刁永洲

(廣州海事測繪中心， 廣州 510200)

0 引言

海岸線是海洋和陸地的分界線，也是海水歷經(jīng)陸地極限位置所連接的線，屬于構(gòu)成海洋和陸地不可缺少的重要線狀地形要素。人為的活動嚴(yán)重影響了海岸線生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使其成為海洋生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。海岸線水域變化精度檢測對于實現(xiàn)海岸線水域量值穩(wěn)定，保證船舶安全運行有重要意義，也是目前我國海岸線水域測量的主要目標(biāo)之一[1-3]。因此，準(zhǔn)確檢測海岸線位置、屬性及水域變化，對海洋生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。

目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對海岸線水域變化檢測進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了基于多時相遙感影像的海岸線變化監(jiān)測系統(tǒng)。利用多時相遙感影像技術(shù)，根據(jù)該技術(shù)空間限制特點，獲取海岸線分布情況，構(gòu)建海岸線水域變化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)海岸線水域變化監(jiān)測。該系統(tǒng)具有一定的有效性，但系統(tǒng)的監(jiān)測穩(wěn)定性較差。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了基于潮汐規(guī)律修正的海岸線遙感監(jiān)測系統(tǒng)。采用Landsat數(shù)據(jù)，結(jié)合修正歸一化水體指數(shù)，提取海岸線水邊線，對潮汐規(guī)律影響海岸水邊線提取信息的因素進(jìn)行分析，利用海岸高程數(shù)據(jù)，獲取潮位校正方法，構(gòu)建海岸線水域變化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)海岸線遙感監(jiān)測。該系統(tǒng)具有一定的可行性，但該系統(tǒng)的監(jiān)測精度較低。

為了解決上述問題，本文設(shè)計了基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過主控器、多光譜傳感器和電源設(shè)計了硬件結(jié)構(gòu)，采用衛(wèi)星影像技術(shù)，嵌入Linux操作系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)海岸線水域變化高精度檢測，并通過對比實驗驗證了設(shè)計系統(tǒng)的檢測穩(wěn)定性較好、精度較高，能夠有效縮短海岸線水域變化檢測時間。

1 基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

衛(wèi)星影像技術(shù)是目前研究的新型技術(shù)，通過衛(wèi)星獲取地面圖像，得到的圖像可以進(jìn)行數(shù)字化掃描。相較于普通的影像技術(shù)，衛(wèi)星影像技術(shù)得到的畫面更加細(xì)致，能夠大幅度獲取圖像，具有很強(qiáng)的宏觀性。除此之外，衛(wèi)星影像技術(shù)具備的多波動性和多時相性也是其他技術(shù)難以比擬的，大量信息融合，方便用戶處理。本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)硬件主要由主控器、多光譜傳感器和電源三部分組成。其中，采用STM32C8T6為主控芯片的主控器，完成高效的數(shù)據(jù)處理、通訊連接和集中控制。以多光譜傳感器為核心光學(xué)檢測設(shè)備，通過采集光學(xué)數(shù)據(jù)，生成海岸線水域圖像。采用圖像信號處理器進(jìn)行信號處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片為核心外接電源，完成電壓轉(zhuǎn)換，將OUTPUT作為電源開關(guān)輸出引腳，完成主控器電源控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 主控器

主控器是基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)中具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、通訊連接和集中控制能力的中央控制設(shè)備。

本文設(shè)計的主控器以STM32C8T6為主控芯片，STM32C8T6具有2個高級定時器以及3個通用定時器，SRMB大小為20 kB，F(xiàn)LASH大小為64 kB，兼具IIC、USB、CAN、ADC通用IO口等多種接口，實現(xiàn)與外界設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。主控器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控器結(jié)構(gòu)圖

圖2中，主控器最多可同時控制255個遠(yuǎn)程P2C終端硬件設(shè)備，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、檢測器等在內(nèi)的P2C終端硬件設(shè)備[6-8]。針對海岸線水域變化檢測需求，采用基于P2C技術(shù)完善主控器性能，采用導(dǎo)軌式安裝方式，提升主控器的控制能力。即通過局域網(wǎng)和前置通信設(shè)備，且在子站中網(wǎng)管通訊協(xié)議下，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的提取和云數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 多光譜傳感器

為實現(xiàn)高精度的海岸線水域變化檢測，以多光譜傳感器為主要檢測設(shè)備進(jìn)行光學(xué)檢測，通過采集光學(xué)數(shù)據(jù)生成海岸線水域圖像。從結(jié)構(gòu)上，可將多光譜傳感器分為光學(xué)部分和顯示部分兩類[9-10]。光學(xué)部分主要包括反射光學(xué)元件、成像光學(xué)元件、分光元件，分別實現(xiàn)入射光的反射、成像以及劃分。針對采集光的光譜類別，將分光光譜劃分為11個譜段，且為補償光譜成像的非均勻性，在成像光學(xué)元件的周圍放置標(biāo)準(zhǔn)溫度板，從而提升成像的可辨識度。多光譜傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多光譜傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3中，顯示部分包括圖像信號處理器、溫度控制器和顯示器，其中，多光譜傳感器的成像元件的成像為數(shù)字化格式，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用圖像信號處理器進(jìn)行信號處理，最高處理速度為8 bit[11-12]。溫度控制器的控制范圍為20～40 ℃，能夠有效降低傳感器本身紅外感應(yīng)對檢測結(jié)果的影響。顯示器的圖像水平分辨率高于1 000線顯示格式為標(biāo)準(zhǔn)I2C格式。

