多红外遥感影像的西藏玛尼m

多红外遥感影像的西藏玛尼m

在地震的创造过程中，扰动的活动性通常会导致地形和地表微裂缝的变化，以及扰动周围表面和近地表的含水量、地下气体和地上磁体的变化，这些变化都会导致异常的热红外辐射异常。近年来,许多学者相继开展了应用卫星热红外遥感信息进行地震短临预报的探索性研究,并较为成功地预报了一些中强地震,得到了若干震例和异常信息提取的方法和经验。如强祖基等利用目视解译方法进行热红外图像的观察分析,曾成功预报了1990年2月10日江苏常熟5.1级、1991年3月12日台湾台南6.0级、1992年4月20日台湾花莲海外6.8级地震。刘德富等统计分析了1974—1990年的NOAA卫星的热红外数据资料,研究结果发现强震前一个月,震中附近地区的OLR(射出长波辐射量)月平均值有显著增强。AndrewATronin分析了10年的NOAA卫星夜间的热红外资料,发现热红外辐射异常与地表活动构造存在着一定的联系,即震前沿地表破裂带有热红外增温现象。应用卫星热红外遥感影像进行震前红外增温异常的研究解读时,基于经验判读的目视解译是最必要也是最有效的方法。但是有些异常信息很难直观地表现出来,还需要进行一系列的技术处理才能发现震前的异常信息,如用伪彩色合成、地面温度场标定、差值法、断层剖面线法和等值线法等进行处理,每种方法都各有其应用目的。几种方法综合应用,针对不同震例的具体情况有的放矢地进行选择,达到最为有效的异常提取效果。文中以1997年发生在西藏玛尼地区的7.5级地震为例,选取地震前后的卫星红外遥感影像进行处理分析,应用多种红外图像处理方法,提取有明确震兆意义的红外辐射异常信息。1玛尔盖茶卡断层1997年11月8日18时02分,在我国西藏东北部玛尼乡以北150km处发生7.5级强震。地震的震中(φN35.26°,λE87.33°E)位于朝阳错湖南岸的玛尔盖茶卡断层上。玛尔盖茶卡断层走向近EW,长约270km,是一条具左旋走滑性质的逆断层。沿玛尔盖茶卡断层两侧,湖泊和沼泽非常发育,其中在断层的西南端是玛尔盖茶卡湖和江尼茶卡湖,东北端是朝阳错湖。玛尔盖茶卡断层在区域构造上属于金沙江—鲜水河断裂,历史上沿此断裂带地震活动频繁,在1973年7月14日曾发生7.3级地震。在玛尔盖茶卡断层的西端,与其呈45°夹角处,向东南展布有一条性质不明断层,这里为讨论方便将其定名为大口子断层。2图像处理过程和异常的时空发展2.1图像筛选和校正选用美国NOAA-14和NOAA-16卫星AVHRR数据第五通道(波段带宽为11.5—12.5μm)夜间数据,截取西藏玛尼地区视场范围为λE83.40°—90.60°、φN32.76°—37.24°(600×450像素)的区域,选取时段从1997年10月19日至1997年11月15日。为排除日照和云的干扰,全部筛选夜间无云的图像共7幅,根据成像时间分别规定图像名为:971030、971104、971105、971106、971107、971112、971114。对筛选出的图像,首先进行几何校正和辐射校正,并按等角投影方式对图像进行重采样生成研究区范围内的局地投影文件。限于篇幅,本文选取图像质量较好的影像(971104、971107、971114)为例来说明玛尼地震前后的热红外温度异常现象。2.2热反差对比分析热红外遥感图像是用0—255的灰度值来对应研究区域的冷—暖温度范围。冷(黑)色表示低温区域,表明其表面温度低或辐射率低;暖(白)色表示相对高温区域,表明其表面温度高或辐射率高。图像色调的深浅与温度分布是对应的,可根据图像上的色差来反映地面景物的热反差。异常是相对于正常而言的,因此在进行目视解译分析时首先将1997年地震前的影像与无震的1999年同期的夜间热红外影像进行对比观察(图1)。观察结果发现,在11月玛尼地区都有大范围的降雪,1999年的降雪(黑色)范围主要集中于玛尼地区东部,而1997年的积雪覆盖面积很大,几乎覆盖整个图像的视场范围。但是在1997年这种气象因素的强干扰背景之下二者却表现出微弱的差别,差别在于1999年的影像中玛尔盖茶卡湖南侧的河流和朝阳错湖都表现出清晰的白色暖标志(图1a),而在1997年的影像中玛尔盖茶卡湖的周围却表现出与周围环境温度反差较大的亮温。这种亮温的出现范围遮盖了地物的原有表现,使得河流和朝阳错湖的能见度降低(图1b),因此初步认为1997年11月8日的玛尼7.5级地震前可能存在热红外的增温辐射异常。2.3大河口断层增温和温度场分布为进一步观察地震前后的红外辐射温度场的动态变化,将玛尼地震前后灰度图像进行伪彩色的合成。伪彩色合成处理是为了用冷暖色调表现红外图像中的温差,以便于满足人们的视觉习惯对冷暖的感应程度。由伪彩色合成图像可以看出,在1997年11月4日以玛尔盖茶卡断层为界出现明显的南北温差(图2a)。断层北部温度相对较低,普遍在-27℃左右,并且温度场分布较均匀,沿东昆仑断裂无明显增温现象。