辐射沙洲地貌运动的光流法研究

居 飞

（江苏易图地理信息工程有限公司，江苏 扬州 225000）

1 引 言

辐射沙洲的动力地貌是水沙动力长期均衡作用的产物。各沙洲在海洋潮流的作用下既有短期运动，又有长期运动。分析沙洲运动有多种方法，常用的方法有不同时期等高线的对比方法［1］、沙洲水边线对比方法和多期沙洲DEM叠置冲淤计算方法等。等高线、DEM对比分析需要多期实测的地形图，而辐射沙洲最缺的就是地形测量资料。等高线与遥感水边线对比分析具有相同的性质，它将沙洲看做整体对象，可以分析沙洲整体运动，但不能揭示沙洲内部细节运动。

本文以江苏沿海岸外沙洲为例，利用遥感技术和光流算法技术对江苏沿海岸外沙洲运动趋势进行研究，在利用“光流”算法得出相应运动结果同时，运用遥感技术的影像叠合技术对该算法进行验证［2｝，总结出江苏沿海岸外沙洲运动趋势以及该算法的可靠性和可行性。

2 遥感数据处理

遥感影像数据来源、种类繁多，必须根据实际需要选取合适的遥感数据源，而且必须要对它们进行分析并经过一系列预处理才能使它们更好满足研究需要。

2.1 图像的波段选择与裁剪

2.1.1 图像波段选择

在沙洲的遥感图中，水体淹没问题大大影响了遥感图像中沙洲形状，这些形变也影响着本文所运用的“光流”算法的准确性。因此，本文在选择波段时选择了两个思路：① 在遥感图像无法满足低潮位要求时，选择对水体透射率较强的波段；② 在遥感图像满足低潮位要求时，选用水体吸收率较高的波段。

TM影像波谱信息比较丰富，从可见光的蓝色波段到热红外波段共有7个彩色波段。结合上述影像波段的思路要求和TM2影像探测健康植被绿色反射率、可区分植被类型和评估作物长势对水体有一定透射能力的波段特点，选择TM2波段为研究影像波段。

2.1.2 图像的裁剪

本文运用“光流”算法对图像感兴趣区域的灰度模式进行运算得出感兴趣区域的瞬时速度场。由于算法和计算机硬件的原因，计算整个辐射沙洲瞬时速度场的数据量显得过于庞大，因此，在处理完原始图像后对研究对象部分图像的裁剪显得尤为必要。

3 江苏沿海岸外沙洲运动信息的提取

3.1 研究方法

光流约束方程［3］如下

设I（x，y，t）是图像点（x，y）在时刻t的照度，如果U（x，y）和V（x，y）是该点光流的x和y分量，假定点在t＋δt时运动到 （x＋δx，y＋δy）时照度保持不变，其中，δx ＝Uδt，δy ＝Vδt，即：

根据光流约束方程，光流误差为：

将光滑性测度同加权微分约束测量组合起来：

使用变分法将上式转化为一对偏微分方程：

将求解U 和V表示成如下的迭代方程：

3.2 光流算法的实现

依据光流法的算法原理和向量方程［4］采用2期处理后的TM影像序列作为数据源，分别以TM2像素灰度作为输入参数（各序列计算区域与背景相同），通过Matlab计算获得图像序列光流场。具体以三丫子为例，数据如表1所示。

表1 光流计算遥感数据源

3.3 计算并分析图像序列光流场

3.3.1 光流场的分析

图像序列光流场三丫子计算成果如图1所示。

图中，标记箭头为两个时相影像提取水边线得出的运动趋势结果。经过与光流场叠加可以看出，光流场计算结果符合水边线得出的沙洲细部运动趋势。

4 结 论

本文综合运用了遥感技术和光流法技术在研究沙洲运动趋势的可行性方面进行了尝试，所得的光流场比较细致地反映沙洲的运动信息。运用光流法对沙洲的图像序列进行运算，获得光流场，揭示了基于场的细致内部信息的动力地貌分析，为冲淤多变的地貌分析探索了一条新方法。结合遥感信息，这样的研究会有一个广阔的发展空间。

图1 箭头标注的是其大致的变化趋势

［1］ 刘永学，张忍顺，李满春.应用卫星影像系列海图叠合法分析沙洲动态变化— —以江苏东沙为例［J］.地理科学，2004，24（4）：72－77.

［2］ 应铭，李九发，虞志英，等.长江河口中央沙位移变化与南北港分流口稳定性研究.［J］长江流域资源与环境，2007，16（4）：74－79.

［3］ D.H.巴拉德，C.M.布朗.计算机视觉［M］.北京：科学出版社，1987.

［4］ 韩雷，王洪庆，林隐静.光流法在强对流天气临近预报中的应用［J］.北京大学学报：自然科学版，2008，44（5）：86－90.