基于免費開源軟件MicMac處理的光學衛(wèi)星影像相關的地面位移測量

1、基于免費開源軟件MicMac處理光學衛(wèi)星影像相關性的地面位移測量作者：Ana-Maria Rosu a, Marc Pierrot-Deseilligny b, Arthur Delorme a, Renaud Binet c, Yann Klinger a關鍵詞：衛(wèi)星圖像，地表位移，影像相關，COSI-Corr，Medicis，MicMac摘要：影像相關是確定由于地震、山體滑坡、冰流或沙丘遷移引起的土體水平位移最有效的技術之一。分析這些變形可以更好地了解其原因和機制。通過使用高分辨率衛(wèi)星影像獲得的之前和之后的正射影像的亞像素相關性可計算得到高分辨率平面的位移場。在本文中，我們關注于由于地震引

2、起的地面位移測量。亞像素相關性應用在以下三個軟件：COSI-Corr由加州理工學院開發(fā)的一個封閉相關因子源代碼的免費軟件，它因為依賴商業(yè)軟件（ENVI）而廣泛應用于地球科學界用于測量地表位移；Medicis由法國國家空間研究中心開發(fā)，同樣是一個封閉相關因子的源代碼并且也能夠進行這種類型的變形測量的軟件；MicMacIGN公司開發(fā)，它免費開放相關因子的源代碼，這讓我們能研究和調整并測量得到更精確的地面位移。我們使用這三個軟件處理了三例現(xiàn)場圖像的水平地面變形：2001年可可西里大地震、2005年阿法爾洼地的巖脈侵入和2008年的玉田地震。簡介測量與地震相關的精細位移有一個關鍵的問題在于用地震構造提

3、供關于破裂斷層的幾何信息和地震所釋放的能量信息（Van puymbroeck等人，2000）。用于測量位移的最常用的方法是根據(jù)現(xiàn)場測量。然而，故障區(qū)域往往是很難接近并且是復雜的破裂斷層，不易在現(xiàn)場檢測；根據(jù)斷層滑動的程度，它只能在有限的位置進行測量（Leprince等人，2007）。用于測量這種位移的另一種方法是利用永久的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）接收機。但是這種技術只能在一個區(qū)域內提供稀疏的覆蓋，而這如果不能使整個區(qū)域都在監(jiān)測下的話是不可行的。而且發(fā)生同震地表位移的地區(qū)是無法預知的，我們無法每次都能夠在事件發(fā)生之前就已經(jīng)測量。利用合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星影像和光學衛(wèi)星可以克服前面提到的技

4、術限制。而覆蓋大面積的衛(wèi)星圖像也能使破裂斷層的部分或全部可見。相對于光學傳感器，干涉合成孔徑雷達技術可以在各種天氣和夜間的情況下工作（massonnet和Feigl，1998）。然而，這種技術是無法提供在斷層附近位移的地圖的，因為這個地區(qū)的大振幅位移引起的干涉相位解相關，因此它的位移是無法估計的。此外，SAR相關因子給出了低分辨率的平面位移結果，而InSAR則主要提供近垂直分量。高分辨率光學衛(wèi)星圖像能提供地面的詳細影像，最重要的是，它可以解決近斷層位移（Van puymbroeck等人，2000）。位移場可以通過分析獲得的事件發(fā)生之前和之后的圖像相關性而測定（因此基線的時間是相關性的主要問題）

5、。當?shù)卣鸢l(fā)生時，光學衛(wèi)星影像具有的擴展檔案可以為老地震的測量提供事件的圖像。不像InSAR數(shù)據(jù)，不同檔案的組合是可能的（Hollingsworth等人，2012），這是使用光學衛(wèi)星影像的一個主要優(yōu)勢。許多關于亞像素相關性的研究都被應到到高分辨率衛(wèi)星影像上，比如SPOT已經(jīng)表明該技術的效率在測量地面位移由于地震（Michel and Avouac，2002；Dominguez等人，2003；Binet and Bollinger，2005；Klinger等人，2006；Leprince等人，2007b）、山體滑坡（delacourt等人，2004；Casson等人，2005。），冰流（Scamb

6、os等人，1992）和沙丘遷移（Hermas等人，2012）事件時。分析這些變形可以更好地了解是什么引發(fā)了事件（例如，分析地震引起的故障及位移場可以提供關于地震的機制等非常重要的信息）。亞像素的檢測能力一般是測量出小于圖像像素大小的位移。在理論上，使用一對SPOT全色圖像亞像素相關的方法可以提供0.1像素精度的斷層滑動測量（Michel and Avouac，2002；Dominguez等人，2003）。因此，使用一幅地面像素尺寸為2.510米的影像，最小可以測量0.251米的位移。然而，亞像素檢測是高度依賴于數(shù)據(jù)的質量和噪聲電平的。有一個很重要的事情就是在做圖像紋理和原因的相關性時因為歷時性

