王偉軒

（西北有色勘測(cè)工程有限責(zé)任公司珠海分公司，廣東 珠海519000）

遙感影像是可以通過(guò)對(duì)地表攝影或掃描獲得，分為光學(xué)成像和掃描影像。 遙感可獲取大范圍數(shù)據(jù)資料，獲取信息的速度快、周期短，而且獲取信息還具有受條件限制少、手段多、信息量大等優(yōu)點(diǎn)。 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展， 人們開(kāi)始利用遙感技術(shù)對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)保護(hù)、水邊線提取等。高分辨率圖像采集技術(shù)的成熟使遙感技術(shù)從最初的數(shù)據(jù)定性分析發(fā)展到了定位識(shí)別和定量處理相結(jié)合的階段［1］。 隨著遙感影像分辨率越來(lái)越高，影像上地物紋理越來(lái)越清晰，遙感影像被越來(lái)越廣范的應(yīng)用于地物特征提?。?］。而水邊線是水陸交界線， 是遙感影像上重要的特征線［3-4］。 如何從遙感影像上快速準(zhǔn)確的提取水邊線，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1 漫水填充算法原理

水邊線的提取方法主要有閾值分割法、 邊緣檢測(cè)法、主動(dòng)輪廓法、監(jiān)督分類法、面向?qū)ο蠓ǖ?。這些算法是通過(guò)閾值設(shè)置， 較強(qiáng)的邊緣特征等進(jìn)行水邊線的提取， 但對(duì)于弱水邊線的提取則并不能達(dá)到預(yù)期效果。

漫水填充算法是一種用特定的顏色填充聯(lián)通的區(qū)域，以一個(gè)像素點(diǎn)出發(fā)，以此向周邊的像素點(diǎn)擴(kuò)充著色，直到圖形的邊界，將水邊線區(qū)域全部填充上顏色，然后提取或分離出填充的水邊線部分［5］。

漫水填充算法最常見(jiàn)的有四鄰域像素填充法，八鄰域填充法。 本次選用四鄰域填充算法進(jìn)行遙感影像水邊線的提取。 四鄰填充法的原理是先根據(jù)已知像素點(diǎn)p（x，y）的上下左右四個(gè)臨近像素點(diǎn)，如果沒(méi)有被填充，則填充它們，然后對(duì)找出的著四個(gè)臨近像素點(diǎn)再進(jìn)行尋找它們各自的四鄰域像素， 直到封閉區(qū)域完全被新顏色填充。 利用一個(gè)種子點(diǎn)，然后種子點(diǎn)附近的相似點(diǎn)被填充為同一個(gè)顏色，以此來(lái)編輯周圍的一片區(qū)域。四鄰域填充算法是不考慮對(duì)角線方向的節(jié)點(diǎn)［4］。

圖1 四鄰域像素填充示意圖

2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座由2顆光學(xué)小衛(wèi)星（HJ-AB）和1顆合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星（HJ-1C）組成的“2＋1”星座，簡(jiǎn)稱“環(huán)境一號(hào)”，時(shí)間分辨率為2d，具有較高的時(shí)間分辨率和30m的空間分辨率，該衛(wèi)星搭載了CCD相機(jī)和超光譜成像儀， 本次遙感影像從中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲取的1景環(huán)境衛(wèi)星遙感影像，成像時(shí)間為北京時(shí)間2009年10月6日3點(diǎn)1分54秒。

本次將江蘇太湖周邊區(qū)域作為研究區(qū)域， 太湖面積2338km2，湖泊均深1.87m，最深2.7m，是典型的大型內(nèi)陸淺水湖泊。 太湖周圍還分布著其他大大小小的湖泊， 對(duì)于本次水邊線提取能夠提供充足的水域數(shù)據(jù)。 選用的影像盡量避免水域上空存在大量的云層或遮擋物，選擇比較清晰的影像。

由于影像在剛獲取時(shí)會(huì)因?yàn)榇髿狻?相機(jī)等因素存在有畸變，大氣誤差等，所以影像在進(jìn)行水邊線提取前需要先進(jìn)行預(yù)處理［6］。 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理包括了輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、影像裁剪等步驟［7-9］。遙感影像的預(yù)處理選用ENVI遙感數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件是針對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理及信息提取等的專業(yè)軟件， 利用ENVI軟件完成有關(guān)影像的預(yù)處理工作。 經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后的影像如圖3。

