卫星热红外遥感在地震预测和断层活动中的应用研究进展

近年来,利用卫星技术通过测量地—气系统的红外辐射来探测地表的热状况,使热红外遥感在地震预测方面取得了显著成就。本文回顾了红外遥感资料应用于地震预测的研究成果,阐述了地震热红外短临预测方法的研究进展及应用实效,介绍了利用热红外遥感信息研究断层活动变化的探索与发展,探讨了地震热红外异常发生的机理,并就该技术的应用与理想效果之间的差距提出了未来工作的研究重点。     

2002~2005年长白山火山气体的释放特征与地球化学异常研究——多源高光谱遥感证据

长白山火山区是我国具有潜在喷发危险的活火山,在2002~2005年火山活动性增强出现了岩浆房扰动。利用卫星遥感技术具有观测范围大、观测时间长且连续的优势。因此,本文利用对流层污染探测仪（MOPITT）和大气红外探测仪（AIRS）高光谱遥感数据提取了2002~2005年长白山天池火山区CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度异常信息,讨论了高光谱遥感气体地球化学异常信息与火山活动性之间的关系,并对2002~2005年长白山天池火山区火山活动性进行了研究。结果表明,高光谱遥感数据观测到的气体地球化学（CO、O₃、水汽）异常与地震、形变监测结果以及地面流体（CO₂、He、H₂）观测结果相一致,表明MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星观测到的气体异常变化较好地反映了2002~2005年大规模的深部岩浆局部扰动。在2002~2005年火山活动期间,CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度均出现了显著异常且异常出现时段相应准偏差显著增大,反映了气体逸出量在时间上具有不均一性,可能与火山、地震活动过程中地应力的作用和变化有关。从气体异常持续的时间以及地面观测结果综合分析,2002~2005年岩浆房扰动并没有产生长时间的地幔物质流的上升和迁移。在火山活动性增强的时间段内,地表温度出现异常低值,这可能与太平洋板块俯冲过程中引起的断裂拉张增强有关。此外,火山活动过程中逸出的气体进入大气圈产生大气化学反应也会导致高光谱遥感所观测到的气体地球化学异常。研究结果为2002~2005年长白山火山活动性的研究提供了来自高光谱遥感数据的气体地球化学新证据,也对高光谱分辨率遥感数据在火山活动规律的研究以及火山监测中的应用具有一定意义。     

高光谱遥感在断层气监测中的应用讨论

空间对地观测研究是近年来国内外地震科学研究发展的重要方向。由于新的观测技术和理论的快速发展,使得高光谱在断层逸出气方面的应用在强震前兆信息分析中有可能发挥重要作用。本文简单介绍了断层气体地面监测和卫星遥感监测方面的应用现状,概述了高光谱遥感的原理、反演方案和方法等。笔者建议运用地面监测和高光谱遥感技术相结合的方法来监测强震前后活动断层逸出气的光谱变化,根据数学算法反演痕量气体组分浓度,最后,结合震例,探讨强震前后断层逸出气体异常变化量与强震的关系,提取断层气体各组分强震前兆信息。利用空间对地观测技术来研究断层逸出气,这样可以全面提高对强震前兆异常信息的空间分析和可靠性判定能力,对全面发展地震监测预报技术具有重要的意义。     

地震活动性热红外异常提取方法研究

热红外遥感以其大视野、高精度和短周期等诸多优势以及对某些强震红外异常的良好反映,成为监测断裂活动性及地震短临前兆的很有前途的观测技术。热红外异常与地震关系的研究也受到国内外地震学者的广泛关注。但由于地表热红外辐射受云层、地形地貌、地物类型和气象等诸多非震因素的影响,因此,如何从复杂的红外遥感数据中提取出与地震活动有关的热异常一直是这项研究中的瓶颈问题。在对若干震例和地震活动区的热红外影像进行长期分析研究的基础上,对这一问题进行了探讨,同时提出了一些实用化的异常识别与提取方法,并对其可行性进行了分析。认为地震红外异常是地表亮温的相对变化,判别地震异常时,至少需利用两年以上的卫星资料,从不同的时空尺度上加以综合对比分析,仅靠震前震后一定时段的卫星资料不足以排除所有非震因素的影响。     

