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地震构造区红外亮温背景场建立及异常提取方法研究

作　者: 温少妍
导　师: 宋冬梅；单新建
学　校: 中国石油大学
专　业: 地图制图学与地理信息工程
关键词: 热红外遥感亮温背景场热红外异常地震断裂带
分类号: TP722.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

我国地震活动具有分布广、频度高、强度大、震源浅、灾害重的特点,是地震灾害最为严重的国家之一。因此,准确的地震预报,尤其短临预报是减轻地震灾害的重要前提。地震前会出现近地表温度异常早已被国内外地震学者所关注,近年来大量的研究工作表明,利用卫星热红外遥感探测构造活动及地震活动引起的红外辐射热异常已成为地震研究领域具有广阔应用前景的技术手段。在卫星热红外异常信息提取方面,国内外很多学者都是利用地面增温来提取震前红外异常。卫星红外亮温就是利用星载或机载传感器收集、记录来自地球表面或低空大气的热辐射信息数据,然后根据黑体辐射定律计算得到的。但是,卫星红外亮温是地表、大气诸多因素热辐射的综合反映,它受到地形地貌、地表覆盖类型和气象等非构造因素的综合影响,在平静(无震)时期亮温的分布也是不均匀的,仅依据遥感图像上的亮温值大小来判别异常是不合理的。异常的识别和提取是建立在正常动态背景的基础上的,因此,研究正常情况下亮温背景场的时空演化规律是异常判定的前提。本文利用NOAA/AVHRR极轨气象卫星热红外遥感影像,选取2个地震重点监测区为研究对象,建立了不同时间尺度上的红外亮温背景场,同时分析了实验区红外亮温背景场的时空演化特征及变化规律,为有效地挖掘与地震相关的热红外异常信息奠定基础;针对NOAA/AVHRR卫星数据,在亮温动态背景场分析研究的基础上,设计提出了两种亮温异常检测和提取的算法模型:一种是基于历年同期亮温偏移指数法,一种是改进的RST方法。此外,通过分析卫星观测亮温与野外观测数据的相关性和差异性,验证红外亮温用于震前异常信息提取的可靠性。研究结果表明:(1)红外亮温背景场建立方面:空间上,亮温变化主要受地形地貌和断裂构造的控制,在不考虑城市热岛效应情况下,地面高程每增加100m亮温降低约0.56℃～0.68℃,与大气温度直减率基本一致;时间上,实验区亮温均值变化主要受季节规律的影响,表现出明显的夏高冬低的特征,夏季最高温约10℃,冬季最低温约-18℃。不同地质构造单元,尤其线性断裂构造及水系在热红外影像上有清晰的表现。总的来讲,热红外亮温背景场变化具有空间相关性、时间延续性和年变周期性,基于多年积累数据的统计分析可以有效提取红外亮温异常;(2)异常提取算法模型:为了有效地进行红外亮温异常的提取,设计了基于历年同期亮温偏移指数K值算法模型,并对RST算法进行改进,为红外亮温异常的提取提供技术支撑;(3)红外亮温相关性分析:亮温与气温及0.2m地温呈现很好的相关性,相关系数分别为0.92、0.93,三者变化具有同步变化趋势。这说明亮温是对地表辐射状态的良好反应,用亮温研究地震异常是可靠的,可以为地震预测预报提供基础服务。(4)红外亮温异常提取方面:通过K值和改进的RST算法在震例中的应用,总结了地震红外亮温异常的时空演化规律:时间上,异常出现的时间多在震前数日至数月;空间上,异常的表现形式为由弱-强-弱-消失的过程,异常形态多为团块状或与断裂带走向较为一致的条带状。(5)异常提取算法对比:通过K值和改进的RST这2种算法在玉树地震中的应用,结果表明改进RST算法具有对异常的反应程度大、细节清晰且异常范围大并可以扣除气象因素等引起的气温突变等优点。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-18
  1.1 选题依据  12-13
  1.2 研究目的及意义  13-14
  1.3 国内外研究现状  14-15
  1.4 研究内容  15-16
  1.5 技术路线  16-18
第二章卫星遥感热辐射的原理及卫星遥感系统  18-29
  2.1 地表热辐射的特性及基本原理  18-22
    2.1.1 地表热辐射的基本特性  18-19
    2.1.2 热辐射的基本定律  19-22
  2.2 地震红外异常识别的影响因素  22-24
    2.2.1 大气对地表热红外辐射的影响  22-23
    2.2.2 地表环境对地表热红外辐射的影响  23-24
    2.2.3 气象变化对地表热红外辐射的影响  24
  2.3 地震红外异常机理  24-26
  2.4 NOAA/AVHRR极轨气象卫星  26-27
  2.5 野外地温观测仪器  27-29
第三章热红外亮温背景场建立及异常提取算法研究  29-40
  3.1 热红外亮温背景场建立  29-35
    3.1.1 红外亮温计算的原理  29-30
    3.1.2 红外亮温背景场建立方法  30
    3.1.3 红外亮温背景场建立过程中的关键技术  30-35
  3.2 热红外亮温异常提取算法  35-36
    3.2.1 基于历年同期亮温偏移指数算法  35
    3.2.2 改进的RST方法  35-36
  3.3 卫星红外亮温地震信息处理软件  36-40
    3.3.1 软件的基本处理功能  37-38
    3.3.2 亮温统计分析功能  38-40
第四章实验区红外亮温背景场的建立及时空演化特征分析  40-58
  4.1 首都圈实验区红外亮温背景场  40-47
    4.1.1 首都圈实验区概况  40-41
    4.1.2 首都圈实验区亮温背景场的建立及时空演化特征分析  41-46
    4.1.3 小结  46-47
  4.2 祁连山实验区红外亮温背景场  47-55
    4.2.1 祁连山实验区概况  47-48
    4.2.2 祁连山实验区亮温背景场的建立及时空演化特征分析  48-54
    4.2.3 小结  54-55
  4.3 首都圈、祁连山红外亮温背景场对比分析  55-58
第五章红外亮温异常提取  58-71
  5.1 汶川地震红外亮温异常提取  58-61
    5.1.1 汶川实验区亮温背景场建立  58-59
    5.1.2 基于亮温偏移指数提取亮温异常  59-61
  5.2 玉树地震红外亮温异常提取  61-70
  5.3 小结  70-71
第六章红外亮温与野外地温相关性分析  71-84
  6.1 野外地温观测数据统计分析  71-74
  6.2 卫星观测亮温与野外地温观测数据综合对比  74-78
  6.3 卫星观测亮温与野外地温观测数据拟合分析  78-82
  6.4 小结  82-84
结论  84-87
  主要结论  84-85
  存在的问题  85-86
  研究前景及展望  86-87
参考文献  87-90
攻读硕士期间取得的学术成果  90-91
致谢  91

地震构造区红外亮温背景场建立及异常提取方法研究

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