圖3中的影像為真彩色，通過(guò)色彩的改變將太湖水域特征凸顯出來(lái)，從圖中可以看出，不同地物在影像中反映的特征不同，色彩也存在差異，不同特征地物的突出更有利于漫水填充算法根據(jù)像素進(jìn)行填充。

圖2 環(huán)境衛(wèi)星影像

圖3 環(huán)境影像校正

3 Python構(gòu)建模型提取太湖水邊線

通過(guò)使用Python軟件建立漫水填充算法模型，根據(jù)影像中的水域特征， 通過(guò)選取種子點(diǎn)與整個(gè)圖像的像素值的最大負(fù)差值和最大的正差值， 利用差值進(jìn)行水域的填充。 種子點(diǎn)的選擇應(yīng)盡量滿足整個(gè)水域的參數(shù)特征， 這樣才能夠盡量將整個(gè)太湖水域填充完整。 當(dāng)鄰近像素點(diǎn)位于給定范圍內(nèi)或者在原始Seed Point像素值范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)lood Fill函數(shù)就會(huì)為這個(gè)點(diǎn)填充顏色。 因?yàn)椴糠炙蛟谟跋裆吓c一些其他地物反映出的特征較相近， 雖然通過(guò)將影像改為真彩色可以降低干擾因素，但依然會(huì)有一些噪音干擾。當(dāng)利用建立的漫水填充算法獲取的太湖填充影像如圖4。

圖4中有一些位置比較破碎， 是因?yàn)橹車匚锓从车墓庾V及特征與水域比較接近導(dǎo)致的。 利用漫水填充算法提取的水域?yàn)槊妫枰俳?jīng)過(guò)后處理獲取邊線數(shù)據(jù)。 本次使用ArcGIS地理信息軟件中的Feature Line 功能將漫水填充算法提取的水域面轉(zhuǎn)換成線， 最后獲取太湖水邊線數(shù)據(jù)，提取的水邊線的效果如圖5，經(jīng)統(tǒng)計(jì)填充的水域面積為2314.08km2。

圖4 漫水填充算法填充太湖效果

圖5 太湖水邊線提取效果

遙感影像分辨率較高，使得地物特征較明顯，但同時(shí)也會(huì)使得除研究區(qū)域之外大大增加了干擾因素。 圖6可以看出，洪水填充算法不僅對(duì)水陸邊界明顯的位置提取效果較好， 而且對(duì)范圍小的水陸邊線依然可以精準(zhǔn)地提取出來(lái)， 但水域上的云層也被作為水邊線被提取出來(lái)，這就會(huì)增大提取邊線的誤差。

圖6 太湖水邊線與影像疊加效果

4 精度驗(yàn)證

本次通過(guò)選取提取海岸線與基線的差異，分析漫水填充算法在不同類型海岸水邊線提取的精度， 方法是通過(guò)在提取水邊線上等間距的選取足夠多的驗(yàn)證點(diǎn)，逐點(diǎn)計(jì)算到真實(shí)海岸線的距離，該距離為歐式距離［5］。 歐式距離在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用范圍比較廣泛，尤其對(duì)影像骨架的提取，是一個(gè)很好的參照， 精度驗(yàn)證選用計(jì)算均方根誤差RMSE來(lái)進(jìn)行評(píng)定。

式中 n為樣本總點(diǎn)數(shù)；Dn為第n個(gè)點(diǎn)到真實(shí)水邊線的距離。

本次從提取水邊線數(shù)據(jù)中選取8個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，選取驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)如表1。

表1 水邊線驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表格中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 利用歐氏距離公式計(jì)算得出本次提取水邊線的均方根誤差為11.69，誤差在3個(gè)像素之內(nèi)，該誤差滿足岸線規(guī)程要求，可以用于實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本次通過(guò)使用Python軟件建立了漫水填充算法模型， 利用該模型結(jié)合ArcGIS軟件成功提取了天湖水邊線。 通過(guò)選取驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)提取水邊線進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示提取水邊線精度在3個(gè)像元之內(nèi)。 雖然該方法模型處理影像速度快， 對(duì)弱水邊線也能進(jìn)行很好的提取， 但是也會(huì)容易將水域上方的云層等誤認(rèn)為陸地提取其邊線作為水邊線，增大了提取誤差。之后還需對(duì)影像去云等處理，繼續(xù)改善算法模型，從而更高精度地提取水邊線。