a b s t n l c t a b s t r a c t t h ec o a s t a lz o n ei s 廿l ek g l l l y 咖l 锄i cz o n cw h e r e 廿1 eo c e a n 跹dt h el a n d n e r a 瓯a n di t s 廿l ek e ya r e aw h e r et 1 1 en e 盯s h o r e 伽而r o l 姐e n tm o 血o r i n gp a y sa l 扣苫ea t t c m i o nt 0 s i i l c et 1 1 ea p p l i c a t i o no fr e m o t es e n s i n gi nt h ec o a s t a lr e s e a r c h ，t l l e s h o r e l i n ef e 船e x 仃a c t e d 疗o mr e m o t cs e l l s i n gi m a g e sh a sb e c o m ea d a m e n ：t a1 w o f k d u et o l es p e c i a ls u b s t a n c ec o m p o s i t i o na 1 1 df l a tl a n d f i o n ni 1 1t l l em u d c i yt i d a l n a t s ，e s p e c i a l l ym es u s p e n d e d s e d i m e m si n 也ee s t u a r i i l ew a t e r ，i ti sad i 伍c u l t ) ，j o b t oe x 仃a c tw a t e r l i n ef 如mc o 础lr e m o t es e n s i n gi m a g e 巧p r e c i s e l y t h ew a t e d i r l et e c l l i l i q u ei sa na v a i l a b l em e t l l o dw b i c hu s e sr e l o t es e n s i n gt o i l 】【v e r s en l et i d a lt o p o 掣丑p h y 锄dt 0q l 圾n t m 吐i v e l yc 甜c u l a t ee r o s i o n 越l ds i l 僦o ni 1 1 也et i d a ln a t s i i lo r d e rt og e tag o o dr e s u h ，a1 1 i 曲p r e c i s i o nm e t l l o dt oe x 订a c tt 1 1 e _ a 住i r l i r l e s 丘d mt 1 1 er e i i 】【0 t es e n s i n gi m a g e si sr l e e c l e d o na na c c o u n to f 吐1 ea n i f i c i a l d i g i t a lt i m e - c o n s u l n i l l g ，t l l i sp a p e ru s e st l l ew a v e l e tm e t l l o dt oe x 协a c t 也ew a t e d i n e 1 1 1 em o s tw o r k 觞f o l l o 、s ： 1 1 1 ef i r s tc h a p t e ri sar e v i e w ，f o c u s e so nm ep r e s e n tr e s e a r c hp r o g r e s sa ：b o u t 也e s h o r e l m ef e a n 玎e sa ( t r a l c t i o n 丘o mm er e m o t es e n s i n g 妇a g e s ，a 1 1 di n a k e sad e t a i l 觚a l y s i so n 也ep r o g r e s so fm es h o r e l i l l ee x t r a c t i o n n l es e c o n dc h a p t e ro u t l i n e st l l eg e n e r a lf e a t u r e so ft 1 1 ei n u d d yt i d a lf l a t a n d a c c o r d i n gt ot l l ec o n c r e t ec o r l d i t i o no fc h o n 肿i n gi s l a l l dn a t s ，也ec l a s s i cs p e c 仃l 】l i l o fd i f i - e r e mm u d d yn a t so b j e c 惦a