卫星遥感探测大气CO2浓度研究最新进展

大气CO₂是一种重要的长寿命温室气体,卫星遥感探测大气CO₂浓度,可以连续地获得其全球时空分布变化情况,进而提高对大气CO₂源汇分布及区域和全球碳循环的认识,进一步增强对全球气候变化的研究和预测。卫星遥感探测大气CO₂浓度已经开始成为一个新的研究领域,文章综合论述了利用卫星平台遥感探测大气CO₂浓度分布的最新研究状况。首先简单地叙述了现阶段对大气CO₂浓度时空分布和变化情况的直接仪器观测结果,在此基础上比较全面地综述了卫星遥感测量大气CO₂浓度的主要方法及获得的结果,包括利用近红外反射太阳光谱或地气热红外发射辐射光谱及两者的组合进行得模拟和卫星实测反演研究,最后简单地进行了总结和展望。     

对流层臭氧卫星遥感反演综述

臭氧是地球大气中最重要的痕量气体之一,在气候变化和生态环境中均扮演着至关重要的角色。对流层臭氧作为光化学烟雾的重要成分之一,其浓度变化与人类活动息息相关。基于卫星遥感技术监测对流层臭氧浓度可以帮助我们更好地发现和定量解释对流层臭氧在不同季节、不同时刻以及不同区域的变化特征,探讨臭氧在对流层中的成因机制。随着卫星遥感技术的全面发展,臭氧遥感产品（例如臭氧总量、廓线等）无论在产品精度或是时空分辨率方面均取得了显著进步,然而,由于受较弱卫星信号与复杂下垫面的影响,对流层臭氧遥感产品精度仍无法满足目前对流层大气成分的精细化科学应用研究。主要围绕对流层臭氧卫星遥感,回顾和分析了臭氧卫星遥感载荷的发展历程和现状,结果表明国内外已基于不同谱段（紫外—可见光、热红外和太赫兹）实现了全球及区域臭氧的时空分布探测;讨论了基于不同技术遥感反演算法（直接与间接反演、多波段联合反演、天底—临边协同反演、基于机器学习技术的创新算法等）的特点及适用性,分析表明算法精度的提升包括从复杂大气背景下的辐射传输模拟、基于地面观测的先验信息优化以及仪器定标与信噪比等多方面的工作;展望了卫星遥感在全球和区域尺度提供可靠对流层臭...     

墨西哥下加利福尼亚M_W 7.2地震前后CO遥感地球化学异常

利用AIRS产品数据提取了2010年4月4日墨西哥下加利福尼亚MW7.2地震前后震中及其附近CO总量和CO体积混合比随时间变化的信息,讨论了CO气体地球化学变化与地震活动的关系。数据表明,下加利福尼亚地震前约一个月CO总量升高,高出前两年同期平均值2～4×1017 mole/cm2,在地震发生前后CO总量和近地表CO体积混合比有波动现象,且8日平均数据的标准偏差增大,约为非地震时段的2倍。该现象应该归因于地震孕育发生过程中地应力作用使岩石圈脱气增强、大气电磁和化学反应引起的CO含量的增加。研究结果表明利用卫星高光谱遥感数据提取与地震有关的CO气体地球化学信息,对地震监测预报有重要意义。     

卫星热红外异常——四川汶川Ms8.0级大地震的短临震兆

利用我国FY-2C红外一波段（10.3~11.3 μm）的卫星遥感图像,通过解译和研究,发现在5.12汶川大地震之前,就出现了明显、孤立的卫星热红外异常现象。其异常现象的特征具体表现为：①、震兆出现早：即在2008年3月18日（震前55天）,就开始出现了热红外异常;②、异常阶段多且复杂：汶川地震前的卫星热红外异常,可分5个阶段,而且热红外异常的展演各有不同。这在众多的卫星热红外地震研究案例中,可能是迄今为止异常阶段最多的一次;③、单个阶段的持续时间长：最长达13天;④、如此沿龙门山地震断裂带分布的明显的地热增温异常现象,可能在卫星热红外地震研究案例中是首次发现。这对研究发震特点、余震走向具有重要指示和启示意义。 本项研究的结果再一次证明：作为地震短临震兆,在地震（特别是≥Ms5.0）前必然出现热红外异常现象的实践性和规律性。利用卫星热红外异常现象进行地震短临预测研究是最有效和最有可能突破地震预测科学问题的途径和方法之一。     

