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两时期海岸线间变迁区域自动构建算法

田善君 吴冲龙

田善君, 吴冲龙. 两时期海岸线间变迁区域自动构建算法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
引用本文: 田善君, 吴冲龙. 两时期海岸线间变迁区域自动构建算法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
TIAN Shanjun, WU Chonglong. Changed Area Construction Based on Two Period Coastlines[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
Citation: TIAN Shanjun, WU Chonglong. Changed Area Construction Based on Two Period Coastlines[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528

两时期海岸线间变迁区域自动构建算法

doi: 10.13203/j.whugis20150528
基金项目: 

山东省交通运输厅科技计划 2017B98

详细信息
    作者简介:

    田善君, 博士, 讲师, 主要从事地学信息三维可视化和地理信息系统相关的研究工作。tsj1644@163.com

    通讯作者: 吴冲龙, 教授。wucl@cug.edu.cn
  • 中图分类号: P208;P229.3

Changed Area Construction Based on Two Period Coastlines

Funds: 

Science and Technology Program of Transportation Department of Shandong 2017B98

More Information
    Author Bio:

    TIAN Shanjun, PhD, lecturer, specializes in the theories and methods of geoscience information system. E-mail: tsj1644@163.com

    Corresponding author: WU Chonglong, professor. E-mail: wucl@cug.edu.cn
图(6) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-01
  • 刊出日期:  2017-12-05

两时期海岸线间变迁区域自动构建算法

doi: 10.13203/j.whugis20150528
    基金项目:

    山东省交通运输厅科技计划 2017B98

    作者简介:

    田善君, 博士, 讲师, 主要从事地学信息三维可视化和地理信息系统相关的研究工作。tsj1644@163.com

    通讯作者: 吴冲龙, 教授。wucl@cug.edu.cn
  • 中图分类号: P208;P229.3

摘要: 当前对于涉及两个时期间海岸线蚀退型和淤积型区域的构建研究尚缺乏较为自动准确的方法。将两个时期的海岸线视为有向且无自相交的曲线,相互打断为若干有向折线段。通过总结各类型区域边界的构成规律,提出两时期海岸线间变迁区域的自动构建算法。构成变迁区域边界的海岸线折线段总是两个时期间隔出现,且有相同的起点或终点,移除构成某一变迁区域的所有折线段后,对其他区域的提取没有影响。据此规律,提取某一变迁区域边界上的所有折线段,利用其中的点构建区域,根据早期海岸线的方向,判断变迁区域的具体类型。以实际海岸线数据进行验证实验,结果符合预期。该算法可根据两个时期的海岸线,快速准确地提取出由水域变为陆地的淤积型区域和由陆地变为水域的蚀退型区域,为分析海岸线的时空变化特性提供辅助作用。

English Abstract

田善君, 吴冲龙. 两时期海岸线间变迁区域自动构建算法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
引用本文: 田善君, 吴冲龙. 两时期海岸线间变迁区域自动构建算法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
TIAN Shanjun, WU Chonglong. Changed Area Construction Based on Two Period Coastlines[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
Citation: TIAN Shanjun, WU Chonglong. Changed Area Construction Based on Two Period Coastlines[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1738-1743. doi: 10.13203/j.whugis20150528
  • 海岸线变迁对沿海城市建设、居民生活、水产、航运等有重大影响。研究海岸线变迁, 掌握海岸线变迁规律, 能科学合理地部署城市经济建设工作[1, 2]。当前, 与海岸线相关的研究工作涉及海岸线轮廓线或相关参数的提取[3-7]以及海岸线轮廓线形态的处理[8, 9], 主要是着眼于某一区域, 分析该区域海岸线变迁情况[10-20]。在评估海岸线变迁情况时, 普遍单独分析计算各时期海岸线各项参数, 包括海岸线长度变化及变化速率、海岸带相关研究区域面积的变化、海岸带各区域前滨、后滨沉积物体积的变化以及用于评估海岸线形状复杂程度的分形维数等, 然后进行纵向对比以反映海岸线变迁程度。终止点分析、方差计算等也可作为评价参数。

