面向对象的河口滩涂冲淤变化遥感分析.doc

面向对象的河口滩涂冲淤变化遥感分析第17卷第3期2008年5月长江流域资源与环境ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinVo1.17NO.3May2008文章编号:10048227(2008)030419-05面向对象的.-I口滩涂冲淤变化遥感分析田波,周云轩,郑宗生,刘志国,李贵东,张杰(1.华东师范大学河VI海岸学国家重点实验室,上海200062;2.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130061)摘要:河VI滩涂位于江河人海VI前沿,其岸线受江河上游来水来沙,海水潮汐动力和人为因素影响处于不断变化中.针对遥感人工目视解译判读出岸线进行冲淤变化分析方法的不足,提出了面向对象的岸线遥感识别提取方法,阐述了整个遥感迭代识别提取过程.以长江河VI崇明东滩为实验区,选取长江VI1990年12月4日,1995年4月6日,2000年6月14日和2005年11月27日4个时相的陆地卫星TM/ETM+遥感影像,对其进行基于面向对象的识别处理,直接提取相应年份的岸线和滩涂陆域多边形,对4个年份的陆域多边形进行空间叠加分析,得到了崇明东滩自1990年以来15年间的冲淤空间变化.应用表明面向对象的遥感分析识别技术在河VI滩涂冲淤变化分析中具有准确,快速,简便的特点.关键词:面向对象分类;冲淤分析;TM图像;岸线;滩涂文献标识码:A河口滩涂处于江河人海口,受江河上游来水来沙,海水潮汐动力,海平面升降以及人工促淤围垦的综合影响,滩涂岸线处于不断动态变化中,其冲淤演变趋势与交通,农业,渔业养殖,国土资源开发,生态环境,水环境等休戚相关.利用遥感影像可以有效地监测海岸线变化,但岸线的定义及其在遥感影像上的语义差别以及遥感影像上岸线提取方法决定了冲淤变化分析的精度和效率.常用方法是对遥感影像进行处理,人工目视解译出遥感影像上的植被线或一般高潮线,在GIS支持下进行冲淤分析.某一期遥感影像反映的是潮汐波动下起伏不平的海面和陆面瞬时交接线,岸线识别受水体悬浮泥沙,潮位状况,影像成像,大气状况以及判读经验的综合影响.人工目视解译识别提取岸线存在信息获取周期长,效率低,结果质量受图像判读者地学知识,判读经验的影响的特点.本文提出面向对象的岸线遥感识别方法.与常规的岸线提取拓扑分析方法不同,线状岸线不再作为地理要素单独识别提取,而是作为陆域多边形对象的边界组分部分,冲淤变化分析转变为对识别出的多个时期陆域多边形的空间叠加分析.其具体方法是对某年份某时相的陆地卫星TM/ETM+遥感影像,在一定尺度下根据像元光谱值,形状,纹理进行分段,将整景遥感影像分割成一个个图像对象,根据野外调查结果分析得到的最佳水体分类特别识别出水体对象,对水体对象进行基于分类的多边形融合,排除小面积陆域水体得到一个海域多边形对象,对海域对象进行NotClassifiedAs分类操作,最终将整景遥感影像分类成两个多边形对象即陆域多边形和海域多边形.依据该方法对长江河口崇明东滩取自1990,1995,2000,2005年4个年份的TM/ETM+遥感影像进行陆域多边形对象的识别提取,经空间叠加分析得到该滩涂区域近15年的冲淤空间变化.1实验区遥感影像的选择及处理崇明东滩位于长江人海口,作为城市生态系统的核心部分,它是国家级鸟类自然保护区,也是国际重要湿地,其不断淤积扩展的滩涂土地资源为上海市社会经济可持续发展提供基础保障.长江人海口位于一景TM遥感影像范围内,其世界参考坐标PATH/ROW为119/038.本次研究选用了中尺度的4个年份的陆地卫星TM/ETM+遥感影像,其拍摄时间分别为:1990年12月4日,收稿日期:20061113;修回日期:200612-25基金项目:国家973中国一荷兰科学战略联盟项目(2OO4CB72O5O5);上海市科委重大项目(04DZ12049)作者简介:田波(1972),男,湖北省荆州人,博士研究生,主要从事分布式GIS软件开发,定量化遥感研究.E-mail:420长江流域资源与环境第17卷1995年4月6日,2000年6月14日,2005年月27日,其中1990,1995,2005年为陆地卫星TM遥感影像,2000年为陆地卫星ETM+遥感影像.