r ea n a l y z e d f u r t b e n n o r e ，a r e rad e 腼l 删y s i so f 证l es p e c t r u 】 i lc h a r a c t 盯，ap 】f i l l c i p l ea b o u ts p e c _ 仃a lb 龇1 ds e l e c t i o nt oe x 仃a c tt b e s h o r e l i n ei sp r o p o s e d t h et h i r dc h a r p t e rc o n c e n l s 缸忙w a v e l e tm e 也o do ft h e 、) r a t e 订i 1 1 ee x t r a c t i o n a c c o r d i n gt on l ec h a r a c t e r i s t i c so fl a n d s a tt mi m a g e s ，n l ef i r s ts 1 ：e pt op r o c e s st 1 1 e i i n a g e si sb a s e do ng r a l ym o 印h o l o g yt 1 1 e o r y ，趾dt 1 1 e na c q u i r e s 也ew a t e n i n eo ft i l a l n a t sa td i a e r e n ts c a l e sb vm e a n so f 、v a v e l e tn t m s f - o mm o i i u l u sm a x 妇a w i 也“o h i l a g e s 、) l ，i t bd i f f e r e mt i d a lc o n d i t i o n ，n 比r e s u n ss h o wm e m o d se 丘色c t i v e l ys o l v e sn l e p r o b l e m 蜘m ed e t e c t e dw a t i ：r l i n ee d g e sa r en o tc o m 证u o u sa n dma 1 1 _ yl o o s ee d g e p o i l l t se x i s tm1 1 i g hd e t a i l 扣e a s v e c t o rd a t ai sn e e d e dt ou p d a t eg e o s p a t i a ld a 劬a s e c o n s i d 耐n g 位d i 伍c u l 锣o f d a t ac o i e r s i o n 锄o n gd i 丘e r e n ts y s t e mp l a t f o m s ，a1 1 e wm e m o di sd e v e l o p e d ， w 1 1 i c h 血t e 掣a t e st l l em a t l a b 如n c t i o nt 0a r c g i ss o m v a r eb a l s e do nc o m p o n e n t t e c h n o l o g y f i r s t ，廿l em a t l a bc o d e sa r ep a c k a g e di i l t l l ef o mo fn e td l l c o m p o n e mb yn e tb u i l d e rt 0 0 1 t h e nm i sc o m p o n c n ti si n 仃o ( 1 u c e dt ov b n e t2 0 0 5 f i n a l l yt h ev b 2 0 0 5c o d ei sa l s oc o m p i l e dt 0c o mc o m p o n e n ta 1 1 dc a nb ee x e c u t e d i 1 1a r c g i ss o f h 硼r e a tl a s t ，m ei m e 汀a t i o nm e m o dl e a d st 0e x 缸a c tm ew a t e r l i n e f e a t u r ea u t o m a t i c a l l y k e yw b r d s ：i 沁m o t es e n s i i 玛，w r a t e r l i n e ，w r a | v e l e t ，t i d ef l a t ，c o i n p o n e n tt e c l l i l o l o g ) r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意 作者签名：丞塑日期：型：堡竺 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解 密后适用本规定。 学位论文作者签名：拟明 日期孑丝复? 