基于高分辨率遥感的钓鱼岛水边线自动提取方法

基于高分辨率遥感的钓鱼岛水边线自动提取方法

1水边线提取指数建模水面又称“海岸”和“海岸”，通常指地形与水面之间的边界线。相对于海岸线而言,水边线指的是遥感卫星过境时获取的瞬时水边线。传统的海岸线测量方法费时费力,获得的资料分布点稀疏、同步性差,难以快速反映海岸线的动态变化,遥感技术逐渐替代了传统的测量方法成为海岸线量测的主要手段。由于遥感影像获取的只是瞬时水边线信息,所以要界定海岸线必须先提取出瞬时水边线。近年来,尤其在南海争端不断的背景下,人们对海域领权越来越重视,对我国沿海海岸线的界定也越来越关注。因此,获取水边线具有重要的军事意义。目前,利用遥感技术获取水边线的方法有很多,获取水边线的前提是将水体信息从不同地物种类中分离出来。水体因对入射能量(太阳光)具有强吸收性,所以在大部分遥感传感器的波长范围内,总体上呈现较弱的反射率,并具有随着波长的增加而进一步减弱的趋势,当波长大于740μm时,几乎所有入射纯水体的能量均被吸收,这就导致了清澈水体在这一波长范围内反射率几乎为零的现象,因此这一波长范围常被用来圈定水域范围,划定水陆边界。只利用某一波段对水体信息进行分离的方法叫单波段法。主要选取遥感影像中的近红外波段并辅于阈值来提取水体,但是单波段法很难去除水体中杂有的阴影。与单波段法对应的是多波段法,较为常见的是比值法,比值法能在增强水体信息的同时,又能抑制其他与水体无关的背景信息,但为了彻底抑制其他噪音信息,可以根据地物光谱特征对波段比值进行归一化处理(即归一化差异水体指数)使其数值规范在[-1,1]之间,水边线阈值的确立提供了便利。但这种指数只是一定程度上提高了分类精度,水体信息中仍然夹杂着其他许多非水体信息。本文根据研究区水体状况,建立了水边线提取指数模型。首先根据水边线提取指数准确地分离出水体信息。在此基础上选择边缘检测算子对分类结果进行后处理,从而有效快速地提取出水边线。2专利把控与严格区分核心材料与分子的比例关系水边线提取指数模型构建的基本原理就是在多光谱波段内,寻找出水体信息的最强反射波段和最弱反射波段,将强者置于分子,弱者置于分母。通过比值运算,进一步扩大二者的差距,以期达到抑制其他背景地物而突出感兴趣地物的目的。为了便于地物分类的比较和分析,又会对波段比值作归一化处理,使其数值范围统一到[-1,1]之间,使感兴趣的地物为正值,其他需要抑制的噪音为负值,水体信息提取阈值可以简单设定为0即可。2.1水边线提取模型本次工作选用的遥感数据是2013年4月18日获取的具有8个波段的WorldView-2高分辨率遥感影像。为了分析不同类型地物与水体在光谱特征上的差别,我们将工作区按基岩岸线、人工岸线、珊瑚礁岸线等三种不同岸线类型的地物建立了感兴趣区光谱分析。水体与各背景地物的光谱特征曲线如图1所示。从图1的波谱特征曲线中可以发现水体在近红外波段(波段7和波段8)的亮度值都很低,几乎接近零值,而其他地物在这两个波段的反射率则远远高于水体;在海岸和蓝光波段(波段1和波段2),水体的反射率虽然也很低,但与其他地物的反射率相对比较接近。由此归纳,水体在波段1和波段2的亮度值大于波段7和波段8之和,其他地物在波段1和波段2的亮度值皆小于波段7和波段8之和,此规律可用于研究区的水边线提取。根据Worldview-2波段特点,利用近红外两个波段之和与波段1、波段2建立比值回归分析模型,因为用于水边线的提取,故定义为水边线提取模型(WatersideLineExtractionIndex),简称WLEI。将利用波段1建立的指数模型简称为公式(1),利用波段2建立的指数模型简称为公式(2)。用该模型对试验区影像进行密度分割如图2所示。