第３１卷 第４期
２００９年１２月地 震 地 质ＳＥＩＳＭＯＬＯＧＹＡＮＤＧＥＯＬＯＧＹＶｏｌ．３１，Ｎｏ．４，２００９Ｄｅｃ．：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－４９６７．２００９．０４．００５ｄｏｉ
利用卫星热红外遥感技术
监测长白山天池火山活动性
，２））））季灵运１ 许建东１ 林旭东１ 栾 鹏３
１）中国地震局地质研究所，北京 １０００２９
２）中国地震局第二监测中心，西安 ７１００５４
）中国国土资源经济研究院，北京 １０１１４９３
摘 要 介绍了卫星热红外遥感技术用于火山监测的国内外研究现状，阐述了热红外遥感技术的
原理，分析了卫星热红外遥感技术用于火山活动性监测的可行性。以长白山天池火山为例，基于
ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ影像和ＡＳＴＥＲ影像反演获得了１９９９—２００８年的温度场，并选取了其中的３种地面
覆盖类型（森林植被、土壤和植被（矮草）以及裸露岩石），从而去除了地表环境因素的影响；从每种
地面覆盖类型中扣除了当日天池气象站的平均气温，去除了气象因素的影响，得到了由火山热活动可
能导致的温度热异常。结果显示，从１９９９—２００５年，由火山活动导致的温度热异常伴随着扰动发生
了明显的上升，自２００５年以后逐渐下降，２００６—２００８年趋于稳定。这些结果与测震、ＧＰＳ形变以及
Ｈｅ同位素比值变化趋势保持了较好的一致性，表明卫星热红外遥感技术用于火山活动性监测的巨大
潜力和优势，可以作为一种常规的监测手段尝试性地纳入日常的火山监测工作中。
关键词 卫星热红外 遥感 热异常 火山监测 长白山天池
中图分类号：Ｐ３１７．６文献标识码：Ａ文章编号：０２５３－４９６７（２００９）０４－０６１７－１１
０ 引言
火山专家ＧｅｏｒｇｅＰ．Ｌ．Ｗａｌｋｅｒ和刘若新等于１９９０—１９９１年对长白山天池火山进行考察之后，依据火山危险性评价的一般准则指出，位于中朝边界的长白山天池火山是一座具有潜在灾害性喷发的大型近代活动火山，并建议尽快开展对该火山的监测研究（刘若新等，１９９２）。“九五”和“十五”期间，中国地震局等几家单位对长白山天池火山进行了较为系统的地质、地球物理探测研究，并进行了以地震活动、形变、地球化学变化为主的固定、流动台网监测研究工作，取得了很多有益的成果。但是，这些常规的监测方法耗费大量人力物力，况且天池有一部分属朝鲜领土，因此我们迫切需要一种快捷并能反映全貌的技术来进行监测。卫星热红外遥感技术作为一种全新的空间对地观测手段近年来已经开始用于火山的监测工作，它的优势在于能够对火山进行安全、有效、宏观、周期性的远距离观测。
国外对火山的监测研究工作比国内深入得多。如美国、日本、意大利、印度尼西亚和菲律宾等国，由于其境内分布的活火山活动频繁，因而研究工作较早，在２０世纪８０年代末就已将卫星〔收稿日期〕 ２００９－０７－１４收稿，２００９－１１－２４改回。
〔基金项目〕 “十一五”国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＣ０１Ｂ０４０１０２）资助。
６１８地 震 地 质３１卷热红外遥感技术应用于火山监测研究中（屈春燕等，２００６）。Ｓｔｕｅｖｅｎ等（２００４）利用２０００年相隔３个月的两景ＬａｎｄｓａｔＴＭ影像对夏威夷东南部的Ｋｉｌａｕｅａ火山进行了地表热异常提取，得出大约有２４％的地区有增温异常。美国阿拉斯加火山观测站ＡＶＯ（ＡｌａｓｋａＶｏｌｃａｎｏＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）的Ｄｅｈｎ等完成的近实时的火山监测系统，建立了辐射温度值与时间的函数关系式（Ｄｅｈｎｅｔａｌ．，２０００），他们还在２０００年３月堪察加半岛Ｂｅｚｙｍｉａｎｎｙ火山喷发前，利用ＮＯＡＡ卫星和ＡＳＴＥＲ（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ）卫星观测到几十至几百个像元大小的高温异常热区（Ｄｅａｎｅｔａｌ．，２００２，２００４）。日本东京大学地震研究院的Ｋａｎｅｋｏ等（２００２）建立了基于ＡＶＨＲＲ能够覆盖日本及其周边的一个近实时热点监测体系。利用夜晚过
ＯＡＡ卫星ＡＶＨＲＲ传感器数据监测地面火山的活动性情况。每晚在东京接收１次或者境的Ｎ
ＶＨＲＲ卫星数据。并且自动在网络上上传原始的热红外影像和不同火山口的热红外温多次Ａ
度分析结果。这些数据在卫星过境之后１～２ｈ就能传输完毕，并且这个过程在今后还可以加快。Ｌａｇｉｏｓ等（２００７）利用２０００—２００２年的３张ＥＴＭ＋热红外数据和卫星过境时的地面观测数据提取了Ｎｉｓｙｒｏｓ火山的地面热异常。研究表明，热红外监测火山活动可以作为可信的监测手段用于休眠火山的监测。
国内，由于火山活动不显著，近年来也没有发生灾难性的喷发，故火山监测工作启动较晚，于“九五”期间实施了与火山监测有关的国家攻关课题和国家社会公益项目，目前常规监测手段已经用于火山监测。但是，在利用卫星热红外监测火山活动性方面工作做得不足。有学者在
２００３；于泳等，２００３），并做了一些实验性的工作，这方面作了理论和技术上的探讨（薄立群等，
如屈春燕等（２００６）基于ＡＶＨＲＲ热红外图像反演了１９９９，２００３，２００４年度的亮温值，然后以１９９９年的亮温值作为基准得到了亮温差值。
本文首先介绍了热红外遥感技术提取地表热信息的原理，探讨了卫星热红外遥感技术用于火山活动监测的可行性，最后以长白山天池火山为例，利用该区１０年来的ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ和ＡＳＴＥＲ卫星热红外影像数据，反演了天池火山区的温度场序列，提取了由于岩浆活动引起的火山区温度异常，并进行了分析，结果表明利用卫星热红外遥感技术监测火山热活动是可行且有效的。１ 热红外遥感技术的原理与监测火山活动的可行性
热红外遥感是获取地表热状况信息的一种非常重要的手段，从第１台红外测温仪算起，热红外遥感的研究己经有４０多年的历史。
从理论上讲，自然界任何高于热力学温度（Ｋｉｎｅｔｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）的物体都不断地向外发射具有一定能量的电磁波（赵英时，２００３）。根据Ｐｌａｎｃｋ定理，黑体的光谱发射特性用Ｐｌａｎｃｋ函数来描述（赵英时，２００３）：
２２ｈｃ１πＭ（Ｔ）５·ｈλｃ／ｋＴλｅ－１λ（１）
－３４－２３１）中：ｈ为普朗克常数，６６２６×１０Ｊ·ｓ；ｋ为玻耳兹曼常数，１３８×１０Ｊ／Ｋ；ｃ为光速，３×式（
８ｍ／ｓ；Ｔ为热力学温度（Ｋ）；λ为波长（ｍ）。Ｐｌａｎｃｋ函数给出了黑体辐射的辐射强度与温度１０
和波长的定量关系，是地表温度能被反演的理论基础。然而，自然界的物体大多数不是黑体，因此要获得物体的地面真实温度，必须考虑物体的比辐射率问题。比辐射率通常用ε表示，定义为：物体在温度Ｔ、波长Ａ处的辐射强度Ｂ（Ｔ）与同温度、同波长下的黑体辐射强度Ｂ（Ｔ）的ｓｓａλ
４期季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６１９比值，取值在０～１之间，没有量纲。比辐射率是物体热辐射能力的量度。
火山活动是地壳运动的一种表现形式，也是地球内部热能在地表的强烈显示。在火山活动剧烈或火山喷发前兆期，高温岩浆和其它高温物质沿断裂和火山通道上涌，同时加热围岩、土壤层和地下水。因此，在火山活动前兆期，突发性地热异常可造成地表较大区域的显著升温（薄
２００３）。加之，从泉眼和裂隙逸出的ＣＯ，ＣＨ产生温室效立群等，２４等气体释放到近地表大气中，
应也能引起局部升温（屈春燕等，２００６）。这样，在火山活动前兆期，火山区的突发性地热异常和温室气体效应会引起地表较大范围的显著升温。卫星热红外遥感是获取地表热状况信息的一种非常重要的手段，它是应用卫星热红外传感器记录地物体发射的热辐射信息，经过各种校正处理并消除各种干扰噪声后，求得火山突发性地热异常区与非异常区之间的亮温差，依据亮温差的时空特性分析火山活动态势（薄立群等，２００３）。火山区地温变化通常反映地下岩浆活动的情况，地温的骤变是火山活动的前兆之一。对火山区地温进行长期系统的观测研究，可以有效地推断地下岩浆活动的时空范围。
２ 卫星热红外遥感技术用于火山活动性监测的可用数据源
热异常是火山活动性强烈的主要表现形式之一，它会辐射一定能量和波长分布的电磁波被热红外传感器接收到，因此，通过热红外影像我们可以定量获取这种热异常。加之，卫星热红外遥感技术有其独特的优势，具有覆盖面广、动态性强、观测精度高、长期连续和经济有效等诸多优势。如美国的Ｌａｎｄｓａｔ５／７卫星，单幅扫描宽度１８５ｋｍ，重返周期１６ｄ，其上载的专题绘图仪ＴＭ（ＴｈｅｍａｔｉｃＭａｐｐｅｒ）的第６波段为热红外波段，空间分辨率为１２０ｍ，相应的ＥＴＭ第６波段空间分辨率６０ｍ。ＴＭ／ＥＴＭ数据的这些特性可以满足监测火山喷发前兆期突发性热活动的要求。还有美国的极地轨道环境遥感卫星ＴＥＲＲＡ上所载的先进星载热发射和反射辐射仪（Ａｄｖａｎｃｅｄ
，简称ＡＳＴＥＲ），单幅扫描宽度６０ｋｍ，重返ＳｐａｃｅｂｏｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ
周期１６ｄ，其中的子系统ＴＩＲ（ＴｈｅｒｍａｌＩＲ）是第１个星载多波段热红外遥感器，有５个波段，空间分辨率为９０ｍ，波段范围８～１２ｍ，可用于研究与区域岩浆活动有关的地表热流变化。μ
３ 实例：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性
３１ 基于ＴＭ／ＥＴＭ６和ＡＳＴＥＲ热红外影像的地表温
度反演
我们购置了１９９９—２００８年的７景ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ
影像和２景ＡＳＴＥＲ影像，如表１所示。考虑到春季的无
云数据几乎没有，且夏季植被茂密、冬季有积雪覆盖，增
加了热异常的干扰因素，且无云的数据也较少，我们选取
了秋季天气晴朗的无云影像。数据处理流程图如图１
所示。
３１１ 基于覃志豪单窗算法的ＴＭ／ＥＴＭ６长白山天池
火山区地表温度反演
单窗算法（ＭｏｎｏｗｉｎｄｏｗＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）（覃志豪等，
