胡亞麗,李晶珩,閻子衿,于新生

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室,山東 青島 266100;2.Australia National University,Canberra,Australia)

海灘是濱海地區(qū)重要的海岸防護(hù)屏障和旅游資源,自 20世紀(jì)起,隨著社會旅游條件的成熟,濱海旅游在世界沿海國家得到了快速發(fā)展。在美國,海灘旅游已成為旅游者的首選,對其國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計,我國沿海地區(qū)及海島近年來接待的旅游人次以每年 20%～30%的速度遞增,而沙灘浴場則成為海濱旅游的核心。我國有著32 000 km的海岸線,其中沙灘浴場約為 1 400 km,但是由于人類活動影響,加之風(fēng)暴潮等自然過程,導(dǎo)致濱海沙灘面臨著污染嚴(yán)重、沙灘坡度變陡、總體面積縮小等諸多現(xiàn)象,使得海灘旅游資源萎縮,對濱海沙灘旅游業(yè)的發(fā)展造成了極大影響。因此健全海灘環(huán)境監(jiān)管體系、保護(hù)濱海沙灘質(zhì)量已成為我國沿海地區(qū)面臨的重要任務(wù)之一。海灘評價與保護(hù)的首要任務(wù)是獲取詳細(xì)的濱海沙灘變化資料,譬如海灘形態(tài)變化、海岸動力要素信息、岸線變化、海灘環(huán)境與生態(tài)等。

傳統(tǒng)的海灘人工現(xiàn)場監(jiān)測方法需要人工進(jìn)行長期的(天或周)現(xiàn)場目測,導(dǎo)致資料誤差較大;雖然借助于差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)可以高精度測量岸線變化,但是該方法需要耗費大量的人力資源和時間進(jìn)行野外操作,動態(tài)連續(xù)性較差,在空間尺度上具有一定的局限性。衛(wèi)星遙感具有覆蓋面積大、空間定位精度高、重復(fù)性好等優(yōu)勢,為大尺度監(jiān)測海岸提供了有效的技術(shù)支撐。但是衛(wèi)星遙感技術(shù)的時空分辨率較低,空間分辨率通常為米級,時間分辨率以天為單位,不能滿足高時空分辨率的應(yīng)用需求[2]。20世紀(jì)90年代美國將數(shù)字成像系統(tǒng)(ARGUS)首次用于海岸遙感監(jiān)測取得了良好的成果[3],隨后在其他國家得到了進(jìn)一步的應(yīng)用推廣,譬如新西蘭的 Cam-Era項目[4],歐洲的COASTVIEW項目[5-6]等。另外還有一些監(jiān)控系統(tǒng)也已建立。例如: Kosta System[7],Erdman Video System[8],Sirena[9],Horus[8]等的監(jiān)測方法。由 5臺攝像機(jī)組成的視頻監(jiān)測系統(tǒng),可以提供180°的視場圖像,其覆蓋距離可達(dá)5 km海岸區(qū)域[10-11],其空間分辨率可以達(dá)到厘米級,并且可以記錄海灘動態(tài)及形態(tài)變化信息,獲取秒、小時乃至年的海岸影像資料,結(jié)合當(dāng)前的高速因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),可以將影像觀測資料傳輸?shù)綄嶒炇疫M(jìn)行實時處理,因此具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、時空分辨率高、提取參數(shù)多等優(yōu)點。

目前報道的基于近岸視頻應(yīng)用主要圍繞著海岸動力[12]、海灘地貌變化[13]、岸線變化[14]等信息的獲取,對海灘環(huán)境變化的監(jiān)測與應(yīng)用報道有限。本文首次針對青島近年來滸苔暴發(fā)對浴場海灘環(huán)境帶來的不利影響,將近岸視頻技術(shù)用于夏季滸苔覆蓋海灘引起的青島市石老人海灘環(huán)境變化的監(jiān)測。夏季暴發(fā)的滸苔,在波浪潮汐的作用下覆蓋在海灘上,不但侵占了海灘的面積,減少了游客的活動空間,同時滸苔在海灘上腐爛發(fā)出的氣味降低了海灘的環(huán)境質(zhì)量[15],而且,在清理滸苔時也帶走了大量的海沙,影響了海灘的品質(zhì)。本文利用數(shù)字圖像處理方法對2011年夏季滸苔對覆蓋海灘面積的時空變化實施定量分析,以其為評估滸苔對浴場海灘的影響提供決策依據(jù)。

1 觀測區(qū)域及攝像監(jiān)測系統(tǒng)