1.3 電源設(shè)計

針對基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)的供電需求，采用12 V外接電源進(jìn)行供電，考慮不同硬件設(shè)備的電壓供給，采用XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。電源結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電源結(jié)構(gòu)圖

電壓可調(diào)范圍為1～37 V，主要電壓可轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V。XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片具有一個150 kHz的DC/DC轉(zhuǎn)換器，不需設(shè)置其他的外部元件，其本身的最高負(fù)載驅(qū)動能力為2 A，平均負(fù)載電流為1 200 mA，轉(zhuǎn)換效率高，能夠維持系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定的電源供給的同時，具有極好的線性電流輸出[13-14]。XL1509-5.0轉(zhuǎn)換芯片以O(shè)UTPUT作為電源開關(guān)的輸出引腳，便于主控器對電源進(jìn)行控制，當(dāng)引腳處于低狀態(tài)時，電源處于開啟狀態(tài)，反之，處于關(guān)閉狀態(tài)。

2 基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于上述設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，在基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)框架平臺上嵌入Linux操作系統(tǒng)，引入Ubuntu操作系統(tǒng)、MySQL數(shù)據(jù)庫、衛(wèi)星影像分析處理、網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)技術(shù)[15-17]，構(gòu)建系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，實現(xiàn)開源軟件共享的同時，滿足多用戶任務(wù)處理需求，完成海岸線水域變化高精度檢測。

2.1 系統(tǒng)操作程序設(shè)計

Linux操作系統(tǒng)遵循GNA規(guī)范，不僅開發(fā)成本低，而且穩(wěn)定性強(qiáng)、性能高。由于Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序編碼以C語言為編譯語言，因此支持AMD、i386等系統(tǒng)平臺和多種硬件設(shè)備，且Linux操作系統(tǒng)自帶圖像處理軟件，兼具高性能的同時，Linux還具有漏洞升級、入侵防護(hù)、攻擊控制等功能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[18-20]。采用衛(wèi)星影像技術(shù)，對采集的海岸線水域圖像進(jìn)行濾波處理、降噪處理以及圖像二值化計算等，針對衛(wèi)星影像的分析，不需安裝其他軟件，只需進(jìn)行原有軟件的升級就能實現(xiàn)高精度的海岸線水域變化檢測。基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)操作流程如圖5所示。

圖5 基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)操作流程圖

基于Linux操作系統(tǒng)支持x86、x64等多種架構(gòu)的優(yōu)勢，考慮大多是開發(fā)者的操作體驗，為建立與Windows相似的桌面系統(tǒng)，搭建Ubuntu操作系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的抗病毒干擾性，為系統(tǒng)提供豐富的桌面操作接口，便于開發(fā)者進(jìn)行操作，從而有效實現(xiàn)海岸線水域變化高精度檢測。

2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL數(shù)據(jù)庫是一種應(yīng)用廣泛、開發(fā)簡單、應(yīng)用編程接口豐富的SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言為核心開發(fā)語言，相較于其他的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于存儲量大、更新便利、操作速度較快且能夠記錄用戶的實時操作數(shù)據(jù)。

MySQL數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建為動態(tài)Web應(yīng)用和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)海岸線水域變化檢測系統(tǒng)提供的豐富的功能。本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)采用MySQL V5.5版本，其主要的工作方式為客戶端/服務(wù)器，包含多種服務(wù)端程序和客戶端命令程序，其優(yōu)點如下：

1)默認(rèn)數(shù)據(jù)庫存儲引擎為InnoDB，采用完全多線程存儲，提升海岸線水域圖像存儲能力。

2)提升了Windows、Linux操作系統(tǒng)下的系統(tǒng)性能，對Java、c語言等多種系統(tǒng)開發(fā)語言提供接口，支持系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3)耦合性低、兼容性較強(qiáng)，全面支持采用SOL查詢語言的聚合函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的JOIN、ODBC等。

4)包含DATE、TIME、CHAR在內(nèi)的多種列類型，且每一列均具有缺省值，實現(xiàn)海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)參數(shù)的自動選擇，為海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)參數(shù)的運行提供便利。

3 實驗分析

為了驗證本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)的有效性，將文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)進(jìn)行對比實驗。

3.1 實驗設(shè)置

在此次實驗中，設(shè)定海岸線水域的原始高度為3 m，海岸線水域變化精度檢測裝置的檢測范圍為0～6 m，為了保證實驗結(jié)果的有效性和穩(wěn)定性，實驗在實驗室正常溫度和光照下進(jìn)行。