２００１）是覃志豪等根据热辐射传导方程，推导出来的基于表１ 遥感影像列表Ｔａｂｌｅ１ Ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａ获取日期１９９９－０９－０２２００１－０９－１５２００２－０８－２５２００３－０８－１９２００４－０９－２２２００５－０９－１０２００６－０８－２８２００７－０８－２３２００８－０８－２５传感器ＬａｎｄｓａｔＥＴＭＬａｎｄｓａｔＴＭＬａｎｄｓａｔＥＴＭＡＳＴＥＲＡＳＴＥＲＬａｎｄｓａｔＴＭＬａｎｄｓａｔＴＭＬａｎｄｓａｔＥＴＭＬａｎｄｓａｔＥＴＭ
６２０地 震 地 质３１
卷
图１ 遥感影像处理流程图
Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．
ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ第６波段数据的地表温度反演算法。该算法反演时仅需要地表比辐射率、大气等效温度和大气透过率３个参数就可以反演得到陆面温度。大气等效温度可以通过卫星过境时刻地表温度计算得到，大气透过率根据大气含水量计算得到。单窗算法中最关键的参数是地表比辐射率，综合前人的研究成果（覃志豪等，２００４；吴骅等，２００６；丁凤等，２００６；张兆明等，２００５，２００７），我们采取以下的方法计算研究区地表比辐射率：首先对研究区进行监督分类，将
自然表面包括植被和裸露岩土等，因为长白山地区人烟稀影像分为水体和自然表面２种类型，
少，所以没有分城镇的类型。水体像元的比辐射率赋值为０９９５，考虑到混合像元的问题，自然表面的比辐射率根据归一化植被指数（ＮＤＶＩ）计算：
１－Ｐ）·εε＝Ｐεεｖｖ＋（ｖＳ＋ｄ
计算：
ＮＤＶＩ－ＮＤＶＩｓＰｖ＝ＮＤＶＩＤＶＩｖ－Ｎｓ（２）式（２）中εＰ由式（３）ｖ和εＳ分别是植被和裸露岩土的比辐射率，ｖ是植被占混合像元的比例，()２（３）
这里取ＮＤＶＩ，ＮＤＶＩ０．０５，且有当像元的ＮＤＶＩ＞０７时，Ｐ，当ＮＤＶＩ＜００５时，Ｐｖｓ＝ｖ取值为１ｖ取值为０。ｄ对于水平地表可以忽略，长白山地区高差变ε表示地表几何分布和内部散射效应，
化较大，因而必须考虑，近似地根据植被的构成比例估算：
ｄ１－ε）·（１－Ｐ）·Ｆ·εε＝（ｓｖｖ
在，这里取各种分布的均值为０５５。
图２是覃志豪单窗算法的流程图，在大气透过率、大气平均作用温度和地表比辐射率估计有中等误差的情况下，单窗算法的地表温度反演误差约为１２Ｋ（覃志豪等，２００４）。
３１２ 基于ＡＤＥ温度／比辐射率分离算法的ＡＳＴＥＲ热红外波段天池火山区地表温度反演 ＡＳＴＥＲ影像包含５个热红外波段，因而在温度反演时无需借助其它非遥感信息。避免了误差的引入，可以获得更加可靠的地表温度信息。研究表明，温度／比辐射率分离算法反演温度的误差在１５Ｋ以内（Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅｅｔａｌ．，１９９８；王坤等，２００７）。本文采用的基于ＡＤＥ（ＡｌｐｈａＤｅ（４）式（４）中Ｆ为地形因子，它根据不同的几何分布取相应的不同值。考虑到不同几何分布同时存
４期
季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６２１
图２ 单窗算法流程图（参照覃志豪等，２００１修改）
Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗｏｆｍｏｎｏｗｉｎｄｏｗａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ａｄａｐｔｅｄａｆｔｅｒＱｉｎｅｔａｌ．，２００１）．
ｒｉｖｅｄＥｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）的温度／比辐射率分离算法ＴＥＳ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ＥｍｉｓｓｉｖｉｔｙＳｅｐａｒａｔｉｏｎ）包含了ＡＤＥ、比值法（ＲＡＴＩＯＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）和ＭＭＤ（ＭａｘｉｍｕｍＭｉｎｉｍｕｍＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）等３个模块（刘志武等，２００３）。ＡＤＥ模块是根据Ｋｉｒｅｈｈｏｆｆ定律和Ｐｌａｎｃｋ公式以及ａｌｐｈａ经验公式计算温度和比辐射率
ＡＴ模块将波段比辐射率与所有波段平均值相除计算比值，即相对比辐射的初值，然后利用Ｒ
率，再通过最大最小相对比辐射率差值（ＭＭＤ）与最小比辐射率的经验关系确定最小比辐射率，
ＡＴ选择最大比辐射率所在波段计算温度，进而计算其它波段的比辐射率，最后设定阈值，迭代Ｒ
模块和ＭＭＤ模块，得到最终的温度。
３１３ 长白山天池火山温度场的分布特征与精度分析
图３为长白山天池火山地区历年温度场分布图，通过目视可以看出，温度场的分布主要由地表环境因素控制，地表环境因素主要是地物类型和地形，一般来说，人烟稀少地区的地形地貌在数年内不会发生明显的变化，而我们选取的影像均为秋季获取，植被覆盖较稀疏，近于一致，即温度场分布在年际上是相对稳定的，并且有其固有的规律。结合温度图（图３）和地表类型覆盖图（图４），可以看出由水体到裸露岩石，温度依次升高，这是因为Ｌａｎｄｓａｔ卫星是上午１０：３０左右过境，水体由于比热容大，所以在太阳照射下升温较陆地缓慢，升温幅度小，而裸露岩石区相反，植被覆盖区则介于水体与裸露岩石之间。
图５给出了不同地面覆盖类型的温度均值以及天池水体的温度均值，同时给出了天池气象站的当日平均气温（中国气象局数据资源共享）。我们可以看出，由于火山活动引起的热异常孕育在整体的温度场里，不同地面覆盖类型的温度均值和天池气象站的平均气温之间没有必然的联系。水体由于其大的比热容特性，其温度是比较稳定的，加之我们所使用的影像均为同一季节获取的，所以历年的水体温度应趋于一致，图５给出了相应的定量结果，可以看出近１０年来水体的温度非常稳定，标准差仅为１０４℃，与理论分析一致。也表明了ＴＭ／ＥＴＭ的单波段算
ＳＴＥＲ的多波段算法反演的温度精度是相当的和可靠的。一般来说，通过影像反演得到法和Ａ
的陆面温度由地表环境因素和气象因素以及火山热活动引起的温度３部分组成（屈春燕等，２００６）。因此，提取火山活动引起的温度异常必须去除地表环境因素和气象因素控制的温度背景。３１４ 长白山天池火山区火山活动热异常引起的温度提取与分析
基于以上分析，我们采用以下办法去除地表环境因素和气象因素的影响。为分析不同地物类型的不同温度分布，结合实地调查，首先对影像进行了Ｋ－ＭＥＡＮ法非监督分类，然后依据归
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卷
图３ 长白山天池火山区历年温度场分布图
Ｆｉｇ．３ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅａ．
一化植被指数ＮＤＶＩ进行聚类后处理，最后分为水体与阴影、植被与土壤混合体（偏植被）、茂密
图４）。我们从中选取了３植被（森林）、土壤与植被（矮草）混合体（偏土壤）、裸露岩石等５类（
种不同的地面覆盖类型的典型区域，即植被（森林）、土壤与植被（矮草）混合体以及裸露岩石，
图４）中标出的黑框三角形、蓝框四边形和黄框四边形，计算每种类分别对应地表覆盖类型图（
型的温度平均值，将每种类型的温度均值减去天池气象站当日的平均气温，得到了由火山活动引起的温度。因为我们选取了３种典型的地面覆盖类型，分别计算温度的平均值，每种类型之间不进行互相比较，这样就避免了地表环境因素的不同所导致的温度差异影响，又通过减去当日平均气温去除了气象因素的影响。
图６是去除地形环境因素和去除气象因素后，可能由火山热活动贡献的温度，即温度热异常图。在此前题下，从图６不难看出，从１９９９—２００５年间，由火山活动影响引起的温度热异常呈间歇的升高趋势，２００５—２００６年下降，２００６—２００８年保持平稳的趋势。其中１９９９—２００１年
４期
季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６２３
图４ 长白山天池火山区地表覆盖类型分类图
Ｆｉｇ．４ ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｔｙｐｅｓｏｆＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅａ
．
图５ 地表不同覆盖类型的温度均值与天池气象站当日平均气温对比
Ｆｉｇ．５ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｔｙｐｅｓａｎｄＴｉａｎｃｈｉＷｅａｔｈｅｒＳｔａｔｉｏｎ．
间有一定的活动，在不同的地面覆盖类型上均反映升温的趋势，平均有８℃的升温异常，而２００１—２００２年间温度有所降低，从２００２—２００５年，火山活动产生的温度热异常逐年升高，在浮岩裸露区每年都有３～７℃的热异常升高变化；自２００５年，温度热异常明显下降，２００６年以后温度场保持平稳的趋势，恢复到２００２年以前的正常水平。从温度热异常的角度，可以看出，从２００２—２００５年火山活动明显增强，可能存在明显的岩浆囊膨胀、岩浆上涌活动，２００５年热活动最强，高出２００２年９℃，２００５年以后岩浆活动减弱，在温度上表现为２００２年以前的水平，表明
２００７）显示长白山天池火山地震的频次从１９９９岩浆活动趋于正常。同时，测震资料（吴建平等，
年７月至２００５年７月总体上呈逐年上升的趋势，２００５年８月后地震频度开始衰减，恢复到２００２年６月以前的水平。ＧＰＳ测量数据显示（崔笃信等，２００７），２００２年以前水平位移不显著，
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卷
图６ 长白山天池火山区温度热异常图
Ｆｉｇ．６ ＴｈｅｒｍａｌａｎｏｍａｌｉｅｓｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｉｎＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅａ．
而２００２—２００３年平均水平位移速率为１９６ｍｍ／ａ，绝大多数点均以天池为中心呈放射状运动，２００３—２００４年平均速率为１０２ｍｍ／ａ，２００４—２００５年速度平均值为８６ｍｍ／ａ，较２００３—２００４年减弱，但仍比２００２年前大，２００５年后水平速率趋于平稳。从长白山天池火山流体监测的Ｈｅ同
在２００２年有个明显的低值，以后到２００６年逐渐升高，２００７年和２００８年位素比值情况来看①，
