1、兰州大学学报（自然科学版），2 0 2 3，59(3）6 月Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(3)/June基于遥感影像和Canny算子的异龙湖形态特征变化王俊霖，温兴平，罗大游，徐俊龙昆明理工大学国土资源工程学院，云南省矿产资源预测评价工程实验室，昆明6 50 0 9 3摘要：基于Landsat5TM/Landsat8OIL影像，通过计算归一化差值水体指数，采用Canny算子自动提取湖岸线.在遥感和地理信息系统技术的支撑下，应用分形理论对近30 a异龙湖的岸线动态变化特征进行分析，讨论环境和人类活动对湖岸线的影响及
2、岸线变化对沿岸带生产力的影响.运用Pear-son系数分析岸线复杂程度与周长、面积、周长面积比之间存在的潜在关系，定量探究岸线复杂程度与湖泊形状的关系.结果表明，Canny算子能有效地提取湖岸线，分形理论可以更好地对岸线进行定量描述.岸线复杂程度与周长、周长面积比强相关，与面积不相关几何学意义周长面积比的变化代表湖泊形状变化，当周长面积比值越高的时候，湖泊形状越复杂，岸线越曲折，其复杂程度越高，岸线发育系数越大，湖沿岸带的初级生产力越强关键词：湖岸线；Canny算子；分形维数；形态变化；异龙湖中图分类号：TP79;P237文献标识码：A文章编号：0 4 55-2 0 59(2 0 2 3)0
3、3-0 36 4-0 7D0I:10.13885/j.issn.0455-2059.2023.03.011Morphological characteristics of Yilong Lake based on remotesensing image and Canny operatorWANG Jun-lin,WEN Xing-ping,LUO Da-you,XU Jun-longMineral Resources Prediction and Evaluation Engineering Laboratory of Yunnan Province,Faculty ofLand Resou
4、rce Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,ChinaAbstract:Based on the Landsat 5 TM/Landsat 8 OIL image,the Canny operator was used to automatical-ly extract the lake shoreline via a calculation of the normalized difference water index.Under the supportof remote sensi
5、ng and geographic information system technology,the fractal theory was applied to ana-lyze the dynamic change characteristics of the shoreline of Yilong Lake in the past 30 years,the influenceof the environment and human activities on the lake shoreline and the influence of the shoreline changeon th
6、e productivity of the coastal zone were discussed.The Pearson coefficient was used to analyze thepotential relationship between the complexity of the shoreline and the perimeter,area and perimeter-to-ar-ea ratio,and to quantitatively explore the relationship between the complexity of the shoreline a
7、nd theshape of the lake.The results showed that the Canny operator could effectively extract the lake shoreline,and the fractal theory could better describe the lake shoreline quantitatively.The complexity of the shore-line was strongly correlated with the perimeter and perimeter-area ratio,but not
