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系統識別號 U0026-0607201818303900
論文名稱(中文) 應用X-band航海雷達於海岸灘線測量之可行性研究
論文名稱(英文) A Feasibility Study on Coastal Shoreline Measurements Using X-band Marine Radar
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 海洋科技與事務研究所
系所名稱(英) Institute of Ocean Technology and Marine Affairs
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生(中文) 黃子庭
研究生(英文) Zih-Ting Huang
學號 NA6054019
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 142頁
口試委員 指導教授-莊士賢
口試委員-蕭松山
口試委員-吳立中
中文關鍵字 灘線量測  影像處理與辨識  邊緣偵測  X-band雷達 
英文關鍵字 shoreline measurement  image processing and recognition  edge detection  X-band radar 
學科別分類
中文摘要 海岸變遷現象目前已普遍發生在臺灣的海岸地區,要瞭解海岸變遷的原因,先要觀察與掌握海岸變化的狀況,以避免導致錯誤決策。由於海岸地形侵淤的變化常明顯表現在海岸灘線位置的前進與後退,因此灘線位置的量測便顯得重要。灘線會隨著波浪的進退與潮汐的漲落而會不斷地改變其位置,具有高度的天然變動性,且海岸變遷的範圍又會隨不同時間尺度而變化,因此本研究以岸基X-band航海雷達作為海岸變遷的監測工具,可於定點針對固定空間進行全天候觀測,若能研發適當的雷達回波影像分析技術,將可達到即時與長期掌握大範圍海岸變化狀況之效。
本研究之目的是要利用X-band雷達回波影像來測量灘線位置,根據雷達回波的原理與機制,以雷達回波強度之時間平均與標準偏差統計值可以突顯出海面與陸地所呈現之不同回波訊號特性,因此本文提出一套利用X-band雷達進行灘線位置量測之處理程序與分析流程,可將雷達回波平均影像經由邊緣偵測與形態學方法之技術整合,藉此判別海面與濕沙交界之灘線位置;或以雷達回波標準偏差影像透過影像濾波、二值化處理、邊緣偵測、及形態學之處理,可辨識出水陸交界線之灘線位置。為證實雷達應用於海岸灘線測繪之可行性,本研究利用無人飛行載具拍攝之光學影像與之比較,可發現雷達影像所量測的灘線位置與光學影像中目測辨識的灘線位置相近。
將雷達影像進行兩種不同的灘線識別演算,可發現雷達回波標準偏差影像量測灘線之方法較不適用於風平浪靜的海況條件下;相較之下,雷達回波平均影像量測灘線之方法則不受海況的影響,因此本研究後續是運用雷達回波平均影像進行灘線量測,探討台南安平商港南側海岸之不同時期的灘線變化。以2017年5月、2017年11月、及2018年3月所觀測的雷達影像為例,選取各觀測期間最接近平均潮位時的雷達回波影像序列,進行平均影像的灘線量測與比較,可發現安平商港南側海岸有季節性灘線變遷之現象,但在此期間此段海岸之灘線變化呈平衡穩定狀態。
以X-band雷達進行海岸灘線監測之優勢是能進行即時且連續地觀測,即使在天候不佳的狀況下,也能提供遠端監控服務,因此能夠長期、持續地自動監測海岸灘線之時空變化,以協助權責單位掌握海岸變遷現況,使有效地進行海岸地區的防治及永續發展工作,並制定相關的管理辦法。
英文摘要 The purpose of this study is to estimate shoreline positions from X-band radar echo images. Based on the principle and mechanism of radar echo signals, the time-averaged and standard deviation statistics of radar echo intensities can highlight the different characteristics of the sea and land. Therefore, this study proposes a set of processing procedures for the measurement of shoreline positions using X-band marine radar. The proposed technique integrates an image filter, thresholding, edge detection, and a morphological method, which are used to determine the shoreline positions at the land-water interface. In order to assess the feasibility of the proposed method, the obtained shoreline positions are compared with those in an optical image from an unmanned aerial vehicle (UAV). It was found that the shoreline positions measured from radar images agree with those visually identified from UAV orthoimages. The shoreline positions derived from time-averaged radar images were compared with those derived from standard deviation radar images. The results show that shoreline measurements using time-averaged radar images are more suitable than those using standard deviation radar images under calm wave conditions, and that the former are unaffected by sea surface conditions. Therefore, time-averaged radar images were selected for shoreline measurements to discuss shoreline variations at the southern sandy coast of Anping commercial port in Tainan during various periods, and to demonstrate the practicability of the proposed method. The advantage of coastal shoreline monitoring with X-band radar is that can provide real-time and uninterrupted observation, even in bad weather conditions. Therefore, the temporal and spatial variations of a shoreline can be automatically and continuously monitored over the long term to help authorities understand coastal changes, facilitating coastal protection and sustainable development in coastal zones.
