高光譜遙感在斷層氣監測中的應用

空間對地觀測研究是近年來國內外地震科學研究發展的重要方向。由于新的觀測技術和理論的快速發展，使得高光譜在斷層逸出氣方面的應用在強震前兆信息分析中有可能發揮重要作用。本文簡單介紹了斷層氣體地面監測和衛星遙感監測方面的應用現狀，概述了高光譜遙感的原理、反演方案和方法等。筆者建議運用地面監測和高光譜遙感技術相結合的方法來監測強震前后活動斷層逸出氣的光譜變化，根據數學算法反演痕量氣體組分濃度，最后，結合震例，探討強震前后斷層逸出氣體異常變化量與強震的關系，提取斷層氣體各組分強震前兆信息。利用空間對地觀測技術來研究斷層逸出氣，這樣可以全面提高對強震前兆異常信息的空間分析和可靠性判定能力，對全面發展地震監測預報技術具有重要的意義。

引 言 

斷層氣是地球內部氣體及揮發組分不斷沿著活動板塊和塊體邊界以及其他活動性深斷裂等地殼薄弱地帶向地表遷移和釋放的氣體，活斷層是連接深部和深部氣體釋放的天然通道。斷層氣的逸出空間主要集中在斷裂帶附近，大量資料表明斷層活動越強的地區，斷層氣含量越高。監測斷層氣釋放的濃度變化，已成為活斷層探測和地震前兆分析的重要方法。

我國地震監測預報的目的是通過對地殼各種物理量的監測，獲取強震前兆異常信息，探索地震預報方法，減輕地震災害。由于國力和自然條件的限制以及觀測環境的干擾和破壞，目前我國地面地震臺網密度仍然很低，僅能獲取地表離散點的數據，很難對地球物理和地球化學背景場進行完整的描述，要完整捕獲地震前兆信息比較困難，急需引進新的觀測技術。

高光譜能獲取地物目標的精細光譜特征，綜合地面目標的空間、時間、光譜等特征，探測各種目標的成分屬性及狀態屬性。其波段多，光譜通道數多且是連續的，光譜分辨率高，信息量大，圖譜合一，有利于利用光譜特征研究地物和采用各種光譜匹配模型對地物進行精細分類與識別。因此應用高光譜衛星遙感技術，可以獲取更多更準確的斷層氣體信息。

本文介紹了地面和衛星遙感監測斷層氣體的研究現狀，重點概述了高光譜遙感的基本原理、反演方案和方法等，并歸納總結了基于地面和高光譜遙感衛星監測相結合的斷層逸出氣強震預測指標異常識別方法和技術途徑。

1斷層氣體研究現狀

1.1我國近 40年的近地表斷層氣的觀測研究進展

我國在氣體地球化學動態地震異常及其預報探索方面積累了大量的地震斷層氣前兆異常實例資料，尤其是氡（Rn）、汞（Hg）、Ｈ2、He、CO2等地震敏感氣體組分方面，并且在全國強震活動地區各地震臺站配置有相應的氣體觀測設備，為我們今后的工作奠定了實驗數據基礎。例如：1986年兩次門源地震和 1987年張掖地震前長草溝測點的Rn、Hg、Ｈ2、CO2四種氣體發生同步異常（孔令昌,1996）；1990年青海茫崖 6.7級地震、共和6.9級地震前斷層氣Rn、Hg的異常變化特點是臨震突變幅度大，異常反應范圍廣（何跟巧,1990）。1992年 1月 12日在甘肅嘉峪關南5.4級地震，嘉峪關觀測點距震中約20ｋｍ,地震前,斷層氣Rn、Hg、Ｈ2、He和 Ｎe五種微量氣體組份出現異常（何跟巧,1994）。近40年的近地表斷層氣體的觀測結果為我們進行空地對比研究奠定了地面監測的數據基礎。 

1.2衛星遙感在地震氣體監測中的應用現狀 

20世紀 90年代以來,由于遙感的理論和技術的發展、新型傳感器的出現和進步,地震學者通過衛星遙感數據反演獲得地震前后震中及周邊地區大氣中的某些氣體含量的變化,對地震前后排氣現象進行了大面積系統的研究。

姚清林等（2005） 對2000年4月30日青藏高原CO大面積逸出的情況進行探究。結論表明CO含量異常升高的區域具形狀不規則的圈層結構；整個CO逸出區CO體積分數值為2002年正常值的1.57～4.10倍,且該現象在之前數天內是持續存在的,并認為是2000年6月6日甘肅景泰Ｍ5.9地震和2000年6月8日緬甸北部Ｍ6.9地震的前兆。