导师签名鬃亏手 日期：望哆：拿：侈 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 1 1 研究背景与意义 第一章概述 淤泥质潮滩是在周期性潮汐作用下经常被海水所侵淹的沿海湿地，是一种 动态不稳定的水土资源n 1 。由于处于海陆交互作用的前锋地带，受到海洋系统、 陆地系统以及大气系统的强烈影响，具有复杂性、敏感性和多变性，是环境监 测重点关注的区域之一。但因为淤泥质潮滩可进入条件差、冲淤多变，常规地 形等基础资料匮乏。遥感以其全天候，大面积、同步和周期性观测的特点而在 海岸带资源调查、动态监测、环境保护和海岸带管理等方面表现出了无可比拟 的优势，已经成为获取地表资源环境信息的重要数据源。通过对遥感信息的解 译和提取，也可以弥补常规调查手段的不足，及时有效的监测潮滩的变化。 潮滩水边线是潮汐波动下起伏不平的海面与陆地的瞬时交接线，是淤泥质潮 滩地形变化的重要特征参数之一n 1 。水边线技术是通过遥感手段来反演潮滩( 海 滩) 地形和进行潮滩( 海滩) 冲淤定量计算的有效手段和关键步骤之一，是遥感 进行海岸带监测的成功应用之一。很多学者呐3 采用水边线技术计算了河口滩涂 面积和海岸的冲淤变化，并取得了理想的结果。其具体思路是：假设某一时刻的 海平面与陆地的交接线为潮滩地形的高程线，如果从低潮到高潮这段时间内，按 规定时间间隔拍摄一系列的影像，然后获得相应的水边线，再从附近验潮站查阅 水边线的瞬时潮位，瞬时潮位线同时代表潮滩地形的高程，那么就可以得到一组 潮滩地形的等高线，利用这些等高线可以构建潮滩d e m ，进而获得潮滩地形或是 进行潮滩的冲淤定量计算。在实际运用中，由于连续的航空摄影成本昂贵，拍摄 的影像需要经过数字化才能被计算机处理与识别，无法进行广泛的应用，通常采 用潮情相近的卫星影像来近似代替。另外，研究区的潮汐涨落时间有时并不相同， 与潮滩交接的水边线并非是一条等高程线，需要根据附近的潮汐特点选择合适的 潮位校正方式或是进行潮位分带校正。 水边线的提取是水边线技术中的重要步骤。目前从遥感影像上提取水边线的 方式主要有目视解译和自动解译两种。目视解译，一般采用手工跟踪数字化的方 式，它主要根据遥感影像上水边线特征的颜色、纹理、形状、走向等各种解译标 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 志以及周围潮滩与水体的对比来勾绘出水体与陆地的分界线。这种方法由于费 时、费力、劳动强度较大，同时要求图像判读者具有丰富的地学知识和目视判读 经验，遥感图像解译的质量受判读者的经验以及对解译区域的熟悉程度影响较 大，具有很大的主观性，质量很难保证1 。因此目前的研究主要集中于水边线的 自动解译。水边线作为海陆的交界线，在遥感影像上表现出边缘的特征，自动解 译就是利用各种图像分割算法将水边线作为边缘检测出来。边缘检测的算法很 多，最常用的是各种边缘微分算子，如s o b e l 算子，r o b e r t s 算子、p r e w i t t 算子 以及l a p l a c e 算子等。这些经典边缘微分算子算法简单、运算速度较快、但对噪 声比较敏感，边缘定位不够准确，缺乏普遍适用性盯1 。密度分割法也是提取水边 线的一种常用方法，从多波段遥感影像中选择对水边线敏感的波段或是采用波段 组合的方式合成新的影像，分析水边线附近亮度值的变化，然后给定合适的阈值， 将影像分割成水体和陆地两部分，便可以提取出水体和潮滩的边界线。但由于潮 滩独特的地理环境，滩面一侧含水量较大，水体一侧悬浮泥沙含量较高，灰度值 在海陆方向上的变化并不明显，阈值的确定比较困难。此外，潮滩环境在空间上 的差异使得在遥感图像空间尺度较大的情况下，对阈值的唯一性提出了疑问，在 一定的程度上影响了水边线提取的精度。 小波变换是2 0 世纪八十年代后期发展起来的一门应用数学分支。它基于伸缩 和平移的思想，将r ( 尺) 用它的子空间：尺度空间( ) 和函数空间形，表示阳3 。 在给定分辨率( 尺度) 口时，该分辨率信号的近似可以表示成为更低一级分辨率 下信号的近似再加上某些细节。因此它不仅可以看到信号的概貌，还能看到信号 的细节，为不同尺度下分析和表征信号提供了一个统一的框架1 。作为一种窗口 大小不变但形状可变的时频局部化分析方法，它在信号的高频部分，可以取得较 好的时间分辨率；在信号的低频部分，可以取得较好的频率分辨率。突破了傅立 叶变换不能解决信号的时频两域不能截然分开的问题，在处理非平稳信号中具有 天然的优势，为信号分析、图像处理、量子物理及其它非线性科学的研究领域带 来了革命性的影响n 们。 小波分析在图像边缘提取中具有天然的优势，这方面已经有很多的研究成果。 一般认为，在大尺度上常常能较可靠地消除误检和检测到真正的边缘点，但在大 2 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 尺度上对边缘点的定位不易准确。