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遥感技术在地震领域的应用

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遥感技术 地震 领域 应用
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资源与地球科学学院遥感技术在地震领域的应用奚砚涛中国矿业大学资源地球科学学院1资源与地球科学学院目录• 地震• 地震监测中的遥感技术– 卫星热红外异常与地震• 地震灾害遥感快速提取技术• 3S技术防减地震灾害应用2资源与地球科学学院地震• 地震( 称地动、地振动,是地壳快速释放能量过程中造成振动,期间会产生地震波的一种自然现象。由于地壳运动引起的地球表层的快速振动,地壳快速释放能量过程中造成的振动,期间会产生地震波。也是地壳运动的一种特殊表现形式。全球每年发生地震约五百五十多万次。地震常常造成严重人员伤亡,能引起火灾、水灾、房屋倒塌、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散,还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。3资源与地球科学学院地震4资源与地球科学学院地震5资源与地球科学学院地震6资源与地球科学学院地震安徽固镇山东菏泽长江口以东海域安徽肥东安徽安庆瑞昌阳新交界江苏高邮黄海海域7资源与地球科学学院遥感地震监测• 传统的地震台网监测因数目和观测范围的局限性,很难给出面上的精细信息而卫星遥感技术以其获取信息 范围大 数据 更新快 可以实施时空动态监测的优势弥补了传统观测方法的不足使地震前兆的监测从传统的静态定点观测模式向动态连续的大面积观测模式发展为地震活动性研究开辟了一条新的途径。• 常用遥感监测手段:– 热红外遥感– 微波遥感8资源与地球科学学院遥感地震监测• 热红外遥感– 热红外遥感( 是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。探测波段一般在 应用红外遥感器(如红外摄影机、红外扫描仪)探测远距离外的植被等地物所反射或辐射红外特性差异的信息,以确定地面物体性质、状态和变化规律的遥感技术。9资源与地球科学学院遥感地震监测• 热红外遥感– 原理:所有 的物质,只要其温度超过绝对零度,就会不断发射红外能量。常温的地表物体发射的红外能量主要在大于 3μ热辐射。它不仅与物质的表面状态有关,而且是物质内部组成和温度的函数。在大气传输过程中,它能通过 3红外遥感就是利用星载或机载传感器收集、记录地物的这种热红外信息,并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如 温度 、湿度和热惯量等。– 应用: 热红外遥感对研究全球能量变换和可持续发展具有重要的意义,在地表温度反演、城市热岛效应、林火监测、旱灾监测、探矿、探地热,岩溶区探水等领域都有很广泛的研究。 10资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 研究现状:– 1984年苏联学者在对中亚加兹利的一系列地震研究中发现震前 10 天左右震中区两组断裂交汇部位的上空出现红外辐射异常的现象由此提出震前有热红外异常。– 1990一种地震前兆热异常信息并由此开展了研究工作并成功地预报了一些地震。11资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 研究现状:– 1984年苏联学者在对中亚加兹利的一系列地震研究中发现震前 10 天左右震中区两组断裂交汇部位的上空出现红外辐射异常的现象由此提出震前有热红外异常。– 1998年 苏联学者在对中亚地区的地震卫星热红外图像分析时发现该地区的一些中强地震 前卫星红外图像上存在热异常现象且与断裂构造的活动有关在活动断层表面存在着稳定和不稳定的热红外辐射异常异常增温可达到度的量级异常的形态为线性条带。12资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 研究现状:– 1990一种地震前兆热异常信息并由此开展了研究工作并成功地预报了一些地震。– 目前已经有许多成功案例13资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 研究现状:14资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热异常机理– 为什么地震前会出现热异常或者说如何解释地震前出现的热红外辐射异常众多学者在不断努力探索热红外异常产生的机理 对临震热红外异常成因机理的解释目前主要有以下两种观点:1. 地球放气学说2. 应力致热学说15资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热异常机理– 地球放气学说• 地震前断层的破裂 地面增温 水蒸气、 气体沿微裂隙溢出地面,这些气体易于吸收太阳和地面的红外波段辐射和反射产生局部温室效应,导致孕震区地面 “地球放气说”。• 2007年孟丹等以江西 究了卫星红外遥感图像增温信息,证明 。16资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热异常机理– 应力致热学说• 指在地球介质受到附加力的作用时,随着应力的增大,介质的辐射温度、红外热像以及波谱特性都可能发生变化。