遙感技術(shù)在地震領(lǐng)域的應(yīng)用課件

1、遙感技術(shù)在地震領(lǐng)域的應(yīng)用奚硯濤中國礦業(yè)大學(xué)資源地球科學(xué)學(xué)院1遙感技術(shù)在地震領(lǐng)域的應(yīng)用奚硯濤1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目錄地震2地震地震（earthquake）又稱地動(dòng)、地振動(dòng)，是地殼快速釋放能量過程中造成振動(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、滑坡、崩塌、地裂縫等次生

2、災(zāi)害。3地震地震（earthquake）又稱地動(dòng)、地振動(dòng)，是地殼快速地震4地震4地震5地震5地震6地震6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新交界江蘇高郵黃海海域7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新交遙感地震監(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)

3、范圍的局限性，很難遙感地震監(jiān)測(cè)熱紅外遙感熱紅外遙感（ 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遙感地震監(jiān)測(cè)熱紅外遙感9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)。在大氣傳輸過程中，它能通

4、過3-5m和8-14m兩個(gè)窗口。熱紅外遙感就是利用星載或機(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遙感地震監(jiān)測(cè)熱紅外遙感10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

5、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展了研究工作并成功地預(yù)報(bào)了一些地震。11衛(wèi)星熱紅外異常與地震研究現(xiàn)狀：11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

6、度的量級(jí)異常的形態(tài)為線性條帶。12衛(wèi)星熱紅外異常與地震研究現(xiàn)狀：12衛(wèi)星熱紅外異常與地震研究現(xiàn)狀：1990-1992年中國科學(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衛(wèi)星熱紅外異常與地震研究現(xiàn)狀：13衛(wèi)星熱紅外異常與地震研究現(xiàn)狀：14衛(wèi)星熱紅外異常與地震研究現(xiàn)狀：14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

7、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)：地球放氣學(xué)說應(yīng)力致熱學(xué)說15衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱異常機(jī)理15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”。 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衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱異常機(jī)理16衛(wèi)星熱紅外異常與地

8、震臨震熱異常機(jī)理應(yīng)力致熱學(xué)說指在地球介質(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)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。劉善軍等通過實(shí)驗(yàn)說明在巖石加載實(shí)驗(yàn)過程中存在熱彈效應(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衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱異常機(jī)理17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衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱紅外異常特征

9、18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)空動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行研究，通過對(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衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱紅外異常特征統(tǒng)計(jì)情況：19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

10、-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），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衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱紅外異常特征20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

11、21衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱紅外異常特征統(tǒng)計(jì)情況：21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)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)域上開創(chuàng)出新的技術(shù)途徑。22衛(wèi)星熱紅外異常與地震臨震熱紅外異常特征22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

12、兆熱異常信息及其時(shí)空演化特征。關(guān)鍵問題：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：?jiǎn)未八惴ㄅ八惴〞円狗p溫雙通道法23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23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豐縣沛縣徐州市區(qū)睢寧縣邳州市新沂市衛(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豐縣沛縣衛(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衛(wèi)星熱

13、紅外異常與地震熱紅外異常信息提取及判定方法25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26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

14、強(qiáng)同屬一個(gè)量級(jí)，有效信息可能被淹沒于反演誤差之中，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27一個(gè)例子-汶川地震前衛(wèi)星遙感熱紅外異常衛(wèi)星熱紅外異常的第 1 階段（2008 年 03 月 18 日）28一個(gè)例子-汶川地震前衛(wèi)星遙感熱紅外異常衛(wèi)星熱紅外異常的第 1一個(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29一個(gè)例子-汶川地震前衛(wèi)星遙感熱

15、紅外異常衛(wèi)星熱紅外異常的后續(xù)發(fā)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)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)有資料沒有很好支持遙感解譯和信息提取。31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

16、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地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容32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)33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地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起34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)于水體來說，水體幾乎吸收了全部的近紅外和短波中紅外全部的入射能量

17、，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，池塘多呈面狀區(qū)域，河流呈線狀結(jié)構(gòu)35地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起TM432TM753在地震災(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目視解譯的方法來提取。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地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起36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

18、分析光譜特征：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地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起37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

19、像的灰度和離散值的變化。通常隨著建筑物倒塌程度的加大，地表對(duì)太陽輻射的反射方式也從原來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地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起38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法辨認(rèn)。 建筑物部分倒

20、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，為無規(guī)則的斑點(diǎn)狀，使原來規(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)其它異常特征來判斷。39地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起39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地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起40地震災(zāi)害遙感快速提取技術(shù)各類信息的提起次生災(zāi)害信息滑坡、泥石流、堰塞湖等等泥石流的影像特征為沿河流和溝谷呈扇狀分布滑坡具有明