大气成分的遥感监测方法与应用

对大气成分准确、及时地监测是掌握大气成分分布特征、研究大气污染成因机制、有效防治大气污染的前提。遥感监测技术在大气成分的观测过程中具有远距离实时观测、快速分析成分多样的大气混合物、无需采样便可获得目标成分的立体时空分布结果等优势。大气成分的遥感监测方法多样,各种仪器优势各异,覆盖了多样的气体和气溶胶的监测范围。根据各仪器距地面高度的差异,遥感平台可划分为地面平台、航空平台和航天平台。遥感技术在大气成分监测领域中应用广泛,已满足了多种观测目的的观测要求。介绍了大气成分的遥感监测方法和平台,并总结了针对不同目的的遥感应用实例,展望了遥感方法在大气成分观测方面的发展方向。     

芦山地震（MS 7.0）前甲烷释放与大气增温异常

汶川地震(MS 8.0)后甲烷等流体在地震中所起的作用引起国内外学者广泛关注,但是目前的观测研究中所用的数据多来源于地面或地下基站,站点分布零散,维护困难,难以开展大范围的实时监测。文中利用美国Aqua卫星红外探测器（AIRS）反演出的甲烷浓度数据,研究了芦山MS 7.0级地震前龙门山地区甲烷浓度的变化与震前大气增温异常的关系。研究表明,该探测器可以观测到震前地下甲烷的释放,为地震前兆监测提供新途径;芦山地震前甲烷释放受断裂带控制明显,主要集中于龙门山断裂、荥经-马边断裂和金坪断裂及其周边;震前大气增温异常与甲烷释放关系密切。最后探讨了地下甲烷等流体的释放机理,认为甲烷等流体的释放与地震前上地壳岩石中裂隙的发育和扩展有直接关系。     

Satellite Thermal Infrared Earthquake Precursor to the Wenchuan Ms 8.0 Earthquake in Sichuan,China, and its Analysis on Geo‐dynamics

Abstract: Based on an interpretation and study of the satellite remote-sensing images of FY-2C thermal infrared 1st wave band (10.3–11.3 μm) designed in China, the authors found that there existed obvious and isolated satellite thermal infrared anomalies before the 5.12 Wenchuan Ms 8.0 Earthquake. These anomalies had the following characteristics: (1) The precursor appeared rather early: on March 18, 2008, i.e., 55 days before the earthquake, thermal infrared anomalies began to occur; (2) The anomalies experienced quite many and complex evolutionary stages: the satellite thermal infrared anomalies might be divided into five stages, whose manifestations were somewhat different from each other. The existence of so many anomaly stages was probably observed for the first time in numerous cases of satellite thermal infrared research on earthquakes; (3) Each stage lasted quite a long time, with the longest one spanning 13 days; (4) An evident geothermal anomaly gradient was distributed along the Longmen seismic fracture zone, and such a phenomenon might also be discovered for the first time in satellite thermal infrared earthquake research. This discovery is therefore of great guiding and instructive significance in the study of the earthquake occurrence itself and the trend of the post-earthquake phenomena.     