向平均值“回归”。对比不难发现，热红外遥感获得的温度异常与测震、ＧＰＳ测量资料以及流体地球化学监测资料保持了较好的一致性。测震、ＧＰＳ以及流体地球化学这些常规监测手段从不同角度证明了卫星热红外遥感技术监测火山活动的可行性与可靠性。
４ 结束语
通过长白山天池火山的例子，我们可以看出热红外遥感技术用于火山活动性监测的巨大潜力和优势。其优点不仅在于省时、省力，而且能够进行大范围的区域性观测，可以获得火山的全貌变化异常。中国现代火山分布广泛，虽未曾给人们造成直接的灾害，但仍处于活动之中，前人研究表明中国具有潜在喷发危险的活动火山多于１０座（Ｘｕ，２００７），因此中国的火山监测预警工作不容忽视，而卫星热红外遥感技术则为这方面的监测提供了方便有效的技术手段，可见，将卫星热红外遥感技术纳入正常的火山活动性监测工作之中是迫在眉睫的。
致谢 感谢马瑾院士和匿名审稿专家对本文初稿提出的建议性意见。
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４期季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６２７
ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＳＡＴＥＬＬＩＴＥＴＨＥＲＭＡＬＩＮＦＲＡＲＥＤ
ＲＥＭＯＴＥＳＥＮＳＩＮＧＩＮＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧＣＨＡＮＧＢＡＩＳＨＡＮ
ＴＩＡＮＣＨＩＶＯＬＣＡＮＯＡＣＴＩＶＩＴＹ
１，２）１）１）３）ＪＩＬｉｎｇｙｕｎ ＸＵＪｉａｎｄｏｎｇ ＬＩＮＸｕｄｏｎｇ ＬＵＡＮＰｅｎｇ
１）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ
２）ＳｅｃｏｎｄＣｒｕｓｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｘｉａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ
３）ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＬａｎｄａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＥｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１１４９，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｕｓｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏ
，ｔｈｅｎｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｇｙｔｏｍｏｎｉｔｏｒｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ
ｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｕｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｗｅｔａｋｅｔｈｅＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｓｏｆＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅｒｅｔｒｉｅｖｅｄｆｒｏｍＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭｉｍａｇｅｓａｎｄＡＳＴＥＲｉｍａｇｅｓｔａｋｅｎｆｒｏｍ１９９９ｔｏ２００８．Ｔｈｅｎ，ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒ，ｗｅｃｈｏｏｓｅｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒ，ｉｅ．ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ（ｆｏｒｅｓｔ），ｍｉｘｔｕｒｅｏｆｓｏｉｌａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ（ｓｈｏｒｔｇｒａｓｓｅｓ），ａｎｄｂａｒｅｒｏｃｋ．Ｆｏｒｅａｃｈｔｙｐｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｓ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍＴｉａｎｃｈｉＷｅａｔｈｅｒＳｔａｔｉｏｎｉｓｄｅｄｕｃｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｗｅａｔｈｅｒｃｈａｎｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｏｂｔａｉｎｔｈｅａｎｎｕａｌｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｌｉｅｖｅｄｔｏｂｅｃａｕｓｅｄｂｙｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｍａｇｍａｃｈａｍｂｅｒ．Ｏｕｒｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔａ
ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈａｎｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｄｕｒｉｎｇ１９９９ｔｏ２００５，ｂｕｔｄｒｏｐｐｅｄａｆｔｅｒ２００５，ａｎｄｔｈｅｎｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｓｔａｂｌｅｔｅｎｄｅｎｃｙｄｕｒｉｎｇ２００６ｔｏ２００８．Ｓｕｃｈｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆａｎｎｕａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｏｔｈｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｅｇ．ｓｅｉｓｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＧＰＳｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｒａｔｉｏｏｆＨｅｉｓｏｔｏｐｅｃｈａｎｇｅｆｒｏｍｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｍｐｌｙｔｈａｔｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｏｕｓｅｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｓｏｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｒｏｕｔｉｎｅｍｅａｎｓｔｏｍｏｎｉｔｏｒｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄ，ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ，ｔｈｅｒｍａｌａｎｏｍａｌｙ，ｖｏｌｃａｎｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ
ｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏ
〔作者简介〕 季灵运，男，１９８２年生，中国地震局地质研究所在读博士生，目前主要从事卫星热红外遥感技术
在火山活动性监测中的应用研究，电话：０１０－６２００９０７１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｉｎｓａｒ０１０＠１６３ｃｏｍ。
利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性
作者：
作者单位：季灵运， 许建东， 林旭东， 栾鹏， JI Ling-yun， XU Jian-dong， LIN Xu-dong， LUAN Peng季灵运,JI Ling-yun(中国地震局地质研究所,北京,100029;中国地震局第二监测
中心,西安,710054)， 许建东,林旭东,XU Jian-dong,LIN Xu-dong(中国地震局地
质研究所,北京,100029)， 栾鹏,LUAN Peng(中国地震局第二监测中心,西安
,710054)
地震地质
SEISMOLOGY AND GEOLOGY
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天然气水合物被誉为21世纪
2.期刊论文 屈春燕.单新建.马瑾.QU Chun-yan.SHAN Xin-jian.MA Jin 卫星热红外遥感在火山活动性监测中的应用 -地震地质2006,28(1)
介绍了卫星热红外遥感在国内外火山监测研究中的应用现状,结合热红外遥感在地震中的应用成果,对利用卫星热红外遥感监测火山活动的可行性及方法进行了探讨,提出通过火山区热红外亮温旬变、月变和年变模型扣除地形地貌、岩性、植被等地表环境因素的影响,通过火山区和邻近参照区红外亮温差值运算扣除气象因素影响的火山活动性热红外异常提取方法.并以长白山火山为例,利用1999、2003和2004年的NOAA卫星影像资料,对长白山火山及周围地区的热红外影像特征进行了分析解译,对长白山火山区与外围参照区的红外亮温年变差异进行了统计分析.结果表明:1)长白山火山区的红外亮温分布特征在空间上主要受地形控制,总体表现为以天池为中心,向外围逐渐升高的漏斗状,天池则是低温背景上的明显高温标记.在时间上,长白山火山区红外亮温的演变过程主要受季节变化的影响,具有明显的夏高冬低年变特征.2)相对于1999年,2003和2004年长白山火山区均显示出明显的升温趋势,升温幅度可达2K左右.我们认为这可能是近年来天池火山活动性逐年增强的反映.这也意味着利用卫星热红外遥感监测火山活动性将是行之有效的新途径,也是值得深入研究的课题.
