天津市塘沽区1970年-2010年历史遥感影像海岸线动态监测

天津市塘沽区1970年-2010年海岸线动态监测

1 历史遥感影像

目前，全球高分辨率遥感影像市场被GeoEye、IKONOS、QuickBird、WorldView等主流卫星所占据，在为用户提供丰富空间信息的同时，也不断推动遥感卫星的进步与行业发展。正如大家所了解，IKONOS是第一颗亚米级分辨率的商业卫星，发射时间为1999年。那么在此之前乃至更老的历史时期高分辨率遥感影像应该如何获取呢？直到“锁眼”（KeyHole）、“资源-F”（Resurs-F）、“彗星”（Kometa）等一系列历史解密影像陆续进入中国才填补了高分辨率遥感影像市场的上述空白。经过几年的应用情况来看，目前规划、海洋、科研、国土、环境、考古等行业用户已经充分掌握了如何利用历史解密影像为自己的工作提供帮助。解密影像拥有较高的分辨率，丰富的时相以及波段光谱信息，这意味着可以更好的满足不同传统用户以及更多的非行业用户的需求。

目前“锁眼”（KeyHole）系列（表1）可以提供的是1960-1980年之间的KH-1-4(CORONA)、KH-5 (ARGON)、KH-6 (LANYARD)、KH-7 (GAMBIT)和KH-9 (HEXAGON)共930000张单景图片。

表1 KeyHole系列卫星影像参数

实际中用户主要使用的大多是KH-4A和KH-4B存档影像，时相集中在1966-1972之间。这个阶段Corona系列卫星共发射32次，经过长期调试已经可以把卫星轨道降到166公里的水平上，从而使分辨率达到了1.8米，回访周期1天，并可以提供立体相对。这个期间用户完全可以选择到理想的存档数据。

值得推荐的是KH-7存档影像，时相集中在1963年7月到1967年6月。分辨率最初为1.2米，到1966年提高到0.6米，拍摄的目标主要集中在战略目标、核目标以及导弹防御和弹道导弹系统。除了将近100幅以色列的单景影像仍然处于保密状态之外，KH-7拍摄的19000幅单景影像全部得到了解密。

可以作为重要时相补充的还有KH-9存档影像，被认为是KH-1-4存档影像的替代品。KH-9获取了全球大面积分辨率6米的影像，除以色列领土外，29000幅影像已经解密。

KeyHole 系列在历史解密影像的资源整合中发挥着举足轻重的作用，无论是空间分辨率、时间分辨率以及制图精度等方面都拥有出色的表现，即便这样仍然受时相和波段的约束。而“资源-F”（Resurs-F）的出现得到了国内众多用户的高度关注，Resurs-F卫星大家也许不是很熟悉，但提起同属于Resurs系列至今仍在服役的Resurs-DK1卫星大家应该并不陌生。该计划始于上世纪70年代，资源系列解密的卫星影像包括：F1、F2和F3，解密影像自2007年开始商业化（表2）。

表2 Resurs系列卫星影像参数

以上的参数中可以明显看到，Resurs与KeyHole相比起来差别还是非常大的。除了拥有更多的波段以及更大的幅宽之外，在时相和分辨率的衔接上与KeyHole系列也出奇的默契，这些潜移默化的匹配注定意味着它比KeyHole系列具有更广泛的应用以及更深入的空间领域分析。

值得称赞的是，Resurs系列具有多光谱波段，这是全色影像无法比拟的，它可以代替单纯的人工对地物进行识别，而得到更快和更准确的影像信息提取。这也是众多专业用户完成规划、海洋、环境、生态等科研课题的重要依据来源。

与KeyHole 系列相同的是前苏联也拥有自己的制图卫星--“彗星”（Kometa），只是分辨率略低于KH-7。Кometa带有两个立体成像相机：KVR-1000和TK-350，以帮助立体图像的采集。星载的测图成像系统，用于空间信息的采集与制图。全色影像可生产1:50000地形图和立体影像。卫星同时装备了专业测图的影像采集与控制系统，为数字化正射模型提供了基础。

2 项目背景

海岸线是划分海洋与陆地管理区域的基准线，快速而又准确地测定海岸线的动态变化，对于海域使用管理具有十分重要的意义。但是由于河口淤积、气候变暖等自然条件的变化导致的海平面上升，及围垦、填海造地、海洋工程等人类活动的影响，导致海岸线在不断地发生着变化，传统的野外实地调查方法花费人工多、效率低、工作周期长而且获取的数据不易统计。遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性应用技术，卫星观测的大面积，同步、高精度的特点可准确地记录海岸线状况及其相关的地面信息，有效地克服地面调查中可能遇到的各种限制，独有的时效性可以使之在短时间内对同一地区进行重复探测，在海岸线调查中具有显而易见的优势。

3 技术流程

从项目目的、时间要求和数据情况出发，制定了此次海岸线动态监测的总体技术流程（图1）。简单可以概括为数据准备、影像预处理、提取海岸线、海岸线叠加与统计、统计结果分

析。

图1海岸线动态监测技术流程图

4 数据准备及数据预处理

4.1 数据准备

本次动态监测使用数据为天津塘沽区1970年5月31日KH-4影像、1999年8月11日KVR影像、2010年8月17日Geoeye影像和1:5000地形图数据以及10米DEM数据。

表3 影像类型统计[2]

4.2 数据预处理[3]

4.2.1 正射校正

正射校正是以天津地区1:5000地形图作为主控图件，结合研究区10米DEM数据对Geoeye影像进行正射校正，总误差不超过1个像元。然后，以校正好的Geoeye影像为控制参考图件，结合DEM数据分别对KH-4影像和KVR影像进行正射校正。