7、所導致的兩個圖像之間很大的變化（由于兩個圖像采集之間的時間）。季節(jié)性變化可能產(chǎn)生的景觀變化，這可能會導致去相關。為了避免由于視差引起的數(shù)字高程模型不精確的問題，最好使用獲得的入射角非常相似的衛(wèi)星圖像，以接近最低點。本文的目的是提出免費的開源軟件MICMAC，它能夠通過光學影像的相關性測量二維位移且免除大部分直到現(xiàn)在仍然存在的軟件使用的弊端（比如不開源而因此不容易適應一些特定情況下的測量，一些商業(yè)軟件在缺乏穩(wěn)健性的情況下兩幅圖像的采樣時間間隔是相關且非常重要的）。圖1：MicMac中的相關性估值分為線性和非線性。默認情況下，相關性的估值是線性的（估值=1-Cor，這里的Cor指的是歸一化互相關系

8、數(shù)）。當處理具有很大不均勻性的圖像時，一個非線性的估值用來限制噪聲信號對測量的影響：，是相關的閾值（低于此值，相關性沒有影響），它確定確定相關成績的影響（在我們的研究中，）。方法2.1 影像相關相關的基本參數(shù)在“滾動窗口”，“搜索空間”（軟件在搜索空間中的每個位置按給出的“離散的步驟”計算出相關性得分并選出得分最高的一個；離散的步驟定義了亞像素精度的相關結果）和“步驟”（在兩個連續(xù)的像素之間視差估計的距離，定義了相關的圖像尺寸）。位移的空間分辨率與相關窗口的大小是直接相關的。一個小的相關窗口的使用意味著更高的空間分辨率結果，這對一個好的近斷層地區(qū)的描述是非常重要的。然而，噪聲因為窗口的大小的減

9、少而增加（Binet and Bollinger，2005）；因此，這必須被看作是需要的分辨率和噪聲之間的一種折衷。軟件輸出的兩個視差圖在行和列上的相對水平位移加上圖像的相關性得分代表了圖像中每個像素的相關性的信心。在參考地理圖像時，兩個視差圖包含位移在東西方向和南北方向的成分。2.2軟件的應用利用以下三個軟件計算亞像素的水平位移場：COSI-Corr, Medicis和MicMac。2.2.1 COSI-Corr(Co-Registration of Optically Sensed Images and Correlation)COSI-Corr是加州理工學院天文臺（美國）開發(fā)的一個使用I

10、DL和集成環(huán)境構造的軟件模塊。在 公司和一些地方， (2009)，COSI-Corr被描述為準確的通用工具提供給注冊公司，是利用光學遙感影像（航空和推掃式衛(wèi)星圖像）的多時空的圖像檢索地表變形的最終目標。本軟件在地學界被廣泛使用。圖2：合成位移場來檢索相關：從影像是利用參考圖像創(chuàng)建，一個QuickBird衛(wèi)星圖像，將其劃分成塊并將它們沿列和行移動，創(chuàng)建0:1 PX每塊逐次補償。合成的偏移值從0 PX 0:5 PX。使用COSI-Corr, Medicis和MicMac處理的相關結果在圖3和圖4中。圖3：由COSI-Corr, Medicis和MicMac在圖像上獲得的在柱與線上的兩個視差圖在圖2

11、，相關性窗口的尺寸COSI-Corr采用32*32px，Medicis和MicMac采用33*33px。三個軟件在0到0：5px的列和行檢索以及合成變形場。COSI-Corr的處理結果有少量相關性雜質，Medicis的處理結果比COSI-Corr的處理結果含有較少的噪音，MicMac的處理結果非常接近理論的變形場。圖4：由COSI-Corr, Medicis和MicMac在圖像上獲得的在柱與線上的兩個視差圖在圖2，相關性窗口的尺寸COSI-Corr采用8*8px，Medicis和MicMac采用9*9px。COSI-Corr的處理結果是不能令人滿意的，他們是非常嘈雜并且變形場沒有得到很好的檢索

12、。Medicis的處理結果是噪音比那些使用較大的相關窗口獲得的數(shù)據(jù)更為嘈雜（圖3），但是變形場得以檢索。MicMac的處理結果是它很好的檢索了一個合成的變形場。表1COSI-Corr, Medicis和MicMac使用在三個相關案例中的相關參數(shù)；具體到每個軟件的參數(shù)在2.2.1，2.2.2和2.2.3中都進行了描述。軟件參數(shù)值COSI-Corr掩蔽閾值0.9迭代次數(shù)2Medicis最初的相似性閾值0.6最后的相似性閾值0.8勘探區(qū)7*3亞像素精度0.01MicMacCmin0.52勘探區(qū)5*5掃描方向數(shù)量14正則化項0.3亞像素精度0.05COSI-Corr在實施中的相關方法（Leprince