新疆吉木萨尔地区油气渗漏与盐碱化相关性的航空高光谱遥感探测研究

笔者在新疆吉木萨尔地区开展航空高光谱遥感油气探测示范研究的过程中,发现油气渗漏地区往往有盐碱化现象。据此,利用航空高光谱成像系统在该区取得的可见光-近红外和短波红外遥感数据,采用自主开发的波段分类填图方法,对吉木萨尔农田、荒地和戈壁地区的油气渗漏异常信息进行了提取,经野外验证和化学分析,圈定了7处油气渗漏异常区。同时,构建了盐碱化的高光谱识别模型,利用该模型进行了盐碱化信息填图,并对吉木萨尔同一覆盖区的盐碱化异常进行了提取,圈定了盐碱化异常区。通过对油气渗漏异常区与盐碱化异常区的叠置聚焦分析,发现二者空间位置有高度的重合性。笔者认为这一高光谱遥感探测发现,不仅具有探索的理论意义,而且具有实用价值。其实用价值主要体现在高光谱遥感油气探测中,通过烃碱信息的相互印证,可以减少油气信息的漏判,提高油气渗漏信息识别的准确性。同时,在缺少航空高光谱遥感数据的情况下,还可以利用卫星多光谱遥感数据源,通过提取盐碱化异常和圈定盐碱化异常区的途径,帮助缩小找油气的目标区,为油气资源的调查、评价和选区提供新的信息和依据。上述研究同时表明,自然界的盐碱化可能并非全是由"干旱蒸发"形成,很可能还存在与油气有关的盐碱化,在油气勘查中如何区分这两种类型的盐碱化,特别是应用高光谱遥感技术将二者区分开来,是值得深入探讨的科学问题。     

An overview of satellite remote sensing technology used in China’s environmental protection

Satellite remote sensing technology has been widely used in environmental protection in China. Based on China’s environmental protection characteristics, this paper reviews the application advancements of optical, infrared, microwave and hyperspectral satellite remote sensing techniques in atmospheric environment, water environment and ecological environment, respectively, including the atmospheric environment monitoring of aerosols, particulate matter, pollution gases, and greenhouse gases; the water environment monitoring of water blooms water quality, oil spills, water pollution and drinking water safety; the ecological environment monitor of national nature reserves, environmental damages from mines development, soil contamination, urban/rural ecological environment and biodiversity richness. Furthmore, it summarizes the limitations and future directions of satellite remote sensing studies in China environmental protection. The paper specifically notes that the development of high-resolution satellite remote sensing technology, as well as the launch and use of China series satellites could significantly improve the level of government’s environmental management.     

Infrared remote sensing of atmospheric composition and air quality: Towards operational applications

Atmospheric remote sensing from satellites is an essential component of the observational strategy deployed to monitor atmospheric pollution and changing composition. During this decade, remote sensors using the thermal infrared (TIR) spectral range have demonstrated their ability to sound the troposphere and provide global distribution for some of the key atmospheric species. This article illustrates three operational applications made possible with the IASI instrument onboard the European satellite MetOp, which opens new perspectives for routine observation of the evolution of atmospheric composition from space.     

卫星热红外地震短临预测方法研究

文章扼要介绍卫星热红外亮温异常的基本原理,分析建立地震短临预测遥感信息模型,通过11 a试验性预报实践和几个地震的案例,如南海东沙地震,台湾集集大地震,震例还有内蒙包头地震,美国华盛顿州奥林匹亚地震及印尼苏门答腊巨震等。从作为震兆的亮温异常提升到热应力场,对预测地震震中更加可靠和更有说服力,说明此项技术具有实际应用前景。     

Remote sensing and petroleum seepage: a review and case study

When reservoirs leak, varying quantities of oil and gas migrate to the surface as macroseeps, which are visible, and microseeps, which are invisible. This review article describes the mechanisms of seepage and the resulting surface manifestations in relation to optical high-resolution remote sensing data. Oil pools and tar deposits (macroseeps) often can be detected directly by remote sensing. Microseeps are more difficult to study using remote sensing, but they give rise to vegetation stress, and cause geochemical alterations in soil and rocks, which can be studied indirectly using hyperspectral sensors. An integrated methodology is presented to combine various geoscience and remote sensing datasets for seepage detection. A combination of red-edge modelling algorithms and spectral matching tools is identified that provides a validated technique for onshore microseepage detection. These remote sensing tools are not only important for petroleum exploration, but also have environmental implications because seeps emit greenhouse gases. A statistical data integration approach was developed based on Bayesian assumptions, which can be used to integrate hyperspectral remote sensing data, other satellite remote sensing data, and ancillary field geological and geochemical datasets, for modelling microseepage. In a case study from the Ventura basin (Santa Barbara) in Southern California, Probe-1 data from the 1998 Geosat Group Shoot are integrated with field and subsurface geological and geochemical data to predict possible sites of hydrocarbon microseepage.     