3.2 系統(tǒng)檢測精度分析

首先對比3種檢測系統(tǒng)的檢測精度，將檢測誤差作為檢測精度的評估指標(biāo)，通常情況下，檢測誤差越小，系統(tǒng)的檢測精度越高，反之，檢測誤差越大，系統(tǒng)的檢測精度越低。選取5個實驗點位，在相同的實驗溫度和光照下，分別進(jìn)行海岸線水域上升和下降兩種水域變化實驗，分別記錄3種檢測系統(tǒng)的水域變化結(jié)果，實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 水域上升實驗結(jié)果

圖7 水域下降實驗結(jié)果

根據(jù)圖6可知，在進(jìn)行水域上升實驗結(jié)果中，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的水域上升高度為5.2 m，文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)的水域上升高度為4.5 m，文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)的水域上升高度為4.2 m。分別將3種系統(tǒng)的水域上升高度與實際水域上升高度進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的水域高度誤差為0.2 m，而文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)的水域高度誤差為0.5 m，文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)的水域高度誤差為0.8 m。由此可知，在水域上升實驗中，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的檢測誤差較小，表明系統(tǒng)的檢測精度較高。因為本文設(shè)計的系統(tǒng)采用衛(wèi)星影像技術(shù)，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)和Ubuntu操作系統(tǒng)，以數(shù)字形式記錄采集的海岸線水域圖像，可以準(zhǔn)確記錄海岸線相關(guān)地面信息，從而有效提高海岸線水域變化檢測精度。

根據(jù)圖7可知，在水域下降實驗結(jié)果中，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的水域下降到2.2 m，文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)的水域下降到2.4 m，文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)的水域下降到2.6 m，而實際海岸線水域下降到2.0 m。分別將3種系統(tǒng)的水域上升高度與實際水域上升高度進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的水域下降誤差為0.2 m，而文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)的水域下降誤差為0.4 m，文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)的水域下降誤差為0.6 m。由此可知，在水域下降實驗中，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的檢測誤差較小，表明系統(tǒng)的檢測精度較高。因為本文設(shè)計的系統(tǒng)利用衛(wèi)星影像技術(shù)，對采集的海岸線水域圖像進(jìn)行濾波、降噪等處理，使其采集的海岸線水域圖像具有較強(qiáng)的連續(xù)性，并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫，實時記錄海岸線水域變化數(shù)據(jù)，為海岸線水域變化高精度檢測提供了有效保障。

3.3 系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性分析

設(shè)置海岸線水域的原始高度為3 m，其海岸線水域變化精度檢測偏移范圍設(shè)定在[3 m,-3 m]之間?；谏鲜鰧嶒灄l件下，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行實驗，評估系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)為水域在上升以及下降實驗過程中水域位置的偏移范圍，偏移范圍越小，系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性越好，偏移范圍越大，系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性越差，3種系統(tǒng)的檢測穩(wěn)定性實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性實驗結(jié)果

通過對圖8實驗結(jié)果進(jìn)行分析可知，隨著時間的不斷改變，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的水域位置偏移范圍在[3 m,-3 m]之間，其偏移范圍最小，而文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)水域位置偏移范圍在[4 m,-4 m]之間，其偏移范圍次之，文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)水域位置偏移范圍在[5 m,-5 m]之間，其偏移范圍最大。由此可知，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的水域在上升以及下降實驗過程中，水域位置的偏移范圍最小，表明系統(tǒng)的檢測穩(wěn)定性較好。

3.4 系統(tǒng)檢測時間分析

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗證本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的檢測時間，在MATLAB仿真軟件實驗平臺下，采用Toolbox工具箱，記錄在水域上升和下降過程中，3種系統(tǒng)海岸線水域變化檢測時間，3種系統(tǒng)的檢測時間對比結(jié)果如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)的檢測時間對比結(jié)果

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，隨著水域高度的增加，3種系統(tǒng)的檢測時間隨之增加。當(dāng)水域高度為7 m時，文獻(xiàn)[4]基于多時相遙感影像的海岸線檢測系統(tǒng)的檢測時間為39.5 s，文獻(xiàn)[5]基于潮汐規(guī)律修正的海岸線檢測系統(tǒng)的檢測時間為43.9 s，而本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)的檢測時間為30.4 s。由此可知，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線檢測系統(tǒng)能夠有效縮短檢測時間。

綜合上述分析，通過獲得的系統(tǒng)檢測精度、檢測穩(wěn)定性以及檢測時間實驗結(jié)果可知，本文設(shè)計的基于衛(wèi)星圖像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)的檢測穩(wěn)定性較好，能夠有效提高檢測精度，縮短檢測時間。

4 結(jié)束語

針對海岸線內(nèi)水域的動態(tài)變換，本文設(shè)計了一種基于衛(wèi)星影像技術(shù)的海岸線水域變化高精度檢測系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用衛(wèi)星影像技術(shù)，嵌入Linux操作系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)海岸線水域變化高精度。該系統(tǒng)能夠有效提高檢測精度和穩(wěn)定性，降低檢測時間。通過掌握海岸線水域的變化情況，了解海洋與陸地的時空變化特征，建設(shè)我國海洋生態(tài)環(huán)境，為海洋資源的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保證，同時促進(jìn)衛(wèi)星影像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，為其他相關(guān)檢測領(lǐng)域提供技術(shù)借鑒。