13、等人描述，2007b）是基于頻域相關。兩塊之間的相對位移采用傅立葉變換的相位差估計。相關過程包括兩個步驟：第一步是確定兩個關聯(lián)塊（窗口）之間亞像素的位移，采集相關峰值并進行初始化，然后反復地對此塊進行重新定位來彌補他們的相對位移。估計亞像素位移，最后對塊用最小化算法進行相關操作確定亞像素位（Vanpuymbroeck等人，2000；Leprince等人，2007b）COSI-Corr的用戶圖形界面為用戶提供了可選擇可能性大小的“相關性窗口”，“步驟”兩個連續(xù)像素之間的視差估計，“遮掩閥值”（允許掩蔽的頻率根據(jù)對數(shù)交叉譜中的振幅可以降低測量中的噪聲；這在大多數(shù)情況下都是合適的（Ayoub等人，2

14、009），和“迭代次數(shù)”（兩到四次迭代在大多數(shù)情況下是足夠的（Leprince等人。，2007b）。有一個可選的重采樣步驟是從Sinc采樣搬遷相關的塊。此選項從理論上消除了大部分的偏差在亞像素尺度。然而，它極大地增加了處理時間（平均的10倍），這讓它很少有用在嘈雜的圖像（Ayoub等人，2009）。經(jīng)過測試，我們決定不使用該選項，因為我們并沒有找到任何改善的結果。圖5：采用2001年的卡卡西里大地震的正射影像作研究對象。事件前影像來自于SPOT1（1989年9月29日，入射角：L4.60），事件后的影像來自于SPOT4（2002年11月30日，入射角：L4.50）。該地區(qū)的結果是紅色標記區(qū)域（

15、圖6）。（對圖中引用顏色的解釋，讀者可參考本文章的Web文本解讀）。圖6：2001可可西里大地震的同震偏移場東西分量，利用圖5中的正射影像的像對。小的相關性窗口尺寸是8*8px（COSI-Corr）和9*9px（Medicis和MicMac），大的相關性窗口尺寸是64*64px（COSI-Corr）和65*65px（Medicis和MicMac）。對于小的相關窗口的垂直剖面進行疊置在一個寬約5公里，5公里的長度以加權中值法。COSI-Corr對同震位移幅度估計不足；Medicis的結果比MicMac的多一點噪音，但偏移的幅度是相同的，其結果與在大的相關性窗口相同。對于大的相關窗口，所有的三個軟

16、件檢索出來的振幅的偏移量相同(4:5 m)。2.2.2 MEDICIS (Moyen dEvaluation de Dcalages entre Images,Commun lImagerie Spatiale)MEDICIS由CNES開發(fā)（國家空間研究中心，法國）。它可用于傳感器校準，數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）的計算，圖像疊加計算圖像間的變形。應用延伸到測量像素之間的相似性是必要的各個領域，如遙感，地理和醫(yī)藥。MEDICIS提供了空間和頻率的相關性。我們選擇的頻域軟件具有較短的計算時間，給出了類似的結果。計算方法是：第一，行和列的亞像素差異是使用的相關峰值進行亞像素位移計

17、算估計。一個最大的勘探區(qū)”（或“搜索空間”）是在給定的部分估計。在“似”的初始定義的閾值的相關系數(shù)較低的綁定，在像素級，亞像素的視差是只讀型的夫婦（線、柱）與相關評分在閾值以上。亞像素位移可以用分數(shù)轉移到滑動窗口測量（inglada等人，2007），通過圖像插值完成。參數(shù)“定位精度”管理分數(shù)的變化和它所代表的要求的亞像素精度公認值在0（非常好的精度）和0.05（差）之間。二分法是一種精確搜索的迭代重采樣使用的切趾的sinc函數(shù)。一個相關的解決方案是有效的只有當它的相關性得分高于“最后的裁定”的相似性閾值”。通過平均局部測量的位移得到所有保留的采樣點計算圖像之間的全部變化（Bicheron等人，

18、2011）。圖7：正射圖像對采集于對2005年九月的阿法爾地區(qū)為大堤的研究。包括事件之前的SPOT影像（2004年12月19日，入射角：L0.424817）和事件之后的SPOT影像（2006年1月13日，入射角：R0.22152）。藍色的框表示區(qū)域的結果如表8所示。（對圖中引用顏色的解釋，讀者可參考本文章的Web文本解讀）。2.2.2 MicMac (Multi Images Correspondances par Mthodes Automatiques de Corrlation)MicMac是免費的開源軟件，該軟件在cecill-b許可下發(fā)布，在IGN被實現(xiàn)（Gographique et

