多紅外遙感影像的西藏瑪尼m

多紅外遙感影像的西藏瑪尼m

在地震的創(chuàng)造過程中，擾動的活動性通常會導致地形和地表微裂縫的變化，以及擾動周圍表面和近地表的含水量、地下氣體和地上磁體的變化，這些變化都會導致異常的熱紅外輻射異常。近年來,許多學者相繼開展了應用衛(wèi)星熱紅外遙感信息進行地震短臨預報的探索性研究,并較為成功地預報了一些中強地震,得到了若干震例和異常信息提取的方法和經驗。如強祖基等利用目視解譯方法進行熱紅外圖像的觀察分析,曾成功預報了1990年2月10日江蘇常熟5.1級、1991年3月12日臺灣臺南6.0級、1992年4月20日臺灣花蓮海外6.8級地震。劉德富等統(tǒng)計分析了1974—1990年的NOAA衛(wèi)星的熱紅外數(shù)據(jù)資料,研究結果發(fā)現(xiàn)強震前一個月,震中附近地區(qū)的OLR(射出長波輻射量)月平均值有顯著增強。AndrewATronin分析了10年的NOAA衛(wèi)星夜間的熱紅外資料,發(fā)現(xiàn)熱紅外輻射異常與地表活動構造存在著一定的聯(lián)系,即震前沿地表破裂帶有熱紅外增溫現(xiàn)象。應用衛(wèi)星熱紅外遙感影像進行震前紅外增溫異常的研究解讀時,基于經驗判讀的目視解譯是最必要也是最有效的方法。但是有些異常信息很難直觀地表現(xiàn)出來,還需要進行一系列的技術處理才能發(fā)現(xiàn)震前的異常信息,如用偽彩色合成、地面溫度場標定、差值法、斷層剖面線法和等值線法等進行處理,每種方法都各有其應用目的。幾種方法綜合應用,針對不同震例的具體情況有的放矢地進行選擇,達到最為有效的異常提取效果。文中以1997年發(fā)生在西藏瑪尼地區(qū)的7.5級地震為例,選取地震前后的衛(wèi)星紅外遙感影像進行處理分析,應用多種紅外圖像處理方法,提取有明確震兆意義的紅外輻射異常信息。1瑪爾蓋茶卡斷層1997年11月8日18時02分,在我國西藏東北部瑪尼鄉(xiāng)以北150km處發(fā)生7.5級強震。地震的震中(φN35.26°,λE87.33°E)位于朝陽錯湖南岸的瑪爾蓋茶卡斷層上?，敔柹w茶卡斷層走向近EW,長約270km,是一條具左旋走滑性質的逆斷層。沿瑪爾蓋茶卡斷層兩側,湖泊和沼澤非常發(fā)育,其中在斷層的西南端是瑪爾蓋茶卡湖和江尼茶卡湖,東北端是朝陽錯湖?，敔柹w茶卡斷層在區(qū)域構造上屬于金沙江—鮮水河斷裂,歷史上沿此斷裂帶地震活動頻繁,在1973年7月14日曾發(fā)生7.3級地震。在瑪爾蓋茶卡斷層的西端,與其呈45°夾角處,向東南展布有一條性質不明斷層,這里為討論方便將其定名為大口子斷層。2圖像處理過程和異常的時空發(fā)展2.1圖像篩選和校正選用美國NOAA-14和NOAA-16衛(wèi)星AVHRR數(shù)據(jù)第五通道(波段帶寬為11.5—12.5μm)夜間數(shù)據(jù),截取西藏瑪尼地區(qū)視場范圍為λE83.40°—90.60°、φN32.76°—37.24°(600×450像素)的區(qū)域,選取時段從1997年10月19日至1997年11月15日。為排除日照和云的干擾,全部篩選夜間無云的圖像共7幅,根據(jù)成像時間分別規(guī)定圖像名為:971030、971104、971105、971106、971107、971112、971114。對篩選出的圖像,首先進行幾何校正和輻射校正,并按等角投影方式對圖像進行重采樣生成研究區(qū)范圍內的局地投影文件。限于篇幅,本文選取圖像質量較好的影像(971104、971107、971114)為例來說明瑪尼地震前后的熱紅外溫度異?