遙感技術(shù)在地震領(lǐng)域的應(yīng)用

1、資源與地球科學(xué)學(xué)院遙感技術(shù)在地震領(lǐng)域的應(yīng)用奚硯濤中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源地球科學(xué)學(xué)院1資源與地球科學(xué)學(xué)院目錄 地震 地震監(jiān)測(cè)中的遙感技術(shù) 衛(wèi)星熱紅外異常與地震 地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 3技術(shù)防減地震災(zāi)害應(yīng)用2資源與地球科學(xué)學(xué)院地震 地震（earthquake）又稱地動(dòng)、地振動(dòng)，是地殼快速釋放能量過(guò)程中造成振動(dòng)，期間會(huì)產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。由于地殼運(yùn)動(dòng)引起的地球表層的快速振動(dòng)，地殼快速釋放能量過(guò)程中造成的振動(dòng)，期間會(huì)產(chǎn)生地震波。也是地殼運(yùn)動(dòng)的一種特殊表現(xiàn)形式。全球每年發(fā)生地震約五百五十多萬(wàn)次。地震常常造成嚴(yán)重人員傷亡，能引起火災(zāi)、水災(zāi)、房屋倒塌、有毒氣體泄漏、細(xì)菌及放射性物質(zhì)擴(kuò)散，還可能造成海嘯、

2、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災(zāi)害。3資源與地球科學(xué)學(xué)院地震4資源與地球科學(xué)學(xué)院地震5資源與地球科學(xué)學(xué)院地震6資源與地球科學(xué)學(xué)院地震安徽固鎮(zhèn)山東菏澤長(zhǎng)江口以東海域安徽肥東安徽安慶瑞昌陽(yáng)新交界瑞昌陽(yáng)新交界江蘇高郵黃海海域7資源與地球科學(xué)學(xué)院遙感地震監(jiān)測(cè) 傳統(tǒng)的地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)因數(shù)目和觀測(cè)范圍的局限性，很難給出面上的精細(xì)信息而衛(wèi)星遙感技術(shù)以其獲取信息范圍大數(shù)據(jù)更新快可以實(shí)施時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)方法的不足使地震前兆的監(jiān)測(cè)從傳統(tǒng)的靜態(tài)定點(diǎn)觀測(cè)模式向動(dòng)態(tài)連續(xù)的大面積觀測(cè)模式發(fā)展為地震活動(dòng)性研究開(kāi)辟了一條新的途徑。 常用遙感監(jiān)測(cè)手段： 熱紅外遙感 微波遙感8資源與地球科學(xué)學(xué)院遙感地震監(jiān)測(cè) 熱紅外遙感 熱

3、紅外遙感（ infrared remote sensing ）是指?jìng)鞲衅鞴ぷ鞑ǘ蜗抻诩t外波段范圍之內(nèi)的遙感。探測(cè)波段一般在0.76-1000微米之間。是應(yīng)用紅外遙感器（如紅外攝影機(jī)、紅外掃描儀）探測(cè)遠(yuǎn)距離外的植被等地物所反射或輻射紅外特性差異的信息，以確定地面物體性質(zhì)、狀態(tài)和變化規(guī)律的遙感技術(shù)。9資源與地球科學(xué)學(xué)院遙感地震監(jiān)測(cè) 熱紅外遙感 原理：所有的物質(zhì)，只要其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，就會(huì)不斷發(fā)射紅外能量。常溫的地表物體發(fā)射的紅外能量主要在大于3m的中遠(yuǎn)紅外區(qū)，是熱輻射。它不僅與物質(zhì)的表面狀態(tài)有關(guān)，而且是物質(zhì)內(nèi)部組成和溫度的函數(shù)。在大氣傳輸過(guò)程中，它能通過(guò)3-5m和8-14m兩個(gè)窗口。熱紅外遙感就