19、 Forestire, 法國.）。它能計算多圖像亞像素空間域的相關性。MicMac的應用領域包括考古學文化遺產(chǎn)三維建模，地質結構和環(huán)境應用的測量（Gurin等人，2012；lisein等人，2013）。在本文的三個軟件的介紹中，MicMac是唯一一個使用正則化的軟件。這種技術可以利用小的相關窗口提供很好的結果，這是非常適合我們的獲得具有高空間分辨率的近斷層結果的目的的。MicMac采用多向動態(tài)規(guī)劃時，正則化，與能量最小化方法的基礎上，“數(shù)據(jù)連接詞”（代表數(shù)據(jù)的一致性）和“正則化項（表達表面規(guī)律的先驗假設）（Pierrot deseilligny和paparoditis，2006）。一個多分辨率

20、的方法包括在開始計算在粗分辨率和改進每一個匹配的水平分辨率。對于MicMac，多分辨率的方法主要采用的是組合不確定度是非常高的三維建模。二維相關，作為初始不確定性低，多分辨率的方法是沒有用的，我們的工作在全分辨率在每一個匹配的水平。差距的解決方案是在迭代過程中計算的解決方案，先后在每一個匹配的水平精度。在“相關性窗口”，“搜查空間”（或“勘探區(qū)”）對極幾何初始像素位置和以前的水平相關。在搜索空間，相關計算每個位置的“離散的步驟”（控制的亞像素精度）。一種變跡sinc核（THvenaz等人，2000），通過乘法的“理想”的內核，sinc核，由一個微小的和有界的支持功能，Hann功能，用于重采樣。

21、與最好的相似性/相關系數(shù)相關的解決方案仍有差距。我們適應了MicMac處理時可能出現(xiàn)的地面位移測量二維相關問題。在調整，需要指圖8：從2005年阿法爾洼地的巖脈侵入偏移場的東西分量，采用圖7中正射影像的點對。相關性窗口尺寸使用8*8px（COSI-Corr）和9*9px（Medicis和MicMac）。配置文件是堆疊在寬度2.6公里和長度10.3公里使用加權中值法得出。所有的三個軟件檢測兩個位移對應到東西軸線上裂痕的延伸為7m。出的是它在長時間的基準圖像之間的相似性非常重要的空間不均勻性的處理方法（如結合巖石區(qū)的變化很小，多雪的地區(qū)完全去相關之間的兩個合并）。為了防止不相關的相關領域的測量干擾

22、，邁克提供了使用非線性成本的選項（Pierrot deseilligny，2013）與歸一化互相關系數(shù)相關（圖1）。一個相關的閾值，的Cmin，考慮相關，低于這個閾值沒有影響。另一個參數(shù)，C，控制相關成績的影響：C值越高，相關的分數(shù)接近1的較高的影響。當一個先驗的斷層滑動方向的知識是可用的，MicMac提供使用非各向同性的正則化的可能性，在斷層滑動方向作為正則化的特權方向（Pierrotdeseilligny，2013）。MicMac的一大優(yōu)點是，它是開源的，這意味著用戶可以根據(jù)他們的具體問題，參與提高軟件。2.3初步試驗對衛(wèi)星圖像進行一系列的初步試驗。第一次試驗是在含有合成圖像亞像素位移場進

23、行，以測試的相關的能力來獲取這種變形并評價其在理想情況下的性能，其中的變形是完美的。首先，我們使用圖像不穿時，在從圖像進行合成子像素的變形對主圖像創(chuàng)建（例圖像合成的子像素的變形呈現(xiàn)在圖2和三軟件對這些圖像得到的相關結果在圖3和4）。這些測試允許我們評估三個相關參數(shù)，先對位移場之間的相關性理論的結果做比較。第二，試驗是在兩個歷時的圖像上進行測試，受歷時性的相關結果的影響。在歷時相同的情況下，我們使用了兩個衛(wèi)星正射圖像從相同的位置獲得幾個月外，沒有一個先驗的變形。合成子像素的變形（對過失相抵）產(chǎn)生的coulomb3（由地球科學界用于構造仿真MATLAB插件）。這種變形，適用于最新的圖像。使用合成圖

24、像進行了歷時的工作現(xiàn)實的場景，在變形的幅度和定位控制優(yōu)勢的機會。我們發(fā)現(xiàn)的相關的合成圖像的精度約為1=100像素（非歷時的合成圖像）和1 =10像素（歷時的合成圖像）。在相關窗口的大小的試驗表明，MicMac，不像頻域軟件，允許一個小的相關窗口的使用而不降低的結果，因為它使用了一個正則化算法。對頻域軟件，相關噪聲降低相關窗口的大小顯著增加（Binet and Bollinger，2005）。根據(jù)Leprince等人，2007b和Ayoub等人，2009，對于一個頻域軟件如COSI-Corr，32*32px被認為是一個小窗口的大小。因此，測試這種我們所認為的是一個小的相關窗口（8*8px）是一個