每景影像成像时问间隔大致5年.对于选取的四景TM/ETM+图像进行了精确的辐射和几何校正,以确保多个年度的遥感数据处于同一可比基准面.辐射校正依照传感器校正,大气校正,地形校正,日地距离校正,太阳高度角校正步骤进行.传感器校正根据各波段辐射增益和位移值逐一进行辐射校正,大气校正采用线性拟合方法.辐射校正采用校正公式为:7r(DN?+一Lp)lD一:-其中,P代表地物反射率;DN代表像素值;代表传感器增益;代表传感器偏移量;L代表大气程辐射;E代表日地平均太阳辐射;代表太阳天顶角.正射校正利用LeicaGeosystems中的LeicaPhotogrammetrySuite处理模块.首先对2005年的遥感影像进行校正,2005年TM遥感影像校正几何控制点来源于1:10000地形图和野外实测GPS数据点,因河口区地形平坦,高差在4m范围内,高程值采用定值.校正后经检验平面误差在半个像元内.其它年份的遥感影像则以2005年校正后的遥感为参考基础,选取相应控制点.为提高配准精度,根据两景影像上的共同控制点生成多个同名地物点,对同名地物点进行验证并参与图像对图像的校正运算,经检验图像配准误差在0.2个像元内.2面向对象的岸线遥感提取方法2.1遥感图像对象的生成遥感影像是一个以矩形像素为基本单元的栅格数据,像素单元的大小由传感器空问分辨率决定.以像素为分类处理单元,不能很好描述表达现实客观对象.面向对象图像识别方法以自然对象为出发点,在一定尺度下根据图像颜色,形状,纹理对图像进行分段,形成一个个矢量化的多边形图像对象,这些对象具有明确的语义信息.本次研究在eCognition软件支持下_8,导入TM/ETM+7个波段作为分类图层,设置各个影像图层参与分段的权重.TM/ETM+band6是热红外波段,其分辨率与其它6个波段不同,陆地卫星4号,5号,7号在长江口过境成像时间为上午10:O0左右,此刻热红外波段对水陆温差反差不太大,因此band6不参与分段,其权重设置为0.其它band15,band7与水体吸收和反射都有关,6个波段的分段权重都给1.陆海交界处是一个复杂变化的区域,需要从影像上精确划分出地理对象以求精确,因此分段时选择较小的尺度系数对图像进行分割以表现交界区域细微差别变化.对TM/ETM+遥感影像采用Scale4,Color0.8,Shape0.2,Context0.8,Compactness0.2进行分段处理,其分段结果反映出滩涂区域内的不同植被,光滩,水体等对象的细微变化情况(图1,见后).2.2水体对象的识别提取图像对象的分类识别可根据代表样本的邻域值进行类别的提取识别,也可根据专家知识形成的分类规则将图像对象标识为不同类别口.陆域类是包含植被,光滩,水体,城镇,道路等类别的复合体.对整个陆域类识别需要识别出植被,光滩,建筑物,陆地水体等多个类别,再将这些类别融合成一个陆地对象,其过程复杂.海域对象类是不同盐度,不同含沙量水体类的综合体,其识别相对简单.崇明东滩海陆边界因潮汐和长江来水来沙相互作用,水体对象复杂.为使多年度岸线比较分析具有可比性,排除多年度卫星成像瞬问潮位不同的影响,采用一般高潮线作为海陆分界线,即海三棱藤草群落内带外带分界线.本次研究在极低潮位时设置4条从大坝植被区至光滩到水边线的调查样线,以样线I1分析为例(图1b,见后),调查样线上多边形对象16为芦苇或互花米草,对象79为海三棱藤草群落内带,植被盖度大于80,对象10为海三棱藤草和光滩混合对象,即海三棱蔗草群落外带,植被盖度小于50%,对象11为光滩和水体混合对象,12为纯水体对象.对调查样线上的图像对象按入海方向分析其单波段反射率值和波段比值变化(图2,见后),可以看出,TM影像的band5,band7可用以区分水体对象.但用单个波段反射率值进行影像的区分,其分类阈值不容易确定,同时影像噪声的影响使得多年度分析类比不具备数量可比的基准性.定义比值特征项,如水体吸收波段/水体反射波段,消除不同年度遥感影像的背景噪声,也间接消除了不同年度遥感影像的辐射校正误差,其分类阈值也可经验确定.