基于红外异常的发震信号识别与危险性评估

发布时间：2020-08-10 11:25

【摘要】：地震是地球上所有自然灾害中给人类社会造成损失最大的一种地质灾害,一直以来地震的预测预报都是各国学者研究的热点和重点。众所周知,地震发生前普遍存在热红外辐射异常现象,而今这一现象已成为评估区域发震危险性的重要指标之一。然而,地表热辐射是太阳辐射、大气辐射和地下热传导共同作用的结果,事实上后者在数量级上远远小于前两者,因此从地表热辐射中识别构造热异常是一项极具挑战且充满争议的研究。本文利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)地表温度数据(MOD11A2),按照数据预处理、可行性分析、异常提取和发震信号识别等流程对青藏块区的构造活动及孕震过程进行探讨和分析,证明了基于热红外遥感捕获发震信号的可能性,同时为识别发震危险区提供一定的技术参照。首先,为解决因大气水汽影响造成的地表温度数据时空不连续问题,本文提出了基于被动微波遥感和时空域联合分析的云下像元地表温度反演算法,该算法通过更精确的地物分类和时间序列滤波实现了对经典多通道统计模型的改进,反演精度提高76个百分点。然后,为证明基于热红外遥感预警地震的可行性,本文以汶川地震为例,采用经典RST算法及其改进算法(年趋势RST算法)提取该地震的临震热异常,并建立了异常方向、异常强度和异常距离指数三个统计指标,分别从时、空、强不同角度分析热异常与构造活动的相关性。结果证明,改进后的算法提取的热异常在时间和空间上都表现出明显的地震相关性。最后,为进一步提取构造热信息、识别发震信号,本文从传热机制和信息分解两个角度做了探索,分别选择了用于度量地上热源与地下热源相位差的透热指数以及在一定程度上去除了太阳、大气和人类活动影响的原地温度作为研究对象,分析二者与地震的关系。结果表明,两个指标都能有效地突出构造热异常,具有较好的发震指示性,可根据二者的时间序列波动及增温异常时空分布特征识别潜在发震危险区。
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P631.4
【图文】：

电磁波谱,范围,热红外遥感

二２．１热红外遥感概念与定律逡逑２．１．１热红外遥感概念逡逑热红外遥感是一种通过星载红外探测器采集人眼看不到的地物热辐射通量，并将其逡逑转换为人眼可视图像的技术。众所周知，自然界中任何高于绝对零度（即热力学温度为逡逑０Ｋ）的物体都能不断地以热辐射的方式向外辐射能量，这是热红外遥感在无人造光源的逡逑条件实现对地物全天时的观测的物理前提［６（）］。热辐射与热传导、热对流组成了自然界热逡逑量传递的三种基本方式，然而，三者之间的传热机制截然不同。其中，热传导是依靠微逡逑观粒子如分子、原子等的热运动进行热量传递的过程；热对流是是依靠流体如冷、热气逡逑流等的宏观运动传递热量的过程；而热辐射则是依靠发射电磁波向外界传递热量的过逡逑程，在这一过程中，地形、地物特性、水汽等都会对最终接收的能量值产生影响［６（）］。图逡逑２－１给出了电磁波谱范围。逡逑＇逦热射＆逦逦逡逑

黑体辐射光谱,能量分布

＾－邋＝邋Ｅ（Ａ，Ｔ）ｉｒｃｈｈｏｆｆ定律的另一个贡献是表明，处于热平衡状态下的物体，其发射的福辐射能是相等的，即此时物体的发射率与吸收比相等，从而得到物体的辐其吸收能力也越强的结论。逡逑２）邋Ｐｌａｎｋ邋定律逡逑定律由Ｐｌａｎｋ于１９００年提出，通过将量子概念引入热辐射的研究，从理论体辐射出射度与波长的关系：逡逑中，Ｍ为温度为ｒ时的黑体辐射出射度，；Ｉ为波长，为Ｐｌａｎｋ常数，ａｎｎ常数，ｃ为光速。Ｐｌａｎｋ公式为反演地物温度提供了物理基础。逡逑ｉ0！可见光辐射能逡逑

影像,缺值,中国境内,产品

而被传感器探测到，导致获取的数据产品存在大量的无值区，即云下覆盖区。逡逑利用ＱＣ文件（Ｑｕａｌｉｔｙ邋Ｃｏｎｔｒｏｌ邋Ｆｉｌｅ）对２００３－２０１４年间中国大陆区域的Ｍ０Ｄ１１Ａ２逡逑影像进行云下像元检测，结果如图３－１所示。统计结果表明，中国大陆境内的年平均缺逡逑值率最高达２０％，连续缺值最长达４０天；东南、西南为数值缺失最严重的区域，主要逡逑省份包括四川、贵州和广西，其次是广东、湖南、江西和福建，缺值率由东南向西北递逡逑减。从季度上看，东北、华北、内蒙古、西北、东南、西南区域数据缺失最为严重的季逡逑节是冬季，西藏地区数据缺失现象主要发生在夏季；整体而言，中国大陆境内缺值率由逡逑高到低的季节排序依次为：冬季、夏季、秋季、春季。大面积的数值缺失会对地表热辐逡逑射异常的识别和分析造成严重影响，因此，云下像元地表温度重建是利用热红外遥感识逡逑别发震信号不可缺少的重要环节。逡逑（ａ）逦．邋＾￣（0逡逑＾ｙ＊逦ａ逦３ｄｍ邋ａｗＴ邋ｍｔ邋ｎｏ＊邋．＇ｅｍ逡逑■５！这邋ｉ逡逑ｍｇＭ邋．邋：，＾逡逑附注１：图（ａ）为平均缺值率；图（ｂ）为区域划分；图（ｃ）为各区域各季度缺值统计。逡逑图３－１邋２００３－２０１５年ＭＯＤ１１Ａ２产品中国境内缺值率统计逡逑Ｆｉｇ．３－１邋Ｍｉｓｓｉｎｇ邋Ｒａｔｅ邋ｏｆ邋ＭＯＤ１１Ａ２邋Ｄａｔａ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｆｒｏｍ邋２００３邋ｔｏ邋２０１５逡逑１４逡逑

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