25、極端的情況在這種軟件下，不可靠的結果是可以預料的。由于MicMac的參數(shù)化的靈活性，我們可以通過逐步降低相關窗口的大小，測試一個錐體的方法。在相關性以及與那些獲得使用正則化方法的區(qū)域得到的結果，但他們迅速降解在困難地區(qū)，大大增加了計算時間。在實際應用中的相關結果在本文中，我們提出的相關結果，使用三個軟件（MicMac, COSI-Corr 和 Medicis）兩個同震例（瞬時地面位移由于地震）和堤防入侵案例（一個很慢的事件，發(fā)生在20天）。對于每一種情況下，我們使用兩個正射影像包圍事件。實際情況當然是更具挑戰(zhàn)性的，尤其是如果有圖像的變化意味著重要的兩個采集日期之間的時間間隔大，因此去相關的風險

26、增加。在所有的情況下，從正射糾正SPOT全色圖像的亞像素相關計算地面位移。地形信號是從3弧秒的SRTM數(shù)字高程模型的光學圖像中刪除。為了量化的位移，我們開發(fā)了（斷層位移滑移曲線），一個免費的，開源程序在MicMac包CECILL-B許可下分布式計算。方向垂直于斷層然后棧使用加權中值法剖面，與相關的分數(shù)權重。FDSC計算垂直于斷層然后使用加權中值法計算剖面，與相關的分數(shù)權重。MicMac, COSI-Corr 和 Medicis的適用于所有三列的有效參數(shù)都被總結在表1。參數(shù)是具體到每個軟件的。對于MicMac，所有的參數(shù)值，包括相關的窗口大?。?*9px），在所有情況下都是相同的。其他兩個軟件，

27、它是要適應的相關窗口的大小，根據(jù)圖像的噪聲電平。我們測試了許多大小相關窗口。窗口的大小選擇是不定性的；每一個軟件，我們目前的結果從最小的相關窗口的大小而發(fā)出的最明確的結果。3.1 2001年可可西里大地震可可西里大地震（矩震級Mw 7:8，2001年11月14日）昆侖斷層破裂對青藏高原北部超過總距離450km。這是一個最大的大陸走滑型地震記錄（Klinger等人，2005）。在走滑斷層，斷層面接近垂直并且位移主要是水平的。在Klinger等人，2005；Klinger等人，2006在2001年地震后昆侖斷層估計位移平均達到4m，一個最大的是10m。圖9：使用研究2008玉田地震的正射圖像對。包

28、括事件發(fā)生前的SPOT5影像（2002年8月25日，入射角：L1.733520）和事件發(fā)生后的SPOT5影像（2008年6月26日，入射角：L2.206474）。事件是在一個幾乎完全被雪覆蓋的區(qū)域；地表破裂，在冰川在事件后的圖像（插圖）中依稀可見。綠色框表示區(qū)域的結果，在圖10和圖11中可看到。（對圖中引用顏色的解釋，讀者可參考本文章的Web文本解讀）。我們研究的同震位移對該事件使用子像素的相關性在SPOT1事件前圖像和SPOT4事件后的圖像的一小部分，10 m一個像素大?。▓D5）。它的兩個圖像之間的長時間基線（13年以上）是非常重要的。在我們的圖像覆蓋的部分事件區(qū)域，水平位移是相當恒定的并且

29、平均位移是3.5m，最大的在4.5-5m（Xu等人，2006）。相關性在三個軟件分別使用小的和大的相關窗口中執(zhí)行。小的相關性窗口的使用對保持信號的是很重要的。所有三個軟件，沒有檢測到明顯的不連續(xù)的同震偏移場的南北向分量。變形是只有在相關的東西分量檢測到。在使用大的相關窗口的情況下，在64*64px的窗口（COSI-Corr）和65*65px的窗口（Medicis）中計算相關性時都有一個16px產(chǎn)生一個160m地面像素大小的步驟。在MicMac中，相關性窗口的尺寸為65*65px。在用8*8px（COSI-Corr）和9*9px（Medicis）這兩個小的相關性窗口尺寸有一個用4px產(chǎn)生一個40

30、m的地面像元大小，MicMac中為9*9px。MicMac的結果是全分辨率；因此需要有一個像素的大小與其他兩個軟件相同的采樣。對于小的相關窗口，COSI-Corr的結果是非常嘈雜的且同震位移幅度被低估了（圖6）。MicMac在垂直于斷層剖面棧檢索變形噪聲和幅度上提供了良好的結果。Medicis的結果比較嘈雜，但偏移振幅由MicMac對應的振幅反演得出。對于大的相關窗口，所有的三個相關檢索相同的變形振幅（4.5m，Xu 等人. (2006), Klinger等人. (2005)和Klinger等人. (2006)提出的對位移測量的一致性）。Medicis和MicMac的結果相比使用小的相關性窗口

