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高光谱遥感在断层气监测中的应用

高光谱遥感在断层气监测中的应用


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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。


引 言 

断层气是地球内部气体及挥发组分不断沿着活动板块和块体边界以及其他活动性深断裂等地壳薄弱地带向地表迁移和释放的气体,活断层是连接深部和深部气体释放的天然通道。断层气的逸出空间主要集中在断裂带附近,大量资料表明断层活动越强的地区,断层气含量越高。监测断层气释放的浓度变化,已成为活断层探测和地震前兆分析的重要方法。

我国地震监测预报的目的是通过对地壳各种物理量的监测,获取强震前兆异常信息,探索地震预报方法,减轻地震灾害。由于国力和自然条件的限制以及观测环境的干扰和破坏,目前我国地面地震台网密度仍然很低,仅能获取地表离散点的数据,很难对地球物理和地球化学背景场进行完整的描述,要完整捕获地震前兆信息比较困难,急需引进新的观测技术。

高光谱能获取地物目标的精细光谱特征,综合地面目标的空间、时间、光谱等特征,探测各种目标的成分属性及状态属性。其波段多,光谱通道数多且是连续的,光谱分辨率高,信息量大,图谱合一,有利于利用光谱特征研究地物和采用各种光谱匹配模型对地物进行精细分类与识别。因此应用高光谱卫星遥感技术,可以获取更多更准确的断层气体信息。

本文介绍了地面和卫星遥感监测断层气体的研究现状,重点概述了高光谱遥感的基本原理、反演方案和方法等,并归纳总结了基于地面和高光谱遥感卫星监测相结合的断层逸出气强震预测指标异常识别方法和技术途径。


1断层气体研究现状

1.1我国近 40年的近地表断层气的观测研究进展

我国在气体地球化学动态地震异常及其预报探索方面积累了大量的地震断层气前兆异常实例资料,尤其是氡(Rn)、汞(Hg)、H2、He、CO2等地震敏感气体组分方面,并且在全国强震活动地区各地震台站配置有相应的气体观测设备,为我们今后的工作奠定了实验数据基础。例如:1986年两次门源地震和 1987年张掖地震前长草沟测点的Rn、Hg、H2、CO2四种气体发生同步异常(孔令昌,1996);1990年青海茫崖 6.7级地震、共和6.9级地震前断层气Rn、Hg的异常变化特点是临震突变幅度大,异常反应范围广(何跟巧,1990)。1992年 1月 12日在甘肃嘉峪关南5.4级地震,嘉峪关观测点距震中约20km,地震前,断层气Rn、Hg、H2、He和 Ne五种微量气体组份出现异常(何跟巧,1994)。近40年的近地表断层气体的观测结果为我们进行空地对比研究奠定了地面监测的数据基础。 


1.2卫星遥感在地震气体监测中的应用现状 

20世纪 90年代以来,由于遥感的理论和技术的发展、新型传感器的出现和进步,地震学者通过卫星遥感数据反演获得地震前后震中及周边地区大气中的某些气体含量的变化,对地震前后排气现象进行了大面积系统的研究。

姚清林等(2005) 对2000年4月30日青藏高原CO大面积逸出的情况进行探究。结论表明CO含量异常升高的区域具形状不规则的圈层结构;整个CO逸出区CO体积分数值为2002年正常值的1.57~4.10倍,且该现象在之前数天内是持续存在的,并认为是2000年6月6日甘肃景泰M5.9地震和2000年6月8日缅甸北部M6.9地震的前兆。

郭广猛等(2006)同样研究了2002年3月31日台湾7.5级强震前的CO异常。研究发现2002年3月3日、27日、30日,CO在冲绳海槽和台湾北部出现异常区,其面积随着时间扩大,且与MODIS热红外高温异常区位置吻合,并认为CO、温度异常是地下岩石受力破裂、地下气体逸出所致。

