孫鶴泉，方 芳

（海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018）

基于魯棒光流算法的海表流場(chǎng)遙感觀測(cè)研究

孫鶴泉，方 芳

（海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018）

海洋表面流場(chǎng)是海洋科學(xué)研究中需要著重考慮的環(huán)境參數(shù)，近實(shí)時(shí)的海洋表面流場(chǎng)精細(xì)化測(cè)量對(duì)海洋學(xué)研究有著重要意義，但是目前大多數(shù)海洋表面流場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)難以同步實(shí)現(xiàn)大范圍近實(shí)時(shí)的海洋表面流場(chǎng)觀測(cè)。文中在簡(jiǎn)要對(duì)比各類海洋表面流場(chǎng)測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了基于水色遙感圖像觀測(cè)反演海洋表面流場(chǎng)的魯棒光流算法，該算法在流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，能很好地保留流場(chǎng)細(xì)節(jié)信息。為直觀驗(yàn)證本文測(cè)量方法的可靠性，文中提供了海洋表面流場(chǎng)的分析實(shí)例，同時(shí)給出了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提供的OSCAR流場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)文中算法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

海洋遙感；海洋表面流場(chǎng)；魯棒光流算法

海表流場(chǎng)在海洋研究中占據(jù)重要地位，比如：海表流場(chǎng)深刻影響海氣相互作用、通量交換等物理過(guò)程，同時(shí)，海表流場(chǎng)影響浮游植物以及泥沙等懸浮物的輸送，此外，海表流場(chǎng)對(duì)海洋工程設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)也有不可忽略的影響。另一方面，海表流場(chǎng)對(duì)觀測(cè)海水的整體運(yùn)動(dòng)有一定程度貢獻(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的海洋表面流場(chǎng)觀測(cè)對(duì)全球氣候變化的認(rèn)識(shí)起到積極作用。目前存在許多海洋表面流場(chǎng)分析觀測(cè)技術(shù)，比如，利用ADCP等設(shè)備，可獲取某一固定海域的多層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；利用海洋中的漂浮物或者浮標(biāo)，通過(guò)觀測(cè)其漂流軌跡，可粗略估算得到海洋表層流速[1]；而利用岸基高頻雷達(dá)陣列，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸廣闊海域表面流場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)[2-3]；利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)及散射計(jì)數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海表流場(chǎng)進(jìn)行反演[1，4]，如目前美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的OSCAR (Ocean Surface Current Analyses-Real Time)產(chǎn)品，就能提供1/3°水平分辨率、5 d時(shí)間間隔的全球海洋表面流場(chǎng)數(shù)據(jù)。上述測(cè)量技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，具有較高可靠性，一定程度上可作為新興技術(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

上述測(cè)量方式在具有較高可靠性的同時(shí)，都或多或少存在限制，比如，ADCP設(shè)備能獲取的海表流場(chǎng)數(shù)據(jù)范圍窄，很難實(shí)現(xiàn)大范圍同步測(cè)量，而且觀測(cè)過(guò)程中很容易受到過(guò)往船只等外界因素的影響；跟蹤浮標(biāo)漂流軌跡方法，測(cè)點(diǎn)位置不可控，而且僅能獲得一組非同步數(shù)據(jù)，難以實(shí)現(xiàn)精確的流速值測(cè)量；岸基高頻雷達(dá)陣列雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)海表流場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，但觀測(cè)系統(tǒng)僅適用于岸基操作，無(wú)法靈活移動(dòng)，應(yīng)用于遠(yuǎn)洋觀測(cè)的可能性低；高度計(jì)數(shù)據(jù)雖然能做到反演全球海表流場(chǎng)，但不能實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)反演，而且水平分辨率差，無(wú)法滿足中小尺度海洋現(xiàn)象觀測(cè)需求[5]。

除以上各測(cè)量方法外，在衛(wèi)星遙感技術(shù)高度發(fā)展的今天，海洋水色衛(wèi)星遙感載荷性能大幅提升，利用高分辨率水色數(shù)據(jù)和SST數(shù)據(jù)觀測(cè)海表流場(chǎng)成為可能[6-11]，而且這類方法的可靠性和測(cè)量精度已通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)、高頻雷達(dá)陣列數(shù)據(jù)及高度計(jì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證[6-7,10-12]。

本文將詳細(xì)介紹利用海洋水色遙感圖像對(duì)海洋表面流場(chǎng)進(jìn)行反演觀測(cè)的魯棒光流算法[12-14]，該算法能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜海表流場(chǎng)細(xì)節(jié)信息的良好反演，同時(shí)，基于所利用的遙感數(shù)據(jù)，其時(shí)間分辨率和空間分辨率具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 遙感數(shù)據(jù)