論文目次 摘 要 I
Extended Abstract III
誌 謝 IX
目 錄 XI
表目錄 XIII
圖目錄 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 3
1.3 研究流程 4
1.4 論文組織 5
第二章 文獻回顧 7
2.1 灘線量測之相關研究 7
2.2 雷達理論背景 13
2.3 X-band雷達應用於灘線偵測 17
第三章 研究方法 19
3.1 X-band雷達系統與量測機制 19
3.2 雷達反射器之設計 25
3.3 雷達回波影像座標校正 30
3.4 雷達回波影像量測灘線之方法 33
3.4.1 時間平均影像 35
3.4.2 標準偏差影像 36
3.5 雷達回波影像濾波 38
3.6 二值化處理 46
3.7 邊緣偵測技術應用於灘線辨識 54
第四章 研究結果 73
4.1 觀測時間與地點之選定 73
4.2 雷達反射器之實驗與結果 77
4.2.1 2017年8月30日現場測試 77
4.2.2 2017年11月3日現場測試 82
4.2.3 小結 87
4.3 雷達回波平均影像辨識灘線之結果與討論 89
4.3.1 灘線辨識結果 89
4.3.2 雷達回波單張影像與雷達回波平均影像測量灘線之比較 94
4.3.3 雷達回波平均影像辨識灘線之驗證 101
4.3.4 小結 105
4.4 雷達回波標準偏差影像辨識灘線之結果與討論 106
4.4.1 灘線辨識結果 106
4.4.2 雷達回波標準偏差影像與平均影像量測灘線之比較 112
4.4.3雷達回波標準偏差影像辨識灘線之驗證 116
4.4.4 小結 118
4.5 不同觀測期之灘線比較 119
第五章 結論與建議 129
5.1 結論 129
5.2 建議 130
參考文獻 133
參考文獻 1. Alpers, W., & Hennings, I. (1984). A theory of the imaging mechanism of underwater bottom topography by real and synthetic aperture radar. Journal of Geophysical Research: Oceans, 89(C6), 10529-10546.
2. Bass, F., Fuks, I., Kalmykov, A., Ostrovsky, I., & Rosenberg, A. (1968). Very high frequency radiowave scattering by a disturbed sea surface Part I: Scattering from a slightly disturbed boundary. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 16(5), 554-559.
3. Bell, P. S., Bird, C. O., & Plater, A. J. (2016). A temporal waterline approach to mapping intertidal areas using X-band marine radar. Coastal Engineering, 107, 84-101.
4. Boak, E. H., & Turner, I. L. (2005). Shoreline definition and detection: a review. Journal of coastal research, 688-703.
5. Borge, J. N., & Soares, C. G. (2000). Analysis of directional wave fields using X-band navigation radar. Coastal Engineering, 40(4), 375-391.
6. Bruder, J. A., Carlo, J. T., Gurney, J. H., & Gorman, J. (2003). IEEE Standard for Letter Designations for Radar-Frequency Bands. IEEE Aerospace & Electronic Systems Society, 1-3.
