基于Landsat—8 OLI影像的南伊內(nèi)里切克冰川運動速度提取與分析

田毅++李建學(xué)++何秦++楊森++李毅

摘 要：當(dāng)前全球氣候變化問題被日益關(guān)注，冰川作為氣候變化的敏感指示器之一，對分析氣候變化過程有重要科學(xué)意義。冰川表面運動是冰川的一個重要基本體征，它能夠及時快速地反映冰川動態(tài)變化信息，為研究冰川對氣候變化的響應(yīng)提供了有效途徑。本次研究以天山南伊內(nèi)里切克冰川為研究對象，利用Landsat-8 OLI衛(wèi)星影像，采用歸一化互相關(guān)算法對2013-2016年的四期遙感影像進行分析處理，得到冰川表面的速度時空分布。通過分析得出，該冰川具有以下運動特征：冰川的軸部是冰川運動的主流線，在冰川軸線上，速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大速度出現(xiàn)在平衡線附近；流速在軸部最大，在兩側(cè)呈現(xiàn)減小的趨勢；2013-2016年間，該冰川主體流速約為34cm/d，呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的態(tài)勢。

關(guān)鍵詞：光學(xué)遙感；相關(guān)性分析；COSI-Corr；冰川流速

中圖分類號：P343.6 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0008-03

1 概述

全球氣候變化是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點問題。冰川作為冰凍圈系統(tǒng)的主要組成部分之一，也是天然的氣候變化指示器，為了解水資源現(xiàn)狀提供了研究途徑[1]。迄今為止，前人的研究區(qū)域大多集中在南極和格陵蘭兩大冰蓋等地區(qū)[2-4]，但只有少數(shù)研究是關(guān)于內(nèi)陸山岳冰川的。謝自楚等在珠穆朗瑪峰地區(qū)科學(xué)考察報告中指出，我國大多數(shù)的冰川數(shù)據(jù)資料都是于1960-1980年間獲取的[5]；王欣等通過進一步研究，發(fā)現(xiàn)目前我國對于冰川的連續(xù)監(jiān)測，僅局限于天山烏魯木齊河源1號冰川等少數(shù)幾條冰川[6]。而對于其他的冰川覆蓋地區(qū)，則缺乏對它們運動的深入研究。

目前，冰川表面運動速度的提取主要有兩種方式。一種是實地花桿數(shù)據(jù)測量[7]，這種方法的精度高，但是受時間和空間的局限性比較大；另一種方法則基于遙感影像進行提取[8]，相比傳統(tǒng)野外實測方法，遙感獲取冰川表面流速具有快速和成本低的優(yōu)勢，對于大面積的以及人類難以踏足的冰川地區(qū)，利用遙感影像的方式獲取冰川表面速度的優(yōu)勢更加明顯。

2 研究區(qū)介紹

托木爾峰地區(qū)南伊內(nèi)里切克冰川（South Inilchek Glacier，中國冰川編目編號：5Y673K1；42°12.5′N，80°12.2′E）是我國典型的樹枝狀山谷冰川，冰川長約60.5千米，面積約567.2平方千米，是中低緯度區(qū)域長度超過50千米的八大冰川之一，圖1是研究區(qū)域示意圖。

3 研究方法

3.1 基本原理

對不同時期天山冰川的遙感影像進行相關(guān)性分析，進而提取同名像點的位移。經(jīng)過圖像預(yù)處理之后，可以去除太陽輻射、軌道偏差、地形影響等誤差。再利用歸一化互相關(guān)算法得到的同名像點的東西向和南北向位移，經(jīng)過合成，就可以得到冰川表面的運動總位移，可以認(rèn)為就是冰川運動的結(jié)果[9]，結(jié)合時間可以得到該階段內(nèi)冰川的日平均速度。