8、with the area.In a geo-metric sense,changes in the perimeter ratio represented changes in the shape of the lake.When the perim-收稿日期：2 0 2 2-0 3-10修回日期：2 0 2 2-0 4-19基金项目：国家自然科学基金项目（4 110 134 3)作者简介：温兴平(19 7 0-),男，山西吕梁人，教授，博士研究生导师，e-mail:，研究方向为遥感技术及其地学应用，通信联系人，365王俊霖，等：基于遥感影像和C算子的异龙湖形态特征变化eter area r
9、atio was higher,the shape of the lake was more complex,the shoreline more zigzagged,thecomplexity higher,the lake shoreline development coefficient larger,and the primary productivity of thelakecoastal zone stronger.Key words:lake shoreline;Canny operator;fractal dimension;morphological change;Yilon
10、g Lake湖泊是一个独立的生态系统，是地表水的重要组成部分，是陆地上的盆地或者洼地所累积成的水体，具有一定水域面积且换水较缓慢湖泊形态特征是指湖泊的湖盆结构及其大小2,对其描述的形态度量特征指标有湖长、湖宽、岸线长度、容积、面积、平均水深等，湖泊形态特征是多种因素作用形成的，湖泊在演变的过程中，其形态也会不断变化3.对湖泊的形态特征进行动态变化监测研究，不仅能科学合理地开发、利用、保护湖泊的环境和资源，也对研究湖泊演变、湖泊理化性质及水情变化等具有一定意义4对湖泊形态特征的动态研究主要集中在湖泊面积和岸线形态两方面.在湖区地质勘查过程中，传统的测量方法不仅耗费大量人力、财力、物力，而且由于环
11、境方面的限制，很难获得较为完整的湖面湖岸变化情况，利用遥感技术可以对大范围的湖泊形态进行动态监测6 .对湖泊面积的动态监测至关重要，湖面积的时间变化序列能提供气候的变化记录，特别是封闭的湖泊更能彰显这种变化.HARRIS等 6 利用先进型甚高分辨辐射仪数据测量了内阿湖区面积；SUNDAL等8 利用中分辨率成像光谱仪数据开发一种自动分类的方法来提取湖泊面积的估计值；CHIPMAN利用遥感技术对19 9 8-2 0 17 年埃及南部的托什卡湖的面积等进行了监测；吕杰堂等 10 利用地形图和遥感数据计算西藏易贡湖的面积并对其进行了动态监测；韩伟孝等 利用长时间序列的Landsat系列卫星影像研究了青
12、海湖的面积变化；李浩杰等12 分别利用Landsat系列和SPOT系列卫星影像对云南省九大高原湖泊的面积进行动态监测.岸线具有演化意义的复杂性.在自然条件下，岸线的平面形态对沿岸波浪和潮流的移动方向会产生影响，在波浪和潮流的冲击作用下，会出现凹岸淤积和凸岸侵蚀的现象，使得岸线逐渐由曲折变为平直，在各种自然因素例如气候变化、河流改道等的影响下，湖泊短时间内水面缩小，分形理论为复杂湖岸线的形态描述提供了工具PHILLIPS14计算美国西海岸的岸线分维数为1.27，分形维数成为分析海岸线时空变化的一个指标；HORNE等15 认为湖泊岸线分形性质与近岸面积能够使人们进一步得出湖泊的形态以及生产力水平.
13、对于分形理论中有关湖泊形态特征的研究多集中在分形维数与岸线发育系数有效性的验证方面，SHAIKH等16 对印度12 个湖泊的分形维数与湖岸复杂程度之间存在的关系进行了研究；KNIGHTS17发现湖岸线复杂程度高不代表分形维数一定也高；冯金良等 18 系统阐述了分形理论并分析了岸线分维数所揭示的地质意义；王红娟等 19 基于分形理论研究了岱海湖的形态变化特征并探讨了分维数与岸线发育系数两者之间的关系；刘蕾等3利用分形理论并结合遥感与地理信息系统技术对中国的湖泊形态进行分析.基于分形理论对湖泊形态的研究主要分布在单个湖泊的形态特征动态变化研究 2 0 、多个湖泊的形态变化横向对比 2 、湖泊形态与