Pulinets等(2007)通过对1985年墨西哥 Miehoaean7.8级地震前后的热红外数据进行分析,发现一些地区的气温和水汽含量出现异常,特别是位于Cocos和Rivera板块边界上的Baja California地区。Pulinets认为水汽的产生和地震排放的Rn气体有关,并证明了Rn排放不仅限于地震震中,在附近板块作用地区也存在。

通过上述观测事实综合分析,可以发现地球是一个统一的系统,地震导致地球岩石圈破裂,使得岩石圈以至地幔的断层气体排放到空气中,由于岩石圈-大气圈耦合,导致地震破裂区上空气体的含量发生变化。随着卫星观测技术和反演技术的完善,地震前后断层气体浓度变化能得到更好的分析研究。



2高光谱遥感在断层气方面的应用研究

高光谱遥感具有非常高的光谱分辨率,它不仅可以探测到比常规遥感更精细的地物信息,而且也能探测到更精细的大气吸收特征(束炯,2006)。大气中的分子和粒子成分在太阳反射光谱中有强烈反应,这些成分包括水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等。传统宽波段遥感方法无法识别出由于大气成分的变化而引起的光谱差异,而波段很窄的高光谱则能够识别出这种光谱差异,成像光谱仪记录的太阳反射光谱中可反映出大气层中分子和粒子成分的光谱信息(袁迎辉,2007)。

目前,高光谱遥感研究大气的主要目标是水蒸气、云和气溶胶。同样,我们可以推广应用到断层气体监测研究中,利用高光谱遥感的高空间分辨率、高光谱分辨率数据,通过光谱识别技术,将各种气体加以区分,再根据反演方法,计算其浓度。


2.1高光谱遥感在断层气体研究方面的反演方法

光谱是表征物质物理属性的主要手段,利用光谱特征可以实现断层气体的遥感监测。电磁辐射与原子和分子间的相互作用是高光谱遥感探测气体成分及特性的基础,根据断层气体成分在紫外、可见和红外光谱波段的特征吸收性质来反演其浓度。

如图 1所示,高光谱遥感将入射光源通过成像光谱仪变为干涉光通过气体样品,经过光电转换还原出气体的光谱图,光谱图含有丰富的谱元信息,具有高的信噪比和光谱分辨率(T∙Ogawa,1994;Gerald Wetzel,1995;Reinhard Beer,2001)。 

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利用高光谱遥感所得到的气体光谱,我们可以根据断层气体成分在紫外、可见和红外光谱波段的特征吸收性质来反演其浓度。

1.实施断层气体反演需要以下几个基本条件

(1) 基于逐线计算辐射传输模型的快速参数化模型,模拟计算气体的辐射传输过程。一个精确的前向模型是成功反演的保障。它必须全面考虑辐射传输的物理过程,在给定大气廓线、光谱数据库、辅助数据情况下,准确快速计算出传感器入瞳处的辐射亮度。Tjemakes等人(2003)做了逐线计算程序的比对试验,共有13个研究小组的7个不同的逐线计算辐射传输模型参加了比对实验,结果表明在大多数红外光谱区这些模型都能在观测噪声水平内复制真实观测值。目前还没有在整个红外波段都表现优异的逐线计算的辐射传输计算模型,大气辐射测量计划的逐线计算辐射传输模式是痕量断层气体反演比较常用的前向模型。通常用于痕量断层气体探测的传感器都会根据自身的科学目的以及达到此目的所使用的波段来选择在所选波段性能优异的前向模型或者在已有前向模型的基础上开发特 定的前向模型。

(2)先验知识:断层气体反演中使用的先验知识主要来源于三个方面:已有数据库的气体廓线数据,如AFGR大气廓线数据库、TIGR初始猜测值数据库等;地面观测数据,如美国国家海洋大气管理局(NOAA)的气候监测与诊断实验室独立观测数据、平流层变化监测网络(NDSC)分布于世界各地的地面观测站的地面观测数据等;一些大气化学模型产生数据,如三维全球化学与传输模型(GEOS-CHEM)、对流层三维化学传输模型(IMAHES)等(CliveD∙Rodgers 1976,2000)。 