7. Canny, J. (1986). A computational approach to edge detection. IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence, (6), 679-698.
8. Crombie, D. D. (1955). Doppler spectrum of sea echo at 13.56 Mc./s. Nature, 175(4459), 681.
9. Davidson, M., Van Koningsveld, M., De Kruif, A., Rawson, J., Holman, R., Lamberti, A., Medina, R., Kroon, A., & Aarninkhof, S. (2007). The CoastView project: Developing video-derived Coastal State Indicators in support of coastal zone management. Coastal Engineering, 54(6-7), 463-475.
10. Del Río, L., & Gracia, F. J. (2013). Error determination in the photogrammetric assessment of shoreline changes. Natural hazards, 65(3), 2385-2397.
11. Desk, E. C. (1997). Electronic warfare and radar systems engineering handbook. Published in association with MTTS & IEEE.
12. Frieden, B. R. (1976). A new restoring algorithm for the preferential enhancement of edge gradients. JOSA, 66(3), 280-283.
13. Gens, R. (2010). Remote sensing of coastlines: detection, extraction and monitoring. International Journal of Remote Sensing, 31(7), 1819-1836.
14. Goncalves, J. A., & Henriques, R. (2015). UAV photogrammetry for topographic monitoring of coastal areas. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 104, 101-111.
15. Gong, J., Li, L., & Chen, W. (1998). Fast recursive algorithms for two-dimensional thresholding. Pattern recognition, 31(3), 295-300.
16. Gonzalez, R.C., & Woods, R.E. (2006). Digital Image Processing (3rd Edition), Prentice-Hall, Inc.
17. Graham, D., Sault, M., & Bailey, C. J. (2003). National Ocean Service shoreline—past, present, and future. Journal of Coastal Research, 14-32.
18. Hertz, H., & Kelvin, W. T. B. (1893). Electric waves. London: Macmillan.
19. Holman, R. A., & Stanley, J. (2007). The history and technical capabilities of Argus. Coastal engineering, 54(6-7), 477-491.
20. Hubbard, S. S., Peterson Jr, J. E., Majer, E. L., Zawislanski, P. T., Williams, K. H., Roberts, J., & Wobber, F. (1997). Estimation of permeable pathways and water content using tomographic radar data. The Leading Edge, 16(11), 1623-1630.
21. IEEE (1984). IEEE Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands. IEEE Aerospace & Electronic Systems Society, 1-8.
22. IMO. (2002) International Convention for the Safety of Life at Sea Chapter V: Safety of Navigation.
23. IPCC. (2007). Climate change 2007: The physical science basis.
24. Jayant, N. (1976). Average-and median-based smoothing techniques for improving digital speech quality in the presence of transmission errors. IEEE Transactions on Communications, 24(9), 1043-1045.
25. Justusson, B. I. (1981). Median filtering: Statistical properties. In Two-Dimensional Digital Signal Prcessing II (pp. 161-196). Springer, Berlin, Heidelberg.
26. Kundu, A., Mitra, S., & Vaidyanathan, P. (1984). Application of two-dimensional generalized mean filtering for removal of impulse noises from images. IEEE transactions on acoustics, speech, and signal processing, 32(3), 600-609.
27. Long, M.W. (2001) Radar Reflectivity of Land and Sea, 3rd Ed. Boston: Artech House.
28. Marconi, G. (1922). Radio telegraphy. Journal of the American Institute of Electrical Engineers, 41(8), 561-570.
29. Marr, D., & Hildreth, E. (1980, February). Theory of edge detection. In Proc. R. Soc. Lond. B (Vol. 207, No. 1167, pp. 187-217). The Royal Society.
30. Maxwell, J. C. (1873). A treatise on electricity and magnetism. Clarendon Press.
31. Morton, R. A., & Speed, F. M. (1998). Evaluation of shorelines and legal boundaries controlled by water levels on sandy beaches. Journal of Coastal Research, 1373-1384.
