基于高分辨率遙感的釣魚(yú)島水邊線(xiàn)自動(dòng)提取方法

基于高分辨率遙感的釣魚(yú)島水邊線(xiàn)自動(dòng)提取方法

1水邊線(xiàn)提取指數(shù)建模水面又稱(chēng)“海岸”和“海岸”，通常指地形與水面之間的邊界線(xiàn)。相對(duì)于海岸線(xiàn)而言,水邊線(xiàn)指的是遙感衛(wèi)星過(guò)境時(shí)獲取的瞬時(shí)水邊線(xiàn)。傳統(tǒng)的海岸線(xiàn)測(cè)量方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,獲得的資料分布點(diǎn)稀疏、同步性差,難以快速反映海岸線(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化,遙感技術(shù)逐漸替代了傳統(tǒng)的測(cè)量方法成為海岸線(xiàn)量測(cè)的主要手段。由于遙感影像獲取的只是瞬時(shí)水邊線(xiàn)信息,所以要界定海岸線(xiàn)必須先提取出瞬時(shí)水邊線(xiàn)。近年來(lái),尤其在南海爭(zhēng)端不斷的背景下,人們對(duì)海域領(lǐng)權(quán)越來(lái)越重視,對(duì)我國(guó)沿海海岸線(xiàn)的界定也越來(lái)越關(guān)注。因此,獲取水邊線(xiàn)具有重要的軍事意義。目前,利用遙感技術(shù)獲取水邊線(xiàn)的方法有很多,獲取水邊線(xiàn)的前提是將水體信息從不同地物種類(lèi)中分離出來(lái)。水體因?qū)θ肷淠芰?太陽(yáng)光)具有強(qiáng)吸收性,所以在大部分遙感傳感器的波長(zhǎng)范圍內(nèi),總體上呈現(xiàn)較弱的反射率,并具有隨著波長(zhǎng)的增加而進(jìn)一步減弱的趨勢(shì),當(dāng)波長(zhǎng)大于740μm時(shí),幾乎所有入射純水體的能量均被吸收,這就導(dǎo)致了清澈水體在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率幾乎為零的現(xiàn)象,因此這一波長(zhǎng)范圍常被用來(lái)圈定水域范圍,劃定水陸邊界。只利用某一波段對(duì)水體信息進(jìn)行分離的方法叫單波段法。主要選取遙感影像中的近紅外波段并輔于閾值來(lái)提取水體,但是單波段法很難去除水體中雜有的陰影。與單波段法對(duì)應(yīng)的是多波段法,較為常見(jiàn)的是比值法,比值法能在增強(qiáng)水體信息的同時(shí),又能抑制其他與水體無(wú)關(guān)的背景信息,但為了徹底抑制其他噪音信息,可以根據(jù)地物光譜特征對(duì)波段比值進(jìn)行歸一化處理(即歸一化差異水體指數(shù))使其數(shù)值規(guī)范在[-1,1]之間,水邊線(xiàn)閾值的確立提供了便利。但這種指數(shù)只是一定程度上提高了分類(lèi)精度,水體信息中仍然夾雜著其他許多非水體信息。本文根據(jù)研究區(qū)水體狀況,建立了水邊線(xiàn)提取指數(shù)模型。首先根據(jù)水邊線(xiàn)提取指數(shù)準(zhǔn)確地分離出水體信息。在此基礎(chǔ)上選擇邊緣檢測(cè)算子對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行后處理,從而有效快速地提取出水邊線(xiàn)。2專(zhuān)利把控與嚴(yán)格區(qū)分核心材料與分子的比例關(guān)系水邊線(xiàn)提取指數(shù)模型構(gòu)建的基本原理就是在多光譜波段內(nèi),尋找出水體信息的最強(qiáng)反射波段和最弱反射波段,將強(qiáng)者置于分子,弱者置于分母。通過(guò)比值運(yùn)算,進(jìn)一步擴(kuò)大二者的差距,以期達(dá)到抑制其他背景地物而突出感興趣地物的目的。