基于Landsat影像北部湾海岸线变化监测

海岸线是陆地与海洋的分界线,在我国是指多年平均大潮高潮时海陆分界的痕迹线。由于潮汐、海浪和人类活动的交替作用,海岸线的结构和形态都处于动态变化之中,这直接影响到海岸带的环境保护、海岸带管理和海洋工程建设，世界各国都十分重视对于海岸线的变化监测。北部湾是中国-东盟自由贸易区的桥头堡和中国西南地区最便捷的出海大通道,是中国21世纪海上丝绸之路的重要节点,也是继珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区后中国经济发展新的一极。北部湾地区海洋资源丰富,经济发展和海岸带利用潜力巨大,快速准确地监测海岸线的变化,是合理利用海洋资源和进行海洋开发的重要依据,是保护海岸线生态环境的研究基础,对区域生态安全及社会经济发展意义非凡。而北部湾属于广西的重要的战略海口，对其进行检测和数据收集于广西的发展是有必要的，在此基础上大大促进北部湾各个港口的发展，完善提升综合交通枢纽功能，进而带动各个沿海城市的发展，将广西打造成一个富强的自治区。

目前常用的海岸线监测方法有目视解释法和计算机自动提取海岸线。传统目视解释提取方法，即通过目视解释来提取增强处理后遥感影像的海岸线，通过建立海岸线分类体系和遥感解译标志对海岸线进行提取，并分析海岸线长度总体变化趋势。目视解译提取方法主观性太强，数据量较大，且处理时间过长。计算机自动提取海岸线的方法是通过种子点增长方法对遥感影像进行自动化的提取，这种计算机自动提取方法主要依靠计算机进行海岸线提取，对各类型海岸线的提取缺乏多样性。

为了实现海岸线与水体的精细分离，项目以Landsat影像为基础数据，对基于Landsat影像的北部湾海岸线变化进行监测，为了更好地分离海岸线和水体部分，提出利用归一化差值水体指数矢量化水体边界，并利用最大类间方差法取得阈值t实现水体海岸线分离。

为了实现海岸线与水体的精细分离，项目以Landsat影像为基础数据，对基于Landsat影像的北部湾海岸线变化进行监测，为了更好地分离海岸线和水体部分，提出利用归一化差值水体指数矢量化水体边界，实现水体海岸线分离，进而利用多时相遥感影像实现研究区域的海岸线变化监测。

1. 基于归一化水体指数的海岸线提取

由于水体对电磁波的反射作用由可见光到中红外波段逐渐减弱，其中在近红外和中红外波长范围内吸收作用最强，几乎无反射。因此，利用可见光波段和近红外波段的反差构成的归一化水体指数以突出遥感影像中的水体信息。项目在改进归一化水体指数结果的基础上，利用最大类间方差法获取最优阈值，并采用阈值分割方法实现海路分离，进而提取研究区域海岸线。

2. 海岸线提取结果精度评价

利用缓冲区方法评价海岸线提取精度，该方法是计算提取海岸线中落在参考岸线缓冲区的像素点个数。以参考海岸线(目视解译提取的海岸线)为匹配标准，建立其缓冲区，即包含在缓冲区中所提取的海岸线为匹配的自动提取结果，计算类别性错误，进而计算提取的海岸线像素落在参考海岸线不同缓冲层上的概率分布。

3. 时序遥感影像海岸线变化分析

选取2000年到2020年Landsat遥感影像作为变化监测的研究数据，并对各图像进行辐射校正等预处理。结合归一化水体指数和阈值分割方法实现各遥感影像的海岸线提取，通过比较分析探究研究区域海岸线变化规律，以对海洋和城市的发展提出指导性建议。

利用遥感影像对海岸线提取有几种方式：一是目视解释法。传统目视解释提取方法，即通过目视解释来提取增强后遥感影像的海岸线，通过建立海岸线分类体系和遥感解译标志对海岸线进行提取，并分析海岸线长度总体变化趋势。目视解译提取方法主观性太强，数据量较大，且处理时间过长。

二是边缘检测法。利用岸线空间关系,通过边缘检测算法中相关算子提取影像内部所包含的对象边缘,然后跟踪边缘线连接得到海岸线,小波分析法、-阶和二阶微分算子以及灰度形态算法都引入到海岸线提取实验过程中，如Bagli等和Puissant等利用数学形态学方法分别提取了欧洲大陆和诺曼底海岸的岸线。边缘检测算法往往忽略海岸线背景值,只计算影像灰度信息梯度变化,虽然提结果准确度较高,但是受到噪声影响,经常得到的岸线连续性差,需要后期通过形态学算法(膨胀腐蚀算法)对边缘提取的结果进行连接处理。

    为此，项目提出利用遥感影像提取归一化差值水体指数，矢量化水陆边界，实现水体信息的分离。再通过用最大类间方差法实现阈值分割，得到阈值t，通过國值t将各期MNDWI图像分成两部分:大于國值t的水体部分和小于國值t的陆地部分,即获得水陆二值图像。利用ArcGIS软件边缘检测、栅格矢量转换即可从二值图像提取水体边线矢量图,最后对水边线与遥感图像叠加检查,细化处理,并做潮位校正,最终得到海岸线。

1. 基于Landsat影像提取归一化水体指数，矢量化水陆边界

由于地表清洁的自然水体对0.4-2.5μm波段的电磁波有较强的吸收性，在大部分传感器的波长范围内呈现较弱的反射率，并具有随着波长的增加而进一步减弱的趋势。分析提取归一化水体指数，实现水陆信息的自动分离。