    综合来看, 确定海岸线各分段的淤积蚀退情况和具体的淤积蚀退区域, 是当前研究的重点。但现有的研究在涉及淤积、蚀退区域判别提取时, 常采用目判识别法。在有些文献中, 将海岸线与预定基准线成区面积的变化作为评估海岸线变化情况的参数。这一数值实际上是淤积区域与蚀退区域面积相减的结果, 某些情况下并不能如实反应海岸线的变化情况。如果能将淤积区域与蚀退区域准确地提取出来, 然后分别计算面积, 则能更加明确地反映海岸线变化情况。

    本文提出了一种变迁区域的自动构建算法, 是针对某一研究区域内给定的两个不同时期的海岸线, 构建并标记所有的变迁区域。

    • 本文所指海岸线主要包括大陆岸线以及与其他时期大陆岸线相交的岛屿岸线, 将某一区域某一时期的海岸线视为由一条不封闭的折线以及若干封闭的折线段组成。两不同时期的海岸线叠加在一起, 两条折线相互打断为若干折线段, 继而构成若干封闭的区域。若某一区域内部不存在其他海岸线, 即不包含其他由海岸线折线段构成的子区域, 则称其为单元区域。

      根据实际意义, 单元区域可划分为陆地变迁为水域的蚀退型区域、水域变迁为陆地的淤积型区域以及始终保持为陆地或水域的稳定型区域等3种, 称蚀退型区域和淤积型区域为变迁区域。

      图 1所示, 绿色和红色折线段分别为某地早期和晚期海岸线, 海岸线的左侧为陆地, 右侧为水域。该两时期海岸线共同构成若干单元区域, 其中红色区域为蚀退型区域, 绿色区域为淤积型区域, 黄色区域为稳定型区域。

      图  1  两个时期的海岸线共同构成若干单元区域

      Figure 1.  Unit Areas Constructed by Two Period Coastline

    • 同一时期的海岸线由若干海岸线折线段组成, 每条海岸线折线段由若干节点组成, 节点的排列顺序决定了海岸线折线段的方向。岛屿岸线通常是封闭的, 其方向按节点的排列顺序, 可划分为顺时针或逆时针。

      对于一般情况下不封闭的大陆岸线, 其必定属于某一完整陆地边界封闭折线段的一部分。判断大陆岸线的方向时, 可用虚拟的折线段补全大陆岸线所属陆地边界封闭折线段, 根据补全封闭折线段上点的排列顺序, 将大陆岸线的方向划分为顺时针和逆时针。

    • 在处理海岸线数据时, 会发现某些海岸线存在自相交现象, 即某一海岸线折线段重复经过某一节点两次或以上。

      现实中的海岸线不可能存在自相交现象, 造成海岸线数据自相交现象的原因多为数据异常或精度过低。因此, 在提取和构建变迁区域前需要对海岸线数据进行判断和处理, 解决自相交问题。

    • 在分析海岸线变化情况时, 以蚀退型区域和淤积型区域为主, 稳定型区域作为区域构建时的干扰项存在, 一般不讨论其构成规律及提取算法。变迁区域的构成规律有如下几个结论。

      结论1  某一个单元区域只能具备蚀退型、淤积型、稳定型中的1种类型, 而不可能兼有其中的两种或3种类型。

      结论2  某两组不同时期海岸线的方向相同, 任选其构成的某一单元区域边界上两条相邻折线段, 若两条折线段有相同的起点或终点, 则该区域必定是变迁区域。

      结论3  某两组不同时期海岸线的方向相同, 任选其构成的某一变迁型单元区域边界上相邻的两条海岸线折线段, 两条海岸线折线段必定有着相同的起点或终点。

      结论4  某两组不同时期海岸线的方向皆为顺时针, 其构成的某一变迁型单元区域边界封闭折线段上的点参考边界上较早时期的海岸线重新排列后, 若边界封闭折线段的方向为顺时针, 则该单元区域为蚀退型区域, 反之为淤积型区域。