对各个不同时相影像采用同一水体分类阈值,水体分类识别结果也就具备了同一可比基准面.分析TM各个波段,band1,2,3对水体具有一定强度的反射率,而band4,5,7则处于水体强第3期田波等:面向对象的河口滩涂冲淤变化遥感分析421吸收带,反射率极低.将band1,2,3分别与band4,5,7相比,对这9种比值组合进行综合比较分析,band3/band5在一般高潮线,也就是海三棱藤草群落内带外带分界处有一个骤变,表现最为稳定,因此将其作为水体对象典型有效的分类识别特征.对4个年份的TM/ETM+影像进行综合比较分析,比值特征band3/band5在1.5到2.0之间取阈值可以有效识别出水体对象.2.3陆域对象的形成对TM/ETM+遥感影像对象根据band3/band5分类特征进行识别处理,得到影像内的所有水体对象,可以看到陆域内也存在离散的水体对象.对水体对象进行基于分类的多边形融合,具有邻接边的单个水体对象融合成大的水体对象.针对陆域内离散的水体对象具有面积小的特点,选取面积特征进行小面积水体排除,得到一个海域多边形对象,对海域多边形对象进行NOTClassifiedAS分类操作运算,最终得到一个面状的陆地多边形(图3,见后).对4个年份的TM/ETM+遥感影像进行分段和逐步迭代分类识别处理,得到4个陆域多边形对象,对提取的不同年份陆域多边形进行空问叠加分析,则可观察岸线变迁和冲淤变化.3结果对4个年份的TM/ETM+遥感影像进行面向对象的陆地多边形提取,得到4个年份的陆地多边形,提取的结果与历史资料和现地结果相吻合.为考察崇明东滩的自然淤涨状况,以1985年圈围大坝为东滩的西边界,计算获得陆域多边形所包含的陆地面积分别为1990年4717.6hrn2,1995年5761.0hrn2,2000年7352.8hm,2005年8626.2hm.总的来看,崇明东滩具有比较稳定的自然淤涨趋势(图4).自1990年来陆地面积增加3908.6hm,历年淤进速度基本保持稳定,年淤涨速率为260.5hm.从空间分布来看,崇明东滩北部和南部处于被冲刷侵蚀的趋势,主要淤涨方向在东南方向.其岸线最快推进点自1990年来向外海推进4050m,年推进速度达到270m.4讨论中尺度的遥感影像如陆地卫星TM图像,因其可重复获取和综合性,可以很好地应用于区域性的海岸冲淤变化分析,对于局部地点高精度的冲淤变化分析,则需要空间分辨率到米级的高精度卫星数据支持.人工目视解译进行冲淤变化分析,其结果精度不可定量比较估计.基于面向对象的岸线提取方法,因采取相同参数在相同基准面上进行计算机自动提取,结果具有精确可比性.面向对象的遥感识别方法应用于冲淤变化分析,是从自然对象的角度出发,根据颜色,形状,纹理将图像分段成为具有现实语义的多边形图像对象.对图像对象进行逐步迭代分类识别,分别标识到陆域类和海域类中,冲淤变化演变为多个年度陆域多边形的空间叠加分析.通过对崇明东滩的实例分析处理,该方法应用于冲淤变化分析简单快速准确.崇明东滩的冲淤变化总的趋势是处于自然淤涨状态并保持稳定速度.长江三峡工程2003年6月建成蓄水,大量泥沙淤积在水库内l_】,但通过2005年影像分析,近两年来该工程对长江口前沿崇明东滩岸线影响还没有体现.但岸线的变化最终受到水底地形特别是一5m水深线的影响,对此需要不断地对长江口岸线冲淤状况进行遥感监测.参考文献:1BlodgetHW,TaylorPT,RoarkJH.ShorelinechangesalongtheRosetta-NilePromontory:MonitoringwithsatelliteobservationsJ.MarineGeology,1991,99:6777.2黄海军,李成治,郭建军.卫星影像在黄河三角洲岸线变化研究中的应用J.海洋地质与第四纪地质,1994,14(2):2937.3ChuZX,SunXG,ZhaiSK,eta1.Changingpatternofaccretion/erosionofthemodernYellowRiver(Huanghe)subaerialdelta,China:BasedonremotesensingimagesJ.MarineGeology,2006,227:133O.4刘永学,张忍顺,李满春.