2. 利用最大类间方差法实现阈值分割

利用图像的灰度直方图,以目标和背景的方差最大来动态地确定图像的分割阈值，以最大类间方差法作为衡量不同阈值导出的类别分离性能的测量准则,极大化的过程就是自动确定阈值t的过程。通过國值t将各期MNDWI图像分成两部分:大于國值t的水体部分和小于國值t的陆地部分,即获得水陆二值图像。利用ArcGIS软件边缘检测、栅格矢量转换即可从二值图像提取水体边线矢量图,最后对水边线与遥感图像叠加检查,细化处理,并做潮位校正，最终得到海岸线。

1．数据处理

项目以北部湾海岸为研究区域，选取覆盖研究区域的2000-2020年的Landsat5/8 TM/OLI影像，遥感卫星参数介绍见表1。Landsat5卫星是美国陆地卫星系列中的第五颗。Landsat-5 卫星于1984 年3月发射升空，它是一颗光学对地观测卫星，有效载荷为专题制图仪( TM) 和多光谱成像仪( MSS) 。Landsat-5 卫星所获得的图像是迄今为止在全球应用最为广泛、成效最为显著的地球资源卫星遥感信息源，同时 Landsat-5 卫星也是目前在轨运行时间最长的光学遥感卫星。Landsat-8在空间分辨率和光谱特性等方面与Landsat 1-7保持了基本一致,卫星-共有11个波段,波段1-7, 9-11的空间分辨率为30米，波段8为15米分辨率的全色波段，卫星每16天可以实现一次全球覆盖。OLI陆地成像仪有9个波段，成像宽幅为185×185km。与Landsat-7 .上的ETM传感器相比，OLI 陆地成像仪做了以下调整:（1）Band 5的波段范围调整为0. 845-0.885μm，排除了0.825μm处水汽吸收的影响；（2）Band 8全色波段范围较窄，从而可以更好区分植被和非植被区域:3.新增两个波段。 Band 1蓝色波段(0. 433-0.453 μm) 主要应用于海岸带观测，Band 9短波红外波段(1.360-1.390 μm)应用于云检测。LandSat-8. 上携带的TIRS热红外传感器主要用于收集地球两个热区地带的热量流失，目标是了解所观测地带水分消耗。

2．海岸线的确定原则

海岸线分为大陆海岸线与岛屿海岸线，项目仅研究大陆海岸线。按如下原则选取大陆海岸线：(1)沿海河口海陆分界线的划分原则：保留大型河口的港湾特征；反映河口处沙咀、沙洲和泻湖地貌；表现河口的喇叭状形态；不对称河渠视河口形态择定，河口分界线一般定在河流缩窄或两岬曲率最大处。(2)淤泥质海岸潮滩上的陆地(高潮时不被淹没)作为岛屿处理，岛屿岸线不计算在内心。

表1  Landsat5/8卫星各项参数

3．海岸线的提取方法

项目采用遥感图像提取改进的归一化差值水体指数，并对其进行自适应阈值分割实现水陆分离,并矢量化水陆边界来自动提取海岸线的方法,技术流程如图1所示。

图1 技术路线图

3.1 归一化差值水体指数提取

地表清洁的自然水体对0.4～2.5pum波段的电磁波具有较强的吸收性,在大部分传感器的波长范围内呈现较弱的反射率,并具有随着波长的增加而进一步减弱的趋势。利用水体的这一光谱反射特征，构造改进的归一化差值水体指数(Modified Normalized Difference Water Index, MNDWI)可以突出影像上的水体信息,实现水体与背景的分异。

式中，MIR为中红外波段,对于Landsat TM影像选取第5波段,OLI图像取第6波段。

3.2 基于阈值分割的海岸线提取

项目采用最大类间方差方法来实现MNDWI影像的阈值分割。利用最大类间方差法选取最优阈值，以该阈值将海域和陆地分割开。在利用边缘跟踪方法提取海域和陆地区域之间的边界线，以实现海岸线提取。

3.3 海岸线提取精度评价

缓冲区方法是定量分析方法中的一种。该方法的主要思想是计算提取海岸线中落在参考岸线缓冲区的像素点个数，从而实现对提取结果的定量分析，示意图如图2所示。

图2  缓冲区精度评价

以参考海岸线(人工提取的海岸线)为匹配标准，建立其缓冲区，即包含在缓冲区中所提取的海岸线为匹配的自动提取结果，则类别性错误COM(commission error)，表示为，

式中，N_EL为自动提取海岸线的像素点个数，N_ELinMLB为匹配的自动提取结果。

提取海岸线的像素落在参考海岸线不同缓冲层上的概率分布，表示为，

式中，k是缓冲层参数，如k=0即为参考海岸线，m是总的缓冲层数，N_ELinFLBk是提取海岸线中落入参考海岸线第k个缓冲层的像素点个数。

4. 拟解决问题

（1）设计一种海岸线提取方法，利用改进的归一化差值水体指数和阈值分割实现海域和陆地的划分，进而提取研究区域海岸线；

（2）探究北部湾海岸线变化规律，通过对2000-2020年多时相遥感影像海岸线进行提取，分析提取结果并探究海岸线变化规律，为海洋发展提供指导。

5. 预期成果

（1）研究一种海岸线提取方法，可实现精确的海岸线提取，监测多时相海岸线变化规律。

（2）依据所研究分类方法，在国内期刊发表学术论文。

2024年5-6月：对相关数据的搜集、调研；对Landsat影像提取海岸线变化方法进行分析和研究，对其方法加以完善。

2024年7-8月：对实施的方案进行拟定、讨论。

2024年9-11月：基于Landsat影像提取归一化水体指数，矢量化水陆边界，实现水陆信息的自动分离。

2024年12月-2023年2月：设计该区域的水体指数模型，并找出其求解方法。

2025年3-4月：在此基础上，利用最大类间方法实现阈值分割，对数据进行校正，得到海岸线模型。

2025年5月：研究数据的整理和验收成果。