4、是利用星載或機(jī)載傳感器收集、記錄地物的這種熱紅外信息，并利用這種熱紅外信息來(lái)識(shí)別地物和反演地表參數(shù)如溫度、濕度和熱慣量等。 應(yīng)用：熱紅外遙感對(duì)研究全球能量變換和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，在地表溫度反演、城市熱島效應(yīng)、林火監(jiān)測(cè)、旱災(zāi)監(jiān)測(cè)、探礦、探地?zé)幔瑤r溶區(qū)探水等領(lǐng)域都有很廣泛的研究。10資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 研究現(xiàn)狀： 1984年蘇聯(lián)學(xué)者在對(duì)中亞加茲利的一系列地震研究中發(fā)現(xiàn)震前10 天左右震中區(qū)兩組斷裂交匯部位的上空出現(xiàn)紅外輻射異常的現(xiàn)象由此提出震前有熱紅外異常。 1990-1992年中國(guó)科學(xué)家強(qiáng)祖基等利用熱紅外影像進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究在判讀衛(wèi)星熱紅外遙感圖片時(shí)發(fā)現(xiàn)一些震前地表溫

5、度異常增高現(xiàn)象認(rèn)為臨震前出現(xiàn)溫度的異常升溫是非常普遍的現(xiàn)象 是一種地震前兆熱異常信息并由此開(kāi)展了研究工作并成功地預(yù)報(bào)了一些地震。11資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 研究現(xiàn)狀： 1984年蘇聯(lián)學(xué)者在對(duì)中亞加茲利的一系列地震研究中發(fā)現(xiàn)震前10 天左右震中區(qū)兩組斷裂交匯部位的上空出現(xiàn)紅外輻射異常的現(xiàn)象由此提出震前有熱紅外異常。 1998年 蘇聯(lián)學(xué)者在對(duì)中亞地區(qū)的地震衛(wèi)星熱紅外圖像分析時(shí)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的一些中強(qiáng)地震 Ms5.5 震前衛(wèi)星紅外圖像上存在熱異?，F(xiàn)象且與斷裂構(gòu)造的活動(dòng)有關(guān)在活動(dòng)斷層表面存在著穩(wěn)定和不穩(wěn)定的熱紅外輻射異常異常增溫可達(dá)到度的量級(jí)異常的形態(tài)為線性條帶。12資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星

6、熱紅外異常與地震 研究現(xiàn)狀： 1990-1992年中國(guó)科學(xué)家強(qiáng)祖基等利用熱紅外影像進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究在判讀衛(wèi)星熱紅外遙感圖片時(shí)發(fā)現(xiàn)一些震前地表溫度異常增高現(xiàn)象認(rèn)為臨震前出現(xiàn)溫度的異常升溫是非常普遍的現(xiàn)象 是一種地震前兆熱異常信息并由此開(kāi)展了研究工作并成功地預(yù)報(bào)了一些地震。 目前已經(jīng)有許多成功案例13資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 研究現(xiàn)狀：14資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱異常機(jī)理 為什么地震前會(huì)出現(xiàn)熱異?；蛘哒f(shuō)如何解釋地震前出現(xiàn)的熱紅外輻射異常眾多學(xué)者在不斷努力探索熱紅外異常產(chǎn)生的機(jī)理 對(duì)臨震熱紅外異常成因機(jī)理的解釋目前主要有以下兩種觀點(diǎn)：1.地球放氣學(xué)說(shuō)2.應(yīng)力致熱學(xué)

7、說(shuō)15資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱異常機(jī)理地球放氣學(xué)說(shuō)地震前斷層的破裂-氣體擴(kuò)散-地面增溫-低空電場(chǎng)突變整個(gè)過(guò)程把熱紅外異常原因解釋為地下的CO2、 水蒸氣、H2 等氣體沿微裂隙溢出地面，這些氣體易于吸收太陽(yáng)和地面的紅外波段輻射和反射產(chǎn)生局部溫室效應(yīng)，導(dǎo)致孕震區(qū)地面-低層大氣增溫，即“地球放氣說(shuō)”。 2007年孟丹等以江西11.26地震為例，研究了衛(wèi)星紅外遙感圖像增溫信息，證明CO2和CH4等氣體在震前有增溫2-6。16資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱異常機(jī)理應(yīng)力致熱學(xué)說(shuō)指在地球介質(zhì)受到附加力的作用時(shí)，隨著應(yīng)力的增大，介質(zhì)的輻射溫度、紅外熱像以及波譜特性都可能發(fā)