因为历史解密影像的特殊性，大部分遥感处理软件都缺乏KH-4和KVR卫星模型参数，所以我们采用了唯一拥有历史解密影像模型参数的专业处理历史解密影像的OrthoMap图像处理软件进行数据预处理。由于历史解密影像时相跨度较大，地物变化大，我们选择了40个左右的控制点，校正后误差在2个象元左右。最后，从校正好的影像上裁取覆盖研究区的子区，以减少数据量，提高处理速度。

4.3.1 去霾处理

去霾处理能够减少水汽和薄云产生的噪声对解译造成的影响。本项目的去薶处理是指通过大气校正去除影像上的薄雾。并通过Photoshop对影像上的细小瑕疵进行修复处理。

5 海岸线提取

5.1 海岸线提取方法

近红外波段的水体反射辐射率明显单一并低于其他地物，拟采用阈值法来划分水陆边界。因此，选用Geoeye影像的近红外波段，定出其水体阈值，将低于该值的像元定为水体，高于该值的像元则为非水体，这样就把水体与其他地物分开。

由此直接获取的水陆边界线只是海岸线在卫星成像时的瞬时水边线，而水陆边界线位置受潮汐，海岸地形等因素的影响变化很大，为了真实反映海岸线的动态变化，本文运用在海洋潮流发生一般高潮时，海水所淹没的平均界线方法来提取海岸线。

研究表明，平均高潮线法与传统提取方法的分析结果基本相近，能够满足宏观分析所需

的精度，同时，平均高潮线可以通过对遥感影像的分类处理来确定。这种方法简单易行，而且这个平均值受潮汐及海平面的影响较小，可以看作一个常值。

一般来讲，平均高潮线介于高潮滩与中潮滩之间，由于潮滩物质成分的差异以及暴露于水上时间的长短而导致含水量的不同，必然在光谱特征上有所变化，在遥感影像上表现出不同的灰阶和彩色特征信息，因此潮滩地貌特征是重要的解译标志。

5.2 海岸线提取

1999年影像上可明显看出其特征，而由于近几年港口建设的飞速发展，2010年的影像上未出现明显的沙滩，因此在自动分类时，将2010年的影像按照阈值法分为两类处理。[4] 1970年的历史遥感影像采用阈值法的自动分类结果见图2示：

图2 值法自动提取1970年海水沙地陆地

根据自动分类可以得出大致的沙滩轮廓，但海岸线显示比较模糊，用目视判读法弥补其自动分类的不足。

1999年及2010年塘沽区影像的计算机初始分类（将海水分离出来）见图3、图4所示。

图3 1999年阈值法自动提取海水沙地陆地图4 2010年阈值法自动提取海水和陆地5.3 海岸线的划分

由于根据在红外波段大陆和水体的反射率不同进行了初始分类，其中水体包括了鱼塘部分，陆地包括了云层和海滩的干扰。可用人工目视判读辅助自动分类解决以上问题。

根据相关规定，水塘的处理上，我们将封闭水塘的边界划分为海岸线的一部分，非封闭的水塘作为海洋内部处理。在影像上，沙滩具有明显的高潮位分界线，需要再根据目视判读及海岸线连贯性，最终得到海岸线如图5、图6、图7所示。

图5 1970年塘沽区海岸线图6 1999年塘沽区海岸线图7 2010年塘沽区海岸线

6 动态分析

动态分析是以客观现象所显现出来的数量特征为标准，判断被研究现象是否符合正常发

展趋势的要求，探求其偏离正常发展趋势的原因并对未来的发展趋势进行预测的一种统计分析方法。

现将塘沽区1970年、1999年和2010年三个时期的海岸线叠加到一起，得到塘沽区1970、1999、2010海岸线对比图（图8）。海岸线成图位于117.4°E~118.0°E、38.7°N~39.2°N 之间。以下所涉及到的统计结果如不做特殊说明，均在此区域内产生。

图8 塘沽区1970、1999、2010年海岸线对比图

6.1 信息统计

运用Arcgis平台的空间分析功能和统计功能，统计得出监测区域1970年、1999年、2010年海岸线动态变化表，如表4所示。[5]

表4 塘沽区1970年、1999年、2010年海岸线数据统计表

根据统计结果，为了直观地看出其海岸线长度和面积的变化速度，我们做了两个折线图说明情况：

图9 海岸线长度变化

图10 水陆面积的变化

6.2 分析结果

由以上图表资料分析，可得出以下结论：

6.2.1 从1970年到1999年间，虽经历了约30年，但海岸线的自然形态及长度都没发生太大变化，大陆逐渐向海洋延伸，但趋势较平缓。导致其海岸线向海洋处扩张的主要原因是河流入海口处带来的泥沙沉积。海岸线的演变仍属于自然变迁，人工参与度不大。

6.2.2 到2010年海岸线对比可看出，近些年来由于天津大搞经济建设和港口建设，其

海岸线类型由以前的自然泥沙类变为了有明显建造痕迹且有规则形状的人工海岸。

6.2.3 1970年至1999年之间海岸线逐步向海洋处延伸，但变化趋势较缓慢。1999年到2010年间，人工建造的港口鱼塘等设施，使得海岸线向海洋处延伸的速度增加，海洋利用率增加。

6.3.4 1999与2010年的海岸线对比可以看出，港口建设导致海岸线的长度大大增加，这样就增加了港口船只的吞吐量，有利于发展海上贸易。

本文来自北京拓普视野科技有限公司。