，F(xiàn)象。2.2熱反差對比分析熱紅外遙感圖像是用0—255的灰度值來對應研究區(qū)域的冷—暖溫度范圍。冷(黑)色表示低溫區(qū)域,表明其表面溫度低或輻射率低;暖(白)色表示相對高溫區(qū)域,表明其表面溫度高或輻射率高。圖像色調的深淺與溫度分布是對應的,可根據(jù)圖像上的色差來反映地面景物的熱反差。異常是相對于正常而言的,因此在進行目視解譯分析時首先將1997年地震前的影像與無震的1999年同期的夜間熱紅外影像進行對比觀察(圖1)。觀察結果發(fā)現(xiàn),在11月瑪尼地區(qū)都有大范圍的降雪,1999年的降雪(黑色)范圍主要集中于瑪尼地區(qū)東部,而1997年的積雪覆蓋面積很大,幾乎覆蓋整個圖像的視場范圍。但是在1997年這種氣象因素的強干擾背景之下二者卻表現(xiàn)出微弱的差別,差別在于1999年的影像中瑪爾蓋茶卡湖南側的河流和朝陽錯湖都表現(xiàn)出清晰的白色暖標志(圖1a),而在1997年的影像中瑪爾蓋茶卡湖的周圍卻表現(xiàn)出與周圍環(huán)境溫度反差較大的亮溫。這種亮溫的出現(xiàn)范圍遮蓋了地物的原有表現(xiàn),使得河流和朝陽錯湖的能見度降低(圖1b),因此初步認為1997年11月8日的瑪尼7.5級地震前可能存在熱紅外的增溫輻射異常。2.3大河口斷層增溫和溫度場分布為進一步觀察地震前后的紅外輻射溫度場的動態(tài)變化,將瑪尼地震前后灰度圖像進行偽彩色的合成。偽彩色合成處理是為了用冷暖色調表現(xiàn)紅外圖像中的溫差,以便于滿足人們的視覺習慣對冷暖的感應程度。由偽彩色合成圖像可以看出,在1997年11月4日以瑪爾蓋茶卡斷層為界出現(xiàn)明顯的南北溫差(圖2a)。斷層北部溫度相對較低,普遍在-27℃左右,并且溫度場分布較均勻,沿東昆侖斷裂無明顯增溫現(xiàn)象。但是在斷層南部,出現(xiàn)明顯的熱溫異常,且溫度分布不均勻,尤其集中在瑪爾蓋茶卡斷層和大口子斷層之間,溫度在-23℃左右。到11月5日增溫異常區(qū)域集中在朝陽錯湖附近,并以朝陽錯為中心,增溫方向逐漸向北蔓延,異常面積也逐步擴大,到11月7日(圖2b),瑪爾蓋茶卡斷層南北兩側溫度上升到-20℃左右,同時沿東昆侖斷裂西端出現(xiàn)-20℃的熱溫條帶。與上述動態(tài)升溫過程不相吻合的是,在大口子斷層以南的其他地區(qū),卻無明顯的溫度變化,因此可以排除由緯度和氣候因素造成的溫度干擾。到11月14日震后(圖2c),整個地區(qū)溫度場表現(xiàn)均勻,多在-26℃左右,亮溫異常消失。尤其沿瑪爾蓋茶卡斷層,已不再表現(xiàn)出與周圍環(huán)境的溫度差異。這說明震前的紅外亮溫異常已趨于平靜,只有正常的因氣候變化而出現(xiàn)的降溫現(xiàn)象。2.4圖像標準溫度場的標定由于地形、地貌等環(huán)境因素對地表溫度的影響不同,在同一區(qū)域中,如果地形的起伏較大,不同高程的地物其溫度場分布也不同。而研究區(qū)范圍較大時,由于緯度的變化,同樣高程的地物也不能用同一溫度標準來衡量,因此用圖像的差值法可以在某種程度上消除地形、地貌因素的干擾。在進行圖像的差值處理之前,往往需要考慮背景的更新機制,盡量彌補因天氣、光照等氣象因素對圖像顯示效果造成的影響,因此首先要進行溫度場標定。溫度場的標定是指對不同時相的圖像進行簡單線性回歸的處理過程。實際上就是指去背景溫度的處理,背景溫度主要指的是氣象因素引起的溫度差異。這7幅影像的時間跨度為半個月,又正好是初冬時節(jié)氣溫驟冷,因而氣象因素對地表溫度的干擾很大?，斈岬卣鸢l(fā)生在藏北高原的無人區(qū),震中地區(qū)方圓500km范圍內無縣級以上的市鎮(zhèn),因而無從收集當?shù)厮?