相反，在较小尺度下对真正边缘点定位常比较 准确，但在小尺度下误检的比例增加。利用小波多尺度分析功能，可以考虑在较 大尺度下检测出真正的边缘点，再在较小尺度下对真正边缘点进行较精确的定 位。赵西安等人先前的研究表明n ，采用多尺度二进制小波变换过零点边缘聚焦 算法，可以适应影像空间不确定性目标边缘提取，保证大尺度下轮廓信息不失真， 又能在边缘定位上保持很高的精度。有关文献显示n 2 。1 司用小波变换来检测图像的 边缘，可以很好地解决噪声抑制和图像边缘细节提取精度之间的矛盾，是一种检 测图像边缘的有效方法。 目前，小波分析在遥感领域中的应用研究还刚刚兴起，主要集中在遥感图像 压缩、去噪、融合、边缘检测以及分类等方面。但大都是图像处理的一般理论向 遥感图像的延伸，很少考虑遥感图像地物光谱特征和地物环境特征。在国家自然 科学基金项目( 4 0 6 0 1 0 7 1 ) 和上海市科委科技攻关项目( 0 4 d z l 2 0 9 ) 和( 0 6 d z l 2 3 0 2 ) 的联合资助下，希望通过遥感手段快速获取长江口淤泥质潮滩的地物特征信息， 本文根据这个目标，拟以淤泥质潮滩水边线为研究对象，将小波多尺度边缘检测 的理论运用于潮滩水边线检测，结合潮滩地物反射光谱特性，实现潮滩地形参数 的遥感定量自动提取。 1 2 海岸线特征提取研究综述 1 2 1 海岸线特征及提取的基本思想 1 2 1 1 海岸线特征 陆地与海洋的交界线称为海岸线，而由于受潮汐涨落的影响海岸线在不停 地升降改变，实际上是一个“带 引。通常法律、地图上规定的海岸线是指平 均大潮高潮时水陆分界的痕迹线n 7 。1 8 1 ，而从遥感影像上获得的海岸线一般是某 一时刻海水与陆地的瞬时交接线，也称为水边线。遥感影像特征提取是从携带 地物信息的电磁波信号中提取出地物的特征，因此在影像特征提取前，必须要 明确所要研究对象的内容与特征。一般而言，海岸线具有以下特征： ( 1 ) 动态性：海岸线作为水体与陆地的交接线，受水体水位升降变化而呈现 动态的变化。例如，潮汐周期性的涨落引起海岸线的周期性向陆和离陆运动 3 华东师范大学硕士学位论文 第一章概述 ( 2 ) 过渡性：由于海岸线是两类地理对象的分界线，在地理空间往往表现为 带状，呈现过渡带的特征。 ( 3 ) 多样性：海岸线由于受当地水文、地质、地貌等自然条件的影响，形态 特征各异，表现不尽相同。 ( 4 ) 多尺度特性：以不同的尺度观察海岸线，会得到不同的形态特征，海岸 线的长度也会随之变化。分维和分形的思想就是在研究海岸线的长度中提出的 1 9 】 o ( 5 ) 不确定性：海岸线的不确定性有两层含义，一是由于海岸线的动态变化 和多尺度特性使得在不同时间、不同尺度下观察的海岸线会有所不同，这本质 上是由地理信息的不确定性决定的；二是由于传感器分辨率( 光谱分辨率和空间 分辨率) 的局限，影像上海岸线的边界有时表现十分模糊，区分困难。 1 2 1 2 海岸线特征提取的基本思想 遥感影像是特定地理空间的地理事物与一定波段的电磁波相互作用的结 果，地物的波谱特性决定其在影像空间的表现形式。特征提取，是从影像空间 提取出感兴趣的事物，离不开识别地物的过程。这首先要求波谱对地物有识别 能力，这里有两个前提条件啪哪! ：一是地面景物本身必须有充足的对比度( 指 在一定波谱范围内亮度上的对比度) ；二是遥感仪器必须有能力记录下这个对比 度。因此在提取特征时，需要选择能够将特征与背景很好区分的遥感影像波段， 然后通过数字图像处理技术，将特征提取出来。 当目标与波段对应较好时，水体和陆地由于地物光谱特性不同，在遥感影 像上以不同的灰度值( 色调) 表现。在海岸线附近，垂直于海岸线走向的像元 灰度值变化较剧烈，而沿海岸线走向的像元灰度值变化较平缓，表现为边缘的 特性。水体以及陆地内部不同的变化特性在影像空间也常常会表现为不同的纹 理特征。目前的海岸线特征的自动提取主要是在选定陆地与水体区分明显的波 段上，根据影像空间海岸线周围的色调、纹理等特征来获得水陆的分界线。 1 2 2 海岸线特征提取研究现状 1 2 2 1 数据源 4 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 受价格、分辨率以及其它用途影响，目前用于海岸线提取的数据源主要有 光学影像如l a n d s a tt m 、s p o t 和雷达影像，部分航空影像和q u i c l 【b i r d 、i k o n o s 等高分辨率的卫星影像也开始用于海岸线提取。对于多光谱的l a n d s a tt m 以及 s p o t 影像，在进行海岸线提取时，涉及到一个波段选择的问题。