3.期刊论文 刘善军.吴立新.李金平.董彦卿.马保东.LIU Shanjun.WU Lixin.LI Jinping.DONGYanqing.MA Baodong 台湾恒春地震前的卫星热红外异常特征及其机理 -科技导报2007,25(6)
构造地震前卫星热红外异常是国际地震界与遥感界的共同研究热点.分析2006年12月26日台湾恒春7.2级地震前出现的卫星热红外异常现象,其特征表现为:震前6 d在菲律宾东部太平洋海域出现片状热异常,并不断向西迁移;震前2 d到达菲律宾;之后沿马尼拉海沟转为北上,并由远到近、逐渐向震中迁移,同时异常的强度及范围逐渐扩大;临震前1 d达到高峰,升温幅度约10℃.结合该震区构造背景,对此次卫星热红外异常与构造活动的关系进行了分析,表明震前红外异常的出现及其时空演化受构造活动控制显著.利用已有遥感-岩石力学基础实验结果,对震前红外异常的产生机制进行了讨论,提出震前构造应力场的迁移与集中活动所激发与加剧的应力热与地热的传递,及其与孕震区温室效应的叠加,是此次地震卫星热红外异常产生的主要机理.
4.期刊论文 辛宝恒 论地温观测网与卫星热红外遥感的观测系统 -科技创新导报2010,
在诸多的地震前兆信息中,震前地温突升是较容易捕捉到的前兆信息之一.依据震前有关地温突升的一些观测事实和卫星热虹外遥感能够探测到大震前有热红外异常现象的一些事实研究以及有地温突升就必然就伴有地热释放的理念,因而提出了要着手组建地温观测网和与卫星热红外遥感相融合的新型立体化地热观测系统的设想.为了进一步证实这种融合过程的真实性和可信度,本文使用唐山震例的实洲资料,做出了简单的模拟演示.
5.会议论文 王晓青.吕金霞.丁香 卫星热红外遥感与地震预报研究 2003
卫星热红外遥感预报地震在过去10多年逐渐引起国内外的广泛关注。红外遥感预报地震将卫星技术、地震分析预报方法以及地面地震综合观测技术、遥感岩石力学实验等多种技术手段相结合，对地震成因、地震前兆机理研究提供了新的思路，对地震观测系统的构建组织及其预报方法的研究，必将产生积极的影响。本文综述了该领域的研究历史、现状、存在问题及发展方向。
6.会议论文 王晓青.吕金霞.丁香 卫星热红外遥感与地震预报研究 2003
卫星热红外遥感预报地震在过去十多年逐渐引起国内外的广泛关注。红外遥感预报地震将卫星技术、地震分析预报方法以及地面地震综合观测技术、遥感岩石力学实验等多种技术手段相结合,对地震成因、地震前兆机理研究提供了新的思路,对地震观测系统的构建组织及其预报方法的研究,必将产生积极的影响。本文综述了该领域的研究历史、现状、存在问题及发展方向。
7.期刊论文 张元生.郭晓.张小美.李明永 应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究 -西北地震学报2004,26(2)
双通道多时相反演方法在提取地表温度场时可把地表温度与地表发射率分离计算,是利用静止卫星热红外遥感资料研究地表温度场变化的一种有效方法.该方法计算简单,易于实现海量资料处理,基本满足红外遥感资料在地震预报中的应用要求.
8.会议论文 徐鹏炜.谭湘萍.俞佳栋 卫星热红外遥感对城市热岛现象的监测 2002
通过LANDSAT卫星离分辨率热红外遥感资料的反演处理,获得地表面的亮度温度信息,结合气象站地面Ocm地面温度的观测,统计回归技术得到卫星遥感影像信息与地面温度的对应关系,从而获得杭州城市的地面温度场,分析城市热岛的分布情况和热岛的强度.本文详细地讨论了基于遥感技术的地面温度反演方法和图像处理、
9.期刊论文 卢振权.龚建明.吴必豪.陈建文.邓坚 东海天然气水合物的地球化学标志与找矿远景 -海洋地质与第四纪地质2003,23(3)
利用大量的海底沉积物样品,开展了东海天然气水合物卫星热红外遥感和沉积物酸脱气地球化学找矿研究.根据卫星热红外增温异常和海底浅表层沉积烃类异常及其他各种异常标志,可以预测冲绳海槽中南部海域为最可能的水合物赋存区.