      几个结论的证明方法类似, 现给出结论2的证明过程。

      先假设两条折线段分别为ACBC, 二者有相同的终点C, 其所属单元区域为M, 如图 2所示。区域M由折线段BCAC以及若干条未知的折线段(以虚线表示)共同构成。折线段BCAC的方向如图 2中箭头所示, 分别在各自所属海岸线上保持原来的顺时针或逆时针性质不变。则必定可以在折线段AC上找到一点A1, 在折线段BC上找到一点B1, 使得封闭折线段A1CB1A1所围成的区域N足够小, 无任何现有海岸线折线段上的点位于区域N内部, 如图 3所示。

      图  2  某单元区域边界上的折线段ACBC

      Figure 2.  Polylines AC, BC on a Unit Area's Edges

      图  3  无海岸线在其内部的足够小的区域N示意

      Figure 3.  Sketch Map of Small Enough Area N without Coastline Inside

      ACBC为岛屿岸线的一部分, 则必定属于一个封闭封闭折线段;若ACBC为大陆岸线的一部分, 则原大陆岸线必定属于某一完整陆地的边界封闭折线段。

      设海岸线折线段的方向为顺时针, 则只关注区域N, 以虚线CA1CB1补充A1CB1C所属封闭折线段剩余部分。A1CB1C为要证明情况下的两条海岸线折线段, 并且在当前证明条件下, 方向为A1C, B1CCA1CB1为两条假想的海岸线折线段, 方向为CA1, CB1, 用以补齐A1CB1C所处的闭合海岸线折线段。

      区域N内无任何其他海岸线折线段经过, 因此CA1必定不与A1B1B1C相交, CB1必定不与A1B1A1C相交, 如图 4所示。

      图  4  补全后的A1CB1C所在海岸线封闭折线段

      Figure 4.  Imaginary Whole Coastline Rings Containing A1C, B1C

      封闭折线段A1CA1B1CB1所围成的区域QP在各自的时期保持陆地形态, Q为折线段A1C和补全A1C所处海岸线闭合折线段的假想折线段CA1构成。同理PB1C和假想的折线段CB1构成。区域N属于P而不属于Q, 可知区域N必定由陆地变迁为水域, 或是由水域变迁为陆地, 为变迁区域。

      区域N为单元区域M的一部分, 由结论1可知, 单元区域M的类型唯一, 为变迁区域。

      两海岸线折线段有相同的起点时, 可有相同的结论。

      至此, 结论得证。

    • 两组不同时期、方向皆为顺时针的海岸线, 相互打断得到若干海岸线折线段, 步骤如下。

      1) 任取其中一条海岸线折线段L1, 其必定参与构成一个变迁区域U, 如图 5所示。

      图  5  变迁区域的边界构成

      Figure 5.  Edges of a Changed Area

      2) 过L1的终点能且仅能找到一条海岸线折线段L2, 与当前折线段的时期不同, 且有相同的起点或终点。

      3) L2亦在区域U的边界上。

      4) 根据L2, 可找到下一条海岸线折线段L3, 与L2在区域U的边界上相邻, 且与L1不同。

      5) 重复执行步骤4), 可以找出构成区域U边界的所有海岸线折线段。

      6) 区域U具体为蚀退型区域还是淤积型区域可根据结论4进行判定。

      7) 将构成区域U边界的海岸线折线段移除后, 不影响对其他变迁区域的提取。

      由此可以得出两时期海岸线间变迁区域构建的简要步骤为:首先逐个处理变迁区域, 提取构成变迁区域边界的所有折线段, 提取出的折线段, 两个时期交替邻接, 且相邻的折线段有相同的起点或终点; 以提取出的折线段上的点构建多边形区域, 并以早期海岸线折线段为标准调整方向, 使多边形区域的边界有顺时针和逆时针两种情况; 若变迁区域边界为顺时针, 则当前区域为蚀退型区域, 否则为淤积型区域。