最小化代价函数方案。通常,我们可以用下式来描述观测向量和真实状态向量之间的关系(CliveD∙Rodgers 2000):y=F(xb) +ε

公式中,y为观测向量(测量的红外辐亮度);F(x,b)为前向模型函数;x为状态向量(待反演的大气参数);b为前向模型所有其他的参数:压强、温度、其他组分的廓线、地表发射率、仪器的光谱响应函数和光谱数据库;ε为由仪器噪声引起的测量误差。反演就是要从给定y的条件下反求出x。


2.1.1反演方法

目前,遥感地震资料反演的方法很多,大致有如下几种:地震资料粒子群反演方法、最小二乘法、叠前地震反演方法、地震非线性随机反演方法、多尺度地震资料联合反演方法、非线性迭代方法等,下面主要介绍非线性迭代方法。

对于断层气体遥感反演来说,问题是非线性的(Cathy Clerbaux,2002)。目前解决这类问题主要是在利用先验知识的同时,利用非线性迭代方法求得统计意义上的最优解。

对于气体探测领域的研究Rodgers做了大量开创性的工作,尤其在利用优化估计方法反演气体参数方面(CliveD∙Rodgers 1976,2000)。

定义代价函数 φ(x): 

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公式中g(x)为罚函数;λ为正则化因子。当 λ≠ 1时,可通过最小化代价函数得到正则化解。当 λ=1,可通过最小化代价函数得到最小方差解,将其写成矩阵表达的形式:

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由公式可以得到牛顿迭代法的一般形式。忽略二阶导数项,引入先验知识,根据构造罚函数的不同,得到Gauss-Newton迭代法:

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和Levenber-Marquardt迭代法

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公式中,Sε为观测误差的协方差矩阵;Sa为先验状态向量 xa的协方差矩阵;

Kij=∂Fi/∂xi为 权函数矩阵(S∙A∙Clough,1995)。

Gauss-Newton法和Levenberg-Marquardt法都是牛顿方法的变形,它们不需要计算海色(Hessian)矩阵,具有较高的计算效率,虽然它们只具有线性收敛性,但是通过选择合理的初始值,也能达到较快的收敛速度,这对于气体反演问题来说非常有效。我们在处理断层气体时,可以选择合理的地面观测初始值,在运用非线性迭代方法时,使断层气体光谱线性收敛,这样就可以快速进行反演计算。


2.1.2误差分析

由于断层气体遥感反演是非线性的,没有唯一解,所以我们不仅需要从有限个可能的解中选择一个某种意义上的“最优 ”解,而且还需要对这个“最优 ”解进行精度评定,分析各种误差源的传播以及它们对反演精度的影响。

在利用非线性迭代方法线性近似的情况下,真实状态向量和反演的状态向量的差别可以写成以下形式:

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其中:

(1)

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为平核矩阵。它的迹等于观测所含的独立信息量个数。


(2)

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称为平滑误差‚即平均核平滑真实的状态向量带来的误差。其协方差为:

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Gε称为测量误差,由仪器噪声引起,其协方差为:

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(3)

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称为模型参数误差,由对模型参数知识的不完全引起。其协方差为:

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其中Sb为代表模型参数不确定型的协方差矩阵。

总的误差协方差矩阵为:

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利用高光谱遥感所得到的气体光谱,我们可以根据断层气体成分在紫外、可见和红外光谱波段的特征吸收性质来反演其浓度。实施断层气体反演时,要先计算入射光在进入传感器时的辐射亮度,即前向模型条件,并要有已知的先验知识数据库,即各气体组分应对应怎样的光谱曲线,最后在利用非线性迭代方法线性近似的情况下,将反演获得的数值减去总的误差,就得到了断层气体各组分的光谱测量结果,提取断层气体各组分的最优光谱数据。