10.学位论文 钟美娇 卫星热红外和微波遥感资料在地震预报中的应用研究 2006
地震孕育和发展过程中有“热”释放，因此可以用卫星遥感技术来监测地表温度异常变化，以预测强震的发生。为了从长期和短期的地表温度变化趋势中寻找震前地表温度异常规律，本文研究了2005年10月8日巴基斯坦7.8级地震、2003年9月27日中、俄、蒙7.9级地震、1996年11月19日新疆和田7.1级地震和2004年12月26日印尼8.7级地震这几个典型震例震前地表温度异常现象，并在数据的处理过程中，针对微波遥感、静止卫星FY-2C和MTSAT-1R遥感资料开发了数据处理软件。本论文取得的主要结果如下：
（1）本文重点研究了地震区地表温度的时间序列特征，对地震区进行了温度窗口扫描，获得了好的结果。对微波遥感资料与热红外遥感资料进行对比分析研究,这是一种新的尝试，是本研究的创新点；
（2）结合发震区的地质构造资料，从热红外遥感图像信息中提取了发震区域的构造在地表的展布，进一步说明了温度呈条带状分布与断层展布有密切的关系。进一步证实了热红外遥感和微波遥感地表温度地震异常是一种短期地震前兆异常，即震前3个月内出现温度异常；
（3）新发现大地震的温度异常空间分布特征与断层的展布存在密切的关系，与前人的某些研究结果不一致，温度异常区不是大面积存在，异常区的迁移也不太明显。当然本研究的震例还不多，但这一新发现具有明确的物理意义，值得我们进一步深入研究，这对地震三要素的地点预测有着重要的意义；
（4）巴基斯坦7.8级地震震前温度总体上是一个下降过程，即负异常。而新疆和田7.1级地震和中、俄、蒙7.9级地震震前温度异常是正异常。3个地震的研究结果与前人的研究结果“震前是一个增温过程”不完全一致，其中2个地震一致，1个地震不一致。原因之一很有可能是地下逸出物质与地表物质起主要作用的热交换，即当逸出物质的温度低于地表温度时，经过热交换后，地表温度降低，反之地表温度升高。原因之二也有可能是发震断层在受到挤压力的作用下，断层处于封闭状况，导致地下热能无法释放，从而出现震前热红外负异常现象。
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第３１卷 第４期
２００９年１２月地 震 地 质ＳＥＩＳＭＯＬＯＧＹＡＮＤＧＥＯＬＯＧＹＶｏｌ．３１，Ｎｏ．４，２００９Ｄｅｃ．：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－４９６７．２００９．０４．００５ｄｏｉ
利用卫星热红外遥感技术
监测长白山天池火山活动性
，２））））季灵运１ 许建东１ 林旭东１ 栾 鹏３
１）中国地震局地质研究所，北京 １０００２９
２）中国地震局第二监测中心，西安 ７１００５４
）中国国土资源经济研究院，北京 １０１１４９３
摘 要 介绍了卫星热红外遥感技术用于火山监测的国内外研究现状，阐述了热红外遥感技术的
原理，分析了卫星热红外遥感技术用于火山活动性监测的可行性。以长白山天池火山为例，基于
ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ影像和ＡＳＴＥＲ影像反演获得了１９９９—２００８年的温度场，并选取了其中的３种地面
覆盖类型（森林植被、土壤和植被（矮草）以及裸露岩石），从而去除了地表环境因素的影响；从每种
地面覆盖类型中扣除了当日天池气象站的平均气温，去除了气象因素的影响，得到了由火山热活动可
能导致的温度热异常。结果显示，从１９９９—２００５年，由火山活动导致的温度热异常伴随着扰动发生
了明显的上升，自２００５年以后逐渐下降，２００６—２００８年趋于稳定。这些结果与测震、ＧＰＳ形变以及
Ｈｅ同位素比值变化趋势保持了较好的一致性，表明卫星热红外遥感技术用于火山活动性监测的巨大
潜力和优势，可以作为一种常规的监测手段尝试性地纳入日常的火山监测工作中。
关键词 卫星热红外 遥感 热异常 火山监测 长白山天池
中图分类号：Ｐ３１７．６文献标识码：Ａ文章编号：０２５３－４９６７（２００９）０４－０６１７－１１
０ 引言
火山专家ＧｅｏｒｇｅＰ．Ｌ．Ｗａｌｋｅｒ和刘若新等于１９９０—１９９１年对长白山天池火山进行考察之后，依据火山危险性评价的一般准则指出，位于中朝边界的长白山天池火山是一座具有潜在灾害性喷发的大型近代活动火山，并建议尽快开展对该火山的监测研究（刘若新等，１９９２）。“九五”和“十五”期间，中国地震局等几家单位对长白山天池火山进行了较为系统的地质、地球物理探测研究，并进行了以地震活动、形变、地球化学变化为主的固定、流动台网监测研究工作，取得了很多有益的成果。但是，这些常规的监测方法耗费大量人力物力，况且天池有一部分属朝鲜领土，因此我们迫切需要一种快捷并能反映全貌的技术来进行监测。卫星热红外遥感技术作为一种全新的空间对地观测手段近年来已经开始用于火山的监测工作，它的优势在于能够对火山进行安全、有效、宏观、周期性的远距离观测。
国外对火山的监测研究工作比国内深入得多。如美国、日本、意大利、印度尼西亚和菲律宾等国，由于其境内分布的活火山活动频繁，因而研究工作较早，在２０世纪８０年代末就已将卫星〔收稿日期〕 ２００９－０７－１４收稿，２００９－１１－２４改回。
〔基金项目〕 “十一五”国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＣ０１Ｂ０４０１０２）资助。
６１８地 震 地 质３１卷热红外遥感技术应用于火山监测研究中（屈春燕等，２００６）。Ｓｔｕｅｖｅｎ等（２００４）利用２０００年相隔３个月的两景ＬａｎｄｓａｔＴＭ影像对夏威夷东南部的Ｋｉｌａｕｅａ火山进行了地表热异常提取，得出大约有２４％的地区有增温异常。美国阿拉斯加火山观测站ＡＶＯ（ＡｌａｓｋａＶｏｌｃａｎｏＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）的Ｄｅｈｎ等完成的近实时的火山监测系统，建立了辐射温度值与时间的函数关系式（Ｄｅｈｎｅｔａｌ．，２０００），他们还在２０００年３月堪察加半岛Ｂｅｚｙｍｉａｎｎｙ火山喷发前，利用ＮＯＡＡ卫星和ＡＳＴＥＲ（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ）卫星观测到几十至几百个像元大小的高温异常热区（Ｄｅａｎｅｔａｌ．，２００２，２００４）。日本东京大学地震研究院的Ｋａｎｅｋｏ等（２００２）建立了基于ＡＶＨＲＲ能够覆盖日本及其周边的一个近实时热点监测体系。利用夜晚过
ＯＡＡ卫星ＡＶＨＲＲ传感器数据监测地面火山的活动性情况。每晚在东京接收１次或者境的Ｎ
ＶＨＲＲ卫星数据。并且自动在网络上上传原始的热红外影像和不同火山口的热红外温多次Ａ
度分析结果。这些数据在卫星过境之后１～２ｈ就能传输完毕，并且这个过程在今后还可以加快。Ｌａｇｉｏｓ等（２００７）利用２０００—２００２年的３张ＥＴＭ＋热红外数据和卫星过境时的地面观测数据提取了Ｎｉｓｙｒｏｓ火山的地面热异常。研究表明，热红外监测火山活动可以作为可信的监测手段用于休眠火山的监测。
国内，由于火山活动不显著，近年来也没有发生灾难性的喷发，故火山监测工作启动较晚，于“九五”期间实施了与火山监测有关的国家攻关课题和国家社会公益项目，目前常规监测手段已经用于火山监测。但是，在利用卫星热红外监测火山活动性方面工作做得不足。有学者在
２００３；于泳等，２００３），并做了一些实验性的工作，这方面作了理论和技术上的探讨（薄立群等，
如屈春燕等（２００６）基于ＡＶＨＲＲ热红外图像反演了１９９９，２００３，２００４年度的亮温值，然后以１９９９年的亮温值作为基准得到了亮温差值。
本文首先介绍了热红外遥感技术提取地表热信息的原理，探讨了卫星热红外遥感技术用于火山活动监测的可行性，最后以长白山天池火山为例，利用该区１０年来的ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ和ＡＳＴＥＲ卫星热红外影像数据，反演了天池火山区的温度场序列，提取了由于岩浆活动引起的火山区温度异常，并进行了分析，结果表明利用卫星热红外遥感技术监测火山热活动是可行且有效的。１ 热红外遥感技术的原理与监测火山活动的可行性
热红外遥感是获取地表热状况信息的一种非常重要的手段，从第１台红外测温仪算起，热红外遥感的研究己经有４０多年的历史。
从理论上讲，自然界任何高于热力学温度（Ｋｉｎｅｔｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）的物体都不断地向外发射具有一定能量的电磁波（赵英时，２００３）。根据Ｐｌａｎｃｋ定理，黑体的光谱发射特性用Ｐｌａｎｃｋ函数来描述（赵英时，２００３）：
２２ｈｃ１πＭ（Ｔ）５·ｈλｃ／ｋＴλｅ－１λ（１）
－３４－２３１）中：ｈ为普朗克常数，６６２６×１０Ｊ·ｓ；ｋ为玻耳兹曼常数，１３８×１０Ｊ／Ｋ；ｃ为光速，３×式（
８ｍ／ｓ；Ｔ为热力学温度（Ｋ）；λ为波长（ｍ）。Ｐｌａｎｃｋ函数给出了黑体辐射的辐射强度与温度１０
和波长的定量关系，是地表温度能被反演的理论基础。然而，自然界的物体大多数不是黑体，因此要获得物体的地面真实温度，必须考虑物体的比辐射率问题。比辐射率通常用ε表示，定义为：物体在温度Ｔ、波长Ａ处的辐射强度Ｂ（Ｔ）与同温度、同波长下的黑体辐射强度Ｂ（Ｔ）的ｓｓａλ
４期季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６１９比值，取值在０～１之间，没有量纲。比辐射率是物体热辐射能力的量度。
火山活动是地壳运动的一种表现形式，也是地球内部热能在地表的强烈显示。在火山活动剧烈或火山喷发前兆期，高温岩浆和其它高温物质沿断裂和火山通道上涌，同时加热围岩、土壤层和地下水。因此，在火山活动前兆期，突发性地热异常可造成地表较大区域的显著升温（薄
２００３）。加之，从泉眼和裂隙逸出的ＣＯ，ＣＨ产生温室效立群等，２４等气体释放到近地表大气中，
应也能引起局部升温（屈春燕等，２００６）。这样，在火山活动前兆期，火山区的突发性地热异常和温室气体效应会引起地表较大范围的显著升温。卫星热红外遥感是获取地表热状况信息的一种非常重要的手段，它是应用卫星热红外传感器记录地物体发射的热辐射信息，经过各种校正处理并消除各种干扰噪声后，求得火山突发性地热异常区与非异常区之间的亮温差，依据亮温差的时空特性分析火山活动态势（薄立群等，２００３）。火山区地温变化通常反映地下岩浆活动的情况，地温的骤变是火山活动的前兆之一。对火山区地温进行长期系统的观测研究，可以有效地推断地下岩浆活动的时空范围。
２ 卫星热红外遥感技术用于火山活动性监测的可用数据源
热异常是火山活动性强烈的主要表现形式之一，它会辐射一定能量和波长分布的电磁波被热红外传感器接收到，因此，通过热红外影像我们可以定量获取这种热异常。加之，卫星热红外遥感技术有其独特的优势，具有覆盖面广、动态性强、观测精度高、长期连续和经济有效等诸多优势。如美国的Ｌａｎｄｓａｔ５／７卫星，单幅扫描宽度１８５ｋｍ，重返周期１６ｄ，其上载的专题绘图仪ＴＭ（ＴｈｅｍａｔｉｃＭａｐｐｅｒ）的第６波段为热红外波段，空间分辨率为１２０ｍ，相应的ＥＴＭ第６波段空间分辨率６０ｍ。ＴＭ／ＥＴＭ数据的这些特性可以满足监测火山喷发前兆期突发性热活动的要求。还有美国的极地轨道环境遥感卫星ＴＥＲＲＡ上所载的先进星载热发射和反射辐射仪（Ａｄｖａｎｃｅｄ