隨著可見光與紅外波段衛(wèi)星載荷性能的提高，使用高水平分辨率的可見光/近紅外與熱紅外衛(wèi)星遙感圖像作為海洋表層流動(dòng)的示蹤物(Tracer)進(jìn)行海洋表面流場(chǎng)觀測(cè)成為可能。可用于海洋表面流場(chǎng)觀測(cè)的海洋遙感產(chǎn)品有遙感SST數(shù)據(jù)[15]、熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)[16]和海洋水色遙感圖像[12]等。

海水表層溫度很大程度上受海洋表面流場(chǎng)的調(diào)制，波浪、太陽(yáng)照射、風(fēng)場(chǎng)、升降流等諸多要素也對(duì)其有不可忽視的影響，使用遙感SST數(shù)據(jù)及熱紅外波段亮溫產(chǎn)品進(jìn)行海洋表面流場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，要求用于分析的兩組遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔盡可能小[6,9,11]。與遙感SST數(shù)據(jù)不同，葉綠素濃度、離水輻亮度、懸浮物濃度等水色參數(shù)雖然一定程度上受到浮游植物生長(zhǎng)消衰的影響，但這些因素對(duì)海洋表面流場(chǎng)的測(cè)量影響較小。本文認(rèn)為，通過(guò)海洋水色圖像得到的葉綠素濃度、海水懸浮物濃度等海洋水色產(chǎn)品應(yīng)更適用于海洋表面流場(chǎng)的測(cè)量。

只要水平分辨率和成像時(shí)間間隔滿足要求，在極軌衛(wèi)星和地球靜止衛(wèi)星兩類平臺(tái)上獲得的遙感SST數(shù)據(jù)或海洋水色遙感數(shù)據(jù)都可以用來(lái)觀測(cè)海洋表面流場(chǎng)，本文采用韓國(guó)發(fā)射的世界上第一顆地球靜止海洋氣象通訊衛(wèi)星COMS(Communication,Ocean and Meteorological Satellite)攜帶的遙感載荷GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)傳感器提供的海洋水色圖像。GOCI具備監(jiān)測(cè)海洋及海岸水體的獨(dú)特能力，水平分辨率達(dá)500 m，時(shí)間分辨率為1 h，觀測(cè)中心位于36°N，130°E，可監(jiān)測(cè)2 500 km×2 500 km的區(qū)域。

圖1 2013年4月28日海水葉綠素濃度分布圖

如圖1所示的兩幅圖像是2013年4月28日獲得的L2級(jí)海水葉綠素濃度圖像，圖像中的像素灰度值與葉綠素濃度成正比，所在區(qū)域?yàn)楹诔蹦┒瞬糠趾Ｓ?。顯而易見，兩張圖像灰度值在視覺上有很好的相似性。利用本文介紹的魯棒光流算法可以定量計(jì)算出遙感圖像之間的相關(guān)性，進(jìn)而得到海洋表面流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2 魯棒光流算法介紹

光流算法將像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度視為流場(chǎng)進(jìn)行分析，是一種重要的圖像匹配運(yùn)動(dòng)分析方法，下面對(duì)光流方法的原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

令I(lǐng)(x,y,t)為圖像上的點(diǎn)(x,y)在時(shí)刻t的像素值，該點(diǎn)在時(shí)刻 t+Δt時(shí)運(yùn)動(dòng)到(x+Δx,y+Δy)，對(duì)應(yīng)的灰度值變?yōu)镮(x+Δx,y+Δy,t+Δt)，假設(shè)兩個(gè)時(shí)刻的像素分布相同且圖像沿x，y，t三個(gè)方向光滑變化，可以得到：

u=dx/dt，v=dy/dt為像素位移矢量沿x和y方向的兩個(gè)分量，只考慮一階泰勒展開的情況，得到基本光流約束方程：

基本光流約束方程中含有兩個(gè)未知數(shù)，是一個(gè)解的不確定問(wèn)題，也稱孔徑問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者提出了多種克服該不適定問(wèn)題的算法。本文采用了Brox等人提出的方法，使用式(3)列出的能量泛函作為約束條件[13-14]。

關(guān)于魯棒光流算法計(jì)算結(jié)果可靠性的判斷準(zhǔn)則，結(jié)合流場(chǎng)矢量的連續(xù)性，筆者在近期發(fā)表的論文中進(jìn)行了簡(jiǎn)單的討論[12]。

從下面的分析結(jié)果可以看出，使用魯棒光流算法獲得的海洋表面流場(chǎng)光滑連續(xù)，細(xì)節(jié)突出。

3 觀測(cè)結(jié)果

圖2所示為利用魯棒光流算法對(duì)圖1遙感數(shù)據(jù)分析得到的海表流場(chǎng)。在黑潮末端海域，黑潮出現(xiàn)明顯的“蛇曲”現(xiàn)象，且該區(qū)域?yàn)橹谐叨葴u旋多發(fā)區(qū)域[17]。在圖2所示的流場(chǎng)中，可以明顯看出黑潮流軸以及黑潮流軸方向的改變，同時(shí)可以看出存在兩個(gè)明顯的渦旋分布在黑潮流軸兩側(cè)，為驗(yàn)證本文算法的可靠性，圖3～圖4給出了美國(guó)NASA的OSCAR海表流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖2 魯棒光流算法反演結(jié)果

