Parameter Optimization of the SAR POT Method for NCC Stacking and the Yanong Glacier Velocity Extraction

YIN Xiebing; LI Menghua; FENG Bin; LIU Ying; YANG Mengshi; TANG Bohui

doi:10.13203/j.whugis20240303

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Parameter Optimization of the SAR POT Method for NCC Stacking and the Yanong Glacier Velocity Extraction

更新时间：2026-11-05

- Parameter Optimization of the SAR POT Method for NCC Stacking and the Yanong Glacier Velocity Extraction
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 50, Issue 8, Pages: 1705-1718(2025)
- 作者机构：
  
  1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明，650093
  2.云南省定量遥感重点实验室（筹），云南昆明，650093
  3.云南省山地灾害天空地一体化智慧监测国际联合实验室，云南昆明，650093
  4.云南大学地球科学学院，云南昆明，650500
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20240303
  CLC： P237
- Received：24 September 2024，
  
  Published：05 August 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
尹谢兵,李梦华,俸彬，等.NCC堆叠的SAR POT方法参数优化及雅弄冰川流速提取[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(8):1705-1718.

YIN Xiebing,LI Menghua,FENG Bin,et al.Parameter Optimization of the SAR POT Method for NCC Stacking and the Yanong Glacier Velocity Extraction[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(8):1705-1718.
尹谢兵,李梦华,俸彬，等.NCC堆叠的SAR POT方法参数优化及雅弄冰川流速提取[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(8):1705-1718. DOI：10.13203/j.whugis20240303

YIN Xiebing,LI Menghua,FENG Bin,et al.Parameter Optimization of the SAR POT Method for NCC Stacking and the Yanong Glacier Velocity Extraction[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(8):1705-1718. DOI：10.13203/j.whugis20240303

摘要

山地冰川表面运动特征对于识别冰川链式灾害和研究全球气候变化具有重要意义。基于影像匹配的像素偏移量追踪（pixel offset tracking，POT）方法是提取冰川表面大梯度形变的有效手段，然而POT方法的测量精度与影像分辨率密切相关，周期性获取的Sentinel-1分辨率较低（约5×20 m），在狭长形态的山地冰川上使用小窗口匹配时噪声的影响大，归一化互相关系数（normalized cross-correlation，NCC）峰值低，难以获取可靠的冰川位移。利用时序影像对的NCC堆叠提高NCC峰值，降低噪声的影响，牺牲了一定的时间分辨率来提高POT方法小窗口匹配的精度。通过对比堆叠数、搜索距离、匹配窗口大小等不同参数设置对实验结果的影响，提供POT方法计算位移的最佳参数组合策略。将该方法应用于雅弄冰川表面流速提取，使用2017年10月—12月间Sentinel-1升轨数据集，提取了该时段冰川表面的形变。进行NCC堆叠后，非冰川区域的噪声被很好的抑制，冰川区域显示出了更强的空间覆盖和空间连续。稳定区域速度残差的平均值和方差都得到了不同程度的减小，堆叠NCC计算的速度残差均值比单像对NCC减小到1/2以下，速度残差的标准差减小到原来的1/3，大多数区域都表现出了强信噪比增益。

Abstract

Objective

The surface movement characteristics of mountain glaciers are crucial for identifying potential glacial chain disasters and studying global climate change. The pixel offset tracking (POT) method based on image matching is an effective method of detecting large-gradient deformations on glacier surfaces. However

the accuracy of the POT method is closely related to image resolution. The Sentinel-1 imagery

acquired at regular intervals

has a relatively low resolution (approximately 5×20 m). In the case of small window matching on narrow mountain glaciers

the method is highly susceptible to noise

which reduces normalized cross-correlation (NCC) peak values and hinder the acquisition of reliable glacier displacement measurements.

Method

To improve NCC peak values and reduce noise interference

this study utilizes NCC stacking from time-series image pairs

which enhances the accuracy of the POT method with small window matching

albeit at the expense of some temporal resolution. By comparing the effects of different parameter settings

such as the number of stackings

search distance

and matching window size on the experimental results

the study offers an optimal strategy for parameter selection when calculating displacement using the POT method.

Results

The settings of parameters like search distance and matching window size in POT calculations significantly influence experimental outcomes. Compared to single-image pair calculations with the same parameter settings

NCC stacking significantly improves the spatial continuity and coverage of the velocity field of the Yanong Glacier. Additionally

the mean and variance of velocity residuals in stable regions are reduced to varying degrees

with most areas exhibiting a strong signal-to-noise ratio gain.

Conclusion

The settings for the search window and matching window are crucial for ensuring accurate displacement tracking. Larger windows tend to produce better displacement field results but may smooth out the edges and local details of the glacier. Using NCC stacking allows for robust tracking of glacier velocity on smaller windows

achieving coverage comparable to large-template pairwise NCC. This makes NCC stacking the preferred method

especially when the template size is constrained by the area of small-scale glaciers.