，简称ＡＳＴＥＲ），单幅扫描宽度６０ｋｍ，重返ＳｐａｃｅｂｏｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ
周期１６ｄ，其中的子系统ＴＩＲ（ＴｈｅｒｍａｌＩＲ）是第１个星载多波段热红外遥感器，有５个波段，空间分辨率为９０ｍ，波段范围８～１２ｍ，可用于研究与区域岩浆活动有关的地表热流变化。μ
３ 实例：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性
３１ 基于ＴＭ／ＥＴＭ６和ＡＳＴＥＲ热红外影像的地表温
度反演
我们购置了１９９９—２００８年的７景ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ
影像和２景ＡＳＴＥＲ影像，如表１所示。考虑到春季的无
云数据几乎没有，且夏季植被茂密、冬季有积雪覆盖，增
加了热异常的干扰因素，且无云的数据也较少，我们选取
了秋季天气晴朗的无云影像。数据处理流程图如图１
所示。
３１１ 基于覃志豪单窗算法的ＴＭ／ＥＴＭ６长白山天池
火山区地表温度反演
单窗算法（ＭｏｎｏｗｉｎｄｏｗＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）（覃志豪等，
２００１）是覃志豪等根据热辐射传导方程，推导出来的基于表１ 遥感影像列表Ｔａｂｌｅ１ Ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａ获取日期１９９９－０９－０２２００１－０９－１５２００２－０８－２５２００３－０８－１９２００４－０９－２２２００５－０９－１０２００６－０８－２８２００７－０８－２３２００８－０８－２５传感器ＬａｎｄｓａｔＥＴＭＬａｎｄｓａｔＴＭＬａｎｄｓａｔＥＴＭＡＳＴＥＲＡＳＴＥＲＬａｎｄｓａｔＴＭＬａｎｄｓａｔＴＭＬａｎｄｓａｔＥＴＭＬａｎｄｓａｔＥＴＭ
６２０地 震 地 质３１
卷
图１ 遥感影像处理流程图
Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．
ＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭ第６波段数据的地表温度反演算法。该算法反演时仅需要地表比辐射率、大气等效温度和大气透过率３个参数就可以反演得到陆面温度。大气等效温度可以通过卫星过境时刻地表温度计算得到，大气透过率根据大气含水量计算得到。单窗算法中最关键的参数是地表比辐射率，综合前人的研究成果（覃志豪等，２００４；吴骅等，２００６；丁凤等，２００６；张兆明等，２００５，２００７），我们采取以下的方法计算研究区地表比辐射率：首先对研究区进行监督分类，将
自然表面包括植被和裸露岩土等，因为长白山地区人烟稀影像分为水体和自然表面２种类型，
少，所以没有分城镇的类型。水体像元的比辐射率赋值为０９９５，考虑到混合像元的问题，自然表面的比辐射率根据归一化植被指数（ＮＤＶＩ）计算：
１－Ｐ）·εε＝Ｐεεｖｖ＋（ｖＳ＋ｄ
计算：
ＮＤＶＩ－ＮＤＶＩｓＰｖ＝ＮＤＶＩＤＶＩｖ－Ｎｓ（２）式（２）中εＰ由式（３）ｖ和εＳ分别是植被和裸露岩土的比辐射率，ｖ是植被占混合像元的比例，()２（３）
这里取ＮＤＶＩ，ＮＤＶＩ０．０５，且有当像元的ＮＤＶＩ＞０７时，Ｐ，当ＮＤＶＩ＜００５时，Ｐｖｓ＝ｖ取值为１ｖ取值为０。ｄ对于水平地表可以忽略，长白山地区高差变ε表示地表几何分布和内部散射效应，
化较大，因而必须考虑，近似地根据植被的构成比例估算：
ｄ１－ε）·（１－Ｐ）·Ｆ·εε＝（ｓｖｖ
在，这里取各种分布的均值为０５５。
图２是覃志豪单窗算法的流程图，在大气透过率、大气平均作用温度和地表比辐射率估计有中等误差的情况下，单窗算法的地表温度反演误差约为１２Ｋ（覃志豪等，２００４）。
３１２ 基于ＡＤＥ温度／比辐射率分离算法的ＡＳＴＥＲ热红外波段天池火山区地表温度反演 ＡＳＴＥＲ影像包含５个热红外波段，因而在温度反演时无需借助其它非遥感信息。避免了误差的引入，可以获得更加可靠的地表温度信息。研究表明，温度／比辐射率分离算法反演温度的误差在１５Ｋ以内（Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅｅｔａｌ．，１９９８；王坤等，２００７）。本文采用的基于ＡＤＥ（ＡｌｐｈａＤｅ（４）式（４）中Ｆ为地形因子，它根据不同的几何分布取相应的不同值。考虑到不同几何分布同时存
４期
季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６２１
图２ 单窗算法流程图（参照覃志豪等，２００１修改）
Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗｏｆｍｏｎｏｗｉｎｄｏｗａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ａｄａｐｔｅｄａｆｔｅｒＱｉｎｅｔａｌ．，２００１）．
ｒｉｖｅｄＥｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）的温度／比辐射率分离算法ＴＥＳ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ＥｍｉｓｓｉｖｉｔｙＳｅｐａｒａｔｉｏｎ）包含了ＡＤＥ、比值法（ＲＡＴＩＯＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）和ＭＭＤ（ＭａｘｉｍｕｍＭｉｎｉｍｕｍＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）等３个模块（刘志武等，２００３）。ＡＤＥ模块是根据Ｋｉｒｅｈｈｏｆｆ定律和Ｐｌａｎｃｋ公式以及ａｌｐｈａ经验公式计算温度和比辐射率
ＡＴ模块将波段比辐射率与所有波段平均值相除计算比值，即相对比辐射的初值，然后利用Ｒ
率，再通过最大最小相对比辐射率差值（ＭＭＤ）与最小比辐射率的经验关系确定最小比辐射率，
ＡＴ选择最大比辐射率所在波段计算温度，进而计算其它波段的比辐射率，最后设定阈值，迭代Ｒ
模块和ＭＭＤ模块，得到最终的温度。
３１３ 长白山天池火山温度场的分布特征与精度分析
图３为长白山天池火山地区历年温度场分布图，通过目视可以看出，温度场的分布主要由地表环境因素控制，地表环境因素主要是地物类型和地形，一般来说，人烟稀少地区的地形地貌在数年内不会发生明显的变化，而我们选取的影像均为秋季获取，植被覆盖较稀疏，近于一致，即温度场分布在年际上是相对稳定的，并且有其固有的规律。结合温度图（图３）和地表类型覆盖图（图４），可以看出由水体到裸露岩石，温度依次升高，这是因为Ｌａｎｄｓａｔ卫星是上午１０：３０左右过境，水体由于比热容大，所以在太阳照射下升温较陆地缓慢，升温幅度小，而裸露岩石区相反，植被覆盖区则介于水体与裸露岩石之间。
图５给出了不同地面覆盖类型的温度均值以及天池水体的温度均值，同时给出了天池气象站的当日平均气温（中国气象局数据资源共享）。我们可以看出，由于火山活动引起的热异常孕育在整体的温度场里，不同地面覆盖类型的温度均值和天池气象站的平均气温之间没有必然的联系。水体由于其大的比热容特性，其温度是比较稳定的，加之我们所使用的影像均为同一季节获取的，所以历年的水体温度应趋于一致，图５给出了相应的定量结果，可以看出近１０年来水体的温度非常稳定，标准差仅为１０４℃，与理论分析一致。也表明了ＴＭ／ＥＴＭ的单波段算
ＳＴＥＲ的多波段算法反演的温度精度是相当的和可靠的。一般来说，通过影像反演得到法和Ａ
的陆面温度由地表环境因素和气象因素以及火山热活动引起的温度３部分组成（屈春燕等，２００６）。因此，提取火山活动引起的温度异常必须去除地表环境因素和气象因素控制的温度背景。３１４ 长白山天池火山区火山活动热异常引起的温度提取与分析
基于以上分析，我们采用以下办法去除地表环境因素和气象因素的影响。为分析不同地物类型的不同温度分布，结合实地调查，首先对影像进行了Ｋ－ＭＥＡＮ法非监督分类，然后依据归
６２２地 震 地 质３１
卷
图３ 长白山天池火山区历年温度场分布图
Ｆｉｇ．３ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅａ．
一化植被指数ＮＤＶＩ进行聚类后处理，最后分为水体与阴影、植被与土壤混合体（偏植被）、茂密
图４）。我们从中选取了３植被（森林）、土壤与植被（矮草）混合体（偏土壤）、裸露岩石等５类（
种不同的地面覆盖类型的典型区域，即植被（森林）、土壤与植被（矮草）混合体以及裸露岩石，
图４）中标出的黑框三角形、蓝框四边形和黄框四边形，计算每种类分别对应地表覆盖类型图（
型的温度平均值，将每种类型的温度均值减去天池气象站当日的平均气温，得到了由火山活动引起的温度。因为我们选取了３种典型的地面覆盖类型，分别计算温度的平均值，每种类型之间不进行互相比较，这样就避免了地表环境因素的不同所导致的温度差异影响，又通过减去当日平均气温去除了气象因素的影响。
图６是去除地形环境因素和去除气象因素后，可能由火山热活动贡献的温度，即温度热异常图。在此前题下，从图６不难看出，从１９９９—２００５年间，由火山活动影响引起的温度热异常呈间歇的升高趋势，２００５—２００６年下降，２００６—２００８年保持平稳的趋势。其中１９９９—２００１年
４期
季灵运等：利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性６２３
图４ 长白山天池火山区地表覆盖类型分类图
Ｆｉｇ．４ ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｔｙｐｅｓｏｆＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅａ
．
图５ 地表不同覆盖类型的温度均值与天池气象站当日平均气温对比
Ｆｉｇ．５ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｔｙｐｅｓａｎｄＴｉａｎｃｈｉＷｅａｔｈｅｒＳｔａｔｉｏｎ．
间有一定的活动，在不同的地面覆盖类型上均反映升温的趋势，平均有８℃的升温异常，而２００１—２００２年间温度有所降低，从２００２—２００５年，火山活动产生的温度热异常逐年升高，在浮岩裸露区每年都有３～７℃的热异常升高变化；自２００５年，温度热异常明显下降，２００６年以后温度场保持平稳的趋势，恢复到２００２年以前的正常水平。从温度热异常的角度，可以看出，从２００２—２００５年火山活动明显增强，可能存在明显的岩浆囊膨胀、岩浆上涌活动，２００５年热活动最强，高出２００２年９℃，２００５年以后岩浆活动减弱，在温度上表现为２００２年以前的水平，表明
２００７）显示长白山天池火山地震的频次从１９９９岩浆活动趋于正常。同时，测震资料（吴建平等，
年７月至２００５年７月总体上呈逐年上升的趋势，２００５年８月后地震频度开始衰减，恢复到２００２年６月以前的水平。ＧＰＳ测量数据显示（崔笃信等，２００７），２００２年以前水平位移不显著，