32. Nghiem, S. V., Li, F. K., Lou, S. H., & Neumann, G. (1993, October). Ocean remote sensing with airborne K/sub u/-band scatterometer. In OCEANS'93. Engineering in Harmony with Ocean. Proceedings (pp. I20-I24). IEEE.
33. Otsu, N. (1979). A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE transactions on systems, man, and cybernetics, 9(1), 62-66.
34. Parker, J. R. (2010). Algorithms for image processing and computer vision. John Wiley & Sons.
35. Pratt, W. K. (1975). Median Filtering. Image Processing Institute, University of Southern California. Los Angeles, Tech. Rep.
36. Rabiner, L., Sambur, M., & Schmidt, C. (1975). Applications of a nonlinear smoothing algorithm to speech processing. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 23(6), 552-557.
37. Rangarajan, S. (2005). Algorithms for edge detection. Stony Brook University.
38. Ryu, J. H., Won, J. S., & Min, K. D. (2002). Waterline extraction from Landsat TM data in a tidal flat: a case study in Gomso Bay, Korea. Remote Sensing of Environment, 83(3), 442-456.
39. Schowengerdt, R. A. (2007). Remote sensing: models and methods for image processing. Third Edition, Academic Press.
40. Schroeder, L. C. S. P., Schaffner, P., Mitchell, J., & Jones, W. (1985). AAFE RADSCAT 13.9-GHz measurements and analysis: Wind-speed signature of the ocean. IEEE journal of oceanic engineering, 10(4), 346-357.
41. Seemann, J., Ziemer, F., & Senet, C. M. (1997, October). A method for computing calibrated ocean wave spectra from measurements with a nautical X-band radar. In OCEANS'97. MTS/IEEE Conference Proceedings (Vol. 2, pp. 1148-1154). IEEE.
42. Sengupta, D. L., & Sarkar, T. K. (2003). Maxwell, Hertz, the Maxwellians, and the early history of electromagnetic waves. IEEE Antennas and propagation magazine, 45(2), 13-19.
43. Skolnik, M. I. (1962). Introduction to radar. Radar Handbook, 2.
44. Skolnik, M. I. (1970). Radar handbook.
45. Springuel, N., Travis P., & MacDonald R. (2004) Radar, Reflectors and Sea Kayaks: A Visibility Study. Tech. Rep.
46. Takewaka, S. (2005). Measurements of shoreline positions and intertidal foreshore slopes with X-band marine radar system. Coastal Engineering Journal, 47(2-3), 91-107.
47. Tukey, J. W. (1974). Nonlinear (nonsuperposable) methods for smoothing data. Proc. Cong. Rec. EASCOM'74, 673-681.
48. Ulaby, F. T., Moore, R. K., & Fung, A. K. (1982). Microwave remote sensing : Active and passive. Volume 2-Radar remote sensing and surface scattering and emission theory.
49. Wright, J. (1966). Backscattering from capillary waves with application to sea clutter. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 14(6), 749-754.
50. Wright, J. W. (1968). A new model for sea clutter. IEEE Transactions on antennas and propagation, 16(2), 217-223.
51. Wu, L. C., Chuang, L. Z. H., Doong, D. J., & Kao, C. C. (2011). Ocean remotely sensed image analysis using two-dimensional continuous wavelet transforms. International journal of remote sensing, 32(23), 8779-8798.
52. Young, I. R., Rosenthal, W., & Ziemer, F. (1985). A three‐dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents. Journal of Geophysical Research: Oceans, 90(C1), 1049-1059.
53. Ziou, D., & Tabbone, S. (1998). Edge detection techniques-an overview. Pattern Recognition and Image Analysis C/C of Raspoznavaniye Obrazov I Analiz Izobrazhenii, 8, 537-559.