通过该模型进行密度分割,发现除水体的灰度值为正值之外,其他地物灰度值皆为负值,表明其他噪音信息皆受到抑制,水体提取效果显著。选择阈值为0进行水陆分离,得到永兴岛水陆分离结果如图3所示。两个模型整体上分离效果都很好,但仔细比对发现,在堤坝局部细节提取上,WLEI(2)提取的筑坝边界更为清晰,提取效果更好,而WLEI(1)对筑坝边界没有完全提取出来(如图3左边图示中用圈定部分),筑坝边界提取细节对比如图4所示。分析原因,可能是因为人工建筑在海岸波段的亮度值略高于蓝光波段,与近红外两波段亮度值之和的差值没有蓝光波段与近红外波段亮度值和的差值大的缘故。2.2种方法所提出的水边线本次工作共采用了Roberts算子、Sobel算子、和Laplacian算子三种方法对已经进行过密度分割的图像提取水边线,结果显示,三种方法都可以提出水边线,其中以Roberts方法提取的水边线轮廓最清晰,但是提出的水边线并不连续,还要做后续处理。三种方法提取的水边线局部对比如图5。用Roberts算子提取出的水边线并不连续,通过对比发现永兴岛的边缘值在[1,12]范围内,为使水边线跳跃的节点连续成一条光滑曲线,对水边线图像进行掩膜处理,设置波段最小值为1,最大值为12,即可得到连续的水边线如图6所示。3提取水线废弃实验3.1岛屿、泥沙和岛屿试验区是西沙群岛—宣德群岛中的12个大小岛屿与沙洲,经纬度为北纬15°43′~17°00′,东经112°10′~112°54′。除石岛是基岩岛、高尖石是火山岩外,其他岛屿和沙洲都是由白色珊瑚、贝壳沙堆积在珊瑚礁平台上而形成的珊瑚岛。托举起这些岛屿和沙洲的礁盘面积巨大,水深较浅,以岛屿和沙洲为中心,呈放射状向外,逐渐变深,海水水质极其清澈,能见度高达40m,几乎毫无污染,属一级水体。试验区地势平坦,除永兴岛、东岛、石岛、北岛和赵述岛有人居住外,其他岛屿和沙洲都荒无人烟。岸线类型主要为人工岸线、基岩岸线和珊瑚礁岸线。3.2大气辐射校正研究区岛屿和沙洲面积不大,且海面上大气分布状况较为稳定,气溶胶分布随区域变化较少,在无云的情况下,可以认为各点受到的大气辐射影响基本一致。因此,采用了较为常用的最暗像元法进行大气辐射校正。然后利用工作区1:1万地形图做了几何精校正,经过研究区水体及不同背景地物波谱分析,创建水边线提取指数,做密度分割,然后在水陆分离基础上,采用边缘检测法,提取出岛屿的水边线信息,提取流程如图7所示。3.3影像验证结果用上述方法对东岛、七连屿的4个岛屿和6个沙洲进行水边线提取,其结果如图8、图9所示。本次研究选用同期WordView-2全色波段进行验证。将相对应的高分辨率全色影像导入计算机,与水陆分离影像用ENVI软件的Geolink功能匹配在一起,采用随机抽样的方法进行人机交互式验证。由表1可以看出,各岛影像验证总精度均在89%以上。说明此方法提取效果很好。4水边线提取模型利用WorldView-2遥感影像,通过分析影响水边线提取的不同地物光谱分布特征,结合研究区地类、岸线类型等特点,构建了适用于研究区一级水体的水边线自动提取模型及方法。此模型的物理意义是将两个近红外波段之和代表水体的弱反射项,将蓝光波段作为强反射项,两项做比值归一化处理,使水体信息得到最大程度的亮度增强,而其他背景地物则受到普遍抑制。该模型阈值确定比较简单,以0值为分界点,正值为水体,其他地类都是负值。通过简单的阈值确定,可以快速准确地提取水体信息。水边线提取模型利用了WorldView-2的两个近红外波段,其构建基础是近红外波段对水体强烈吸收、在清澈水体中反射率几乎为零的特点。此模型适用的前提是保证蓝光波段的反射率绝对大于近红外两个波段反射率之和。而对于水质清