６２４地 震 地 质３１
卷
图６ 长白山天池火山区温度热异常图
Ｆｉｇ．６ ＴｈｅｒｍａｌａｎｏｍａｌｉｅｓｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｉｎＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅａ．
而２００２—２００３年平均水平位移速率为１９６ｍｍ／ａ，绝大多数点均以天池为中心呈放射状运动，２００３—２００４年平均速率为１０２ｍｍ／ａ，２００４—２００５年速度平均值为８６ｍｍ／ａ，较２００３—２００４年减弱，但仍比２００２年前大，２００５年后水平速率趋于平稳。从长白山天池火山流体监测的Ｈｅ同
在２００２年有个明显的低值，以后到２００６年逐渐升高，２００７年和２００８年位素比值情况来看①，
向平均值“回归”。对比不难发现，热红外遥感获得的温度异常与测震、ＧＰＳ测量资料以及流体地球化学监测资料保持了较好的一致性。测震、ＧＰＳ以及流体地球化学这些常规监测手段从不同角度证明了卫星热红外遥感技术监测火山活动的可行性与可靠性。
４ 结束语
通过长白山天池火山的例子，我们可以看出热红外遥感技术用于火山活动性监测的巨大潜力和优势。其优点不仅在于省时、省力，而且能够进行大范围的区域性观测，可以获得火山的全貌变化异常。中国现代火山分布广泛，虽未曾给人们造成直接的灾害，但仍处于活动之中，前人研究表明中国具有潜在喷发危险的活动火山多于１０座（Ｘｕ，２００７），因此中国的火山监测预警工作不容忽视，而卫星热红外遥感技术则为这方面的监测提供了方便有效的技术手段，可见，将卫星热红外遥感技术纳入正常的火山活动性监测工作之中是迫在眉睫的。
致谢 感谢马瑾院士和匿名审稿专家对本文初稿提出的建议性意见。
参考文献
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ＴＩＡＮＣＨＩＶＯＬＣＡＮＯＡＣＴＩＶＩＴＹ
１，２）１）１）３）ＪＩＬｉｎｇｙｕｎ ＸＵＪｉａｎｄｏｎｇ ＬＩＮＸｕｄｏｎｇ ＬＵＡＮＰｅｎｇ
１）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ
２）ＳｅｃｏｎｄＣｒｕｓｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｘｉａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ
３）ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＬａｎｄａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＥｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１１４９，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｕｓｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏ
，ｔｈｅｎｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｇｙｔｏｍｏｎｉｔｏｒｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ
ｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｕｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｗｅｔａｋｅｔｈｅＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｓｏｆＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏａｒｅｒｅｔｒｉｅｖｅｄｆｒｏｍＬａｎｄｓａｔＴＭ／ＥＴＭｉｍａｇｅｓａｎｄＡＳＴＥＲｉｍａｇｅｓｔａｋｅｎｆｒｏｍ１９９９ｔｏ２００８．Ｔｈｅｎ，ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒ，ｗｅｃｈｏｏｓｅｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒ，ｉｅ．ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ（ｆｏｒｅｓｔ），ｍｉｘｔｕｒｅｏｆｓｏｉｌａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ（ｓｈｏｒｔｇｒａｓｓｅｓ），ａｎｄｂａｒｅｒｏｃｋ．Ｆｏｒｅａｃｈｔｙｐｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｏｖｅｒｓ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍＴｉａｎｃｈｉＷｅａｔｈｅｒＳｔａｔｉｏｎｉｓｄｅｄｕｃｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｗｅａｔｈｅｒｃｈａｎｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｏｂｔａｉｎｔｈｅａｎｎｕａｌｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｌｉｅｖｅｄｔｏｂｅｃａｕｓｅｄｂｙｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｍａｇｍａｃｈａｍｂｅｒ．Ｏｕｒｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔａ
ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈａｎｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｄｕｒｉｎｇ１９９９ｔｏ２００５，ｂｕｔｄｒｏｐｐｅｄａｆｔｅｒ２００５，ａｎｄｔｈｅｎｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｓｔａｂｌｅｔｅｎｄｅｎｃｙｄｕｒｉｎｇ２００６ｔｏ２００８．Ｓｕｃｈｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆａｎｎｕａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｏｔｈｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｅｇ．ｓｅｉｓｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＧＰＳｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｒａｔｉｏｏｆＨｅｉｓｏｔｏｐｅｃｈａｎｇｅｆｒｏｍｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｍｐｌｙｔｈａｔｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｏｕｓｅｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｓｏｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｒｏｕｔｉｎｅｍｅａｎｓｔｏｍｏｎｉｔｏｒｖｏｌｃａｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄ，ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ，ｔｈｅｒｍａｌａｎｏｍａｌｙ，ｖｏｌｃａｎｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ
ｂａｉｓｈａｎＴｉａｎｃｈｉｖｏｌｃａｎｏ
〔作者简介〕 季灵运，男，１９８２年生，中国地震局地质研究所在读博士生，目前主要从事卫星热红外遥感技术
在火山活动性监测中的应用研究，电话：０１０－６２００９０７１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｉｎｓａｒ０１０＠１６３ｃｏｍ。
利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性
作者：
作者单位：季灵运， 许建东， 林旭东， 栾鹏， JI Ling-yun， XU Jian-dong， LIN Xu-dong， LUAN Peng季灵运,JI Ling-yun(中国地震局地质研究所,北京,100029;中国地震局第二监测
中心,西安,710054)， 许建东,林旭东,XU Jian-dong,LIN Xu-dong(中国地震局地
质研究所,北京,100029)， 栾鹏,LUAN Peng(中国地震局第二监测中心,西安
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地震地质
SEISMOLOGY AND GEOLOGY
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天然气水合物被誉为21世纪
2.期刊论文 屈春燕.单新建.马瑾.QU Chun-yan.SHAN Xin-jian.MA Jin 卫星热红外遥感在火山活动性监测中的应用 -地震地质2006,28(1)
介绍了卫星热红外遥感在国内外火山监测研究中的应用现状,结合热红外遥感在地震中的应用成果,对利用卫星热红外遥感监测火山活动的可行性及方法进行了探讨,提出通过火山区热红外亮温旬变、月变和年变模型扣除地形地貌、岩性、植被等地表环境因素的影响,通过火山区和邻近参照区红外亮温差值运算扣除气象因素影响的火山活动性热红外异常提取方法.并以长白山火山为例,利用1999、2003和2004年的NOAA卫星影像资料,对长白山火山及周围地区的热红外影像特征进行了分析解译,对长白山火山区与外围参照区的红外亮温年变差异进行了统计分析.结果表明:1)长白山火山区的红外亮温分布特征在空间上主要受地形控制,总体表现为以天池为中心,向外围逐渐升高的漏斗状,天池则是低温背景上的明显高温标记.在时间上,长白山火山区红外亮温的演变过程主要受季节变化的影响,具有明显的夏高冬低年变特征.2)相对于1999年,2003和2004年长白山火山区均显示出明显的升温趋势,升温幅度可达2K左右.我们认为这可能是近年来天池火山活动性逐年增强的反映.这也意味着利用卫星热红外遥感监测火山活动性将是行之有效的新途径,也是值得深入研究的课题.