為了便于地物分類(lèi)的比較和分析,又會(huì)對(duì)波段比值作歸一化處理,使其數(shù)值范圍統(tǒng)一到[-1,1]之間,使感興趣的地物為正值,其他需要抑制的噪音為負(fù)值,水體信息提取閾值可以簡(jiǎn)單設(shè)定為0即可。2.1水邊線(xiàn)提取模型本次工作選用的遙感數(shù)據(jù)是2013年4月18日獲取的具有8個(gè)波段的WorldView-2高分辨率遙感影像。為了分析不同類(lèi)型地物與水體在光譜特征上的差別,我們將工作區(qū)按基巖岸線(xiàn)、人工岸線(xiàn)、珊瑚礁岸線(xiàn)等三種不同岸線(xiàn)類(lèi)型的地物建立了感興趣區(qū)光譜分析。水體與各背景地物的光譜特征曲線(xiàn)如圖1所示。從圖1的波譜特征曲線(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)水體在近紅外波段(波段7和波段8)的亮度值都很低,幾乎接近零值,而其他地物在這兩個(gè)波段的反射率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水體;在海岸和藍(lán)光波段(波段1和波段2),水體的反射率雖然也很低,但與其他地物的反射率相對(duì)比較接近。由此歸納,水體在波段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,此規(guī)律可用于研究區(qū)的水邊線(xiàn)提取。根據(jù)Worldview-2波段特點(diǎn),利用近紅外兩個(gè)波段之和與波段1、波段2建立比值回歸分析模型,因?yàn)橛糜谒吘€(xiàn)的提取,故定義為水邊線(xiàn)提取模型(WatersideLineExtractionIndex),簡(jiǎn)稱(chēng)WLEI。將利用波段1建立的指數(shù)模型簡(jiǎn)稱(chēng)為公式(1),利用波段2建立的指數(shù)模型簡(jiǎn)稱(chēng)為公式(2)。用該模型對(duì)試驗(yàn)區(qū)影像進(jìn)行密度分割如圖2所示。通過(guò)該模型進(jìn)行密度分割,發(fā)現(xiàn)除水體的灰度值為正值之外,其他地物灰度值皆為負(fù)值,表明其他噪音信息皆受到抑制,水體提取效果顯著。選擇閾值為0進(jìn)行水陸分離,得到永興島水陸分離結(jié)果如圖3所示。兩個(gè)模型整體上分離效果都很好,但仔細(xì)比對(duì)發(fā)現(xiàn),在堤壩局部細(xì)節(jié)提取上,WLEI(2)提取的筑壩邊界更為清晰,提取效果更好,而WLEI(1)對(duì)筑壩邊界沒(méi)有完全提取出來(lái)(如圖3左邊圖示中用圈定部分),筑壩邊界提取細(xì)節(jié)對(duì)比如圖4所示。分析原因,可能是因?yàn)槿斯そㄖ诤０恫ǘ蔚牧炼戎德愿哂谒{(lán)光波段,與近紅外兩波段亮度值之和的差值沒(méi)有藍(lán)光波段與近紅外波段亮度值和的差值大的緣故。2.2種方法所提出的水邊線(xiàn)本次工作共采用了Roberts算子、Sobel算子、和Laplacian算子三種方法對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)密度分割的圖像提取水邊線(xiàn),結(jié)果顯示,三種方法都可以提出水邊線(xiàn),其中以Roberts方法提取的水邊線(xiàn)輪廓最清晰,但是提出的水邊線(xiàn)并不連續(xù),還要做后續(xù)處理。三種方法提取的水邊線(xiàn)局部對(duì)比如圖5。