、氣象以及地質體的紅外輻射特征資料。因此在進行圖像差值處理前的去背景處理中,對標準溫度場的選擇非常重要,既要消除大氣環(huán)境的影響,又要考慮地形、地貌的因素。理想的標準溫度場應選擇在無地形切割的平坦干燥地區(qū),因為地形過高或過低以及水體、植被、斷裂帶周邊等都是產生地表紅外輻射異常的敏感因素。我們選取遠離震中190km處的塔克拉瑪干沙漠附近的9×9的象素范圍做為標準溫度場,以圖像971030為標準,去標定其余6幅影像的灰度值。標定方法如下:設圖像971030所在的標準溫度場為M={a1,a2,…a9×9},求得均值MˉˉˉˉΜˉ為常量,Mˉˉˉˉ=219Μˉ=219。當標定圖像971104時,也選取與971030中相同位置的同名象素點,Mˉˉˉˉ971104={a1,a2,?a9×9}Μˉ971104={a1,a2,?a9×9},得Mˉˉˉˉ971104=201Μˉ971104=201,則Mˉˉˉˉ?Mˉˉˉˉ971104=18Μˉ-Μˉ971104=18。對待標定的971104做圖像的加法運算,即給圖像971104中的每一個象素加上18即為標定結果。以此類推,分別標定其余各影像。經過溫度場的標定以后,可以部分消除氣象因素的干擾,同時又可避免掩蓋震源區(qū)周圍溫度的動態(tài)變化。經過溫度場的標定處理之后就可以進行圖像的差值處理,應用圖像差值處理的目的是為了消除地形地貌、水體、植被等靜態(tài)因素引起的溫度現(xiàn)象,保留紅外輻射場的動態(tài)變化。以震中朝陽錯為中心,裁取280×180像素的小區(qū)域,分別用震前971104、971107的影像減去震后971114的圖像。同時為比較地震活動相對平靜時期與瑪尼地震的對比,也選取了與瑪尼地震同一季節(jié)的1999年11月1日的影像991101與971114進行同樣的差值處理。圖3為差值處理前后的圖像,在經過差值處理后的影像中,在瑪爾蓋茶卡斷層周圍的湖泊表現(xiàn)出的白色斑塊全部消失。這是由于水體的熱慣量大,不易受環(huán)境溫度的影響,因此進行差值處理后,其溫度信息基本消失。由圖像差值結果可以看出,震中朝陽錯湖的周圍,震前溫度明顯高于震后,增溫幅度約3—5℃,增溫范圍集中于東西長170km,南北寬60km的區(qū)域。2.5紅外亮溫對比對熱紅外圖像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析將有助于人們定性、定量地認識紅外溫度場的分布狀況。將經過差值處理后的圖像,沿瑪爾蓋茶卡斷層走向由西向東做長約400km的紅外亮溫的縱剖面(圖4,圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線分別是991101圖、971107圖和971104圖與971114圖的差值結果)。由圖4可以看出地震前的11月4日和7日,在震中周圍的亮溫值明顯高于其周圍地區(qū),增溫區(qū)域集中在震中兩側170km的范圍內。而與無震的991101的差值結果相比,二者的亮溫差值僅表現(xiàn)出整體的高溫,曲線分布離散,無明顯的趨勢性變化。3異常出現(xiàn)的環(huán)境分析已有學者對1997年瑪尼7.5級地震前后的整個西部地區(qū)的熱紅外圖像進行過研究,結果表明震前2天,在震中瑪爾蓋茶卡斷層附近出現(xiàn)紅外輻射的增溫現(xiàn)象。我們旨在從圖像處理的角度出發(fā),應用多種技術手段和方法,重點對該地震震中周圍地區(qū)進行監(jiān)測分析,從處理結果得出以下初步認識