54. 尹彰、翁文凱、周宗仁、林騰威、陳泰宏、邱永芳、何良勝(2005)「應用船用雷達影分析波浪資料」,第二十七屆海洋工程研討會論文集。
55. 王胄(1999)「淡水港雷達遙感波浪監測研究(I)」,港灣技術研究中心報告。
56. 王彥棋(2004)「以邊為基礎之衛星影像中的車輛偵測」,國立中央大學資訊工程研究所碩士論文。
57. 王秀雯、王志添、陳錕山、林延郎(2007)「利用衛星雷達影像分析臺灣西部水線變遷」,航測及遙測學刊,第十二卷第二期,第107-119頁。
58. 王天佑、蕭震洋(2013)「應用無人載具航拍及非常規攝影量測進行土石流三維地形重構」,中興工程,第120期,第3-12頁。
59. 吳哲榮、吳啟南(2003)「遙測技術應用於臺灣西海岸五十年來變遷分析」,航測及遙測學刊,第八卷第三期,第95-109頁。
60. 吳立中、李汴軍、高家俊、董東璟、郭純伶(2005)「航海雷達在觀測海洋波浪與流之開發」,海洋及水下科技季刊,第十五卷第二期,第8-15頁。
61. 吳盈志、劉景毅、溫進丁(2006)「台南青草崙海岸地形變遷」,第二十八屆海洋工程研討會論文集。
62. 吳立中、莊士賢、許朝敏、王仲豪、高家俊(2011)「時空合域影像於求取海面波流資訊之應用」,海洋及水下科技季刊,第二十一卷第一期,第29-33頁。
63. 吳立中、高家俊、王仲豪、王良生、陳秋份(2013)「X-band雷達應用於解析近岸海表面水文特徵之研究」,第三十五屆海洋工程研討會論文集。
64. 吳立中、莊士賢、簡仲璟、李俊穎(2015)「航海雷達應用於偵測港區海面油污之初探」,港灣季刊第102卷,第61-76頁。
65. 沈淑敏、陳映璇(2010)「經建版地形圖和像片基本圖在濱線繪製上的應用與限制」,地理研究,第53期,第71-90頁。
66. 邱永芳、李良輝、張富東、蔣敏玲(2011)「海岸帶及近海衛星遙測技術之整合應用研究(2/4)」,交通部運輸研究所。
67. 林家豐、高家俊、董東璟、張育瑋(2005)「應用X-band雷達於分析海面流況之研究」,第二十七屆海洋工程研討會論文集。
68. 林柏青、莊甲子、江玟德(2006)「底床薄層流輸砂之現場調查研究」,第二十八屆海洋工程研討會論文集。
69. 林景騰(2007)「時間序列雷達影像於水線萃取之研究」,國立中央大學太空科學研究所碩士論文。
70. 林柏青(2010)「臺灣港灣近岸海域漂沙調查研究(1/4)」,交通部運輸研究所。
71. 林宗儀(2012)「臺灣海岸變遷監測分析(4/4)」,經濟部中央地質調查所報告,第101-04號。
72. 洪佩鈺(2006)「應用大比例尺正射影像地圖辨識沙礫質海灘的濱線:以臺東海岸為例」,地理研究,第四十四期,第89-105頁。
73. 姚彥如(2014)「眼底影像血管切割之研究」,國立中興大學資訊科學與工程學系碩士論文。
74. 陳蔚瑋、張憲國、劉勁成、廖學瑞(2007)「以衛星影像分析安平港新增突堤對灘線變遷之影響」,第二十九屆海洋工程研討會論文集。
75. 陳雪子(2008)「可轉向控制攝影機在海岸影像研究之初步應用」,國立成功大學系統及船舶機電工程學系碩士論文。
76. 陳建華(2016a)「花蓮七星潭海岸變遷之研究-結合不同時期UAV攝影測量、RTK-GPS與陸地三維雷射掃描方法調查短期海岸變遷」,國立東華大學自然資源與環境學系碩士論文。
77. 陳禹儒(2016b) 「SeaSonde高頻測流雷達應用於船舶回波識別與方位判定之研究」,國立成功大學海洋科技與事務研究所碩士論文。
78. 陳冠霖(2016c)「應用Haar特徵與局部二值模式實現人臉偵測系統」,國立臺北科技大學電子工程系研究所碩士論文。
