岩石受力红外与微波辐射变化机理及地应力遥感关键问题

地应力遥感是遥感科学的新范式,是打开地震遥感预测大门的金钥匙;岩石受力附加电磁辐射的产生机理、感知模型及定量分离是地应力遥感的理论基础。本文简要回顾了地震红外及微波遥感异常研究的历程,系统梳理了固体力学中电磁辐射实验观测的研究成果,包括材料应力与损伤的热像分析、岩石受力破裂过程的红外成像观测、红外波谱辐射观测及微波辐射观测。系统总结了岩石受力电磁辐射变化机理研究的代表性成果,包括矿物晶体压电效应、裂纹尖端放电效应、自由电子逃逸效应、孤立系统能量平衡等岩石物理机制;分析了岩石受力附加电磁辐射变化的量子力学机理,包括晶体原子振动能级跃迁及矿物分子转动能级跃迁;讨论了岩石介电常数变化效应、地表发射率变化效应等遥感物理机制。结合地应力变化驱动下的地球系统耦合现象,分析了地壳岩体电流激发效应、地下氡气逸出效应的原理与不足,总结提出了地球系统地震响应的多尺度性。最后,面向中国地球物理卫星重大计划,提出了地应力遥感亟待突破的三大关键问题,即地应力遥感卫星的波段优选与组合配置、构造活动及地震前兆的遥感识别与复合诊断、地应力响应现象的协同观测与智能分析。     

岩石的热模型分析

在几种岩石热辐射理论模型分析的基础上,考虑到岩石的红外光谱辐射特性和岩石的热性质──热惯量,建立岩石的热传输模型,并将实测数据代人,对岩石表面的一个日照周期内的变化做出计算,绘制出不同热惯量的几种岩石在日周期内表面温度变化曲线。由曲线看出,岩石热惯量大,其昼夜辐射温度变化小;热惯量小的岩石其昼夜辐射温差大。改变岩石的反照率、辐射系数和地面径向热流而得到岩石表面温度日变化曲线,可看出这３个因素只是改变了温度的量值,不像热惯量那样改变曲线的形状。     

云下地表温度与辐射变化关系的定量分析

云下对地表温度一直是热红外遥感研究的难点,云下地表温度的变化不仅受到到达地表的辐射强度的影响,还与地表覆盖类型的热力学性质有关,本文通过开展野外观测实验,并利用地表能量平衡模型模拟地表温度在不同辐射条件的变化情况,以期获得不同地表类型的地表温度与辐射变化的定量关系,结果表明,在云覆盖情况下,到达地表面的辐射值减小,地表温度也随之减小,当云覆盖前地表温度越高,云覆盖后地表温度的变化幅度就越大,不同地表类型的云下地表温度在单位时间(min)内发生的温度值的单位变化量所需辐射值的变化量与云覆盖前温度高低呈线性关系。在长时间云覆盖情况下,地表温度的下降速度随着云覆盖时间的增加而不断放缓,当云层覆盖一定时间(10—20 min)后,地表温度会达到一个相对稳定的状态。     

野外测量中地物热红外发射率提取算法研究

热红外遥感利用传感器探测所得的地物热红外辐射来反演地表温度等重要的地表环境参数.地物的发射率是反演地表温度的关键参数,但地物表面结构、温度和观测角等影响因素使得地物发射率的直接测量变得较为复杂.在大量野外实验的基础上发现,光谱平滑迭代法最适合地物光谱发射率的野外测量,其反演的温度和实测温度最接近.     

测量方位与土壤对玉米微波辐射特性的影响分析

微波具有穿透性,相对于可见光与红外探测器而言,微波探测器不仅能反映叶片层植被信息,还能反映较深层木质生物信息。笔者利用6.6 GHz与18.7 GHz被动微波辐射计对夏季玉米进行了不同角度(0°~60°每5°一个间隔)、不同极化(V与H极化)及不同方位(顺垄、垂直垄、垄向45°)的微波辐射特性观测试验。试验中玉米从幼苗到抽穗共分8期进行了测量,每期都利用LAI-3000实地获得了LAI数据,以此代表植被的生长状态。研究结果表明,随着观测角度和LAI的增大,V和H极化的亮温都有明显变化;微波植被指数随观测角度和LAI的变化都有明显规律;测量方位对玉米的微波辐射特性有明显的影响;土壤对植被的微波辐射影响随植被的长高而减弱。     

粗糙度和观测角度对岩石热红外光谱特性及其解混影响的实验研究

光谱解混是一种重要岩矿光谱定量反演方法.但该方法的影响因素较多,机理复杂,严重影响了岩矿定量反演精度,其中岩石表面的粗糙度和光谱观测角度是重要的影响因素.为揭示粗糙度和观测角度对岩石热红外光谱及光谱解混的影响特征,论文在国家自然基金面上项目"粗糙度和观测角度对岩石热红外光谱解混影响规律的实验研究"的资助下开展研究.主要内容和研究结果如下:(1)自然块状岩石表面形态研究.     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

