基于ZY-3影像潮水沟槽线的提取

周虹宏，丁贤荣，葛小平，康彦彦

（1.河海大学 水文与水资源学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 港航口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

基于ZY-3影像潮水沟槽线的提取

周虹宏1，丁贤荣1，葛小平1，康彦彦2

（1.河海大学 水文与水资源学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 港航口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

潮水沟槽线是潮滩重要的地貌特征线，对潮水沟槽线的研究可以了解潮滩微地貌形态的特征以及潮沟的摆动规律。基于2012-11-06获取的“资源三号”（以下简称ZY-3）卫星高分辨率遥感影像，以条子泥实验区为例，选取近红外为特征波段，采用ArcScan对该区域二值化灰度图进行潮水沟中轴线的提取，代替理论上的沟槽线，同时结合条子泥地区的地形进行分析，最终实现对潮水沟槽线的提取，为深入研究潮滩微地貌提供科学依据。

ZY-3；潮水沟；ArcScan；沟槽线提取

1 数据源及研究区域

条子泥沙洲是辐射沙脊群中距岸最近、面积最大的近岸沙洲。本区地处两大潮波的交汇处，水文状况复杂，各种大小潮沟极为发育。潮水沟槽线作为潮水沟重要的特征线，反映潮水沟的剖面形态特征，是研究潮滩微地貌以及地形冲淤变化的基础。本文选取条子泥区域一块实验区进行遥感分析。选用ZY-3卫星影像数据，获取时间为2012-11-06，如图1所示。ZY-3卫星影像包括蓝、绿、红和近红外波段4个波段，其光谱范围分别为0．45 ～0．52 μm，0．52 ～0．59 μm，0．63 ～0．69 μm，0．77 ～0．89 μm。空间分辨率为5．8 m。

图1 条子泥研究区地理位置

2 研究方法

本文选取一块条子泥实验区，根据ZY-3卫星高光谱影像本身的特点，主要选用近红外波段作为特征波段。由于水体几乎吸收了全部近红外波段的入射能量，导致水体在近红外波段的反射能量很少[1]，而潮水沟在近红外波段内具有较高的反射特性，这使得潮水沟基本形态在近红外波段上特征突出。利用近红外波段进行目标物的提取[2]，通过ArcScan工具实现对条子泥实验区潮水沟槽线的初步提取。如图2所示。

图2 技术流程图

2.1 数据处理

2.1.1 图像增强处理

图像增强主要包括平滑、锐化和纹理特征分析3个方面。首先对遥感图像进行平滑，平滑后的图像在去掉噪音的同时也造成了图像模糊。为了突出边缘细节，需要进行图像锐化处理，提高图像上的边缘与线性目标的反差[3]，突出潮水沟的目标物特征。最后进行纹理特征分析，反映在图像上就是对纹理的粗细、走向等特征的描述[4]。图3为纹理特征分析输出的图像，从图上可以看出潮水沟纹理的基本形态特征。

图3 纹理特征分析输出图像

2.1.2 数学形态学滤波

数学形态学滤波实质是一种二维卷积运算，其基本思想是用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状以达到对图像分析和识别的目的[5]。数学形态学的基本运算有腐蚀、膨胀、开运算和闭运算。本文首先对预处理后图像进行膨胀运算，以填补纹理特征提取的断裂部分，使潮水沟的纹理变得闭合而连续。

膨胀运算需要进行2次，这使得图像中某些像元连在一起，致使图像存在许多小空洞和缝隙。针对这种现象，需要对图像进行闭运算。不仅使轮廓变得光滑，同时也可以消除狭窄的间断、长细的鸿沟以及小的孔洞，填补轮廓线的断裂[6]。

2.2 阈值分割

通过设定不同的特征阈值，把图像像素点分为若干类[7]。先选择一个阈值，然后进行波段运算，如果图像中像素的灰度值小于该阈值，则将该像素的灰度值设置为0，否则将灰度值设置为255[8]。

要选取不同的阈值进行反复操作，通过输入不同的DN值进行波段计算，选择出最佳阈值。经过反复实验，该研究区域最佳阈值为200，通过波段运算得到二值化图，然后调用栅格转矢量工具，将目标图层从背景中分离出来。图4为通过阈值分割后输出的二值化图像。

2.3 ArcScan的工作步骤

本操作主要在ArcGIS 9．3 中进行。首先将阈值分割后的矢量图层要素提取出来并建立面状矢量格式的文件，打开ArcCatalog在相应的文件中新建一线状矢量文件。先将阈值分割后的矢量图层在工具栏中转换成栅格数据的文件；然后根据重分类功能将栅格图像设置为二值化图像；最后点击ArcScan工具栏中的VectorizationGenerate Features 按钮执行扫描得到所需要的线性文件[9]。将得到的新图层与条子泥实验区进行对比分析，如果与实验区潮水沟的形态一致，就输出结果；否则，重新选取阈值进行运算。由于得到的新线性图层属性信息不仅包括原线性数据，还包括新生成中轴线的属性数据，因此运用属性筛选工具对新的线性图层进行筛选，最终得到中轴线，如图5。

图4 阈值分割后的图像

图5 使用ArcScan工具提取的中轴线

3 结果分析

将提取出来的中轴线，与高分辨率的条子泥实验区相对照，结合提取结果与目视解译，对提取结果进行手动修改。由于提取的中轴线的外边界与条子泥实验区的水边线有一定的偏差，将修改好的线图层与该区域水边线的线图层进行叠加，使用clip 工具进行裁剪。将提取的沟槽线与条子泥实验区相比较，综合考虑地形地貌的因素，并使用条子泥二分水线进行对照分析，最终实现对潮水沟槽线的提取，如图6。

图6 潮水沟槽线的提取

利用ArcScan对二值化灰度图提取潮水沟槽线的过程出现一些问题。首先，在特征波段的选取上，由于条子泥实验区各个波段的DN值、方差相差不大，只能采用各个单波段的目视解译，可能会造成误差。其次，从图5可以看出，提取的中轴线有很多断线、打圈等情况。出现这种情况有2个原因：①由于图像进行2次膨胀的强度过大，使得与周围区域连在一起。②阈值选择小，将周围图像像素都提取出来，也会影响提取结果。但是提取的潮沟形态基本上和遥感图像中的潮沟形态相吻合，这说明利用ArcScan对二值化灰度图进行潮水沟槽线的信息提取是可行的。该方法适用于高分辨率的遥感影像，对于分辨率比较低的影像，提取效果不是很好。

4 结 语

ZY-3卫星高分辨率遥感影像为提取潮沟沟槽线提供了丰富的波段光谱信息，通过数据处理、阈值分割等方法获取二值化灰度图。结合利用ArcScan，进一步将潮水沟槽线信息提取出来。本文提出的基于ZY-3影像提取潮水沟槽线的方法可用于探索江苏岸外潮滩上潮水沟的迁移和摆动规律，同时也能为研究潮滩微地貌的稳定性以及动力地貌演变提供依据。

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P237.9

B

1672-4623（2015）02-0107-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.039

周虹宏，硕士，主要研究方向为潮滩微地貌的演变。

2014-05-16。

项目来源：国家海洋公益性行业科研专项资助项目（201005006-3）；江苏省自然科学基金资助项目(BK2012414)。