8、生變化。這些變化的物理量均可以成為孕震前兆特征指標(biāo)而加以跟蹤監(jiān)測(cè)。崔成禹等通過(guò)一系列巖石加載實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到巖石應(yīng)力增加引起紅外輻射增高的物理現(xiàn)象和紅外輻射的前兆信息。劉善軍等通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在巖石加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在熱彈效應(yīng)和摩擦熱效應(yīng)。 遙感-巖石力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：無(wú)論巖石破裂還是摩擦滑動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生熱力耦合效應(yīng)從而引起紅外輻射。17資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱紅外異常特征 熱紅外溫度異常 地球長(zhǎng)波輻射異常18資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱紅外異常特征 熱紅外溫度異常 地震時(shí)地表溫度一定會(huì)發(fā)生異常變化，是臨震前兆； 利用熱紅外遙感影像對(duì)地震前出現(xiàn)的這種熱異常及其時(shí)

9、空動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比或追蹤分析得出地震前會(huì)出現(xiàn)地表溫度或地表亮度溫度（LSBT）異常，并在大多數(shù)情況下表現(xiàn)為異常升溫。統(tǒng)計(jì)情況：地震前熱異常出現(xiàn)的時(shí)間在1年以上的有1次3 月以上的有5次12月的有15次15天之內(nèi)的有10次熱異常主要出現(xiàn)在震前的2月內(nèi)升溫幅度在17或310 K，有些高達(dá)7以上19資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱紅外異常特征 地球長(zhǎng)波輻射異常 長(zhǎng)波輻射（Outgoing Long-wave Radiation，OLR）：是指地-氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射出的電磁波能量密度又稱為熱輻射通量密度其物理測(cè)量單位為W/m2。 OLR是由紅外窗區(qū)通道（10.512.5m

10、），對(duì)地球和大氣掃描遙測(cè)得到的地-氣長(zhǎng)波輻射量。 美國(guó)NOAA序列衛(wèi)星遙感可提供地-氣系統(tǒng)射出的長(zhǎng)波輻射月平均數(shù)據(jù)。 許多學(xué)者利用震前出現(xiàn)的這種熱紅外長(zhǎng)波輻射異常進(jìn)行了大量的研究工作。20資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱紅外異常特征 地球長(zhǎng)波輻射異常統(tǒng)計(jì)情況：地震前OLR高值區(qū)異常出現(xiàn)時(shí)間在1年以上的有0次3 月以上的有4次12月的有17次15天之內(nèi)的有0次震前長(zhǎng)波輻射異常多出現(xiàn)在震前12月21資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 臨震熱紅外異常特征 熱紅外溫度異常 地球長(zhǎng)波輻射異常 大多數(shù)情況是OLR異常在前 然后才出現(xiàn)異常增溫現(xiàn)象 OLR異常很少出現(xiàn)在1年以上或者晚到15內(nèi)

11、內(nèi)才出現(xiàn) 總結(jié)： 將熱異常作為一種臨震前兆對(duì)強(qiáng)震的預(yù)報(bào)具有一定的映震效應(yīng)?？梢岳眯l(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)識(shí)別和提取地震“熱征兆”的這種溫度異常信息或OLR異常區(qū)進(jìn)行地震的預(yù)報(bào)工作，并可望在地震的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)領(lǐng)域上開(kāi)創(chuàng)出新的技術(shù)途徑。22資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 熱紅外異常信息提取及判定方法 利用熱紅外遙感進(jìn)行地震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，其關(guān)鍵是獲取與地震真正有關(guān)有用的前兆熱異常信息及其時(shí)空演化特征。 關(guān)鍵問(wèn)題：地表亮度溫度的提取和地表溫度的反演 地表真實(shí)溫度的反演方法：1.單窗算法2.劈窗算法3.晝夜法4.雙溫雙通道法5.23資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 熱紅外異常信息提取及判定方法24豐