但是在断层南部,出现明显的热温异常,且温度分布不均匀,尤其集中在玛尔盖茶卡断层和大口子断层之间,温度在-23℃左右。到11月5日增温异常区域集中在朝阳错湖附近,并以朝阳错为中心,增温方向逐渐向北蔓延,异常面积也逐步扩大,到11月7日(图2b),玛尔盖茶卡断层南北两侧温度上升到-20℃左右,同时沿东昆仑断裂西端出现-20℃的热温条带。与上述动态升温过程不相吻合的是,在大口子断层以南的其他地区,却无明显的温度变化,因此可以排除由纬度和气候因素造成的温度干扰。到11月14日震后(图2c),整个地区温度场表现均匀,多在-26℃左右,亮温异常消失。尤其沿玛尔盖茶卡断层,已不再表现出与周围环境的温度差异。这说明震前的红外亮温异常已趋于平静,只有正常的因气候变化而出现的降温现象。2.4图像标准温度场的标定由于地形、地貌等环境因素对地表温度的影响不同,在同一区域中,如果地形的起伏较大,不同高程的地物其温度场分布也不同。而研究区范围较大时,由于纬度的变化,同样高程的地物也不能用同一温度标准来衡量,因此用图像的差值法可以在某种程度上消除地形、地貌因素的干扰。在进行图像的差值处理之前,往往需要考虑背景的更新机制,尽量弥补因天气、光照等气象因素对图像显示效果造成的影响,因此首先要进行温度场标定。温度场的标定是指对不同时相的图像进行简单线性回归的处理过程。实际上就是指去背景温度的处理,背景温度主要指的是气象因素引起的温度差异。这7幅影像的时间跨度为半个月,又正好是初冬时节气温骤冷,因而气象因素对地表温度的干扰很大。玛尼地震发生在藏北高原的无人区,震中地区方圆500km范围内无县级以上的市镇,因而无从收集当地水文、气象以及地质体的红外辐射特征资料。因此在进行图像差值处理前的去背景处理中,对标准温度场的选择非常重要,既要消除大气环境的影响,又要考虑地形、地貌的因素。理想的标准温度场应选择在无地形切割的平坦干燥地区,因为地形过高或过低以及水体、植被、断裂带周边等都是产生地表红外辐射异常的敏感因素。我们选取远离震中190km处的塔克拉玛干沙漠附近的9×9的象素范围做为标准温度场,以图像971030为标准,去标定其余6幅影像的灰度值。标定方法如下:设图像971030所在的标准温度场为M={a1,a2,…a9×9},求得均值M¯¯¯¯Μ¯为常量,M¯¯¯¯=219Μ¯=219。当标定图像971104时,也选取与971030中相同位置的同名象素点,M¯¯¯¯971104={a1,a2,⋯a9×9}Μ¯971104={a1,a2,⋯a9×9},得M¯¯¯¯971104=201Μ¯971104=201,则M¯¯¯¯−M¯¯¯¯971104=18Μ¯-Μ¯971104=18。对待标定的971104做图像的加法运算,即给图像971104中的每一个象素加上18即为标定结果。以此类推,分别标定其余各影像。经过温度场的标定以后,可以部分消除气象因素的干扰,同时又可避免掩盖震源区周围温度的动态变化。经过温度场的标定处理之后就可以进行图像的差值处理,应用图像差值处理的目的是为了消除地形地貌、水体、植被等静态因素引起的温度现象,保留红外辐射场的动态变化。以震中朝阳错为中心,裁取280×180像素的小区域,分别用震前971104、971107的影像减去震后971114的图像。同时为比较地震活动相对平静时期与玛尼地震的对比,也选取了与玛尼地震同一季节的1999年11月1日的影像991101与971114进行同样的差值处理。图3为差值处理前后的图像,在经过差值处理后的影像中,在玛尔盖茶卡断层周围的湖泊表现出的白色斑块全部消失。这是由于水体的热惯量大,不易受环境温度的影响,因此进行差值处理后,其温度信息基本消失。由图像差值结果可以看出,震中朝阳错湖的周围,震前温度明显高于震后,增温幅度约3—5℃,增温范围集中于东西长170km,南北宽60km的区域。2.5红外亮温对比对热红外图像数据进行统计分析将有助于人们定性、定量地认识红外温度场的分布状况。将经过差值处理后的图像,沿玛尔盖茶卡断层走向由西向东做长约400km的红外亮温的纵剖面(图4,图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线分别是991101图、971107图和971104图与971114图的差值结果)。由图4可以看出地震前的11月4日和7日,在震中周围的亮温值明显高于其周围地区,增温区域集中在震中两侧170km的范围内。而与无震的991101的差值结果相比,二者的亮温差值仅表现出整体的高温,曲线分布离散,无明显的趋势性变化。3异常出现的环境分析已有学者对1997年玛尼7.5级地震前后的整个西部地区的热红外图像进行过研究,结果表明震前2天,在震中玛尔盖茶卡断层附近出现红外辐射的增温现象。我们旨在从图像处理的角度出发,应用多种技术手段和方法,重点对该地震震中周围地区进行监测分析,从处理结果得出以下初步认识