江苏淤泥质潮滩地物信息遥感提取方法研究J.海洋科学进展,2004,22(2):210214.5LaliberteAS,RangoA,HavstadKM,eta1.Objectorientedimageanalysisformappingshrubencroachmentfrom1937to2003insouthernNewMexicoJ.RemoteSensingofEnvironment,2004,93:198210.6BurnettC,BlaschkeT.Amultiscalesegmentation/objectrelationshipmodelingmethodologyforlandscapeanalysisJ.EcologicalModeling,2003,168(3):2332497MatherPM.Computerprocessingofremotelysensedimages:anintroductionM.Hoboken:JohnWiley&Sons,2004.8DefiniensImaging.ECongnitionUserguildez.Germany,2004.9WoodcockCE,StrahlerAH.ThefactorofscaleinremotesensingJ.RemoteSensingofEnvironment,1987,21(3):311332.422长江流域资源与环境第17卷(a)处理前(b)处理后图1崇明东滩TM遥感影像分段处理图Fig.1SegmentTreatmentMapofTMImageofChongmingDongtan(b)比值波段(band3/band5)图2样线II多边形对象遥感特征值图Fig.2CharcteristicValueofPolygonObjectAlongSurveyLineII(a)提取水体对象(b)提取陆域对象图3面向对象分类提取结果图Fig.3Object-orientedClassificationResults图4崇明东滩冲淤空间变化图Fig.4Erosion/AccretionChangeofChongmingDongtanTidalFlat54321O第3期田波等:面向对象的河口滩涂冲淤变化遥感分析4231OBenzUC,HofmannP,WillhauckG,eta1.Multiresolution.objectorientedfuzzyanalysisofremotesensingdataforGIS_readyinformationJ.ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing,2004,58:239258.11陈立,吴门伍,张俊勇.三峡工程蓄水运用对长江口径流来沙的影响J.长江流域资源与环境,2003,12(1):5054.oBJECToRIENTEDIMAGEANALYSISMETHODFORESTUARINETIDALFLATACCRETIoNANDERoSIoNSTUDYTIANBo,ZHOUYun-xuan,ZHENGZongsheng,LIUZhiguo,LIGui-dong,ZHANGJie(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China;2CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130061,China)Abstract:Theshorelinesoftida1flatinanestuary.1ocatedintheintersectionzoneofriverandseaandinfluencedbyrun-offwatertogetherwithsedimentsfromupstream,waveandcurrent,tidaldynamicsandhu-manactivities,varycontinuouslyintimeandspace.Inovercomingsomeshortcomingsexistinginvisualinterpretatio