2.2高光谱活动断层逸出气强震预测指标信息提取研究的方法和技术途径 

目前,高光谱遥感在火山气体监测方面取得了一定成果。高光谱图像在红外范围(1900-2100nm)目前已经投入使用,其中包括二氧化碳吸收曲线。这些航空机载的可见光/红外成像光谱仪图像在夏威夷Kilauea East Rift地区的PuuOo Vent上空获得。利用辐射传输模型和新开发的映射技术模拟测量上升流光谱辐射,获得PuuOo Vent plume二氧化碳浓度图(Claudia Spinetti 2008)。鉴于上述高光谱在火山气体方面的应用,同样,我们可以开展高光谱遥感在断层气方面的强震监测预报。

随着遥感数据处理软件和数据反演算法业已成熟,我们可以采用这些软件和方法来处理高光谱卫星数据,提取断层逸出气信息。同时,进行野外实地断层逸出气光谱测量,对比高光谱遥感和近地表光谱结果,探讨高光谱断层逸出气强震预测指标异常识别方法。笔者归纳总结出具体的技术途径如下:

高光谱卫星遥感数据处理。运用卫星地球化学遥感数据处理软件 (ENVI、PCI、ERDAS) 等,同时借鉴环境科学方面的软件,对卫星数据进行处理,反演计算断层气体各组分的浓度,探究提取H2O、CO、CO2、He、H2和CH4强震断层气体信息的方法。

收集地震地质资料、各种气体组分的反射特征光谱资料。在地震活动强烈的地区进行野外断层气体测量,确定不同地震地质区域的特征气体组分;实验室标定地震地球化学特征组分的特征波谱,诊断特征组分蚀变和地表异常的特征波谱,在地震断裂带进行特征气体组分通量测定,建立野外光谱数据库。

对比高光谱遥感和近地表光谱结果,结合实验室标准光谱,探讨高光谱断层逸出气强震预测指标异常识别方法。

结合震例,把地震活动与利用高光谱遥感数据获得断层气体地球化学场的变化联系起来,进行构造活动和地震异常判定,归纳总结出高光谱活动断层逸出气强震预测指标,并进行震例检验。

高光谱活动断层逸出气强震预测指标信息提取技术途径如图 2所示。

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3结 语

 

高光谱遥感作为一门新兴的传统遥感发展的前沿技术,具有光谱分辨率高、信息量大、图谱合一的特点‚这是传统的遥感技术无法比拟的。高光谱遥感的这些特点,使得对地物的分类识别,物化信息的提取和预测的广度、深度和精度大大提高,遥感技术从定性为主向更高精度的定量遥感发展。同时其所拥有的巨大的信息量,为其向更广领域的拓展提供了巨大的潜力。可以相信,随着高光谱遥感技术的发展,结合地面观测,我们可以更好地确定与强震断层逸出气体组分有关的变化;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;结合地震孕育区其他有关的地震活动信息和前兆异常现象,预判未来地震可能发生的地点,提高地震预报水平。

现在我国地震系统中,四川省地震局已建立接收高光谱遥感数据的平台,当务之急应充分利用现有资源,把高光谱遥感数据与地面台站监测数据结合起来,研究提取断层气异常信息的方法,探索强震前兆信息的判定指标。

利用空间对地观测技术,把高光谱遥感监测和地面监测综合起来,并大力加强地震前兆与震源关系的深入研究。对不同地区、不同类型的地震,其前兆种类、幅度、分布范围、持续时间存在着一定的差异。通过地震前兆场孕育模式及地震前兆场时空分布与孕震动力环境关系的研究,取得地震前兆时空分布与演化规律的正确认识,继续对地震遥感异常的成因机制进行研究,将会使高光谱遥感技术在地震预报中具有更广阔的应用前景。



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