关键词

Keywords

references

IMMERZEEL W W ， LUTZ A F ， ANDRADE M ， et al . Importance and Vulnerability of the World’s Water Towers ［J］. Nature ， 2020 ， 577 （ 7790 ）： 364 - 369 .

LI Y ， CUI Y F ， HU X ， et al . Glacier Retreat in Eastern Himalaya Drives Catastrophic Glacier Hazard Chain ［J］. Geophysical Research Letters ， 2024 ， 51 （ 8 ）： e2024GL108202 .

BASSIS J N ， BERG B ， CRAWFORD A J ， et al . Transition to Marine Ice Cliff Instability Controlled by Ice Thickness Gradients and Velocity ［J］. Science ， 2021 ， 372 （ 6548 ）： 1342 - 1344 .

MOHR J J ， REEH N ， MADSEN S N . Three-Dimensional Glacial Flow and Surface Elevation Measured with Radar Interferometry ［J］. Nature ， 1998 ， 391 ： 273 - 276 .

JOUGHIN I . Ice-Sheet Velocity Mapping： A Combined Interferometric and Speckle-Tracking Approach ［J］. Annals of Glaciology ， 2002 ， 34 ： 195 - 201 .

GOLDSTEIN R M ， ENGELHARDT H ， KAMB B ， et al . Satellite Radar Interferometry for Monitoring Ice Sheet Motion： Application to an Antarctic Ice Stream ［J］. Science ， 1993 ， 262 （ 5139 ）： 1525 - 1530 .

MINCHEW B M ， SIMONS M ， RIEL B ， et al . Tidally Induced Variations in Vertical and Horizontal Motion on Rutford Ice Stream， West Antarctica， Inferred from Remotely Sensed Observations ［J］. Journal of Geophysical Research： Earth Surface ， 2017 ， 122 （ 1 ）： 167 - 190 .

RIGNOT E J . Fast Recession of a West Antarctic Glacier ［J］. Science ， 1998 ， 281 （ 5376 ）： 549 - 551 .

熊俊麟，范宣梅，窦向阳，等 . 藏东南然乌湖流域雅弄冰川流速季节性变化［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2021 ， 46 （ 10 ）： 1579 - 1588 .

XIONG Junlin ， FAN Xuanmei ， DOU Xiangyang ， et al . Seasonal Variation of Yalong Glacier’s Velocity in Ranwu Lake Basin， Southeast Tibetan Plateau ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2021 ， 46 （ 10 ）： 1579 - 1588 .

MILLAN R ， MOUGINOT J ， RABATEL A ， et al . Ice Velocity and Thickness of the World’s Glaciers ［J］. Nature Geoscience ， 2022 ， 15 ： 124 - 129 .

BOXALL K ， CHRISTIE F D W ， WILLIS I C ， et al . Seasonal Land-Ice-Flow Variability in the Antarctic Peninsula ［J］. The Cryosphere ， 2022 ， 16 （ 10 ）： 3907 - 3932 .

SAMSONOV S ， TIAMPO K ， CASSOTTO R . Measuring the State and Temporal Evolution of Glaciers in Alaska and Yukon Using Synthetic-Aperture-Radar-Derived （SAR-Derived） 3D Time Series of Glacier Surface Flow ［J］. Cryosphere Discuss ， 2020 ， 15 （ 9 ）： 4221 - 4239 .

周春霞，邓方慧，艾松涛，等 . 利用DInSAR的东南极极记录和达尔克冰川冰流速提取与分析［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2014 ， 39 （ 8 ）： 940 - 944 .

ZHOU Chunxia ， DENG Fanghui ， AI Songtao ， et al . Determination of Ice-Flow Velocity at the Polar Record Glacier and Dalk Glacier Using DInSAR ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2014 ， 39 （ 8 ）： 940 - 944 .

DE LANGE R ， LUCKMAN A ， MURRAY T . Improvement of Satellite Radar Feature Tracking for Ice Velocity Derivation by Spatial Frequency Filtering ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2007 ， 45 （ 7 ）： 2309 - 2318 .

DEBELLA-GILO M ， KÄÄB A . Locally Adaptive Template Sizes for Matching Repeat Images of Earth Surface Mass Movements ［J］. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing ， 2012 ， 69 ： 10 - 28 .

LEINSS S ， LI S ， FREY O . Measuring Glacier Velocity by Autofocusing Temporally Multilooked SAR Time Series ［C］// IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS ， Brussels， Belgium ， 2021 .

AHN Y ， HOWAT I M . Efficient Automated Glacier Surface Velocity Measurement from Repeat Images Using Multi-image/Multichip and Null Exclusion Feature Tracking ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2011 ， 49 （ 8 ）： 2838 - 2846 .

LEE S ， KIM S ， AN H ， et al . Ice Velocity Variations of the Cook Ice Shelf， East Antarctica， from 2017 to 2022 from Sentinel-1 SAR Time-Series Offset Tracking ［J］. Remote Sensing ， 2023 ， 15 （ 12 ）： 3079 .