31、時較為模糊。因此，對于其他的研究，我們目前使用COSI-Corr用最小尺寸的相關性窗口32*32px處理得到的結果(Leprince 等人., 2007b)。對于Medicis我們目前的結果無論是小的相關性窗口（如果可能的話，如果相關性噪聲是許可的）和大的相關窗口（一個窗口的大小相當于一個用于COSI-Corr的）。MicMac的所有結果都是小的相關性窗口的（9*9px）。為統(tǒng)一起見，所有相關的結果進行下采樣因子等于用于COSI-Corr相關的步驟。3.2 2005年阿法利亞堤壩入侵在2005到2010年之間，對阿法利亞（埃塞俄比亞）的Manda-Hararo裂谷是一個發(fā)生了14次堤壩入侵的裂

32、谷期。第一次最大的堤壩侵入發(fā)生在2005年9月26日，破裂產(chǎn)生了一個總共60公里長的破裂段（yirgu等人，2006；Ayele等人，2007；Grandin等人，2009），裂谷的裂縫最大的延伸達到了6m(Ayele等人, 2007; Grandin等人, 2009;Barisin等人, 2009)。這些裂谷事件的原因包括兩個不同的板塊構造和巖漿過程分離。在堤防入侵的情況下，大多數(shù)變形是抗震的（或者“無聲的”），因此，地震能量（由矩震級MW量化）是不相關的，但等效的矩震級（MEQ）7.0是基于測量數(shù)據(jù)和堤防幾何反演計算得出的（Grandin等人，2009）。2005年9月的事件被認為是有史以

33、來陸地上被觀察到的最大的斷裂事件（yirgu等人，2006）。為了測量這種入侵引起的水平位移，相關性在相隔13個月的兩個8m分辨率的SPOT4正射影像上執(zhí)行（圖7）。選擇BCOSI-Corr相關窗口的大小是32*32px為16px的步驟，其產(chǎn)生一個128米的地面像元大小。對于Medicis和MicMac，使用9*9px大小的相關性窗口并且他們的需要一個倍等于COSI-Corr的降低采樣的步驟。東西走向的結果（圖8）表明，三個軟件檢測到的兩個裂縫擴展對應的位移共7m。三個軟件都檢測位移相同的振幅，它已超過從6m擴展的最大值（Grandin等人，2009年；barisin等人，2009年；Ayel

34、e等人，2007年）。這種差異似乎是由于正射影像的問題引起的，獨立的相關，最有可能是由于不準確的衛(wèi)星姿態(tài)確定（Grandin等人，2009）和電荷耦合器件（CCD）失調引起的扭曲（barisin等人，2009）。3.3 2008年玉田大地震在青藏高原上的玉田大地震（Mw7.1,0208年3月21日）是最近的一個最大的大陸正斷層地震（Elliott等人，2010）。在這個區(qū)域內正常斷層的延伸和活動包括垂直和水平位移的變化。同震的水平位移使用兩幅5m分辨率的SPOT5正射影像的相關性測量得出（圖九）。另外一個時間間隔近6年的兩個圖像，因為白雪覆蓋了很大比例的區(qū)域（包括斷層區(qū)域）而使得相關的計算非常

35、困難。與此相關的地震地表變形主要是在東西方向（Elliott等人，2010），所以它是由地圖東西方向的相關性檢索得出（圖10和圖11）。最大水平偏移量由Xu等人在現(xiàn)場測量得出（2013）為3.6m。在這種情況下，COSI-Corr最好的結果是用32*32px像素中的8像素步驟的相關性窗口獲得的，產(chǎn)生一個40米的地面像元大小。對于Medicis，它通過小的相關性窗口（9*9px）得出的結果是不令人滿意的，他們提出了使用一個相關性窗口尺寸得出的結果相當于一個使用COSI-Corr得出的結果（圖11）。在這種非常困難的情況下，MicMac是唯一的能夠過失相抵的使用較小的相關窗口提供了一個清晰的圖像的

36、軟件。在圖11中，通過MicMac (相關性窗口大小為 9 * 9 px),，COSI-Corr(32 * 32 px) 和 Medicis (33 * 33 px)檢索出的位移振幅為2.7m。這個值得到了Xu等人（2013）的同意。圖10：2008年玉田大地震同震偏移場的東西分量，使用圖9中SPOT正射影像的點對得出。相關性窗口的尺寸采用32*32px（COSI-Corr），9*9px（Medicis）和9*9px（MicMac）。配置文件采用加權中值法疊置在寬1.6km、長1.6km的區(qū)域內。COSI-Corr（使用大的相關性窗口）和MicMac（使用小的相關性窗口）檢測道德地震偏移量相同