14、水生植物多样性的关系 2-2 及湖泊形态特征在旅游开发、景观格局等方面的应用 2 4-2 6 ,本研究结合遥感影像数据，利用Canny算子自动提取湖岸线，基于地理信息系统技术和统计软件计算反映湖泊形态的度量指标，应用分形理论研究近30 a异龙湖的形态特征变化.基于度量指标研究与岸线复杂程度相关的因子，浅析岸线复杂程度与湖泊形状变化的关系及岸线复杂程度所体现的生态学意义，为异龙湖生物多样性、水源涵养等生态功能的维持和保护提供理论支撑.1数据与方法异龙湖位于云南省红河哈尼族彝族自治州石屏县境内，地处纵向岭谷区的红河流域，是云贵高原九大湖泊之一.地处10 2 30 10 2 38 E，2 339 2
15、342N，湖区内地势平坦，东西向呈条带状，微向东南倾斜，形状似龙.现湖面面积约31km，最大水深5.7 m、平均水深3.9 m，海拔14 2 0 m左右，年降水量在7 8 6 1116 mm，属典型的高原浅水湖泊.遥感数据是从美国地质调查局网站(http:/lglovis.usgs.gov/)下载的研究区Landsat系列卫星数据，影像的轨道行列号为12 9/4 4，云量均小于5%.选取19 9 0、19 9 5、2 0 0 0、2 0 0 4、2 0 10 年的Landsat-TM(thematic mapper)影像和2 0 19 年的Landsat-OIL366兰州大学学报（自然科学版）
16、，2 0 2 3，59(3)(operational landimager)影像，选取的研究区遥感数据均为当年的12 月-次年4 月，属于云贵高原湖泊的枯水期，见表1.对遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正等预处理。表1研究区Landsat系列影像数据Table1Landsat series image data in the study area传感器成像时间传感器成像时间TM1990-01-15TM2004-03-10TM1995-04-19TM2010-02-07TM2000-02-12OIL2019-12-17基于Landsat5TM/Landsat8OIL影像，计算归一化差值水体
17、指数，利用Canny算子提取湖岸线.计算反映湖泊形态的度量指标，应用分形理论研究湖泊形态的动态特征变化，根据度量指标研究与岸线复杂程度相关的因子。1.1归一化差值水体指数法水体提取方法很多，如单波段阈值法、谱间关系法等.单波段阈值法在地物类丰富的影像上具有一定的局限性且阈值的设定很大程度上决定了水体提取的准确性；谱间关系法比较适合地势平坦的地区，因为阴影、冰雪等会产生明显干扰 2 7 MCFEETERS28利用水体在蓝绿波段反射、在近红外波段吸收性强而植被反射性强的特点，基于Landsat-TM影像绿波段与近红外波段构建了归一化差值水体指数(normalizeddifferencewater
18、in-dex，ND WI)，既有效地拉伸了水体与非水体之间的灰度差，又在不需要人为设定阈值的情况下有效地区分水体与植被、山体阴影等信息：G-NNDWI=(1)G+N其中，G代表绿光波段，是TM影像的第2 波段、OIL影像的第3波段；N代表近红外波段，是TM影像的第4 波段、OIL影像的第5波段.1.2Canny算子边缘检测比较常用的边缘检测算子主要有Sobel、Pr e-witt、R o b e r t s 和Canny等，其中Sobel算子定位精度不高，Prewitt算子虽然对图像噪声有平滑作用，但是提取的边缘比较粗糙并且定位不十分精准，Roberts算子在垂直方向上的效果好但对噪声敏感 2
19、 9 .经过对比发现Canny算子是建立在处理噪声和边缘最优化上的一种算子 30 ,因提取效果好而被广泛应用.图像经高斯滤波器作用，平滑结果为：I(x,J)=G(x,y)*f(x,y),其中,I(x,J)代表经高斯滤波处理后的图像,G(x,J)代表高斯平滑函数,(x,J)代表原始图像，*代表卷积，对经高斯滤波处理后的图像(x,J)引用一阶有限差分卷积模板G、G：-1-11-1G,=111-1(2)从而计算梯度幅值M(x,y)及其方向Q:M(x,y)=/M,(x,y)?+M,(x,y)2,M,(x,y)(3)0=arctanM,(x,y)其中,M,(x,J)代表水平方向的梯度；M,(x,J)代表