79. 徐超、黄風華、毛政元(2016)「一種改進的二維Otsu閾值分割算法」,電子技術應用,第四十二卷第十二期,第108-111頁。
80. 張憲國、陳蔚瑋(2005)「以衛星影像探討外傘頂洲的海灘變遷」,第二十七屆海洋工程研討會論文集。
81. 張家豪(2016)「分量影像應用於裂縫偵測之研究-以宜蘭縣水門為例」,國立宜蘭大學電機工程學系碩士論文。
82. 張維音(2017)「應用GIS空間分析估算X-band雷達回波影像內的浮筏式蚵架數量」,國立成功大學海洋科技與事務研究所碩士論文。
83. 莊士賢、吳立中、范揚洺、簡仲璟、李俊穎、林俊遠、陳家銘、饒國清、陳聖學、林清睿(2015)「海域油污監測與擴散模擬技術研發(1/3)」,交通部運輸研究所。
84. 曾忠一(2004)大氣衛星遙測學,第七版,國立編譯館主編,渤海堂文化事業公司,台北。
85. 喻新、吳至誠、崔國強、徐輝明(2005)「以航空相片分析海岸變遷之應用」,國立宜蘭大學工程學刊,第一期,第63-74頁。
86. 詹鈞評、李易唐、饒見有(2015)「高酬載無人機搭載五相機攝影系統之影像拼接及空三平差精度分析」,中國土木水利工程學刊,第二十七卷第三期,第201-211頁。
87. 楊勤儀(2007)「利用衛星影像萃取近岸地形-以台灣北部為例」,國立中央大學地球物理研究所碩士論文。
88. 楊一中、王星宇、方惠民、蕭松山、蔡政翰(2016)「四軸飛行器於海岸觀測之應用」,第三十八屆海洋工程研討會論文集。
89. 熊雲嵐(1991)實用船舶雷達,財團法人徐氏基金會。
90. 鄭志祥(2002)「影像次像素應用在米粒檢測之研究」,國立中興大學農業機械工程學系碩士論文。
91. 劉彥秀(2003)「最小二乘模型與影像套合之後續探討」,國立成功大學測量工程學系碩士論文。
92. 蕭毓宏、陳雪子、莊舜欽、黃明志(2008)「可轉向控制攝影機在海岸影像研究之初步應用」,第三十屆海洋工程研討會論文集。
93. 賴民順(2011)「低掠角微波雷達海面背向散射強度受波浪影響程度之探討」,國立中央大學水文與海洋科學研究所碩士論文。
94. 錢樺、魏世聰、鄭皓元、許朝敏(2012)「微波雷達與CCD影像分析於潮間帶地形測量之應用」,第三十四屆海洋工程研討會論文集。
95. 魏世聰(2012)「微波雷達與CCD影像分析於潮間帶地形測量之應用」,國立中央大學水文與海洋科學研究所碩士論文。
網路資料
1. DJI官方網站
https://www.dji.com/zh-tw
2. Echomaster Radar Reflector User’s Guide
https://www.davisnet.com/product_documents/marine/manuals/00155-010_IM_00152_153_157.pdf
3. ESA's Earth Online website
https://earth.esa.int/web/guest/missions/
4. Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Littoral_zone
5. 中央氣象局颱風資料庫
http://rdc28.cwb.gov.tw/TDB/
6. 陳慶瀚(2004),單元六、邊緣偵測
http://140.115.11.235/~chen/course/vision/ch6/ch6.htm
7. 海巡署(2017),海洋委員會海巡署
https://www.cga.gov.tw/GipOpen/wSite/mp?mp=999
8. 營建署(2015),內政部營建署法規公告
https://www.cpami.gov.tw/
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