从宽波段热红外图像反演组分温度的相关问题讨论——通道响应函数和比辐射率波段变化的影响

对于宽波段传感器,不一定能直接由普朗克定律或者斯蒂芬玻尔兹曼定律建立温度与辐射亮度的关系。在知道传感器通道响应函数和像元组分比辐射率波段变化的情况下,只要恰当地拟合出黑体温度和其宽波段热辐射的对应经验关系式,并计算一个通道响应函数加权平均的比辐射率,则从混合像元的宽波段多角度热红外观测仍可较准确地反演组分温度。以AMTIS为例,文中给出了两种拟合宽波段传感器亮度温度和辐射亮度之间关系的方式:一种是从斯蒂芬玻尔兹曼定律的形式出发的;另一种则是用普朗克定律,选择一个合适的波长,使得AMTIS传感器随温度变化的热辐射曲线和普朗克函数在某个波长处的热辐射曲线两者之间尽可能地平行。文中以两个例子说明了这两种方式在宽波段传感器组分温度反演中的应用和误差,分析了比辐射率波段变化对组分温度反演的影响。     

敦煌地区大气水汽和气溶胶对获取地表温度的影响

大气中的水汽和气溶胶含量是影响热红外波段数据的主要因素。针对敦煌地区,本文首先利用ＬＯＷＴＲＡＮ－７辐射传输模型对１９９２年９月２５日敦煌市西戈壁的一幅Ｌａｎｄｓａｔ－５ＴＭ６波段的热红外图像数据进行了大气订正,获取了地表辐射温度。进而利用ＬＯＷＴＲＡＮ－７通过模拟计算研究了该地区大气水汽和气溶胶含量的变化对ＴＭ６波段地面温度获取结果的影响,给出了对于热红外图像进行大气订正的主要判据。另外,文中还对热红外波段地面比辐射率的影响也进行了简单分析     

月球表面实时温度模型

国外相关研究结果表明,月球表面的光度学稳定度可达10^-8/年,是自由空间内稳定的辐射参考源,可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比,最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献,大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时,作为整体发射率稳定的自然天体,月球表面的温度范围在90—390 K之间,完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性,是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一,是月球表面热演化模型的必要边界条件,同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类：直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法：地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低,只能反映出一大片区域的平均温度;另外两种方法花费巨大,且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论,结合月壤样本的热物理参数,将月球当成半无限固体,根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律,得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础,准确描述月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型,从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比,该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验,其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP（Apollo Lunar Surface Experiments Package）的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据,通过与阿波罗15号实测数据进行对比,当太阳高度角大于0°时,该模型可以准确描述月球表面的温度变化;当太阳高度角在一定范围内时,模型的温度误差在1 K以内。     

Advances in understanding of the mechanism for generation of earthquake thermal precursors detected by satellites

Stresses building up during an earthquake preparation phase also manifest themselves in the form of a so called increased land surface temperature (LST) leading to a thermal precursor prior to the earthquake event. This phenomenon has now been validated by our observations of short-term thermal anomalies detected by infrared satellite sensors for several recent past earthquakes around the world. The rise in infrared radiance temperature was seen to vary between 5 and 12 °C for different earthquakes. We discuss in this paper different explanations for the generation of such anomalies that have been offered. Emission of gases due to the opening and closure of micropores upon induced stresses and also the participation of ground water have been propounded as a possible cause for generation of thermal anomalies. Seismo-ionosphere coupling, by which gases like radon move to the earth–atmosphere interface and cause air ionization thus bringing about a change in air temperature, relative humidity, etc., has been put forth by some workers. A mechanism of low frequency electromagnetic emission was tested and experimented by scientists with rock masses in stressed conditions as those that exist at tectonic locations. The workers proposed the positive hole pair theory, which received support from several scientific groups. Positive holes (sites of electron deficiency) are activated in stressed rocks from pre-existing yet dormant positive hole pairs (PHPs) and their recombination at rock–air interface leads to a LST rise. A combination of remote sensing detection of rock mechanics behavior with a perception of chemistry and geophysics has been applied to propose the remote sensing rock mechanics theory. Remote sensing detections of such anomalies confirm so far proposed lab theories for such a hotly debated field as earthquake precursor study by providing unbiased observations with consistency in time and space distribution.     

The spatial response pattern of coseismic landslides induced by the 2008 Wenchuan earthquake to the surface deformation and Coulomb stress change revealed from InSAR observations