用Roberts算子提取出的水邊線(xiàn)并不連續(xù),通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)永興島的邊緣值在[1,12]范圍內(nèi),為使水邊線(xiàn)跳躍的節(jié)點(diǎn)連續(xù)成一條光滑曲線(xiàn),對(duì)水邊線(xiàn)圖像進(jìn)行掩膜處理,設(shè)置波段最小值為1,最大值為12,即可得到連續(xù)的水邊線(xiàn)如圖6所示。3提取水線(xiàn)廢棄實(shí)驗(yàn)3.1島嶼、泥沙和島嶼試驗(yàn)區(qū)是西沙群島—宣德群島中的12個(gè)大小島嶼與沙洲,經(jīng)緯度為北緯15°43′~17°00′,東經(jīng)112°10′~112°54′。除石島是基巖島、高尖石是火山巖外,其他島嶼和沙洲都是由白色珊瑚、貝殼沙堆積在珊瑚礁平臺(tái)上而形成的珊瑚島。托舉起這些島嶼和沙洲的礁盤(pán)面積巨大,水深較淺,以島嶼和沙洲為中心,呈放射狀向外,逐漸變深,海水水質(zhì)極其清澈,能見(jiàn)度高達(dá)40m,幾乎毫無(wú)污染,屬一級(jí)水體。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦,除永興島、東島、石島、北島和趙述島有人居住外,其他島嶼和沙洲都荒無(wú)人煙。岸線(xiàn)類(lèi)型主要為人工岸線(xiàn)、基巖岸線(xiàn)和珊瑚礁岸線(xiàn)。3.2大氣輻射校正研究區(qū)島嶼和沙洲面積不大,且海面上大氣分布狀況較為穩(wěn)定,氣溶膠分布隨區(qū)域變化較少,在無(wú)云的情況下,可以認(rèn)為各點(diǎn)受到的大氣輻射影響基本一致。因此,采用了較為常用的最暗像元法進(jìn)行大氣輻射校正。然后利用工作區(qū)1:1萬(wàn)地形圖做了幾何精校正,經(jīng)過(guò)研究區(qū)水體及不同背景地物波譜分析,創(chuàng)建水邊線(xiàn)提取指數(shù),做密度分割,然后在水陸分離基礎(chǔ)上,采用邊緣檢測(cè)法,提取出島嶼的水邊線(xiàn)信息,提取流程如圖7所示。3.3影像驗(yàn)證結(jié)果用上述方法對(duì)東島、七連嶼的4個(gè)島嶼和6個(gè)沙洲進(jìn)行水邊線(xiàn)提取,其結(jié)果如圖8、圖9所示。本次研究選用同期WordView-2全色波段進(jìn)行驗(yàn)證。將相對(duì)應(yīng)的高分辨率全色影像導(dǎo)入計(jì)算機(jī),與水陸分離影像用ENVI軟件的Geolink功能匹配在一起,采用隨機(jī)抽樣的方法進(jìn)行人機(jī)交互式驗(yàn)證。由表1可以看出,各島影像驗(yàn)證總精度均在89%以上。說(shuō)明此方法提取效果很好。4水邊線(xiàn)提取模型利用WorldView-2遙感影像,通過(guò)分析影響水邊線(xiàn)提取的不同地物光譜分布特征,結(jié)合研究區(qū)地類(lèi)、岸線(xiàn)類(lèi)型等特點(diǎn),構(gòu)建了適用于研究區(qū)一級(jí)水體的水邊線(xiàn)自動(dòng)提取模型及方法。此模型的物理意義是將兩個(gè)近紅外波段之和代表水體的弱反射項(xiàng),將藍(lán)光波段作為強(qiáng)反射項(xiàng),兩項(xiàng)做比值歸一化處理,使水體信息得到最大程度的亮度增強(qiáng),而其他背景地物則受到普遍抑制。該模型閾值確定比較簡(jiǎn)單,以0值為分界點(diǎn),正值為水體,其他地類(lèi)都是負(fù)值。通過(guò)簡(jiǎn)單的閾值確定,可以快速準(zhǔn)確地提取水體信息。水邊線(xiàn)提取模型利用了WorldView-2的兩個(gè)近紅外波段,其構(gòu)建基礎(chǔ)是近紅外波段對(duì)水體強(qiáng)烈吸收、在清澈水體中反射率幾乎為零的特點(diǎn)。此模型適用的前提是保證藍(lán)光波段的反射率絕對(duì)大于近紅外兩個(gè)波段反射率之和。而對(duì)于水質(zhì)清