郭廣猛等（2006）同樣研究了2002年3月31日臺灣7.5級強震前的CO異常。研究發現2002年3月3日、27日、30日,CO在沖繩海槽和臺灣北部出現異常區,其面積隨著時間擴大,且與MODIS熱紅外高溫異常區位置吻合,并認為CO、溫度異常是地下巖石受力破裂、地下氣體逸出所致。

Pulinets等（2007）通過對1985年墨西哥 Miehoaean7.8級地震前后的熱紅外數據進行分析,發現一些地區的氣溫和水汽含量出現異常,特別是位于Cocos和Rivera板塊邊界上的Baja California地區。Pulinets認為水汽的產生和地震排放的Rn氣體有關,并證明了Rn排放不僅限于地震震中,在附近板塊作用地區也存在。

通過上述觀測事實綜合分析,可以發現地球是一個統一的系統,地震導致地球巖石圈破裂,使得巖石圈以至地幔的斷層氣體排放到空氣中,由于巖石圈－大氣圈耦合,導致地震破裂區上空氣體的含量發生變化。隨著衛星觀測技術和反演技術的完善,地震前后斷層氣體濃度變化能得到更好的分析研究。

2高光譜遙感在斷層氣方面的應用研究

高光譜遙感具有非常高的光譜分辨率,它不僅可以探測到比常規遙感更精細的地物信息,而且也能探測到更精細的大氣吸收特征（束炯,2006）。大氣中的分子和粒子成分在太陽反射光譜中有強烈反應,這些成分包括水汽、二氧化碳、氧氣、臭氧、云和氣溶膠等。傳統寬波段遙感方法無法識別出由于大氣成分的變化而引起的光譜差異,而波段很窄的高光譜則能夠識別出這種光譜差異,成像光譜儀記錄的太陽反射光譜中可反映出大氣層中分子和粒子成分的光譜信息（袁迎輝,2007）。

目前,高光譜遙感研究大氣的主要目標是水蒸氣、云和氣溶膠。同樣,我們可以推廣應用到斷層氣體監測研究中,利用高光譜遙感的高空間分辨率、高光譜分辨率數據,通過光譜識別技術,將各種氣體加以區分,再根據反演方法,計算其濃度。

2.1高光譜遙感在斷層氣體研究方面的反演方法

光譜是表征物質物理屬性的主要手段,利用光譜特征可以實現斷層氣體的遙感監測。電磁輻射與原子和分子間的相互作用是高光譜遙感探測氣體成分及特性的基礎,根據斷層氣體成分在紫外、可見和紅外光譜波段的特征吸收性質來反演其濃度。

如圖 1所示,高光譜遙感將入射光源通過成像光譜儀變為干涉光通過氣體樣品,經過光電轉換還原出氣體的光譜圖,光譜圖含有豐富的譜元信息,具有高的信噪比和光譜分辨率（T?Ogawa,1994；Gerald Wetzel,1995；Reinhard Beer,2001）。 

利用高光譜遙感所得到的氣體光譜,我們可以根據斷層氣體成分在紫外、可見和紅外光譜波段的特征吸收性質來反演其濃度。

1.實施斷層氣體反演需要以下幾個基本條件

（1） 基于逐線計算輻射傳輸模型的快速參數化模型，模擬計算氣體的輻射傳輸過程。一個精確的前向模型是成功反演的保障。它必須全面考慮輻射傳輸的物理過程，在給定大氣廓線、光譜數據庫、輔助數據情況下，準確快速計算出傳感器入瞳處的輻射亮度。Tjemakes等人（2003）做了逐線計算程序的比對試驗,共有13個研究小組的7個不同的逐線計算輻射傳輸模型參加了比對實驗,結果表明在大多數紅外光譜區這些模型都能在觀測噪聲水平內復制真實觀測值。目前還沒有在整個紅外波段都表現優異的逐線計算的輻射傳輸計算模型,大氣輻射測量計劃的逐線計算輻射傳輸模式是痕量斷層氣體反演比較常用的前向模型。通常用于痕量斷層氣體探測的傳感器都會根據自身的科學目的以及達到此目的所使用的波段來選擇在所選波段性能優異的前向模型或者在已有前向模型的基礎上開發特 定的前向模型。

（2）先驗知識：斷層氣體反演中使用的先驗知識主要來源于三個方面：已有數據庫的氣體廓線數據,如AFGR大氣廓線數據庫、TIGR初始猜測值數據庫等；地面觀測數據,如美國國家海洋大氣管理局（NOAA）的氣候監測與診斷實驗室獨立觀測數據、平流層變化監測網絡（NDSC）分布于世界各地的地面觀測站的地面觀測數據等；一些大氣化學模型產生數據,如三維全球化學與傳輸模型（GEOS-CHEM）、對流層三維化學傳輸模型（IMAHES）等（CliveD?Rodgers 1976,2000）。 