The 2008 Mw 7.9 Wenchuan earthquake triggered plenty of coseismic giant landslides, which resulted in almost one third of total fatalities and economic losses during the event. Previous studies investigated the spatial relations between landslide distribution and topographic and seismic factors such as elevation, slope aspect, distance from rupture trace and seismic intensity. However, few studies are performed exploring the effects of coseismic surface deformation and Coulomb stress change on triggering landslides due to lack of adequate deformation observation data and stress calculation model for slope failure. In this study, we develop an envelope method to map an entire coseismic deformation field in both near- and far-field areas of seismic faults through the data fusion from InSAR and pixel offset-tracking (POT) techniques. The change in static Coulomb stress (SCS) acting on coseismic landsliding surface caused by the event is determined using the faulting model derived from the joint inversion of InSAR and GPS data, and also with the use of the elastic half-space dislocation theory and the generalized Hook’s law. The analysis suggests the spatial response pattern of seismic landslides to the coseismic ground motion and stress change, especially in the vicinity of fault rupture trace. The landslide density dramatically rises with the stress increase within the range from Yingxiu to Beichuan areas along the major surface rupture. Moving further and eastward along the fault strike, most of large landslides are triggered as the zone of positive SCS change narrows. Moreover, the high-magnitude surface displacements are possibly responsible for the giant landsliding events in the easternmost section. From the analysis of the stress transfer, the occurrence of landslides in the study area is largely controlled by the Yingxiu-Beichuan fault with overwhelming rupture length and fault slip, yet the Pengguan fault indeed shows dominance in the area between the two faults. The results show that coseismic surface deformation (derived from InSAR data in this study) and static Coulomb stress change can serve as two significant controlling factors on seismic landslide distribution and that the stress factor seems more significant in the vicinity of surface rupture.     

煤矿开采岩层与地表变形数值模拟分析

岩层与地表变形研究是一个综合性的课题,涉及多个领域的专业知识。我国煤矿对覆岩破坏与地表沉降进行研究的很多,而对中间岩层的变形进行分析的还比较少。本文运用FLAC3D分别对3上、3下煤开采岩层与地表变形情况进行模拟计算,并用MATLAB软件对地表与中间岩层的变形规律进行分析,经误差分析,最终确定了地表与内部岩层变形的最佳拟合函数。     

热红外遥感器温度灵敏度提升手段简析

热红外遥感器主要使用遥感手段感应地物热红外辐射信息,可用于识别地物和反演地表温度参数。由于热红外遥感器在夜间的工作工作能力优于可见光,且环境适应性好,已广泛应用于资源调查、生态环境监测、灾害评估以及军事目标探测识别等领域。随着工程应用及科学研究的不断深入,提升热红外遥感器的探测灵敏度需求日益迫切。热红外遥感器的温度灵敏度与遥感器自身收集目标能量的能力和遥感器系统噪声特性相关。其中,遥感器系统噪声由光子噪声（景物辐射和遥感器本体背景辐射共同到达焦平面处的光子的波动）、探测器组件噪声、电路噪声共同组成。在成像谱段、积分时间、探测器及视频电路参数固定的条件下,光学系统降温能够减小其自身背景辐射,降低光子噪声,提升系统的温度灵敏度。本文通过仿真分析量化了光学系统辐射与光路设计、光学系统工作温度以及探测器冷屏设置的关系,并以某热红外遥感器为例验证了光学系统温度对热红外遥感器温度灵敏度的影响。文中的仿真分析方法和验证情况对于热红外遥感器的设计研制有参考意义。     

基于遥感技术的长白山火山区地热预测研究

在长白山火山区地热调查研究中,基于ASTER遥感数据,运用比辐射率归一化方法,定量反演了区域地表温度,并在此基础上,通过对地质构造的遥感解译,结合对水热活动及深源气体释放特征等资料的关联分析,预测长白山火山区地热资源存在的有利区.研究发现,六道沟-长白山天池-甑峰山北东向断裂的天池段和长白山火山环形断裂的长白聚龙段是地热勘探的有利区,也是火山监测的最佳场所.     

川南区域构造变形及应力场遥感图像定量解析

采用区域构造变形及应力场遥感图像分层解析法，利用遥感TM图像对研究区宏观构造及有关的横张大节理系统进行详细解译，结合物探资料并应用力学方法对区域构造变形场和应力场进行了计算与分析，建立了该区构造变形场和应力场的三维彩色定量解析模式图，通过综合分析研究，对该区构造组合的空间格局及其控矿（油气）规律进行了探讨。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。     

Thermal infrared imaging of the temporal variability in stomatal conductance for fruit trees

Repeated measurements using thermal infrared remote sensing were used to characterize the change in canopy temperature over time and factors that influenced this change on ‘Conference’ pear trees (Pyrus communis L.). Three different types of sensors were used, a leaf porometer to measure leaf stomatal conductance, a thermal infrared camera to measure the canopy temperature and a meteorological sensor to measure weather variables. Stomatal conductance of water stressed pear was significantly lower than in the control group 9 days after stress began. This decrease in stomatal conductance reduced transpiration, reducing evaporative cooling that increased canopy temperature. Using thermal infrared imaging with wavelengths between 7.5 and13 μm, the first significant difference was measured 18 days after stress began. A second order derivative described the average rate of change of the difference between the stress treatment and control group. The average rate of change for stomatal conductance was 0.06 (mmol m⁻² s⁻¹) and for canopy temperature was −0.04 (°C) with respect to days. Thermal infrared remote sensing and data analysis presented in this study demonstrated that the differences in canopy temperatures between the water stress and control treatment due to stomata regulation can be validated.