苏倩欣，李高聪，李志强，胡鹏鹏

（广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088）

海岸线作为陆地与海洋的分界线，在我国是指多年大潮高潮位时的海陆界限[1]。在海岸泥沙输运、海平面升降等自然因素与海洋工程建设、围填海等人类活动的影响下，海岸线位置具有高度的动态变化特征[2]。国内外学者对海岸线的监测分析研究始于20 世纪60 年代，重视海岸线的提取和变迁分析[3]。我国目前对于海岸线类型的划分尚无统一标准，研究学者大多将海岸线分为自然岸线和人工岸线两个一级类[4]，认为河口岸线是自然岸线的一类或不单独分类，再根据地物类型对岸线进行二级类的划分[5-7]。通过提取海岸线的位置和类型，可以分析和探讨海岸线长度、岸线变化与海岸带土地利用情况等的特征和变迁的驱动因素，具有重要的现实意义[8]。

与传统的海岸线实地测绘方法相比，遥感技术具有大范围、多光谱、多时序和不受地理环境制约等突出优势，目前主要基于遥感影像上岸线的空间关系或光谱特性两类方法实现岸线的自动提取[9]。应用于海岸线提取的数据源种类较多，如Landsat影像、SPOT 影像、合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）影像、激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）点云数据、IKONOS 和QuickBird卫星影像等[10-14]。其中Landsat 影像应用最为广泛，分辨率在15～30 m，具有运行时间长、数据量大、容易获取等优点[15-18]。目前也有许多学者采用多种数据源，以提高岸线提取结果的精度。如胡亚斌等[3]基于1973—2017 年的Landsat 和高分影像数据，提取了连云港市10 期海岸线信息，分析了其演变特征及成因。众多学者在海岸线提取和岸线变迁分析应用方面，开展了大量工作。海岸线自动提取方法众多，如水体指数、阈值分离、边缘检测、面向对象和元胞自动机等方法[2，11-12，15，18]。但由于研究区的特殊性和提取方法的特点，单一方法往往无法取得很好的提取效果。因此，研究和分析各种海岸线提取方法的特点，有助于为特定的海岸线影像或类型选取合适的提取方法[19]。如乔学瑾等[9]针对国内外岸线提取方法较为单一的现状，提出兼顾光谱特征与空间关系的海岸线自动提取方法：融合区域生长算法的自适应Canny 边缘提取算法和形态学方法，优化了海岸线的提取结果，精度在1 个像元内。

关于海岸线提取方法的研究，较多着眼于探索某类新方法在某个区域的可行性，对各种方法综合系统整理或对多种提取方法的结果进行精度比较的文章较少。在遥感监测海南岛岸线方面，姚晓静等、包萌、隋燕等、毕京鹏等先后以多期Landsat卫星影像为数据源，分析了海南岛1980—2017 年间的海岸线长度和利用类型的时空变化[20-23]，对海南岛岸线的基础研究较多，便于进行对比和后续研究。因此，本文首先归纳了9 种基于遥感影像的水边线提取方法的特点，然后选取目视解译法、阈值分割法、边缘检测算子法和区域生长法应用于2021年海南岛的岸线提取，比较各方法的特点和提取精度，为岸线提取方法研究提供参考。

1 水边线提取方法及评价

1.1 水边线提取方法

海岸线提取可大致分为瞬时水边线提取和岸线校正两个阶段[19]。瞬时水边线是陆地与海洋的交线，其提取实质上是图像分割的过程。海岸线两侧地表光谱特征因地貌类型及土地利用类型不同而存在明显差异[24]，常用的基于遥感影像的岸线自动提取方法大致分为两类：（1）利用海岸线的空间关系，通过形态学法或算子法先对影像进行边缘检测，优化检测结果[9]；（2）基于岸线两侧光谱特性，通过水陆分类对影像进行分割[9，25]。表1 归纳了常用的9 种提取方法，目视解译、阈值分割法和边缘检测算子法为最常用的方法。近年来人们意识到活动轮廓模型、数据挖掘、元胞自动机等复杂智能算法在图像分类与模式识别中的突出作用，将其应用于某类岸线的边缘检测，并验证其精度。