37、，都為2.7m；Medicis采用小的相關性窗口得出的結果是不令人滿意的，也不能的檢測得到較好的偏移振幅數(shù)據(jù)。圖11：2008年玉田大地震同震偏移場的東西分量，使用圖9中SPOT正射影像的點對得出。相關性窗口的尺寸采用32*32px（COSI-Corr），9*9px（Medicis）和9*9px（MicMac）。三個軟件檢測出的同震偏移都為2.7m。討論及結論我們?yōu)榱舜_定三個軟件的最佳參數(shù)進行了大量的測試，并選擇每個軟件得出的最好的結果。不像Medicis和MicMac，COSI-Corr沒有提供很多的參數(shù)供用戶選擇，這也可以看做是一個優(yōu)勢（它使用起來很容易），但是同樣也是一個缺點因為用戶沒有

38、很多的選擇特別是相關情況比較困難的時候。Medicis是很容易使用的，盡管他有大量的參數(shù)和沒有圖形用戶界面，MicMac同樣有大量的參數(shù)，但他有一個簡單的命令行接口專用于測量地面位移的，是可利用的（Pierrot-Deseilligny, 2013）。我們套用的例子讓我們能夠評估每個軟件的性能。對于可可西里大地震，我們面臨的挑戰(zhàn)主要是SPOT1和SPOT4兩幅影像之間的長時間基線，斷層地區(qū)在高山雪地中和多傳感器圖像的使用。它允許我們研究如何能在困難的情況下，讓每個軟件找到斷層信號，檢測小的和大的相關性窗口。我們的主要目的是為了精細的評價地面變形并讓其有詳細的結果，因此如果相關噪聲允許的話使用小

39、的相關性窗口是很有必要的。阿法利亞的堤防入侵是在成像條件良好的情況下的一個很好的案例：它發(fā)生在一個沒有明顯的季節(jié)變化的沙化地區(qū)，并且兩幅SPOT4影像之間的時間間隔較短。而玉田地震是一個非常困難的案例：兩幅SPOT5影像之間近6年的相對較長的時間間隔和在雪地是非常困難的由于去相關的高風險是很難檢索到斷層信號的。由于所有這些不利條件，這是一個極端的軟件的效率測試。頻域軟件如預期的一樣，COSI-Corr在使用大的相關性窗口時（最小值32*32px ，Leprince等人（2007（b）和Ayoub等人（2009）指定）能提供很好的處理結果，但當使用較小的相關性窗口時結果并不令人滿意。然而，盡管使

40、用頻率域，Medicis在第一和第二例中使用一個小的相關性窗口也能準確的測量變形振幅。在最難的研究案例中（玉田），MicMac是唯一能在小的相關性窗口中給出較好的結果并且提供較好的斷層信號圖片的軟件（例如，正則化，非線性相關的成本）。MicMac似乎更不易受噪音影響并能夠處理大型的空間尺度，和由于長時間間隔引起的積雪和季節(jié)變化。這說明MicMac是一個通過影像相關性高質量的測量地面變形的免費開源軟件。致謝作者希望感謝CNES通過TOSCA程序和將Medicis借給我們使用資助該項目。我們感謝Stphane，Raphal Grandin，Stphanie Dumont 和 Belle Phili

41、bosian在Medicis方面給我們的寶貴的幫助和建設性意見。我們感謝兩位匿名審稿人，幫助改善這手稿。IPGP投稿編號3501。參考文獻Ayele, A., Jacques, E., Kassim, M., Kidane, T., Omar, A., Tait, S., Nercessian, A., de Chabalier, J.-B., King, G., 2007. The volcanoseismic crisis in Afar, Ethiopia,starting September 2005. Earth Planetary Sci. Lett. 255, 177187. H

42、YPERLINK /10.1016/j.epsl.2006.12.014 /10.1016/j.epsl.2006.12.014.Ayoub, F., Leprince, S., Keene, L., 2009. Users Guide to COSI-CORR, Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation. .Barisin, I., Leprince, S., Parsons, B., Wright, T., 2009. Surface displacements in the September 2005 Afar

43、 rifting event from satellite image matching: asymmetric uplift and faulting. Geophys. Res. Lett. 36 (L07301). HYPERLINK /10.1029/2008GL036431 /10.1029/2008GL036431.Bicheron, P., Amberg, V., Bourg, L., Petit, D., Huc, M., Miras, B., Brockmann, C.,Delwart, S., Ranra, F., Hagolle, O., Leroy, M., Arino

44、, O., 2011. Geolocation assessment of MERIS GlobCover orthorectified products. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 49 (8), 29722982. HYPERLINK /10.1109/TGRS.2011.2122337 /10.1109/TGRS.2011.2122337.Binet, R., Bollinger, L., 2005. Horizontal coseismic deformation of the 2003 Bam(Iran) earthquake measured