觀測區(qū)域選擇青島市石老人浴場西南走向的海灘,該海灘為青島市東部集度假、觀光旅游、海上運動、沙灘運動、娛樂休閑為一體的綜合性旅游度假海灘之一。青島市石老人浴場沙灘坡度平緩灘面較寬,寬度平均為200 m,該區(qū)域的平均高潮高為3.8 m,平均低潮高為1.1 m,在浴場的西邊有一個水道通向海區(qū)。視頻相機(jī)架設(shè)在石老人海灘附近的一座公寓樓里,高度約 64 m,所觀測區(qū)域的海灘總面積約為75 000 m2,攝像系統(tǒng)的位置為北緯 36°05′,東經(jīng)120°27′。

根據(jù)光學(xué)鏡頭的性能及相機(jī)的工作環(huán)境性能要求,我們選擇了 UNIC Phocus1821型號的高清智能工業(yè)相機(jī),配以 8～80 mm的變焦鏡頭,所用相機(jī)及采集系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 攝像機(jī)及采集系統(tǒng)Fig.1 Nearshore camera and image acquisition system

采用圖像自動采集工作模式,每天采集 5次圖像,每次采集10 min,采集速率為10幀/s,設(shè)置的采集時間為每天的 06: 00～06: 10、09: 00～09: 10、12: 00～12: 10、15: 00～15: 10、18: 00～18: 10,每天采集的30 000幀圖像存在圖像采集系統(tǒng)的硬盤中。此外,在觀測區(qū)域選擇了15個地面控制點(GCPs),分別用手持全球定位系統(tǒng)(GPS)對這些地面控制點的坐標(biāo)位置進(jìn)行定位測量,用于圖像處理過程中的圖像坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的幾何糾正。

2 近岸影像處理方法

基于 Matlab工具,所開發(fā)的影像處理流程如圖2所示,首先對 10 min內(nèi)連續(xù)采集的單幀序列圖像進(jìn)行平均處理,以去除隨機(jī)變化的“噪聲”干擾,提高海岸線、沙丘及沙壩的邊緣的對比度[16],如圖 3所示,平均圖像給出了明顯的干濕界線、破碎波帶范圍等特征,為后續(xù)處理奠定了基礎(chǔ)。利用地面控制點,采用式(1)的共線方程將確定攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)(f,α,β,γ,xc,yc,zc)[17],其中 f為攝像機(jī)的焦距,α,β,γ為攝像機(jī)在空間坐標(biāo)X,Y,Z的3個正旋轉(zhuǎn)方向(笛卡兒坐標(biāo)系的右手定則),(xc,yc,zc)為攝像機(jī)的位置。確定上述參數(shù)后,可以直接把圖像的像素(u,v)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)(xc,yc,zc)中,即將圖像坐標(biāo)系統(tǒng)中(u,v)的位置的像素灰度值放在新的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的(x,y)中(當(dāng)所觀測區(qū)域為一個無強(qiáng)烈高低起伏的區(qū)域時,高度值z可假設(shè)為一常數(shù)值)。

滸苔目標(biāo)的分割采用了Bouman &Liu提出的基于貪心(EM)的高斯自回歸方法對目標(biāo)建模[18],傳統(tǒng)的聚類方法如基于劃分和層次的聚類方法需要一些先驗知識來確定初始參數(shù),如果用戶對數(shù)據(jù)集缺少先驗知識會對聚類結(jié)果產(chǎn)生很大影響,此外這些方法在處理大數(shù)據(jù)集時效率不高。而高斯混合模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)是依靠自動學(xué)習(xí),而不需要先驗知識。與傳統(tǒng)的k-means和k-medoids聚類方法相比,高斯混合模型(Gaussian mixture model ,GMM)不僅把每個數(shù)據(jù)點分配到其中某一個聚類中,并且 GMM 還給出了這些數(shù)據(jù)點被分配到每個聚類的概率[19]?；诟咚够旌夏Ｐ?GMM)的聚類方法采用的是多個單高斯分布的線性組合,如式(2)所示是由三個高斯密度函數(shù)組合表示的高斯混合密度函數(shù)。其中a1,a2,a3表示各個高斯密度函數(shù)的加權(quán)系數(shù)。

圖2 影像處理流程圖Fig.2 Image processing flow chart

圖3 圖像類型Fig.3 Types of images

在基于高斯混合模型的聚類方法中,每個目標(biāo)對象都是由多個高斯密度函數(shù)線性組合表示的,這里每個高斯密度函數(shù)都代表該對象的一個子類,為了更好地進(jìn)行聚類,有必要進(jìn)行每個對象子類個數(shù)的判定。這里我們采用最大期望值(expectationmaximization,EM)算法和MDL(Rissanen's minimum description length )準(zhǔn)則相結(jié)合的方法進(jìn)行最適合分類數(shù)據(jù)集的聚類個數(shù)的估計[20]。首先將圖片信息轉(zhuǎn)化為 ASCII格式數(shù)據(jù)信息,對每個像素點對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行最大后驗(Maximum a posteriori MAP)估計分析,計算像素歸屬各個 GMM 的概率,然后根據(jù)其歸屬概率值進(jìn)行目標(biāo)的分割處理,通過對聚類的滸苔區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計計算即可獲得覆蓋在海灘上的滸苔所占有的面積。視頻影像的幾何糾正和分割處理效果如圖 4所示,可以將海水及海岸的目標(biāo)物進(jìn)行有效的分割。