表1 主要的水边线提取方法

1.2 岸线校正与精度评价

岸线易受潮汐等因素的影响，可利用潮位高度数据计算得到岸滩坡度及岸线修正距离，校正水边线。如何校正以得到准确的岸线，特别是应用于地形剖面变化较大的江苏淤泥质海岸，是广受关注的问题。比较常用的方法最早由MASON D C 等[28]提出，是利用海岸带遥感影像水边线蕴含的潮位高程信息，构建潮滩DEM，推算海岸线。在长江口[29]、莱州湾[30]的淤泥质滩涂的高程重建中均取得了较好的效果。近年来，有较多学者改进了岸线校正方法。如沙宏杰等[31]根据多时相遥感水边线之间的潮差关系自动判断江苏中部淤泥质海岸的剖面形态，采用不同的函数进行剖面拟合，构建了一种剖面形态自适应的海岸线遥感推算新方法，精度明显提高。陈玮彤等[32]针对淤泥质海岸潮间带坡度平缓的特点，基于多潮位站插值校正的水边线离散点潮位赋值及坡度计算，对水边线方法进行了改进，取得了较好的成果。

经过图像的预处理、瞬时水边线的提取及岸线校正等步骤，得到真正的海岸线，但其精度仍需验证。目前主要有定性分析与定量分析两类精度评价方式。定性分析即人工目视对比结果的差异，此法存在人为误差，且无法对提取结果进行定量化表达。如今，多采用定量分析方法以精确描述提取结果与基础线的匹配程度，主要有3 种：（1）缓冲区方法[9，14]；（2）计算用户精度、生产者精度和总体精度[33]；（3）计算平均偏移量与均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）[6，34]。其中，RMSE 是使用最多的定量方法。

2 海南岛的岸线提取方法比较

2.1 海南岛概况

海南岛是我国第二大岛，位于中国最南端，四面环海，是东西方交流的主要通道，包含沿海12 个市县。全省陆地总面积3.54×104km2，其中海南本岛面积3.39×104km2[35]。海南属热带季风气候，地形为穹形山体，中间高四周低，河流众多。海岸带地区拥有丰富的湿地资源和森林资源，珊瑚礁和红树林海岸全国典型。海南岛的海岸线约占全国海岸线总长的1/10，形状绵延曲折，岬湾众多，有利于发展旅游业及优良港湾[21]。1990 年后，海南省海岸线开发经历了从围垦养殖到港口建设、围填海工程建设发展的过程，人工岸线长度显著增加，自然岸线长度减少，局部砂质海岸线侵蚀严重、功能退化[36]。2017 年海南岛岸线类型长度、占比及图像如表2 所示，砂质岸线和人工岸线为主要类型[23]。

表2 2017 年海南岛岸线类型

三亚市地处海南岛最南端，环三亚湾展布，热带海滨资源丰富，是生态修复、海绵城市和综合管廊建设综合试点城市，其海岸环境的变化及海岸侵蚀演变引起政府重视和研究者的广泛关注[37]。侵蚀现象突出表现在三亚湾岸段，西起天涯海角岬，东至鹿回头半岛，主要受砂质海岸特性、海平面上升、台风风暴潮等自然因素和修建工程、河道挖沙等人为因素的影响[38]。

2.2 提取方法

在ArcGIS、ENVI 和Matlab 平台上，以海南岛的Landsat OLI 影像为数据源（时间为2021-01-01，行 列 号 为123046、124046、125046、123047 和124047，来源于https：//www.usgs.gov/），在不考虑岸线类型的情况下，选取目视解译法、阈值分割法、边缘检测法这3 种最常用方法提取其瞬时水边线[7，10，15]，比较各方法的提取结果。然后综合多种岸线提取方法，实现三亚湾岸段的岸线全自动提取。多数提取方法类文献以瞬时水边线代替岸线以便于描述，本文提取的岸线均为图像的瞬时水边线[15-16，26]。主要提取过程如下。

（1） 采用目视解译法，归一化差值水体指数（Normalized Difference Water Index，NDWI）、修正归一化差值水体指数（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）、二次改进归一化差异水体指数（Second Modified Normalized Difference Water Index， SMNDWI） 3 种 水 体 指 数 法 及 Sobel、Roberts、Canny 3 种边缘检测算子法提取海南岛全岛的岸线。目视解译提取的岸线常常作为基础岸线或真实岸线。阈值分割法和边缘检测算子法均是利用图像灰度值的差异，前者是通过设置阈值将目标与背景分割，后者是利用边缘周围灰度值的不连续性，提取其分界线。水体指数法多用于提取多波段影像的岸线，经过多次改进，提升了图像的水陆对比度。这6 种方法比较成熟，采用较多，但容易受噪声影响，提取结果需进行人工处理以去除伪边缘、双线等明显误差。一般需要结合其他方法以实现高精度提取[2，26]。