12、縣沛縣徐州市區(qū)睢寧縣邳州市新沂市資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 熱紅外異常信息提取及判定方法 由于反演地表真實(shí)溫度存在許多的不確定性因素，例如比輻射率、大氣廓線未知等，限制了反演的精度。 大多數(shù)學(xué)者在提取或反演熱紅外輻射時(shí)，用地表的亮度溫度表征，這對(duì)于地震研究更有現(xiàn)實(shí)意義。 常用方法： 透熱指數(shù)法 均值梯度法25資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 熱紅外異常信息提取及判定方法 透熱指數(shù)法 地表溫度的變化主要來(lái)源于天氣的影響，而地下熱異常對(duì)地表溫度的影響十分微弱。 有效地消除天氣的干擾 由熱傳導(dǎo)理論出發(fā)，根據(jù)地下熱信號(hào)通過(guò)不同熱擴(kuò)散率材料傳到地表時(shí)將產(chǎn)生較大時(shí)間差的特點(diǎn)，提出了提取地

13、下熱異常的新指標(biāo)，即透熱指數(shù)。 透熱指數(shù)高意味著地下熱活動(dòng)強(qiáng)，進(jìn)一步可能指示現(xiàn)今的斷層活動(dòng)和地震的發(fā)生。26資源與地球科學(xué)學(xué)院衛(wèi)星熱紅外異常與地震 熱紅外異常信息提取及判定方法 均值梯度法 熱輻射探索構(gòu)造活動(dòng)具有“強(qiáng)背景，弱信息”的特點(diǎn)，地表輻射的探測(cè)精度與構(gòu)造活動(dòng)引起的輻射增強(qiáng)同屬一個(gè)量級(jí)，有效信息可能被淹沒(méi)于反演誤差之中，獲得足夠的精度后如何突出構(gòu)造活動(dòng)信息也是難點(diǎn)。 斷層活動(dòng)與熱紅外輻射高值條帶存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。 方法：求溫度變化梯度 為了消除季節(jié)等因素的變化，溫度求平均值。 突出構(gòu)造活動(dòng)信息，據(jù)構(gòu)造因素與非構(gòu)造因素對(duì)地表熱輻射影響的空間差異提出的一種新方法。27資源與地球科學(xué)學(xué)院一個(gè)例子-

14、汶川地震前衛(wèi)星遙感熱紅外異常 衛(wèi)星熱紅外異常的第 1 階段（2008 年 03 月 18 日）28資源與地球科學(xué)學(xué)院一個(gè)例子-汶川地震前衛(wèi)星遙感熱紅外異常 衛(wèi)星熱紅外異常的后續(xù)發(fā)展29資源與地球科學(xué)學(xué)院一個(gè)例子-汶川地震前衛(wèi)星遙感熱紅外異常 衛(wèi)星熱紅外異常的后續(xù)發(fā)展（震后）30資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 由于地震發(fā)生的地區(qū)不同，地震成因也比較復(fù)雜，地震發(fā)生后對(duì)地表的破壞不同，造成災(zāi)害的情況也不同，導(dǎo)致災(zāi)害信息的提取變的十分困難和復(fù)雜。主要存在的問(wèn)題如下： 同譜異物和同物異譜現(xiàn)象，造成信息提取可靠性低。 地震災(zāi)害成因表現(xiàn)復(fù)雜，特征難于表述與綜合。 很多先驗(yàn)知識(shí)和現(xiàn)有資料沒(méi)有很好支

15、持遙感解譯和信息提取。31資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 主要研究?jī)?nèi)容 地震破壞的遙感表征分析 多源遙感數(shù)據(jù)支持的綜合地震災(zāi)害 有先驗(yàn)知識(shí)支持下的高可靠性地震災(zāi)害信息提取方法 主要技術(shù)流程32資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 災(zāi)害信息遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 圖像幾何失真校正 圖像對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù) 對(duì)比度變換 直方圖調(diào)整 圖像的裁剪和鑲嵌33資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 植被 地震災(zāi)害發(fā)生后，植被的健康狀態(tài)及分布情況會(huì)受到嚴(yán)重的影響。 常用植被指數(shù)34資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 水體 TM 影像上，對(duì)于水體來(lái)說(shuō)，水體幾