3.2 相關(guān)性分析及算法介紹

歸一化互相關(guān)算法（NCC，Normalized Cross Correlation）[10]，也被稱為泊松系數(shù)法或者歸一化相關(guān)系數(shù)法。對于歸一化互相關(guān)算法的表達式定義如下：

其中，f（x，y）搜索影像的搜索窗口，g（x，y）是原始影像的模板窗口，u，v是坐標(biāo)的偏移量，u，v）是兩個窗口各自的灰度平均值。如圖2所示，m，n為模板窗口的長和寬，M，N是搜索窗口的長和寬，搜索窗口一般大于模板窗口。歸一化處理能夠增強該算法的魯棒性，減少其他因素對相關(guān)系數(shù)帶來的影響，同時降低相關(guān)系數(shù)范圍對圖像特征的依賴[11]。

在矩陣NCC（u，v）中，值為1的點表示搜索窗口中該點及其周圍像素與模板窗口完全相同；值為-1的點表示搜索窗口中該點及周圍像素與模板窗口完全相反。所以，通過選取值最大的點即可初步獲得特征點的同名點，之后可以根據(jù)圖像的坐標(biāo)信息，計算出關(guān)鍵點的位移[12]。

4 數(shù)據(jù)選擇與處理

與其他遙感影像數(shù)據(jù)相比，Landsat系列數(shù)據(jù)價格較低，獲取途徑多，分辨率較高時間序列較長的Landsat影像適合大區(qū)域長周期的冰川變化研究[13]。本次研究選用了4組Landsat-8 OLI影像，用來反演冰川的表面速度。

孔繁司[14]等在對四款常用的光學(xué)影像運動軟件進行比較后發(fā)現(xiàn)，COSI-Corr軟件作為一款基于圖像配準(zhǔn)和相關(guān)系數(shù)計算的軟件，該軟件的配準(zhǔn)精度可達到0.1個像元，因而獲取到的冰川運動速度精度較高，而且花費的時間也較短。在計算最大相關(guān)系數(shù)時，采用頻率域算法，參考窗口設(shè)為128，搜索窗口設(shè)為32。將位移數(shù)據(jù)分成了3個圖層：東西向位移、南北向位移以及信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）。為了提高研究結(jié)果的可信度，對窗口內(nèi)的像素進行重采樣，本研究在南伊內(nèi)里切克冰川的冰舌區(qū)選取大量連續(xù)的點，選擇SNR≥0.80的部分作為可信區(qū)域。

由于受到云霧和陰影的干擾，部分位移值不能真實反映表面運動，需要進行后處理。剔除云、陰影覆蓋部分，即可得到冰川表面的位移量信息如圖2所示，其中，圖（a）（b）（c）分別對應(yīng)2013-2014年總位移變化量、東西向位移變化量、南北向位移變化量；圖（d）（e）（f）分別對應(yīng)2014-2015年間總位移變化量、東西向位移變化量、南北向位移變化量；圖（g）（h）（i）分別對應(yīng)2015-2016年間總位移變化量、東西向位移變化量、南北向位移變化量。

由于獲取的每組影像時間間隔不同，上述流程獲取的只是對應(yīng)時間間隔內(nèi)的位移量，不方便對這3組冰川速度進行對比。因此，需要計算出年平均運動速度。首先計算夏季日平均運動速度，可由下式得出：

式中：D為兩期遙感影像計算的位移數(shù)據(jù)；Days為兩期影像時間段內(nèi)夏季天數(shù)；Dayw為兩期影像時間段內(nèi)冬季天數(shù)。由此換算出年平均運動速度Vyr：

式中：A為冬季日平均運動速度與夏季日平均運動速度的比率，本研究采用鄰區(qū)臺蘭冰川1978年測得的平均夏日改算系數(shù)0.699，由此換算A為0.482[15]。下表為三組影像間的夏季天數(shù)，冬季天數(shù)情況

通過公式對數(shù)據(jù)進行處理，得到圖3，其中圖（a）（b）（c）分別對應(yīng)2013-2014年間、2014-2015年間、2015-2016年間冰川每天的位移量。