• 这些变化的物理量均可以成为孕震前兆特征指标而加以跟踪监测。• 崔成禹等通过一系列岩石加载实验观测到岩石应力增加引起红外辐射增高的物理现象和红外辐射的前兆信息。• 刘善军等通过实验说明在岩石加载实验过程中存在热弹效应和摩擦热效应。• 遥感 论岩石破裂还是摩擦滑动都会产生热力耦合效应从而引起红外辐射。17资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热红外异常特征– 热红外温度异常– 地球长波辐射异常18资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热红外异常特征– 热红外温度异常• 地震时地表温度一定会发生异常变化,是临震前兆;• 利用热红外遥感影像对地震前出现的这种热异常及其时空动态变化特征进行研究,通过对比或追踪分析得出地震前会出现地表温度或地表亮度温度( 常,并在大多数情况下表现为 异常升温 。统计情况:地震前热异常出现的时间在• 1年以上的有 1次• 3 月以上的有 5次• 1~2月的有 15次• 15天之内的有 10次• 热异常主要出现在震前的 2月内升温幅度在 1~7℃ 或 3~10 K,有些高达 7℃ 以上 19资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热红外异常特征– 地球长波辐射异常• 长波辐射( 是指地 。• 对地球和大气扫描遥测得到的地 美国 气系统射出的长波辐射月平均数据。• 许多学者利用震前出现的这种热红外长波辐射异常进行了大量的研究工作。20资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热红外异常特征– 地球长波辐射异常统计情况:地震前 1年以上的有 0次• 3 月以上的有 4次• 1~2月的有 17次• 15天之内的有 0次• 震前长波辐射异常多出现在震前 1~2月21资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 临震热红外异常特征– 热红外温度异常– 地球长波辐射异常• 大多数情况是 后才出现异常增温现象• 年以上或者晚到 15内内才出现– 总结:• 将热异常作为一种临震前兆对强震的预报具有一定的映震效应。可以利用卫星热红外遥感技术识别和提取地震“热征兆”的这种温度异常信息或 可望在地震的监测预测领域上开创出新的技术途径。22资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 热红外异常信息提取及判定方法– 利用热红外遥感进行地震的监测预报,其关键是获取与地震真正有关有用的前兆热异常信息及其时空演化特征。– 关键问题:地表亮度温度的提取和地表温度的反演– 地表真实温度的反演方法:1. 单窗算法2. 劈窗算法3. 昼夜法4. 双温双通道法5. ……23资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 热红外异常信息提取及判定方法24丰县沛县徐州市区睢宁县邳州市 新沂市资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 热红外异常信息提取及判定方法– 由于反演地表真实温度存在许多的不确定性因素,例如比辐射率、大气廓线未知等,限制了反演的精度。– 大多数学者在提取或反演热红外辐射时,用地表的 亮度温度 表征,这对于地震研究更有现实意义。– 常用方法:• 透热指数法• 均值梯度法25资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 热红外异常信息提取及判定方法– 透热指数法• 地表温度的变化主要来源于天气的影响,而地下热异常对地表温度的影响十分微弱。• 有效地消除天气的干扰• 由热传导理论出发,根据地下热信号通过不同热扩散率材料传到地表时将产生较大时间差的特点,提出了提取地下热异常的新指标,即 透热指数 。• 透热指数高意味着地下热活动强,进一步可能指示现今的断层活动和地震的发生。26资源与地球科学学院卫星热红外异常与地震• 热红外异常信息提取及判定方法– 均值梯度法• 热辐射探索构造活动具有“强背景,弱信息”的特点,地表辐射的探测精度与构造活动引起的辐射增强同属一个量级,有效信息可能被淹没于反演误差之中,获得足够的精度后如何突出构造活动信息也是难点。• 断层活动与热红外辐射高值条带存在对应关系。• 方法:求温度变化梯度– 为了消除季节等因素的变化,温度求平均值。• 突出构造活动信息,据构造因素与非构造因素对地表热辐射影响的空间差异提出的一种新方法。27资源与地球科学学院一个例子 卫星热红外异常的第 1 阶段( 2008 年 03 月 18 日)28资源与地球科学学院一个例子 卫星热红外异常的后续发展29资源与地球科学学院一个例子 卫星热红外异常的后续发展(震后)30资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 由于地震发生的地区不同,地震成因也比较复杂,地震发生后对地表的破坏不同,造成灾害的情况也不同,导致灾害信息的提取变的十分困难和复杂。主要存在的问题如下:– 同谱异物和同物异谱现象,造成信息提取可靠性低。– 地震灾害成因表现复杂,特征难于表述与综合。– 很多先验知识和现有资料没有很好支持遥感解译和信息提取。