遥感技术在地震领域的应用

–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。
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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。
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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3μm的中远红外区，是热辐射。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3-5μm和8-14μm两个窗口。热红外遥 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。
TM432
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TM753
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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。
• 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-岩石力学基础实验研究结果表明：无论岩石破裂还是 摩擦滑动都会产生热力耦合效应从而引起红外辐射。
– 目前已经有许多成功案例
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卫星热红外异常与地震
• 研究现状：
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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：
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卫星热红外异常与地震
• 研究现状：
– 1990-1992年中国科学家强祖基等利用热红外影像进行 地震预报研究在判读卫星热红外遥感图片时发现一些 震前地表温度异常增高现象认为临震前出现温度的异 常升温是非常普遍的现象 是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。
• 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。
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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OLR高值区异常出现时间在 • 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
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
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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
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地震
• 地震（earthquake）又称地动、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。
– 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 Ms≥5.5 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。
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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
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地震
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地震
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地震
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地震
山东菏泽
黄海海域
安徽固镇 江苏高邮
安徽肥东 安徽安庆 资源与地球瑞科学昌学院阳新交界
长江口以东海域
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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。
• 常用植被指数
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地震灾害遥感快速提取技术
• 各类信息的提起
– 水体
• TM 影像上，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。
在卫星遥感影像上，湖泊， 水库，池塘多呈面状区域， 河流呈线状结构
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卫星热红外异常与地震
• 热红外异常信沛息县提取及判定方法
邳州市 新沂市
丰县
徐州市区 资源与地球科学学院
睢宁县
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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。
1. 地球放气学说 2. 应力致热学说
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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-气体扩散-地面增温-低空电场突变整个过 程把热红外异常原因解释为地下的CO2、 水蒸气、H2 等气 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-低层 大气增温，即“地球放气说”。
前1~2月
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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OLR异常在前 然后才出现异常增温现象 • OLR异常很少出现在1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OLR异常区进行地震的预报工作，并可望 在地震的监测预测领域上开创出新的技术途径。
• 卫星热红外异常的后续发展
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一个例子-汶川地震前卫星遥感热红外异常
• 卫星热红外异常的后续发展（震后）
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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：
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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
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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
• 地震时地表温度统一定计会情发生况异：常变化，是临震前兆； • 利变用化热特红征外进遥行感研地影 究像 ，震对 通前地 过震对热前比异出或常现追的踪出这分现种析热得的异出时常地间及震其前在时会空出动现态地
• 2007年孟丹等以江西11.26地震为例，研究了卫星红外遥感 图像增温信息，证明CO2和CH4等气体在震前有增温2-6℃。
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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。
– 1990-1992年中国科学家强祖基等利用热红外影像进 行地震预报研究在判读卫星热红外遥感图片时发现一 些震前地表温度异常增高现象认为临震前出现温度的 异常升温是非常普遍的现象 是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。
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卫星热红外异常与地震
• 研究现状：
– 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。
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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
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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. ……
– 地球长波辐射异常
• 长波辐射（Outgoing Long-wave Radiation，OLR）：是指地气系统向外层空间发射出的电磁波能量密度又称为热辐射通量 密度其物理测量单位为W/m2。
• OLR是由红外窗区通道（10.5~12.5μm），对地球和大气扫描 遥测得到的地-气长波辐射量。
• 美国NOAA序列卫星遥感可提供地-气系统射出的长波辐射月平 均数据。
表温度或地表亮•度温1度年（以LSB上T）的异有常1，次并在大多数情况下表
现为异常升温。• 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
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卫星热红外异常与地震
• 临震热红外异常特征
– 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。
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一个例子-汶川地震前卫星遥感热红外异常
• 卫星热红外异常的第 1 阶段（2008 年 03 月 18 日）
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一个例子-汶川地震前卫星遥感热红外异常
– 常用方法：
• 透热指数法 • 均值梯度法
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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。
• 主要技术流程
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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
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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。
• 常用遥感监测手段：
–热红外遥感 –微波遥感
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遥感地震监测
• 热红外遥感
– 热红外遥感（ infrared remote sensing ）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0.76-1000微米之间。是应用红外遥感器（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。