    • 编写程序功能模块, 以实际海岸线为数据源, 验证本文算法原理的准确性和可行性。利用两组不同时期的海岸线相互打断得到的若干海岸线折线段, 准确地提取出其间所有的蚀退型区域和淤积型区域。

      实验计算机配置为:Intel ® CoreTMi5-3210M 2.50 GHz CPU, 4.00 GB内存, 操作系统为Windows 7 Ultimate。功能模块的实现基于QuantyView 2D软件平台进行二次开发。同时, 借助该软件实现海岸线数据的预处理, 包括检测并去除海岸线中的自相交现象、调整海岸线的方向、两个时期的海岸线相互打断等。

      选取某沿海城市4个时期的大陆岸线以及与其他时期大陆岸线相交的岛屿岸线, 每个时期的海岸线划为一组, 每一组海岸线需要清除其中的自相交现象, 并将方向调整为顺时针。

      分3次进行实验, 每次选取其中两组海岸线, 定较早时期海岸线的颜色为红色, 较晚时期海岸线的颜色为绿色, 以两组海岸线的共同交点打断海岸线, 得到若干有向的海岸线折线段。

      利用实现的功能模块提取蚀退型区域和淤积型区域, 并将蚀退型区域标记为红色, 淤积型区域标记为绿色。实验结果如图 6所示。区域ab分别为两个时期的海岸线构成的蚀退型区域和淤积型区域。

      图  6  变迁区域构建实验

      Figure 6.  Construction Test of Changed Area

      图 6(a)~图 6(c)左侧显示了两组不同时期海岸线的分布情况, 早期海岸线标记为红色, 晚期海岸线标记为绿色。右侧为根据两组海岸线提取构建完成的蚀退型区域和淤积型区域, 蚀退型区域标记为红色, 淤积型区域标记为绿色。

      为展现局部细节, 于图 6(d)中选取某两组海岸线中有代表性的部分及其成区情况。目测可见, 以区域a为代表的蚀退型区域和区域b为代表的淤积型区域与右侧展示的自动识别结果一致。此外, 岛屿岸线与大陆岸线共同参与构成的蚀退型和淤积型区域也被准确地识别提取, 在一定程度上体现了本文算法的适用性。

      影响算法稳定性的主要因素是每次实验中早期和晚期海岸线上节点的数量以及海岸线相互打断形成折线段的数量。评估算法的主要参数有构建得到的蚀退型区域与稳定型区域的数量, 以及成区准确率和成区所用时间。表 1中统计了3次实验中的相关数据。

      表 1  实验参数统计

      Table 1.  Statistic of Construction Test

      参数实验1实验2实验3
      早期节点数11 17315 09223 398
      晚期节点数15 09218 90714 143
      折线段数量2 7922 3604 446
      蚀退区数量6015031 017
      淤积区数目6035051 022
      成区准确率100%100%100%
      构建时间/s< 1< 1< 1

      实验与统计结果显示, 本文算法在实际海岸线条件下取得了较好的效果, 各蚀退型区域与淤积型区域可准确识别提取, 在主流配置电脑上的耗时也在合理范围内。

    • 本文以大陆岸线及与大陆岸线相交的岛屿岸线为研究目标, 在视海岸线具备方向、无自相交现象且相互打断的前提下, 总结变迁区域的构成规律, 提出了蚀退型区域与淤积型区域的提取构建方法。以实际海岸线数据进行验证实验, 结果表明, 实验结果符合预期, 该算法具有较高的准确性及适用性, 可以快速准确地构建出某一地区两个时期海岸线间的变迁区域, 对于分析总结海岸线变化规律有一定的辅助作用。

      影响变迁区域构建速度的主要因素是海岸线折线段的检索速度, 算法的进一步优化可从该角度入手, 设计更好的数据结构及管理方法, 以满足更高量级的应用需求。

参考文献 (20)

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