16、乎吸收了全部的近紅外和短波中紅外全部的入射能量，所以水體在近紅外和中紅外波段的反射能量很少，這兩個(gè)波段組合，水體呈暗色調(diào)。TM432TM753在衛(wèi)星遙感影像上，湖泊，水庫(kù)，池塘多呈面狀區(qū)域，河流呈線狀結(jié)構(gòu)35資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 城鎮(zhèn)損壞建筑物信息 一般都是利用高空間分辨率的影像通過(guò)目視解譯的方法來(lái)提取。 即使在高光譜分辨率的情況下由于建筑物的光譜特征十分復(fù)雜，沒(méi)有很明顯的光譜特征。 利用光譜特征提取出的建筑物的信息誤差很大。 建筑物遙感影像幾何結(jié)構(gòu)特征分析36資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 城鎮(zhèn)損壞建筑物信息 完好建筑物特征分

17、析 光譜特征： 灰瓦和瀝青瓦在各個(gè)波長(zhǎng)的反射率偏低，色調(diào)呈深色。 幾何結(jié)構(gòu)特征 完好建筑物都具有各自的幾何形態(tài)和外形輪廓圖案，外形圖案多為長(zhǎng)方形、或圓形或者是他們的組合。 具有明顯的外形輪廓，多為長(zhǎng)方形、圓形等規(guī)則的幾何形態(tài)，呈現(xiàn)有規(guī)律的組合排列形式，在遙感圖像上表現(xiàn)為灰度及其結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和有序性。37資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 城鎮(zhèn)損壞建筑物信息 損壞建筑物遙感特征 具有不規(guī)則性和紊亂性等特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在波譜特征和結(jié)構(gòu)特征兩個(gè)方面。 在波譜特征方面，地震破壞以前，遙感影像上建筑物灰度值分布離散性明顯，建筑物的倒塌和破壞引起地表粗糙度和反射率發(fā)生變化，影像的灰度

18、和離散值的變化。通常隨著建筑物倒塌程度的加大，地表對(duì)太陽(yáng)輻射的反射方式也從原來(lái)的鏡面反射向漫反射轉(zhuǎn)化，致使圖像灰度值增加、離散值減小。 在結(jié)構(gòu)特征方面，表現(xiàn)為建筑物輪廓模糊不清，組合圖案零亂，紋理不規(guī)則等特征。 38資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 城鎮(zhèn)損壞建筑物信息 損壞建筑物遙感特征 建筑物多數(shù)倒塌的影像特征為：建筑物外形輪廓圖案消失，沒(méi)有完整的幾何形狀和線狀紋理或不具外形幾何影像形態(tài)，或外形圖案影像凌亂，輪廓影像不清，倒塌物為不同色調(diào)的雜亂的斑點(diǎn)狀，照射光線呈漫反射狀態(tài)，建筑物布局影像消失，相鄰街道或人行道被堵塞或無(wú)法辨認(rèn)。 建筑物部分倒塌的影像特征為：房屋的平面幾何形態(tài)遭到破壞，紋理的韻律被打破，倒塌部分在影像上呈暗或黑色，為無(wú)規(guī)則的斑點(diǎn)狀，使原來(lái)規(guī)則的色調(diào)發(fā)生變化，建筑物間隔還可辨認(rèn)；有時(shí)建筑物的幾何形態(tài)完整，但可能已完全塌落，可以根據(jù)其它異常特征來(lái)判斷。39資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù) 各類信息的提起 城鎮(zhèn)損壞建筑物信息 損壞建筑物遙感特征 利用微波遙感（雷達(dá)影像特征） 城區(qū)完好的建筑物呈現(xiàn)比較規(guī)則的線狀排列 房屋發(fā)生損毀，粗糙程度加大,使得回波普遍增強(qiáng),但是紋理結(jié)構(gòu)特征消失,雷達(dá)圖像特征表現(xiàn)為一定區(qū)域內(nèi)的高亮目標(biāo),看不出房屋排列關(guān)系和陰影。40資源與地球科學(xué)學(xué)院地震災(zāi)害遙感快速提取