基于光学遥感影像冰川慢滑移研究综述

吴雪兰

（成都理工大学地球科学学院，四川 成都610000）

1 概述

随着光学亚像素匹配技术的发展，利用光学遥感影像数据可以精确的提取地面的水平位移在冰川运动、地震等地球物理场中有极好的应用。此外，不少学者应用该方法推算断层位移[1]、地震形变监测[2]、沙丘滑移[3]、滑坡运动[4]。自光学卫星Landsat 卫星与Sentinel-2 卫星发射以来，冰川的研究从传统的花杆测量这种传统的实地测量逐渐转向遥感影像的研究。由于光学卫星遥感影像几乎覆盖了整个地球表面，使得全球规模测绘和监测冰川运动的研究得以实现。二十世纪初，曹泊等[5]认为利用遥感手段研究冰川的性质和冰川的动态变化将成为冰川学研究发展的重要趋势，它能有效解决现代冰川研究中高山区资料受限等问题。在2008 年,美国加州理工学院的Leprince[6]较全面地介绍了光学影像互相关技术监测地表形变原理和方法, 这为光学遥感影像位移研究打下坚实的基础。黄磊等[7]利用光学影像互相关匹配技术对冰川表面纹理特征进行相关分析研究了天山冰川运动速度。田毅[8]等人利用光学遥感影像采用归一化互相关算法研究了南伊内里切克冰川的速度时空分布。张晓博[9]等人通过研究Landsat-8 与TerraSAR-X 数据的冰川运动特征验证了这两种数据可以很好地实现山谷冰川的运动监测。杜建括[10]等人利用冰川运动观测资料研究了玉龙雪山白水1 号冰川运动速度特征。可以看出，我国对冰川的研究也逐渐重视，此外还构建了观测试验站并与国际专家合作为冰川进一步研究打下基础[11]。

2 光学遥感影像的冰川流速的监测方法

遥感影像可以全天候、全天时的采集冰川数据而且采集数据周期比较短，它有利于冰川滑移的研究。目前，冰川运动遥感监测主要使用雷达遥感数据与光学遥感数据，这两种遥感数据都有各自的优势与劣势。雷达影像具有空间分辨率高的优点而使得对地表微小变化敏感能够发现地表的微型变化，但山地冰川研究大多无法使用InSAR 测量技术。光学遥感技术突破了时间和空间的限制开辟了冰川监测研究的新天地。

表1 遥感数据的方法与优劣

2.1 互相关归一化

这种算法是现阶段监测冰川流速常用的一种方法，它适用于光学遥感影像、合成孔径雷达影像[12]。计算如公式（1）所示：

2.2 图像匹配基础上的快速傅里叶变换的基于频率域互相关计算

这种算法被引入CIAS 冰流速测量软件中[13]，它是通过求取每幅影像x,y 方向的偏导数并以x,y 为实部与虚部形成方向影像，计算如公式（2）、（3）所示：

其中，fd（x,y）为所求的方向影像，f（x,y）为原影像。通过快速傅里叶变换和逆变换求得相关曲面并取得峰值，计算如公式（4）所示：

其中，fd和gd为两景方向影像，R 为得出的相关曲面，实验证明，与归一化互相关相比，该方法具有更高的鲁棒性。

2.3 快速傅里叶变换的基于频率域互相关算法

这种方法是通过将第一幅影像通过傅里叶变换与第二幅影像的复共轭傅里叶变换相乘，通过在频率域中来计算互相关，但该算法不容易转换到频率域，因此该算法只能计算互相关无法进行归一化。该算法计算如公式（5）所示：

其中F（u,v）是在时间t=1 时图像的匹配窗口的快速傅里叶变换（FFT），G（u，v）是时间t=2 时图像匹配窗口的傅里叶变换。*表示复共轭，IFFT 是表示快速傅里叶变换。该算法受灰度变化影响较大，容易导致误匹配。

2.4 快速傅里叶变换的基于频率域相位相关计算

这种算法是基于频率域相位相关计算通过计算互相关表面的峰来表示位移。该算法可以忽略振幅中出现的图像强度差异。计算公式（6）如下：

其中F0（u,v）是在时间t=1 时图像的匹配窗口的快速傅里叶变换（FFT），其中G0（u.v）是时间t=2 时图像匹配窗口的傅里叶变换。*表示复共轭，IFFT 是表示快速傅里叶变换。这种算法忽略了频率的噪声，而噪声所在的频率上的分布使得峰值的位置不准确而造成误差，因此该算法使用较少。

2.5 COSI-Corr

该算法编写在ENVI 插件中，它是通过相位相关法，通过归一化功率谱的逆傅里叶变换来反映两个影像的相对关系，它的首先假设两幅影像之间存在相对位移，存在相对位移计算公式（7）所示：

其位移值则是通过计算之后的二维脉冲函数的峰值点。

3 分析与结论

对于冰川的研究，早期主要以冰川流速测量主要采用实地测量的方法，现阶段也逐渐转向与3S 技术相结合，如花杆测量法中引入经纬仪、水准仪、全站仪等光学测量仪器。为解决气候环境条件较为恶劣的问题，遥感技术的发展很好的克服了该方法的缺陷与不足。基于特征跟踪的光学遥感监测与基于干涉相干性的微波遥感监测技术得到了迅速的发展并取得的较为良好的效果。

由于全球对冰流研究数据是从20 世纪60 年代，缺乏较为完整的冰川流速研究，导致该数据研究时间短且研究数据缺乏。对于冰川运动的研究现阶段主要虽然取得了较大的成果，但数据的精度问题仍然是一个亟待解决的问题。虽然现阶段哨兵2 号与Landsat-8 遥感影像数据给研究带来福音，但影像质量容易受到环境因素的影响。此外，现阶段对于冰川监测方法与新的算法研究基本上没有太大的改变，因此，还需要改进相关算法与监测手段。