得到水体指数法和算子法提取的岸线后，以目视解译得到的水边线作为基础线，通过统计各方法的岸线长度、与目视解译的长度差值和平面位置精度，比较各方法的提取效果。平面位置精度评价，即计算基础线与提取水边线之间的距离，能够表现各方法提取效果的局部差异，公式[39]如下。

式中，m 表示平面位置精度；Li-L′i表示各方法提取的水边线到基础线（目视解译的水边线）的水平距离；N 表示样本个数，每种方法采集50 个样本，样本点分布在明显差异处（图1）。

（2） 以上水边线提取方法虽然常用，但提取精度有待提高。为了提高精度，常使用高分辨率影像，结合多方法进行岸线提取。本文以第五波段作为底图（行列号为12047 的图像，裁剪为三亚湾区域），综合采用区域生长法、Otsu 阈值分割法和Canny 边缘检测方法，提取海南岛三亚湾的水边线，以增强提取效果[16]。三亚湾呈对数螺旋形，为岬湾砂坝潟湖海岸，是海南岛的主要侵蚀区域，实现对其岸线的快速提取，能够快速分析其侵蚀速率变化，进行岸线位置进退的定量研究，具有重要的研究意义。该方法的核心思想是区域生长法，即选取一个种子像素作为区域的生长点，然后通过设置合适的阈值和生长规则以合并区域内与生长点有相同或相似性质的像元。Otsu 阈值法是利用最小二乘法求得图像的最佳阈值，进而对其灰度进行类间差分，其结果图灰度分布明显。Canny 边缘检测法作为认同度最高的微分算子法，能够提取尽量多的图像信息，精度较高[40]。

2.3 提取结果

比较水体指数法和边缘检测算子法的岸线提取结果（表3 和图1）发现，各方法的岸线长度误差均在26%内，整体与真实地物差别不明显。其中Canny 的误差最小，Roberts 和SMNDWI 的误差较小，提取的岸线比较平滑；Sobel 的长度误差最大，岸线位置与真实有较大差异。

图1 海南岛岸线提取结果图

表3 海南岛水边线提取结果对比

各方法的岸线平面位置精度均在14 m 以内，岸线曲折处偏移量较大。其中SMNDWI 的精度最好，3 种算子法的精度均较好，NDWI 的精度最差。Canny 算子提取的岸线在地物复杂处（典型岸段）与基础线的偏移量较大，因此虽然长度误差最小，但平面位置精度比SMNDWI 差。综上所述，Canny算子、Roberts 算子与SMNDWI 均能较为准确地提取出海岸线，与真实岸线拟合程度较高；NDWI 提取效果较差。

比较几种水体指数法和边缘检测算子法内部的提取效果。MNDWI 和SMNDWI 是通过对NDWI 的改进得到，NDWI 只考虑植被因素，MNDWI 在其基础上加入土壤或建筑物因素，SMNDWI 能更好地抑制海域特征，探测水体的细微变化。这三种方法的提取误差和平面位置精度呈递减，提取效果得到改善。Sobel、Roberts 和Canny 的提取误差和精度也呈现递减关系，说明二阶微分算子Canny 的提取结果比一阶微分算子Sobel 和Roberts 更准确，与魏东岚等的试验结果一致[15]。但如果涉及具体的岸线类型，Canny 算子不一定比Sobel、Roberts 算子更有优势。海南岛的岸线以砂质岸线和人工岸线为主，根据前人研究，人工岸线多用Roberts 提取，而砂质岸线多用Sobel 提取，而本文的Sobel 和Roberts 提取结果精度也较好，因此需结合研究区特点选择合适的方法[2，26，41]。

选取的典型岸段分别为儋州湾、花场湾、如意岛、清澜港、新村港和小海，如图1（a）至图1（f）所示，主要为海南岛养殖塘重点监测区域或港口码头区域，年际面积变化大，岸线类型主要为人工岸线[22-23]。各方法的提取结果在典型岸段具有较明显差异，原因是这些区域的岸线曲折、地物形态极不规则，各方法的提取结果差异也直观表现在弯曲度大的区域，特别是Canny 方法的提取结果，在新村港和小海岸段，与目视解译有较大差异，明显趋于平滑。