圖3 2013年4月26日OSCAR流場(chǎng)

圖4 2013年5月1日OSCAR流場(chǎng)

因?yàn)镺SCAR數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率為5 d，因而給出4月26日及5月1日兩組OSCAR流場(chǎng)數(shù)據(jù)，為便于比較，圖3～圖4矢量數(shù)據(jù)采用的比例尺同圖2一致。

分析圖3～圖4流場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，黑潮流軸所在位置速度變化較小，因而可利用黑潮流軸區(qū)域流場(chǎng)數(shù)據(jù)作為魯棒光流算法計(jì)算結(jié)果可靠性的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。圖2同圖3～圖4直觀對(duì)比可知，在黑潮流軸上，由魯棒光流算法計(jì)算得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)同OSCAR流場(chǎng)數(shù)據(jù)很好吻合，可見魯棒光流算法可以準(zhǔn)確地估算反演海表流場(chǎng)。

由于魯棒光流算法所利用的水色遙感圖像數(shù)據(jù)具有較高的時(shí)空分辨率，分析圖2可知，利用魯棒光流算法得到的海表流場(chǎng)更為精細(xì)化。對(duì)比OSCAR數(shù)據(jù)，在黑潮流軸轉(zhuǎn)向位置，利用魯棒光流算法得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)清晰地描繪出黑潮流軸轉(zhuǎn)向信息，同時(shí)，在圖3～圖4中，可發(fā)現(xiàn)黑潮流軸北側(cè)存在較為明顯渦旋，而南側(cè)雖有渦旋狀結(jié)構(gòu)，但渦旋信息難以辨別，可見作為時(shí)間分辨率為5 d的平均流場(chǎng)，復(fù)雜流場(chǎng)信息難以準(zhǔn)確反演；而圖2中利用魯棒光流算法所得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，其時(shí)間分辨率為1 h，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)信息的近實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反演，能很好地彌補(bǔ)OSCAR數(shù)據(jù)的不足。利用圖2流場(chǎng)數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確獲取分析時(shí)段內(nèi)分析海域的渦旋位置、渦旋近實(shí)時(shí)流速、渦旋大小等信息，可見利用高分辨率水色遙感圖像反演海表流場(chǎng)的魯棒光流算法具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論與展望

利用本文介紹的魯棒光流算法對(duì)海洋水色遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到關(guān)注區(qū)域海洋表面流場(chǎng)的精細(xì)化分布，這種優(yōu)勢(shì)是其他測(cè)量方法無(wú)法比擬的。

本文中采用的遙感數(shù)據(jù)來(lái)自地球靜止衛(wèi)星。一般而言，極軌衛(wèi)星上載荷的水平分辨率優(yōu)于地球靜止衛(wèi)星，而時(shí)間分辨率則差一些。隨著遙感載荷性能的提升、極軌水色衛(wèi)星數(shù)量的增加、國(guó)內(nèi)外遙感領(lǐng)域合作的加強(qiáng)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)多星組網(wǎng)，可以彌補(bǔ)極軌數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的不足；將本文介紹的魯棒光流算法與極軌衛(wèi)星遙感產(chǎn)品相結(jié)合，就能夠發(fā)揮極軌衛(wèi)星載荷水平分辨率的優(yōu)勢(shì)，為海洋科學(xué)研究分析出可靠的精細(xì)化海洋表面流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

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Study on the Remote Sensing Observation on Sea Surface Current Based on Robust Optical Flow Algorithm

SUN He-quan,FANG Fang
Department of Military Oceanography,Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China

As one of the most essential ocean phenomena and parameters,sea surface current is an important environmental factor for the study of physical oceanography.Accurate and real-time measurement of sea surface currents is of great significance,but current technologies are not able to achieve simultaneous,near-real-time and large-scale sea surface observation.In this paper,some general reliable means to measure sea surface currents are presented and briefly introduced,with the robust optical flow algorithm expounded in a detailed manner,which is very useful for measuring complicated sea surface currents.This paper provides some real cases of analyzing sea surface currents,and the reliability can be verified by comparing with the OSCAR current field data provided by the National Aeronautics and Space Administration(NASA).

ocean color remote sensing;sea surface currents;robust optical flow algorithm

TP75

A

1003-2029（2017）05-0094-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.015

2017-07-07

孫鶴泉（1973-），男，副教授，主要從事海洋遙感、海洋技術(shù)與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方法研究。E-mail:hqsun@dlut.edu.cn