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2000年以来胶州湾海岸线光学与SAR多源遥感变化监测研究.docx
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2000年以来胶州湾海岸线光学与SAR多源遥感变化监测研究.docx
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海岸带是中国经济最发达的区域, 集中了 70%的大中城市, 创造了约 60%的国内生产
总值(gross domestic product, GDP)。海岸带自然条件复杂多变, 其变化直接影响海岸带环
境, 进而影响沿海人民的生活和发展条件
[1]
。自 20 世纪 70 年代末起, 中国东部沿海城市开
始大力开发和利用海洋, 频繁的人类活动导致海岸带环境发生极大变化, 海岸带环境日趋
恶劣, 对海岸线变化进行连续监测, 了解人类活动对环境的影响显得尤为重要。根据《GB
12327—1998 海道测量规范》《GB 12319—1998 中国海图图式》等国家标准, 本文所指
海岸线均是平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线。
海岸线的动态变化导致海岸线测绘具有主观性, 而遥感技术具有覆盖面广、空间和时
间尺度多样、光谱信息丰富、观测灵活及数据获取方便等优势, 近年来已成为海岸线研究
的重要手段
[2]
。Cui 等
[3]
利用 1976—2005 年的 Landsat 数据提取了黄河口近 40 a 来的海岸
线变化情况。Li 等
[4]
利用 30 a 的 Landsat 时间序列数据对佛罗里达西部海岸线开展动态连
续监测, 论证了时间序列陆地卫星资料用于海岸线连续动态监测的可行性。但是, 可见光
遥感成像受到光照条件的限制, 特别是在沿海多云雨地区, 可见光遥感影像甚至每年难以
完整地覆盖海岸线一次。另外, 由于海岸类型有多种, 不同类型的海岸具有不同的地物特
征, 单一算法难以保证水边线乃至海岸线的提取精度。
作为主动式成像传感器, 工作在微波波段的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,
SAR)具有全天时、全天候和高空间分辨率的数据获取能力, 逐渐成为海域资源环境研究的
热点。Braga 等
[5]
利用高分辨率雷达卫星 COSMO-SkyMed 提取了威尼斯海岸不同潮位时
刻的瞬时水边线, 并沿两个不同潮位的横断面进行实地同步全球定位系统(Global
Positioning System, GPS)测量, 用于验证遥感影像中提取的海岸线。Demir 等
[6]
采用随机
森林法对 Radarsat 影像进行分割, 将分割后的陆地/水体二元图像用作 Sentinel-1A SAR
图像海岸线提取的模糊参数训练数据集, 完成最后的海岸线提取, 所得结果与人工数字化
海岸线进行了比较, 结果表明平均差异在 1 个像素左右。
高分三号(GF-3)卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一的民用微波遥感
成像卫星, 也是中国首颗 C 波段多极化高分辨率 SAR 卫星
[7]
。An 等
[8]
利用 GF-3 SAR 影像
在海岸线检测中采用了经典模糊 C-均值聚类方法(fuzzy C-means, FCM), 结合小波分解算
法对其进行了改进, 以更好地抑制 SAR 图像固有的斑点噪声, 通过比较同一地区 Sentinel-
1 和 GF-3 SAR 影像的海岸线探测结果, 表明 GF-3 数据的探测精度优于 Sentinel-1 数据。
范剑超等
[9]
则通过采用几何主动轮廓模型(geometric active contour model, GAC)进行 GF-3
SAR 影像自动提取海岸线, 获得围填海专题图, 然后通过外业调查验证 GF-3 SAR 卫星遥
感影像可以有效获取围填海信息。
目前, 利用遥感影像对海岸线的提取和分析主要基于单一遥感数据, 亦或是多源光学
遥感影像数据, 在实际应用中呈现出复杂的时空异质性和尺度敏感性
[10]
。另外, 单一类型数
据源通常受到时间分辨率和空间分辨率的限制
[11]
。因此, 光学与 SAR 多源遥感数据的结合
一定程度上可以弥补单一类型遥感数据源的缺陷。
本文选择胶州湾海域作为研究区域, 借助 Landsat 光学遥感影像和 ERS-2、
ENVISAT、Sentinel-1A 和 GF-3 雷达遥感影像, 利用基于规则的面向对象信息提取, 再结
合人工目视校正, 提取出 2000—2018 年胶州湾地区的海岸线, 并对岸线变化进行空间分
析, 针对不同区域的岸线变化, 将胶州湾地区分为 3 个区域进行分析, 讨论海岸线变化的主
要因素。
1. 研究区域和数据来源
1.1 研究区域
胶州湾(120.03°E~120.42°E, 35.96°N~36.30°N)位于中国黄海中部、胶东半岛南岸、
山东省青岛市境内的半封闭海湾, 近似喇叭形, 是中国较大的优良港湾。胶州湾海底地貌
类型多样, 沿岸地貌类型复杂, 具有较典型的港湾海岸与淤泥质海岸的特征
[12]
(图 1)。
图 1 研究区域位置示意图
Figure 1. Diagram of Study Area
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.2 数据来源
本文数据源包括遥感影像数据和非遥感影像数据。如表 1 所示, 遥感数据源包括
Landsat 光学遥感影像和 ERS-2、ENVISAT、Sentinel-1A 和 GF-3 雷达遥感影像。非遥感
数据主要为野外实地测量数据和实地拍摄的图片资料, 用于遥感影像特征的提取以及评估
与验证遥感影像海岸线提取的准确性。野外实地测量数据和实地拍摄的图片资料包含青岛
第一和第二海水浴场、黄岛油港码头、红岛滩涂 3 处海岸的岸线实测数据与图片资料。
表 1 胶州湾卫星遥感数据列表
Table 1. Jiaozhou Bay Satellite Remote Sensing Data List
序号
成像日期
卫星
传感器
空间分辨率/m
1
2000-03-06
ERS-2
SAR-C
5×25
2
2000-06-12
Landsat7
ETM+
30
3
2004-05-06
Landsat7
ETM+
30
4
2004-10-11
ERS-2
SAR-C
5×25
5
2010-02-06
ENVISAT
ASAR-C
10×30
6
2010-05-07
Landsat7
ETM+
30
7
2015-03-10
Landsat8
OLI
15
8
2015-06-02
Sentinel-1A
SAR-C
5×20
9
2018-04-19
Landsat8
OLI
15
10
2018-04-21
GF-3
SAR-C
10
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| 显示表格
2. 研究方法
2.1 海岸线提取方法
如图 2 所示, 本文采用基于规则的边缘检测方法来开展海岸线探测与提取, 具体流程
如下。
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