3.期刊论文 刘善军.吴立新.李金平.董彦卿.马保东.LIU Shanjun.WU Lixin.LI Jinping.DONGYanqing.MA Baodong 台湾恒春地震前的卫星热红外异常特征及其机理 -科技导报2007,25(6)
构造地震前卫星热红外异常是国际地震界与遥感界的共同研究热点.分析2006年12月26日台湾恒春7.2级地震前出现的卫星热红外异常现象,其特征表现为:震前6 d在菲律宾东部太平洋海域出现片状热异常,并不断向西迁移;震前2 d到达菲律宾;之后沿马尼拉海沟转为北上,并由远到近、逐渐向震中迁移,同时异常的强度及范围逐渐扩大;临震前1 d达到高峰,升温幅度约10℃.结合该震区构造背景,对此次卫星热红外异常与构造活动的关系进行了分析,表明震前红外异常的出现及其时空演化受构造活动控制显著.利用已有遥感-岩石力学基础实验结果,对震前红外异常的产生机制进行了讨论,提出震前构造应力场的迁移与集中活动所激发与加剧的应力热与地热的传递,及其与孕震区温室效应的叠加,是此次地震卫星热红外异常产生的主要机理.
4.期刊论文 辛宝恒 论地温观测网与卫星热红外遥感的观测系统 -科技创新导报2010,
在诸多的地震前兆信息中,震前地温突升是较容易捕捉到的前兆信息之一.依据震前有关地温突升的一些观测事实和卫星热虹外遥感能够探测到大震前有热红外异常现象的一些事实研究以及有地温突升就必然就伴有地热释放的理念,因而提出了要着手组建地温观测网和与卫星热红外遥感相融合的新型立体化地热观测系统的设想.为了进一步证实这种融合过程的真实性和可信度,本文使用唐山震例的实洲资料,做出了简单的模拟演示.
5.会议论文 王晓青.吕金霞.丁香 卫星热红外遥感与地震预报研究 2003
卫星热红外遥感预报地震在过去10多年逐渐引起国内外的广泛关注。红外遥感预报地震将卫星技术、地震分析预报方法以及地面地震综合观测技术、遥感岩石力学实验等多种技术手段相结合，对地震成因、地震前兆机理研究提供了新的思路，对地震观测系统的构建组织及其预报方法的研究，必将产生积极的影响。本文综述了该领域的研究历史、现状、存在问题及发展方向。
6.会议论文 王晓青.吕金霞.丁香 卫星热红外遥感与地震预报研究 2003
卫星热红外遥感预报地震在过去十多年逐渐引起国内外的广泛关注。红外遥感预报地震将卫星技术、地震分析预报方法以及地面地震综合观测技术、遥感岩石力学实验等多种技术手段相结合,对地震成因、地震前兆机理研究提供了新的思路,对地震观测系统的构建组织及其预报方法的研究,必将产生积极的影响。本文综述了该领域的研究历史、现状、存在问题及发展方向。
7.期刊论文 张元生.郭晓.张小美.李明永 应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究 -西北地震学报2004,26(2)
双通道多时相反演方法在提取地表温度场时可把地表温度与地表发射率分离计算,是利用静止卫星热红外遥感资料研究地表温度场变化的一种有效方法.该方法计算简单,易于实现海量资料处理,基本满足红外遥感资料在地震预报中的应用要求.
8.会议论文 徐鹏炜.谭湘萍.俞佳栋 卫星热红外遥感对城市热岛现象的监测 2002
通过LANDSAT卫星离分辨率热红外遥感资料的反演处理,获得地表面的亮度温度信息,结合气象站地面Ocm地面温度的观测,统计回归技术得到卫星遥感影像信息与地面温度的对应关系,从而获得杭州城市的地面温度场,分析城市热岛的分布情况和热岛的强度.本文详细地讨论了基于遥感技术的地面温度反演方法和图像处理、
9.期刊论文 卢振权.龚建明.吴必豪.陈建文.邓坚 东海天然气水合物的地球化学标志与找矿远景 -海洋地质与第四纪地质2003,23(3)
利用大量的海底沉积物样品,开展了东海天然气水合物卫星热红外遥感和沉积物酸脱气地球化学找矿研究.根据卫星热红外增温异常和海底浅表层沉积烃类异常及其他各种异常标志,可以预测冲绳海槽中南部海域为最可能的水合物赋存区.
10.学位论文 钟美娇 卫星热红外和微波遥感资料在地震预报中的应用研究 2006
地震孕育和发展过程中有“热”释放，因此可以用卫星遥感技术来监测地表温度异常变化，以预测强震的发生。为了从长期和短期的地表温度变化趋势中寻找震前地表温度异常规律，本文研究了2005年10月8日巴基斯坦7.8级地震、2003年9月27日中、俄、蒙7.9级地震、1996年11月19日新疆和田7.1级地震和2004年12月26日印尼8.7级地震这几个典型震例震前地表温度异常现象，并在数据的处理过程中，针对微波遥感、静止卫星FY-2C和MTSAT-1R遥感资料开发了数据处理软件。本论文取得的主要结果如下：
（1）本文重点研究了地震区地表温度的时间序列特征，对地震区进行了温度窗口扫描，获得了好的结果。对微波遥感资料与热红外遥感资料进行对比分析研究,这是一种新的尝试，是本研究的创新点；
（2）结合发震区的地质构造资料，从热红外遥感图像信息中提取了发震区域的构造在地表的展布，进一步说明了温度呈条带状分布与断层展布有密切的关系。进一步证实了热红外遥感和微波遥感地表温度地震异常是一种短期地震前兆异常，即震前3个月内出现温度异常；
（3）新发现大地震的温度异常空间分布特征与断层的展布存在密切的关系，与前人的某些研究结果不一致，温度异常区不是大面积存在，异常区的迁移也不太明显。当然本研究的震例还不多，但这一新发现具有明确的物理意义，值得我们进一步深入研究，这对地震三要素的地点预测有着重要的意义；
（4）巴基斯坦7.8级地震震前温度总体上是一个下降过程，即负异常。而新疆和田7.1级地震和中、俄、蒙7.9级地震震前温度异常是正异常。3个地震的研究结果与前人的研究结果“震前是一个增温过程”不完全一致，其中2个地震一致，1个地震不一致。原因之一很有可能是地下逸出物质与地表物质起主要作用的热交换，即当逸出物质的温度低于地表温度时，经过热交换后，地表温度降低，反之地表温度升高。原因之二也有可能是发震断层在受到挤压力的作用下，断层处于封闭状况，导致地下热能无法释放，从而出现震前热红外负异常现象。
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