b r a n d 和f e n g 以及f r a z i e r 和p a g e 的研究显示在水体比较清澈的条件下，对t m 5 波段运用简 单的密度分割即能很好的提取出海岸线乜扣2 羽；k e v i n 认为t m 7 波段比较适合于监 测海岸线的变化2 钔；m a n a v a l a n 、s a t h y a n a t h 和r a j e g o w d a 运用t m 4 波段成功 地提取了河流与湖泊等水体2 射；l o h a n i 和m a s o n 采用机载专题绘图仪上与t m 3 和t m 4 对应的波段通过波段比值的方式获取了h o l d e r n e s s 海湾的水边线汹1 ； c h e n 和r a u 采用s p o t 影像的近红外( n i r ) 波段对台湾西部潮滩水边线进行了 提取，并构建了数字高程模型乜 ；r y u 等通过对韩国g o m s o 湾淤泥质潮滩的研 究表明，影响潮滩地物反射光谱因素很多，如沉积物颗粒大小、土壤水分含量、 地形坡度、地表残留水分、近岸波浪泡沫等，需要根据不同的环境特点选择合 适的波段进行水边线的提取啪3 。同样，在海岸线提取过程中，由于各地区的地 理环境差别较大，需要根据实际情况选择波段或是进行波段组合。 1 2 2 2 主要方法 由于海岸线水陆边界的特性，提取海岸线特征实际上是一个图像分割的过 程，方法较多，除目视解译和多光谱分类外，主要可分为如下几类。 ( 1 ) 阈值法 阈值法是图像分割领域广泛使用的一种分割技术，它是根据灰度值将一幅 数字图像，伍分割成不同的区域。如将分割后的图像记为g ( x ，y ) ，则可用下 式表示： 当 ，伍乃时口伍劫k = 1 ，2 ，3 ，k 其中t 。，t l “，t k 是一系列分割阈值，k 表示赋予分割后图像各区域的不同标号。 在遥感影像特征提取过程中，密度分割法是一种较为常用的阈值法。由于 该方法简单，处理速度快，并且具有较强的适应性，在海岸线特征提取中应用 较多，主要用于可见光与反射红外影像上。在水陆背景对比较明显的情况下， 5 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 影像直方图通常表现为较好的双峰形式，取直方图谷底作为阈值门限，可以将 水体和陆地分割成两部分，然后将水陆边界连接起来，就可以得到海岸线。r y u 等在提取韩国g o m s o 湾淤泥质潮滩的水边线时，首先分析了海岸线附近的光谱 曲线，然后将t m 3 和t m 4 组合成植被指数的形式来降低高浓度悬浮泥沙的影响， 最后采用密度分割的方法提取了水边线瞳引。但在海岸线所在的背景有较大差异 并且边界比较模糊的情况下，阈值的确定往往比较困难，同一个阈值也不能反 映边界在不同环境背景下的差异，阈值法获得边界的连续性和准确性到受到一 定的影响。 区域增长( 种子点增长) 一般在给定某一种子点后，找出灰度值在某一范 围内与其连通的所有像元。它实际上也是一种基于阈值的分割方法，可用于区 域的提取，然后寻找区域的边界。它通常是给定一个典型的海域种子点，然后 以该点为中心进行扩张，得到所有与该点连通且灰度值近似的像素点，最后对 包含这些像素点的连通区域进行轮廓跟踪，从而得到了海岸线汹3 。虽然该方法 能获得连续的海岸线，但同样面临着阈值较难选择的问题；另外，该方法的抗 噪性能较差，种子点附近个别像元灰度值的突然变化极易造成海岸线的偏移， 适用性往往受到限制。 ( 2 ) 边缘检测算子法 一般情况下，水体和陆地由于不同的光谱反射特性使得影像空间上两者的 灰度、纹理以及色彩等有较大的变化，这种变化在海岸线附近最为剧烈，表现 为边缘的特征。常将其作为边缘提取出来，其主要思想是先检测出图像中的边 缘点，然后再按一定策略连接成水边线轮廓。边缘检测的方式很多，如各种微 分边缘算子、小波边缘算子以及各种形态学算子等，这些算子广泛地应用于海 岸线的提取乜卜2 3 1 。边缘检测算子法通常利用图像灰度梯度变化信息，不需要考 虑岸线背景差异，因此获得的海岸线位置一般较为准确。但是边缘检测算子由 于受遥感影像上噪声点的影响，检测的边缘容易中断，通常需要进行后续的边 缘处理，如在边缘检测后用形态学方法对检测的边缘线段进行连接嘲，或是与 主动轮廓模型方法结合来进行轮廓线的提取口l 矧。 ( 3 ) 主动轮廓模型方法 6 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 主动轮廓模型( 也称为s n a k e 模型) 是k a s s 等人1 9 8 8 年提出的一种基于 能量函数最小的图像分割算法副。它的基本思想是定义一个能量函数，在s n a k e 由初始位置向真实位置逐渐靠近，寻找能量函数的局部最小值，即通过对能量 函数的动态优化来逼近目标的真实位置。它比较适合提取海岸线以及心脏这类 图像的轮廓边缘，在目前海岸线提取中使用广泛。但由于传统s n a k e 算法受初 始轮廓点的影响较大，运算时间较长。一般在岸线提取时，s n a k e 算法常与边 缘检测算法结合起来，来得到连续的岸线轮廓。范典等用小波奇异性检测的思 想来寻找湖岸线的边缘点，然后利用基于梯度矢量流的主动轮廓模型对边缘点 进行连接，得到连续的湖岸线m 1 。欧阳越等改进了基于水平截集的主动轮廓模 型，先在低分辨率图像中检测出海岸线的粗略位置，然后将轮廓线映射到高分 辨率图像上，继续用水平截集进行检测，最后得到精确的结果啪1 。