45、 from SPOT-5 THR satellite imagery. Geophys. Res.Lett. 32 (L02307). HYPERLINK /10.1029/2004GL021897 /10.1029/2004GL021897.Casson, B., Delacourt, C., Allemand, P., 2005. Contribution of multi-temporal remote sensing images to characterize landslide slip surface application to the La Clapire landslide

46、 (France). Nat. Hazards Earth Syst. Sci. (5), 425437.Delacourt, C., Allemand, P., Casson, B., Vadon, H., 2004. Velocity field of the La Clapire landslide measured by the correlation of aerial and QuickBird satellite images. Geophys. Res. Lett. 31 (L15619). HYPERLINK /10.1029/2004GL020193 /10.1029/20

47、04GL020193.Dominguez, S., Avouac, J.-P., Michel, R., 2003. Horizontal coseismic deformation of the 1999 ChiChi earthquake measured from SPOT satellite images: implications for the seismic cycle along the western foothills of central Taiwan. J. Geophys. Res. 108 (B2). HYPERLINK /10.1029/2001JB000951

48、/10.1029/2001JB000951.Elliott, J.R., Walters, R.J., England, P.C., Jackson, J.A., Li, Z., Parsons, B., 2010. Extension on the Tibetan plateau: recent normal faulting measured by InSAR and body wave seismology. Geophys. J. Int. (183), 503535. HYPERLINK /10.1111/j.1365-246X.2010.04754.x /10.1111/j.136

49、5-246X.2010.04754.x.Grandin, R., Socquet, A., Binet, R., Klinger, Y., Jacques, E., de Chabalier, J.-B., King, G.C.P., Lasserre, C., Tait, S., Tapponnier, P., Delorme, A., Pinzuti, P., 2009. September 2005 Manda HararoDabbahu rifting event, Afar (Ethiopia): constraints provided by geodetic data. J. G

50、eophys. Res. 114 (B08404). http:/ /10.1029/2008JB005843.Gurin, C., Binet, R., Pierrot-Deseilligny, M., 2012. Dtection des changements dlvation dune scne par imagerie satellite stroscopique. In: Reconnaissance des Formes et Intelligence Artificielle (RFIA), lyon, France.Hermas, E., Leprince, S., El-M

51、agd, I.A., 2012. Retrieving sand dune movements using sub-pixel correlation of multi-temporal optical remote sensing imagery, northwest Sinai Peninsula, Egypt. Remote Sens. Environ. 121, 5160. http:/ /10.1016/j.rse.2012.01.002.Hollingsworth, J., Leprince, S., Ayoub, F., Avouac, J.-P., 2012. Deformat

52、ion during the 19751984 Krafla rifting crisis, NE Iceland, measured from historical optical imagery. J. Geophys. Res. 117 (B11407), HYPERLINK /10.1029/2012JB009140 /10.1029/2012JB009140.Inglada, J., Muron, V., Pichard, D., Feuvrier, T., 2007. Analysis of artifacts in subpixel remote sensing image re

53、gistration. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 45 (1), 254264. HYPERLINK /10.1109/TGRS.2006.882262 /10.1109/TGRS.2006.882262.Klinger, Y., Xu, X., Tapponnier, P., der Woerd, J.V., Lasserre, C., King, G., 2005. Highresolution satellite imagery mapping of the surface rupture and slip distribution of the

54、Mw 7:8, 14 November 2001 Kokoxili Earthquake, Kunlun Fault, Northern Tibet, China. Bull. Seismol. Soc. Am. 95 (5), 19701987. http:/ /10.1785/0120040233.Klinger, Y., Michel, R., King, G., 2006. Evidence for an earthquake barrier model from Mw 7:8 Kokoxili (Tibet) earthquake slip-distribution. Earth P

55、lanet. Sci. Lett. (242), 354364. HYPERLINK /10.1016/j.epsl.2005.12.003 /10.1016/j.epsl.2005.12.003.Leprince, S., Ayoub, F., Klinger, Y., Avouac, J.-P., 2007a. Co-registration of optically sensed images and correlation (COSI-Corr): an operational methodology for ground deformation measurements, in: I

56、EEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Barcelona, Spain.Leprince, S., Barbot, S., Ayoub, F., Avouac, J.-P., 2007b. Automatic and preciseorthorectification, coregistration, and subpixel correlation of satellite images, application to ground deformation measurements. IEEE

57、Trans. Geosci. Remote Sens. 45 (6), 15291558. HYPERLINK /10.1109/TGRS.2006.888937 /10.1109/TGRS.2006.888937.Lisein, J., Pierrot-Deseilligny, M., Bonnet, S., Lejeune, P., 2013. A photogrammetric workflow for the creation of a forest canopy height model from small unmanned aerial system imagery. Forests 4 (4), 922944. HYPERLINK /10.3390/f