5 分析與討論

5.1 冰川表面運動速度空間分布特征

冰川表面運動是底部變形和冰川底部滑動等共同作用的綜合表現(xiàn)，受冰川厚度、地表坡度、物質(zhì)平衡、冰溫、冰內(nèi)冰下水壓等因素的影響，是一種十分復(fù)雜的機制。對比分析3期托木爾峰地區(qū)南伊內(nèi)里切克冰川表面運動流速結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)該冰川具有如下運動特征：

（1）該冰川表面運動速度整體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢。通過對冰川區(qū)域的6356個像素點進行統(tǒng)計分析，得到三年的日平均速度分別為34.92cm/d，33.45cm/d，34.92cm/d。

（2）對冰川在A線所示位置進行剖面分析，如圖4。發(fā)現(xiàn)冰川主干區(qū)域在年間速度變化差異不大，但是2015-2016年間速度相對較高，可能與該地區(qū)的氣候變化有關(guān)；冰川主干所在地區(qū)地形起伏變化較小，坡度在2°到17°之間，所以冰川的運動速度較平緩；隨著地勢降低，三個時間段的冰川速度出現(xiàn)分化趨勢，在剖面線所在位置的中部分化最為明顯，原因是在低海拔地區(qū)，冰溫變化也會相對劇烈，導(dǎo)致冰川中部地區(qū)的年際變化差異。

（3）冰川運動的主流線在冰川的軸部，流速由軸部向兩側(cè)遞減，由冰川源頭向下至雪線處運動速度逐漸增加，然后再向冰川末端逐漸遞減，這符合山地冰川運動的一般規(guī)律[16]。

（4）對比三期運動結(jié)果，由于受到上部冰川的重力和擠壓力的作用，加之末端大量冰磧物的阻礙作用，導(dǎo)致冰川末端向北部移動，冰川速度和冰川的覆蓋范圍也呈現(xiàn)遞減趨勢。

5.2 精度評定

由于冰川區(qū)位于高寒高海拔的偏遠(yuǎn)山區(qū)，再加上惡劣自然條件的限制，難以長時間開展野外實地驗證工作。為此，本文根據(jù)遙感冰川運動估算的基本原理，利用非冰川區(qū)殘余位移對冰川表面運動監(jiān)測結(jié)果開展了精度分析。理想狀態(tài)下，非冰川地帶是穩(wěn)定、不存在位移的，因而我們可以選定非冰川地區(qū)的采樣點作為精度評定的依據(jù)，將非冰川地帶采樣點的流速視作該方法的位移偏量，反映圖像在匹配過程中產(chǎn)生的誤差大小，從而用于評定結(jié)果精度。

采用圈定感興趣區(qū)域的手段，選取了非冰川區(qū)采樣點，以數(shù)理統(tǒng)計的方法，對其日運動速度進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)非冰川區(qū)域點平均速度為1.37cm/d，約83%的取樣點日平均速度在3cm/d以下?？梢娝俣扔^測誤差遠(yuǎn)比速度值小得多，說明了結(jié)果的可靠性。

6 結(jié)束語

本文以Landsat8-OLI衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，借助歸一化互相關(guān)算法，對天山托木爾峰地區(qū)南伊內(nèi)里切克冰川表面運動速度進行了提取，監(jiān)測結(jié)果表明：該地區(qū)冰川運動符合一般運動規(guī)律，2013-2016年間，該冰川主體流速約為34cm/d，呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的態(tài)勢。另外，要想全面掌握該冰川的運動特征需要進一步擴展監(jiān)測周期，獲取更多的遙感影像，從而更好地研究該冰川在氣候變暖條件下的物質(zhì)平衡和運動時空演變特征，為深入了解該冰川動力學(xué)特征和預(yù)防冰川運動導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害提供更為豐富的監(jiān)測資料。

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