c h u n l i l i n gl i 提出了一种新的变分方程对水平截集主动轮廓模型进行改进，该模型不需要进 行重复初始化，不必给出初始轮廓点，检测过程接近自动化，比较适合于海岸 线的自动提取啪3 。 ( 4 ) 马尔科夫场方法 马尔科夫场模型将影像空间中地物的分布看作是一个离散随机过程，它利 用单个像素及其最近领域的简单局部交互来获得复杂的全局行为口卜3 副。在海岸 线检测时，它首先利用第一个马尔科夫场在低分辨率上将图像分为海、陆、低 海浪地带、海滩等几类，得到海岸线的粗边界；然后再用第二个马尔科夫场在 高分辨率上对边界进行精定位，得到精确的边界口钔。此方法一定程度上能够降 低s a r 图像斑点噪声的影响，但分类往往存在误差，并且计算量较大。 ( 5 ) 面向对象法 与传统面向像元的分类方式不同，面向对象的影像分析方法是将影像对象 作为影像分析的基本单元，它以自然对象为出发点，根据对象的几何特征、光 谱特征以及影像对象间的语义关系将图像分割成为一个个在光谱、纹理和空间 组合关系等特征的“同质均一”的单元m 1 。由于引入了影像对象间的语义关系， 可以利用专家知识来指导影像分析。田波等将面向对象的思想运用于海岸线的 提取，在一定尺度下根据图像颜色、形状、纹理等特征对图像进行分段，形成 7 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 一个个有明确语义信息的矢量化多边形图像对象，然后对小的多边形对象进行 分类融合，形成一个海域多边形和和一个陆域多边形对象，通过提取多边形的 交界线来提取海岸线“。不过本文提取的是一般高潮线。 ( 6 ) 其它方法 海岸线提取的方法还有很多，如d e l l e p i a n e 等根据图像的纹理特征，采用 模型连接性的思想将图像分成水面和陆地区域，从s a r 图像上实现了海岸线的 提取池1 ；l e e 等根据海陆像素灰度直方图特点，使用某一阈值将海陆进行粗分 割，然后使用边缘检测算法进行全局边缘检测，再根据一定的边缘跟踪算法， 从某一像素点出发进行边缘跟踪，获得海岸线，实现了海岸线的快速提取m 3 。 1 2 2 3 存在的问题 ( 1 ) 影像信息量不足。在低空间分辨率的影像上，海岸线比较模糊，很难 准确定位。而光谱分辨率不高时，目标与背景的对比度不明显，影像上的海岸 线与实际海岸线并不对应，会发生一定的偏移。在通常的光学影像上，地表残 留水、植被与水体之间的光谱信息有时具有一定的相似性，区别起来也有一定 的困难；s a r 影像上，海面回波、风以及海浪的影响使得陆地与海洋的对比度 不高，边界不清晰。另外，陆地与海水交界的瞬时状态受地形、天气条件的影 响而使遥感影像与实际情况存在一定的差别，而目前海岸线特征的提取一般是 从计算机图像图形的角度来得到影像上的海岸线，影像之外的信息获取困难。 同时，在图像噪声以及分辨率因素的影响下，通常方法获得海岸线的连续性和 准确性存在一定的问题，自动化进行海岸线提取尚有困难。 ( 2 ) 精度验证困难。海岸线检测涉及的地理空间尺度一般都较大，并且部 分地区实地调查困难，使得检测结果缺乏必要的精度验证。绝大数结果是同原 图像进行叠加比较，并不能代表现场情况。r y u 用差分g p s 跟踪了水边线随潮 汐变动的情况【2 引，不过这种验证只局限于单幅或特有几幅影像进行的，很难判 断不同情形下的海岸线提取精度。 ( 3 ) 海岸线仅是过渡区的平均线。海岸线的模糊性以及像元都具有一定的 宽度，遥感影像上的海岸线实际上是一个过渡区将水体和陆地分开，表现 为边界的特性；但同时自身具有宽度，面积不为零。这个过渡区的大小与水 8 华东师范大学硕士学位论文第一章概述 陆边界的模糊程度以及影像空间分辨率有关，一般从影像上获得的海岸线仅是 这个过渡区的平均线。 1 3 本论文的主要工作与框架 目前，海岸线卫星遥感提取的研究主要集中于水边线计算机自动提取算法 与淤泥质海岸线提取方法“别。影像信息的自动提取一直是图像处理、机器视觉 以及模式识别领域研究的热点，为遥感影像的计算机自动解译提供了大量的算 法和经验；而淤泥质潮滩水边线的提取是目前水边线提取的难点，由于在通常 的光学影像上，淤泥质潮滩上地表残留水、植被与水体之间的光谱信息具有一 定的相似性，区别起来具有一定的困难，而淤泥质潮滩上由于没有明确的解译 标志，海岸线提取的精度往往无法保证。本文针对以上问题，将小波多尺度边 缘检测算法应用于淤泥质潮滩水边线的提取，得到不同尺度下的潮滩水边线， 为了解决处理后图像的空间参考缺失以及栅格向矢量转换困难的问题，提出了 基于组件技术的m a t l a b 与a r c g i s 集成方案，将m a t l a b 的算法以组件的形式集 成到a r c g i s 平台下，可以根据需要获得矢量的水边线信息，从而实现了淤泥质 潮滩水边线的自动提取。