刘国祥，张波，张瑞，等 . 联合卫星SAR和地基SAR的海螺沟冰川动态变化及次生滑坡灾害监测［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2019 ， 44 （ 7 ）： 980 - 995 .

LIU Guoxiang ， ZHANG Bo ， ZHANG Rui ， et al . Monitoring Dynamics of Hailuogou Glacier and the Secondary Landslide Disasters Based on Combination of Satellite SAR and Ground-Based SAR ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2019 ， 44 （ 7 ）： 980 - 995 .

王群，范景辉，周伟，等 . DEM辅助偏移量跟踪技术的山地冰川运动监测研究［J］. 国土资源遥感， 2018 ， 30 （ 3 ）： 167 - 173 .

WANG Qun ， FAN Jinghui ， ZHOU Wei ， et al . Research on the DEM-Assisted Offset Tracking Technique Applied to Glaciers Movement Monitoring ［J］. Remote Sensing for Land & Resources ， 2018 ， 30 （ 3 ）： 167 - 173 .

HEID T ， KÄÄB A . Evaluation of Existing Image Matching Methods for Deriving Glacier Surface Displacements Globally from Optical Satellite Imagery ［J］. Remote Sensing of Environment ， 2012 ， 118 ： 339 - 355 .

LI S Y ， LEINSS S ， HAJNSEK I . Cross-Correlation Stacking for Robust Offset Tracking Using SAR Image Time-Series ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing ， 2021 ， 14 ： 4765 - 4778 .

KEANE R D ， ADRIAN R J . Theory of Cross-Correlation Analysis of PIV Images ［J］. Applied Scientific Research ， 1992 ， 49 （ 3 ）： 191 - 215 .

MEINHART C D ， WERELEY S T ， SANTIAGO J G . A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields ［J］. Journal of Fluids Engineering ， 2000 ， 122 （ 2 ）： 285 - 289 .

BOHS L ， GEIMAN B ， Trahey G . Ensemble Tracking： A New Method for 2D Vector Velocity Measurement ［C］// IEEE Ultrasonics Symposium ， Seattle， WA， USA， 1995 .

BOHS L N ， GEIMAN B J ， ANDERSON M E ， et al . Ensemble Tracking for 2D Vector Velocity Measurement： Experimental and Initial Clinical Results ［J］. IEEE Transactions on Ultrasonics， Ferroelectrics， and Frequency Control ， 1998 ， 45 （ 4 ）： 912 - 924 .

ALTENA B ， KÄÄB A . Ensemble Matching of Repeat Satellite Images Applied to Measure Fast-Changing Ice Flow， Verified with Mountain Climber Trajectories on Khumbu Icefall， Mount Everest ［J］. Journal of Glaciology ， 2020 ， 66 （ 260 ）： 905 - 915 .

LIU L ， JIANG L M ， JIANG H J ， et al . Accelerated Glacier Mass Loss （2011–2016） over the Puruogangri Ice Field in the Inner Tibetan Plateau Revealed by Bistatic InSAR Measurements ［J］. Remote Sensing of Environment ， 2019 ， 231 ： 111241 .

GUO R ， LI S M ， CHEN Y N ， et al . Identification and Monitoring Landslides in Longitudinal Range-Gorge Region with InSAR Fusion Integrated Visibility Analysis ［J］. Landslides ， 2021 ， 18 （ 2 ）： 551 - 568 .

SUN L Y ， MULLER J P . Evaluation of the Use of Sub-Pixel Offset Tracking Techniques to Monitor Landslides in Densely Vegetated Steeply Sloped Areas ［J］. Remote Sensing ， 2016 ， 8 （ 8 ）： 659 .

PROVOST F ， MALET J P ， MICHEA D ， et al . Terrain Deformation Measurements from Optical Satellite Imagery： On-Line Processing Services for Geohazards Monitoring ［C］// IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS ， Brussels， Belgium ， 2021 .

STUMPF A ， MALET J P ， PUISSANT A ， et al . 5-Monitoring of Earth Surface Motion and Geomorphologic Processes by Optical Image Correlation ［M］. Baghdadi N， Zribi M，eds. Elsevier ： Land Surface Remote Sensing：Environment and Risks ， 2016 ： 147 - 190 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Thoughts on Smart Nautical Charts

High-Resolution L-Band InSAR Study of Intense Near-Field Deformation Associated with Shallow Moderate Earthquakes

Autonomous Robotic Mapping for Complex Spaces： Progress， Challenges and Future Perspectives

Three-State Fusion Support Problem of Marine Geographic Information for Ship Navigation

Geometric and Frequency-Domain Constrained Single-Step Diffusion for Seabed Terrain Super-Resolution Reconstruction

Related Author

No data

Related Institution

No data

AI问答

⁰