圖4 影像的幾何糾正及分割結(jié)果Fig.4 Geometric correction of images and segmentation result

3 2011年青島石老人海灘滸苔的時空變化

如圖 5所示,圖 5a為滸苔暴發(fā)的初期,滸苔覆蓋海灘的面積較少,游客集中在海灘的干濕交界處活動。從圖5b中以看到有大量的機(jī)動車輛在沙灘上清理滸苔,以改善海灘環(huán)境。圖 5c的監(jiān)測記錄顯示游客逐漸增多,但是由于滸苔侵占沙灘的干濕交界處,游客只能在沒有滸苔的沙灘上活動。圖5d表示由于受臺風(fēng)“梅花”的影響,大量滸苔被運送并覆蓋在海灘上,對海灘的環(huán)境起到了不良影響,游客明顯減少。圖 5e的圖像表示此時沿海仍受臺風(fēng)影響,灘面被大量滸苔覆蓋,海灘上游客極少。圖5f中,隨著8月中旬溫度的升高,滸苔處于消亡期,滸苔對海灘的影響明顯減少,海灘上游客量相對增加。由此可見,滸苔對青島石老人海灘的作用間接地影響了海灘旅游業(yè)的發(fā)展。

圖6是利用EM算法的高斯混合模型進(jìn)行夏季監(jiān)測滸苔所覆蓋海灘面積分析的結(jié)果對比。分析結(jié)果顯示在2011年滸苔影響石老人海灘的起始時間在2011年7月11日,最初其面積有3 000 m2,隨著波浪潮汐和海流的作用成條帶狀分布在干濕分界線地帶,對到海灘游泳的游客有一定的影響。這段期間滸苔侵占海灘的面積基本保持恒定,成間歇狀態(tài),如果及時處理海灘上的滸苔,可以有效的維護(hù)海灘的可利用性。到 7月下旬至 8月中旬期間,在氣溫及風(fēng)暴的作用下,滸苔侵占海灘的面積有所擴(kuò)大,在 7月26日監(jiān)測得到的滸苔覆蓋海灘面積可達(dá)27 000 m2,占整個監(jiān)測區(qū)域面積的36%。2011年夏季臺風(fēng)的來臨,大面積海灘再次被滸苔覆蓋,該時期滸苔侵占海灘面積大概有12 000 m2。不同時間段的監(jiān)測資料顯示,雖然經(jīng)過人工及時清理,但是仍然有約1 500 m2的海灘被滸苔覆蓋。8月中旬后,隨著溫度的升高,滸苔難以繁殖生存,這段期間滸苔對海灘的影響逐漸降低。

圖5 2011年青島石老人海灘上的滸苔時空變化示例影像Fig.5 Space-time changes of the sample images of Enteromorpha in Shilaoren beach of Qingdao in 2011

圖6 滸苔覆蓋海灘的時空變化Fig.6 Spatial and temporal variations of Enteromorpha covering the beach

4 總結(jié)

本文首次提出利用近岸影像監(jiān)測方法對滸苔對海灘環(huán)境影響的連續(xù)監(jiān)測,驗證了基于近岸影像方法在海灘環(huán)境時空變化監(jiān)測有效性和實用性。所采用的基于 EM 算法實現(xiàn)高斯混合模型進(jìn)行滸苔覆蓋面積的分析方法,依靠自動學(xué)習(xí),而不需要先驗知識,可以快速自動地計算滸苔所覆蓋海灘的面積,為自動處理海量監(jiān)測影像提供了新的方向。

通過對2011年青島市石老人海灘的連續(xù)實時監(jiān)測與分析結(jié)果表明,青島石老人滸苔對海灘的影響主要在7月份至8月中旬期間,隨著8月中旬溫度的升高,滸苔逐漸消亡;風(fēng)暴對滸苔向海灘的輸送具有重大影響,覆蓋在海灘上的滸苔對海灘游客有著較大的影響,減少了游客在海灘的活動區(qū)域,因此,及時地采取防范措施,避免滸苔在海灘的堆積,對浴場海灘的環(huán)境及旅游業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。由于光學(xué)影像受氣候影響較大,因此將多種監(jiān)測技術(shù)如近地面視頻監(jiān)測遙感、衛(wèi)星遙感、航拍遙感等相結(jié)合,對提高監(jiān)測資料的準(zhǔn)確性是今后發(fā)展的方向。

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