各章内容如下： 第一章介绍了本论文的研究背景与意义，总结了海岸线特征以及影像海岸 线特征提取的基本思想，对海岸线特征提取的主要方法进行了评述，并提出了 本文的主要研究内容。 第二章总结了淤泥质潮滩的分带及其相应的物质组成等一般特点，并简要 介绍了长江口崇明东滩淤泥质潮滩的情况，以之为例，在分析潮滩典型地物光 谱特征和遥感影像光谱特征的基础上，提出了水边线提取过程的波段选择的一 般思路。 第三章首先介绍了灰度形态学和小波多尺度边缘检测的基本理论，然后在 结合遥感影像自身特点的基础上，采用灰度形态学的方法对图像进行预处理， 并用高斯小波对遥感图像进行了多尺度的边缘检测，检测的结果与其它算法得 到的结果比较后进行的相关分析表明，小波模极大值方法能够很好的提取出淤 泥质潮滩的水边线信息。 9 华东师范大学硕士学位论文 第一章概述 第四章先简述了m a t l a b 与a r c g i s 集成的重要意义。然后介绍了集成过程 中所采用的基本技术及其特点，并概述了m a t l a b 与a r c g i s 集成方案。最后通 过组件技术将m a t l a b 算法做成n e td l l 集成到a r c g i s 平台下，借助于a r c g i s 自带的工具进行少许编辑后，实现了水边线信息的自动提取。 第五章是论文结论部分。 1 0 华东师范大学硕士学位论文第二章研究区域概况与潮滩典型地物光谱特征 第二章研究区域概况与潮滩典型地物光谱特征 2 1 淤泥质潮滩的一般特点 淤泥质海岸通常是由砂、粉砂、粘土、贝壳碎屑以及植物腐殖质等多种泥 沙粒级和有机物组成的3 。在海岸分类“7 1 中，早期m 1 港口工程中按泥沙中值粒 径o 0 5 m m 作为分界线将海岸分为淤泥质海岸和沙质海岸两类；近期旧1 进一步将 如 o 1 2 衄的海岸称为砂质海岸。淤泥质海 岸通常分布在水动力条件较弱、泥沙供应充足、地形比较平缓辽阔的河口、海 湾和堡岛与岸之间。在这种环境下，河流上游或是沿岸流携带的泥沙可以大量 在近岸沉积，一般都发育有面积广阔、坡度平缓的淤泥质潮滩。 潮滩是一种周期性被海水淹没的潮间带滩地，是一种典型的低平海岸地貌。 潮流是影响潮滩形成和发育的最重要因素。随着由陆向海滩面地势由低到高， 在潮汐周期性的涨落过程中，涨潮流和落潮流作用的性质也不一样，致使潮滩 滩面上的地貌形态、冲淤性质和生态环境特征等具有明显的分带性咖3 。一般的 潮滩分带是根据潮滩横向滩面的潮位特征将潮滩分为三个横向分带：潮上带( 超 潮滩) 、潮间带( 潮滩) 及潮下带( 潮下浅滩) 呻3 。潮上带是位于平均大潮高潮 位以上的低海滨平原，通常不受潮汐作用的影响，只有在特大潮汛或是风暴潮 时，海水才会上升到这一地带。由于不受水动力作用的影响，该带一般较为稳 定，自然状态下常为盐碱沼泽地或是生长有芦苇等植被。该带受人类影响较大， 很多已被围垦成陆。潮间带是位于平均高潮线和低潮线之间的地带，在潮差大 的海岸也有时以平均大潮高潮线和平均大潮低潮线为其界。随潮汐的涨落，该 带周期性的被海水侵淹，潮流作用复杂，冲淤变化较大，滩面广泛发育有潮沟 以及坑洼。潮下带是处于平均大潮低潮线以下向海延伸到近岸浅滩部分，外界 通常以波浪开始破碎处的海底深度为界。 狭义的潮滩通常是指潮间带，根据滩坡所处的潮位，海水淹没的历时以及 水动力条件等差异，潮间带在横向上又被分为高潮滩、中潮滩和低潮滩三个亚 带。低潮滩位于小潮低潮线和大潮低潮线之间，涨潮流和落潮流携带的物质大 量在此处沉积，沉积物质主要以细粉砂和粘土为主。中潮滩是平均小潮高潮线 乍东“人硕十学位论文镕= 苹研究e 域概况q 潮摊典型物光带特征 和平均小潮低潮线之间的地带，沉积物质主要为细一中粉砂。高潮滩位丁平均 小潮高潮线与平均大潮高潮线之i 可，流速较小，主要沉积物质为涨潮流携带的 浮泥。潮滩上部泛发育有各级与潮流方向大致平行的潮沟，它是涨潮初期和 落潮后朋水流的通道。通常滩面底部地形不规则的地点常常出现一些深的坑沣。 2 2 崇明东滩概况 幽2 1 崇明j 、潍t m 台成影像及其在长江n 的位置 f 1 9 21 1 1 l el o c m l f 血e c h o o g m l “g d o “g l n y a n g t z ee s t u 8 叫 祟明东滩( 图2 一1 ) 足长江口典型的淤0 d 质潮滩，它位于祟明岛的虽东端， 南缘西起奚家港，北侧西至北八激，东至零米等深线的外缘大致范围为1 2 l 。4 7 1 2 2 。0 5 e 3 r2 5 3 r3 8 + n 。该区域三面环水，北面是长江u 北支 水道术端，南面是北港水道，东面是长江u 滨海区域，涨落潮最大流速仅为 o5 m s ，含沙量10 k g m 3 以上1 。由于浅滩上水流速度较小，泥沙含量较高，在 海潮顶托和盐淡水混合后的絮凝作用下，长江下泄泥沙和潮流上溯泥沙在此区 大量沉积滩涂不断淤涨。祟明东滩曾是k 江口淤涨最迅速的濉涂，1 9 8 2 1 9 9 0 年问向海推进速率达3 0 0 4 0 0 m a 。5 。