31资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 主要研究内容– 地震破坏的遥感表征分析– 多源遥感数据支持的综合地震灾害– 有先验知识支持下的高可靠性地震灾害信息提取方法• 主要技术流程32资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 灾害信息遥感数据预处理技术– 图像几何失真校正– 图像对比度增强技术• 对比度变换• 直方图调整– 图像的裁剪和镶嵌33资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 植被• 地震灾害发生后,植被的健康状态及分布情况会受到严重的影响。• 常用 植被指数34资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 水体• 像上,对于水体来说,水体几乎吸收了全部的近红外和短波中红外全部的入射能量,所以水体在近红外和中红外波段的反射能量很少,这两个波段组合,水体呈暗色调。泊,水库,池塘多呈面状区域,河流呈线状结构35资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 城镇损坏建筑物 信息• 一般都是利用高空间分辨率的影像通过目视解译的方法来 提取。• 即使在高光谱分辨率的情况下由于 建筑物 的光谱特征十分复杂,没有很明显的光谱 特征。• 利用光谱特征提取出的建筑物的信息误差 很大。• 建筑物遥感影像几何结构特征分析36资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 城镇损坏建筑物 信息• 完好建筑物特征 分析– 光谱特征:»灰瓦和沥青瓦在各个波长的反射率偏低,色调呈深色。– 几何结构特征»完好建筑物都具有各自的几何形态和外形轮廓图案,外形图案多为长方形、或圆形或者是他们的组合。– 具有明显的外形轮廓,多为长方形、圆形等规则的几何形态,呈现有规律的组合排列形式,在遥感图像上表现为灰度及其结构的规则性和有序性。37资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 城镇损坏建筑物 信息• 损坏建筑物遥感 特征– 具有不规则性和紊乱性等特点,主要体现 在波谱 特征和结构特征两个方面。– 在 波谱特征 方面,地震破坏以前,遥感影像上建筑物灰度值分布离散性明显,建筑物的倒塌和破坏引起地表粗糙度和反射率发生变化,影像的灰度和离散值的变化。通常随着建筑物倒塌程度的加大,地表对太阳辐射的反射方式也从原来的镜面反射向漫反射转化,致使图像 灰度值增加 、离散值减小 。– 在 结构特征 方面,表现为建筑物轮廓模糊不清,组合图案零乱,纹理不规则等特征。38资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 城镇损坏建筑物 信息• 损坏建筑物遥感 特征– 建筑物多数倒塌的影像特征为:建筑物外形轮廓图案消失,没有完整的几何形状和线状纹理或不具外形几何影像形态,或外形图案影像凌乱,轮廓影像不清,倒塌物为不同色调的杂乱的斑点状,照射光线呈漫反射状态,建筑物布局影像消失,相邻街道或人行道被堵塞或无法辨认。– 建筑物部分倒塌的影像特征为:房屋的平面几何形态遭到破坏,纹理的韵律被打破,倒塌部分在影像上呈暗或黑色,为无规则的斑点状,使原来规则的色调发生变化,建筑物间隔还可辨认;有时建筑物的几何形态完整,但可能已完全塌落,可以根据其它异常特征来判断。39资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 城镇损坏建筑物信息• 损坏建筑物遥感特征– 利用微波遥感(雷达影像特征)»城区完好的建筑物呈现比较规则的线状排列»房屋发生损毁,粗糙程度加大 ,使得回波普遍增强 ,但是纹理结构特征消失 ,雷达图像特征表现为一定区域内的高亮目标 ,看不出房屋排列关系和阴影。40资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 次生灾害 信息• 滑坡、 泥石流、堰塞湖等等• 泥石流的影像特征为沿河流和沟谷呈扇状 分布• 滑坡具有明显的形态、结构特征:滑坡后壁陡峻并呈围椅状 , 微地貌 特征比较 清楚;滑坡体与周围地质体在色调、纹理、植被发育及生长状况上有明显的 差异 。滑坡的形态特征在高分辨率的卫星图像上显示较清楚 ,多呈簸箕型、舌形 、椭圆形 、长椅形、倒梨形等。陡峭的滑坡后壁和它们形成的围谷在图像上表现 为向上 弯曲的弧形影像。41资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术• 各类信息的提起– 次生灾害 信息42资源与地球科学学院地震灾害遥感快速提取技术43资源与地球科学学院3S技术防减地震灾害应用• 3S: 震区信息数据管理• 震害易发程度分区• 震害风险性与预警预报分析• 震后救灾协调指挥• 灾情评估• 恢复重建决策44资源与地球科学学院3S技术防减地震灾害应用• 3S: 采集地理信息数据• 提供现场灾情情报• 评估灾害损失• 协助重建规划– 预报灾情• 救灾应急物流管理• 对外联络与监控管理• 急救与转移监控管理45资源与地球科学学院3S技术防减地震灾害应用• 3S: 建立和健全遥感、地理信息系统和全球定位系统的一体化震害监测系统是今后一段时间科学家们研究的方向。– 3究的趋势是定量化,数字化,可视化。46资源与地球科学学院谢谢!2017年 4月 24日47
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