20、垂直方向的梯度.对梯度幅值进行非极大值抑制，将梯度幅值近似划分为4 个方向的范围，在每一点上，领域中心点与其对应的梯度方向的像素对比，如果中心像素为最大值，则保留，否则置0 3用双阈值算法检测和连接边缘，高阈值将提取轮廓的物体与背景区分开来，低阈值用于平滑边缘的轮廓，先用高阈值求得边缘，但高阈值求的边缘一般断断续续，因此断开处由低阈值求得，使整个边缘连续.1.3岸线形态特征描述岸线发育系数(shorelinedevelopment index,SDI)20)用于描述湖岸带范围，可以反映岸线的不规则程度，湖泊岸线越规则，其值越小.SDI可有效地将湖泊外源营养物的输人和岸线长度联系起来，对湖泊的分
21、类及评价沿岸带具有重要意义，LSDI=(4)2V元A其中，L代表湖岸线周长；A代表湖泊面积.岸线计盒维数（shorelineboxdimension,SBD)21计算岸线的分维值，可以反映湖泊几何形态的复杂程度，根据相关的分形理论，岸线的分维值是对等于以尺度r的对数nr为自变量、尺度r下测量次数的对数InN(r)为因变量时所拟合的线性方程的斜率，即：InN(r)=-Dlnr+C.(5)其中，D代表分维数值，表示单个湖泊岸线的分形特征；C为待定常数.湖岸线是二维空间的曲线，D应介于1 2，其值越趋近于1，岸线自我相似形越强，岸线越规律，反之岸线自我相似形越弱，岸线越复杂，367王俊霖，等：基于遥
22、感影像和（算子的异龙湖形态特征变化2结果与分析2.1岸线矢量化利用(1)式分别对各年份的遥感影像进行波段运算，以增强水体与非水体之间的灰度差异.将原始影像与增强影像（图1)进行对比，NDWI法较好地区分了水体与阴影并能较有效地提取湖周细小非水地物.a原始遥感影像bNDWI增强影像图12019年研究区原始遥感影像和NDWI增强影像Fig.12Original remote sensing image and NDWIenhanced image of the study area in 2019使用IDL语言基于归一化处理后的水体增强影像实现Canny算子.Canny算子阅值的选取从0.1开始，
23、由于阈值在0.0 5范围内变化对结果影响不大，所以取步长为0.0 5依次试验.经多次试验，确定研究区19 9 0、19 9 5和2 0 0 0 年的值均为0.4;2004、2 0 10 和2 0 19 年的阅值均为0.5.在此阈值基础上，利用Canny算子自动提取湖岸线并进行矢量化处理.由图2 可见，近30 a来，异龙湖的整体1990年湖岸线2004年湖岸线1995年湖岸线2010年湖岸线02.km2000年湖岸线2019年湖岸线102300E1023230E102350E1023730E图2异龙湖近30 a来岸线提取结果Fig.2Results of shoreline extraction
24、 from YilongLakeinrecent30years岸线变化较为明显，尤其在异龙湖的西北岸，1990-2000年岸线向外扩张，2 0 0 0-2 0 0 4 年岸线向内收缩，2 0 0 4-2 0 10 年岸线略微向外扩张，2 0 10-2019年岸线又向内收缩；东岸也呈现内外浮动的现象，但没有西北岸的幅度大.2.2岸线形态特征动态变化根据(4)式计算出异龙湖的SDI,对提取的各期湖泊岸线进行网格分析，依据(5)式分别计算r、r/2、r/4、r/8、r/16、r/32、r/6 4、r/12 8、r/2 56、r/51210对尺度下生成的对应矢量网格数 32 ,在统计软件中建立线性回归
25、方程，得到各期湖岸线SBD，相关系数和F值是在计算D值时得到的，见表2.用回归显著性的方差分析对拟合结果进行检验时，只要FFoo0(l.)=12.246,认为双对数直线拟合具有较高的相关系数和极其显著的水平。1990-2000年异龙湖的周长和面积都在升高，可能是因为湖区周围地区降水量增加，汇人湖泊的水量高于蒸发和流失的水量.整体上看2 0 0 0-2019年异龙湖的周长和面积大致表现为缩减直至平缓，2 0 0 4-2 0 10 年面积骤然缩减可能是因为干旱，导致异龙湖的主要补给水源赤瑞湖干 33.异表2 异龙湖的若干形态指标与SBDTable2Some morphological indexe
26、s and SBD of Yilong Lake年份周长/m面积/mSDISBD相关系数F199034885.628709.9001.83661.071 80.9995132.414199545447.0315419002.282.71.12730.9993 671.981200046577.633199.9002.28041.10730.9994855.533200442118.625916 7002.33391.10001.00012529.692201039502.2282995002.09471.08501.0008227.748201939.773.1281783002.11361.