近年柬，受上游束水柬沙变化的影响， 滩诛用垦速率崎自然淤积规律的盖系研究项日报告2 0 0 5 帅n 学删十￥论卫 第一$ 岍宄d 域慨扼目谢滩* 坚地物光口特m 崇明东滩的辩涨速率有减缓趋势“”。潮间带滩涂从1 9 6 0 7 0 年代的每年淤涨 约5 k 巾2 减少到1 9 8 0 9 0 年代的每年淤涨2 3 k m 2 ；9 0 年代中期以来，已出现侵 蚀迹象，平均每年淤涨约一l k m 2 ”1 。 目前崇明东滩上主要的植物群落为芦苇、海三棱蔗草和互花米草，另外还 散生有白茅、碱蓬、糙叶苔草和灯芯草等斑块状群落肿删。其中互花米草是自 上世纪7 0 年代从美国引种的一种生长在盐沼湿地的外来植物物种。该物种植株 较为高大，一般为l l _ 7 米，根系发达，可深入土壤中达1 5 米，具有较好的 抗风消浪、保滩护岸和促淤造陆的作用，因此在我国沿海地区大量引种。目前 互花米草主要分御在中潮区上部和高潮区之间，大致位于芦苇和海三棱蔗草之 间，三大植物群落在潮滩呈现明显的带状分布特征。自大堤向海依次为芦苇、 互花米草和海三棱藤草，在中潮滩，由于互花米草较强的竞争优势，也常与芦 苇混生，甚至扩散到海三棱蔗草群落之中，海三棱藤草以下为光滩。 图2 五崇明东滩光滩 f i 晷2 0 m b 眦n n o f d m c h 曲蛐d o n g t a n 崇明东滩在江海相互作用下，泥沙大量沉积，形成了面积宽广的潮滩带 最宽处可达1 3 k m 。由于组成物质较细，濉面比较平坦，一5 m 以上平均坡度约为 o 2 4 。受潮汐涨落的影响，滩面周期性的出露和侵淹，通常含水量较高( 图 华东师范大学硕士学位论文第二章研究区域概况与潮滩典型地物光谱特征 2 2 ) 。但随着滩面出露时间的不同，含水量会逐渐变化，越早出露的地点，含 水量越低，反之越高。含水量不同的土壤会对特定波段的电磁波形成不同的响 应，在遥感影像上表现为不同的灰度值信息。因此，可以通过遥感影像来近似 获取水边线的位置。但含水量较高的土壤与近岸浅层水体以及出露的滩地与近 岸高浓度的悬浮泥沙之间的异物同谱现象也常造成水边线信息的模糊甚至是偏 移，另外沉积物颗粒大小、地形坡度、潮沟等也影响着水边线的提取，获取准 确、连续的水边线轮廓和精确度空间位置十分不易。 2 3 潮滩典型地物光谱特征 地物波谱是指地物的反射、吸收、发射电磁波的特性随波长而变化的规律， 通常以波谱曲线的形式来表示，因此也常称为地物波谱曲线。遥感科学技术的 理论基础就是建立在地物波谱特征之上的晦7 1 。地物波谱特征的研究是遥感的重 要组成部分，它是人们研究遥感成像机理，选择遥感仪器最佳探测波段、研制 遥感仪器、以及遥感图像分析、数字图像处理中最佳波段组合选择、专题信息 提取、提高遥感精度等的重要依据。同时它也是遥感应用分析的基础乜。由于 不同的物质组成、物质结构和环境特征，地物的波谱特征千差万别，并且随时 间、地点以及环境而变化，常常会出现“同物异谱 和“异物同谱 现象，给 遥感图像信息的提取带来一定的不确定性。但地物的波谱特征也并非是杂乱无 章、随机变化的，组成相同或相近的地物其波谱响应模式往往具有相似之处， 种类不同的地物波谱特征往往表现有极大的差异。遥感研究就是根据地物的基 本光谱特性以及其在特定环境条件下的变化和差异，来反演特定时段内地物信 息。因此，在遥感信息提取前，必须要充分认识地物在特定环境下的波谱特征。 就其面积以及影响的幅度而言，崇明东滩一级地物波谱为水体、光滩以及 芦苇、互花米草和海三棱蔗草等植被群落，认识这些地物的光谱响应特征是进 行潮滩遥感信息提取的前提和基础。 ( 1 ) 植被光谱特征 根据秋季潮滩实测光谱资料2 ( 图2 3 ) ，同其它健康绿色植物的光谱曲线类 2 数据来源：中荷合作项目“河口海岸区域物理与生态过程之间的相互作用” 1 4 华东师范大学硕士学位论文第二章研究区域概况与潮滩典型地物光谱特征 似，潮滩的三大植物群落也表现出绿色植物独特的光谱特征。光合作用强烈吸 收了可见光波段的蓝色光和红色光，而对绿光有很强的反射作用。为了去除水 汽以及传感器不稳定因素对于光谱反射曲线的影响，将待分析的地物光谱曲线 分成三段嘲1 ：3 5 0 1 3 6 0 衄，1 4 2 0 一1 8 0 0 姗，1 9 5 0 2 3 5 0 姗。健康的芦苇、互花米 草、海三棱蔗草植物在5 4 0 5 8 0 衄( 绿黄) 有一个小的反射峰，在6 8 0 姗( 红色) 形成一个小的吸收谷，而从7 0 0 n m 开始向近红外过渡到时候有一个陡峭的反射 峰，反射率迅速增加，但芦苇群落的反射率增加的速率明显要快于互花米草和 海三棱蔗草，在近红外的8 1 0 珊l 波长附近，海三棱蔗草的反射率为0 1 5 ，互花 米草的反射率为0 2 9 ，而芦苇的反射率高达0 3 8 。在8 1 0 n l i l 一1 3 6 0 舳之间的波 长范围内，三大植物群落都有三个峰值和两个谷值。而从1 4 7 0 1 6 7 0 硼反射率 迅速上升，而在1 9 5 0 2 3 5 0 舳波段范围内反射率是缓慢上升直至2 2 0 0 r u n 附