将Otsu 法、区域生长法及Canny 边缘检测算子法相结合，应用于三亚湾的岸线提取流程及结果如图2 所示。通过研究发现：（1）经Otsu 阈值分割后，海陆分布明显，易于选择种子点；（2）采用区域生长法选取种子点后，灰度相近区域合并，陆域地物信息大部分被去除，岛屿信息保留，但三亚河附近的地物无法完全清除，图像上陆域为黑色，水域为白色，突出了海陆交界线；（3）若进行腐蚀处理，三亚河周围地物被去除，海域扩大，同时凤凰岛、西瑁洲和东瑁洲都被去除，故不采用形态学方法；（4）对区域生长法结果进行Canny 边缘检测，提取到完整的岸线。通过叠加图发现：该海岸线提取方法效果较好，海陆分割效果明显，提取信息较完整，主要表现为三亚河、凤凰岛、西瑁洲和东瑁洲被完整地提取出来了。因此，可认为该方法的提取结果符合图像的海岸线分布，具有一定的实际应用价值[16]。

图2 三亚湾水边线提取流程及结果

2.4 讨论

目前，海岸线提取方法较多，但均有一定的局限性，因此可将多种方法相结合，融合各方法的优势，使海岸线的提取效果更好，适用范围更广。如王常颖等[27]采用决策树方法挖掘地物的分类规则，然后多次运用基于密度的聚类方法实现噪声去除，该方法适用于天津河道区域的海岸线提取。乔学瑾等[9]利用融合区域生长法、自适应Canny 边缘检测法和形态学法，提取黄河三角洲复杂区域的岸线。在岸线提取过程中，研究者常使用腐蚀或膨胀方法进行结果优化，但本文实验发现，岛屿信息和河道附近地物会被腐蚀去除，结果不理想。因此，提取方法的实用性需要在其他地区进行实验。同时，探索如深度学习等新方法，增强提取效果[19]。

对于不同类型的岸线，其地貌特征存在差别，应该采用不同的方法进行岸线提取。目前有较多学者研究不同类型岸线的优势方法，如庄翠蓉[26]采用Roberts 算子提取基岩岸线、人工岸线和红土岸线，采用Sobel 算子和小波多尺度方法分别提取砂质岸线和淤泥质岸线。殷飞等[41]采用Roberts 算子提取基岩岸线和人工岸线，采用监督分类法和Sobel 算子提取砂质岸线，采用灰度形态学法和Canny 算子提取淤泥质岸线。淤泥质海岸由入海河流携带泥沙和海岸的侵蚀作用产生，表现为海岸低平，滩涂面积较大，坡度平缓，常有潮沟发育等特征，是岸线提取的重点。搜索文献发现，较多学者采用Canny算子提取淤泥质岸线，但提取效果较差，需结合实地测量进行人工修测[2，41]。海南岛的淤泥质岸线主要分布在儋州湾和后水湾附近（图1），但各方法的提取结果差异不明显。典型岸段主要为人工岸线，Canny 结果线与目视解译线差别较大，特别是新村港和小海区域，但Canny 法提取的全岛水边线结果误差最小，因此需要分类型进行分析。

3 结 论

本文总结了国内外多种岸线提取方法，采用目视解译、阈值分割法、边缘检测算子法和区域生长法等方法提取2021 年海南岛或三亚湾的岸线，结果如下。

（1）NDWI 的提取效果较差，岸线曲折处偏移量大；Canny、Roberts 和SMNDWI 的提取误差较小，精度较高，能较为准确地提取出海岸线，与真实岸线拟合程度较高。

（2） 若不考虑岸线类型，在海南岛区域，NDWI、MNDWI 和SMNDWI 提取结果的误差和精度呈递减关系，效果得到改进；二阶微分算子Canny 的提取结果比一阶微分算子Sobel 和Roberts更准确。

（3）各提取方法在典型岸段，即形态不规则、弯曲度大的养殖塘和港口码头区域，存在明显差异。

（4）区域生长法与Otsu 阈值法、Canny 边缘检测相结合的岸线自动提取方法在三亚湾提取效果较好，海陆分布明显，地物要素完整，可实现岸线的快速提取。

未来可在多方法结合、探索并应用新方法、研究各类岸线的优势提取方法（尤其是淤泥质岸线）等方面完善海岸线提取方法的研究。