Satellite Thermal Infrared Earthquake Precursor to the Wenchuan Ms 8.0 Earthquake in Sichuan, China, and its Analysis on Geo-dynamics

Based on an interpretation and study of the satellite remote-sensing images of FY-2C thermal infrared 1st wave band (10.3-11.3 μm) designed in China, the authors found that there existed obvious and isolated satellite thermal infrared anomalies before the 5.12 Wenchuan Ms 8.0 Earthquake. These anomalies had the following characteristics: (1) The precursor appeared rather early: on March 18, 2008, I.e., 55 days before the earthquake, thermal infrared anomalies began to occur; (2) The anomalies experienced quite many and complex evolutionary stages: the satellite thermal infrared anomalies might be divided into five stages, whose manifestations were somewhat different from each other. The existence of so many anomaly stages was probably observed for the first time in numerous cases of satellite thermal infrared research on earthquakes; (3) Each stage lasted quite a long time, with the longest one spanning 13 days; (4) An evident geothermal anomaly gradient was distributed along the Longmen seismic fracture zone, and such a phenomenon might also be discovered for the first time in satellite thermal infrared earthquake research. This discovery is therefore of great guiding and instructive significance in the study of the earthquake occurrence itself and the trend of the post-earthquake phenomena.     

震害遥感快速提取研究——以2003年2月24日巴楚—伽师6.8级地震为例

论述了遥感影像提取震害的研究进展 ,提出了基于GIS和数字图像处理技术的震害遥感快速提取与损失评估的技术途径。在此基础上 ,介绍了巴楚—伽师地震的航空与卫星遥感资料的获取、图像数字处理与震害提取过程 ;描述了地震造成的建筑物震害与地质灾害的遥感图像特征 ;根据以往震害遥感影像统计经验与本次地震震害遥感特征 ,提出了遥感震害分级分类标准和地震烈度划分标准 ,进而得到基于震害遥感影像的伽师地震等震线图。文中对所得到的地震烈度与地面实际调查结果进行了比较。通过遥感信息源空间分辨率要求与信息获取与处理的时效性分析 ,认为我国利用航空遥感与卫星遥感资料获取地震灾情信息已进入实用阶段     

Landsat8卫星数据在安徽黄山汤口-寨西地热资源调查中的应用

遥感大数据分析与应用正成为地球信息科学领域重要的研究内容。利用热红外遥感技术进行地热异常信息的提取可以为地热资源勘查评价提供重要的依据。Landsat系列卫星数据拥有长时间的数据积累和较高的空间分辨率,是地表热环境时空序列大数据分析的重要数据。最新一代的Landsat8 卫星热红外数据在延续了较高分辨率的同时,敏感性更强,更加适合于对地表热环境空间分布进行精确分析。本文以安徽黄山汤口-寨西工作区为研究区,分别选用2016年12月9日Landsat8 的热红外遥感数据和2009年12月6日Landsat5 TM 数据,采用大气校正方法进行地表温度的反演和对比分析,通过密度分割分析提取地热异常信息,并综合遥感地质解译信息、气象、地形等数据,对工作区地热资源有利区进行了预测。结果表明：两个时相地表温度反演结果的空间分布基本一致,利用Landsat8 热红外数据的地表温度反演结果可以有效地获取地热异常信息,所圈定的地热异常较为合理,与工作区内主要的断裂构造分布一致,且和物探勘查和钻孔实验结果相对应,可以为地热资源勘查大数据分析提供重要的数据源。     

油气勘探中遥感方法新进展与趋向

:文中介绍了遥感在油气勘探中的最新应用 :( 1)以遥感为主线的油气勘探集成技术应用 ,包括油气遥感直接勘探研究与应用、小型及隐蔽油气藏遥感间接勘探应用和钻探靶区的遥感、物探和化探综合评价 3个阶段的应用层次。 ( 2 )以高分辨率遥感数据与GIS技术相结合进行储层裂缝识别与有利含油气区块评价。未来几年的遥感技术将有更大的突破 ,表现在 :( 1)超光谱卫星遥感与直接探测地表油气微渗漏蚀变矿物 ;( 2 )热遥感成像资料等在油气直接勘探中的应用 ;( 3)卫星雷达干涉测量技术与重力资料相结合的油气勘探应用。