27、09360.9993607.762368兰州大学学报（自然科学版)，2 0 2 3，59(3)龙湖的面积和周长在近30 a内的变化较为明显，除了气候变化因素，人类活动如围湖造田等影响湖泊的自然演变 34 ,人类活动也造成湖泊形态特征的不稳定性增加。异龙湖SDI从19 9 0 年的平滑到2 0 0 4 年的曲折，反映了该时期湖岸线几何形状不规则变化；2004-2019年变得平滑，反映了该时期湖岸线几何形状从不规则又趋于规则；整体的SDI表现为先上升后下降的趋势.SBD在19 9 0-19 9 5年呈上升趋势，表明岸线形状的复杂程度趋于上升，19 9 5-2010年呈下降趋势，表明岸线的复杂程度趋
28、于下降；直到2 0 19 年又再次呈上升趋势且19 9 0-19 9 5年D的上升变化大于2 0 10-2 0 19 年的变化，表明该时期岸线的复杂程度没有19 9 0-19 9 5年的复杂；整体的D呈先上升后下降再上升的趋势.除去2000-2004年，各年份之间SDI与SBD呈现相同的变化趋势.2 0 0 0-2 0 0 4 年，SDI出现了增加的现象，SBD却下降，出现这种情况可能是由于这一时期人类经济活动对湖泊干扰程度较大，例如在异龙湖周边养殖.2.3岸线-周长-面积相关性分析岸线的复杂程度与湖泊周长、面积无直接关联.一般来说，水位高低与湖岸复杂度相关，在湖岸非直立的情况下，水位越高，面
29、积越大 35，而湖泊水位数据难以完整全面地获取 36 .本研究以SDI代表湖岸的复杂程度，SDI又由湖周长和面积值决定，可以分析岸线复杂程度与周长、面积之间存在的相关性，各年份的周长面积比值能反映湖泊形状的动态变化，比值越低，湖泊形状越简单，湖岸线越圆滑；比值越高，湖泊形状越复杂，湖岸线越曲折.从生态学意义上来看，岸线曲折表明其复杂程度高，沿岸带的群落在整个湖泊容量中占有更大比例的潜在能力，而当岸线趋于简单时，说明湖泊沿岸带的初级生产力下降 2 由图3可见，周长和SDI的变化趋势大体一致，间接地说明它们之间具有一定的相似性.周长、SDI、周长面积比和面积在2 0 10 年之后的变化都逐渐趋于平
30、稳。由表3可见，SDI与周长的相关系数最高，与面积的相关系数最低.根据Pearson域值区间，表明岸线复杂程度与湖周长强相关，与湖面积不相4.81.654.61.60(/.01)/71斗1.554.4.0/斗1.504.21.454.01.401.353.81.303.61.253.41.20199019952000200420102019199019952000200420102019年份年份a周长b周长面积比3.42.43.32.33.23.12.23.02.12.92.82.02.71.92.62.51.819901995200020042010201919901995200020042
31、0102019年份年份C面积dSDI图3异龙湖近30 a周长、周长面积比、面积和SDI的变化趋势Fig.3Trends of perimeter,perimeter area ratio,area and SDI of Yilong Lake in recent 30 years369王俊霖，等：基于遥感影像和章子的异龙湖形态特征变化关.SDI与周长面积比也表现出强相关，周长面积比的变化代表湖泊形状的变化，周长面积比值越高的时候，湖泊形状越复杂，岸线越曲折，岸线复杂程度越高，SDI值越大.表34 个因子的Pearson相关性分析Table3Pearson correlation analysi
32、s of four factors因子SDI周长面积周长面积比SDI1周长0.8941面积0.1920.6111周长面积比0.8640.548-0.32713结论岸线的提取是否准确取决于遥感影像的分辨率，因此从遥感影像上测量岸线具有不确定性，分形理论可以较为理想地克服这种缺陷，用其对岸线进行量化描述是可行的.利用Canny算子自动提取19 9 0-2 0 19 年的异龙湖岸线，从整体上看岸线多变，收缩扩张的现象较为明显，其变化主要集中在异龙湖的西北岸.利用分形理论对湖泊形态特征进行描述，近30 a以来，SDI代表的岸线曲折程度大致经历了复杂-简单-复杂的变化过程.异龙湖周长和面积呈明显的波动变
33、化，尤其在2 0 0 4-2010年，周长与面积急剧萎缩.近30 a，除了自然因素影响湖岸特征变化外，修建环湖公路、围湖造田等人类活动对异龙湖岸线的演变也起到了一定的作用。为尽可能有效地保护湖区资源和发挥湖泊的生态功能，应科学建立湖泊管理与保护的相关制度，尽可能地维持现在的湖泊面积.围湖造田不仅会促使湖泊的生物多样性丧失，还会造成蓄洪能力下降。参考文献1马荣华，杨桂山，段洪涛，等.中国湖泊的数量、面积与空间分布 J.中国科学：地球科学，2 0 11,4 1(3)：39 4-401.2冷辉，张凤太，王腊春，等，湖泊形态健康内涵及其集对分析评价：以大纵湖为例 J.河海大学学报（自然科学版),2 0
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