最小化代價函數方案。通常,我們可以用下式來描述觀測向量和真實狀態向量之間的關系（CliveD?Rodgers 2000）:ｙ＝Ｆ（ｘ，ｂ） ＋ε

公式中，ｙ為觀測向量（測量的紅外輻亮度）；Ｆ（ｘ，ｂ）為前向模型函數；ｘ為狀態向量（待反演的大氣參數）；ｂ為前向模型所有其他的參數：壓強、溫度、其他組分的廓線、地表發射率、儀器的光譜響應函數和光譜數據庫；ε為由儀器噪聲引起的測量誤差。反演就是要從給定ｙ的條件下反求出ｘ。

2.1.1反演方法

目前，遙感地震資料反演的方法很多，大致有如下幾種：地震資料粒子群反演方法、最小二乘法、疊前地震反演方法、地震非線性隨機反演方法、多尺度地震資料聯合反演方法、非線性迭代方法等，下面主要介紹非線性迭代方法。

對于斷層氣體遙感反演來說，問題是非線性的（Cathy Clerbaux,2002）。目前解決這類問題主要是在利用先驗知識的同時,利用非線性迭代方法求得統計意義上的最優解。

對于氣體探測領域的研究Rodgers做了大量開創性的工作,尤其在利用優化估計方法反演氣體參數方面（CliveD?Rodgers 1976,2000）。

定義代價函數 φ（ｘ）： 

公式中ｇ（ｘ）為罰函數；λ為正則化因子。當 λ≠ 1時，可通過最小化代價函數得到正則化解。當 λ＝1，可通過最小化代價函數得到最小方差解，將其寫成矩陣表達的形式：

由公式可以得到牛頓迭代法的一般形式。忽略二階導數項，引入先驗知識，根據構造罰函數的不同，得到Gauss-Newton迭代法：

和Levenber-Marquardt迭代法

公式中，Sε為觀測誤差的協方差矩陣；Sａ為先驗狀態向量 xａ的協方差矩陣；

Ｋｉｊ＝?Fｉ／?xi為 權函數矩陣（S?A?Clough，1995）。

Gauss-Newton法和Levenberg-Marquardt法都是牛頓方法的變形,它們不需要計算海色（Hessian）矩陣,具有較高的計算效率,雖然它們只具有線性收斂性,但是通過選擇合理的初始值,也能達到較快的收斂速度,這對于氣體反演問題來說非常有效。我們在處理斷層氣體時，可以選擇合理的地面觀測初始值，在運用非線性迭代方法時，使斷層氣體光譜線性收斂，這樣就可以快速進行反演計算。

2.1.2誤差分析

由于斷層氣體遙感反演是非線性的，沒有唯一解，所以我們不僅需要從有限個可能的解中選擇一個某種意義上的“最優 ”解，而且還需要對這個“最優 ”解進行精度評定，分析各種誤差源的傳播以及它們對反演精度的影響。

在利用非線性迭代方法線性近似的情況下，真實狀態向量和反演的狀態向量的差別可以寫成以下形式：

其中：

（1）

為平核矩陣。它的跡等于觀測所含的獨立信息量個數。

（2）

Ｇε稱為測量誤差，由儀器噪聲引起，其協方差為：

（3）

稱為模型參數誤差，由對模型參數知識的不完全引起。其協方差為：

其中Ｓb為代表模型參數不確定型的協方差矩陣。

總的誤差協方差矩陣為：

利用高光譜遙感所得到的氣體光譜，我們可以根據斷層氣體成分在紫外、可見和紅外光譜波段的特征吸收性質來反演其濃度。實施斷層氣體反演時，要先計算入射光在進入傳感器時的輻射亮度，即前向模型條件，并要有已知的先驗知識數據庫，即各氣體組分應對應怎樣的光譜曲線，最后在利用非線性迭代方法線性近似的情況下，將反演獲得的數值減去總的誤差，就得到了斷層氣體各組分的光譜測量結果，提取斷層氣體各組分的最優光譜數據。

2.2高光譜活動斷層逸出氣強震預測指標信息提取研究的方法和技術途徑 

目前,高光譜遙感在火山氣體監測方面取得了一定成果。高光譜圖像在紅外范圍（1900－2100ｎｍ）目前已經投入使用,其中包括二氧化碳吸收曲線。這些航空機載的可見光／紅外成像光譜儀圖像在夏威夷Kilauea East Rift地區的PuuOo Vent上空獲得。利用輻射傳輸模型和新開發的映射技術模擬測量上升流光譜輻射,獲得PuuOo Vent plume二氧化碳濃度圖（Claudia Spinetti 2008）。鑒于上述高光譜在火山氣體方面的應用，同樣，我們可以開展高光譜遙感在斷層氣方面的強震監測預報。

隨著遙感數據處理軟件和數據反演算法業已成熟，我們可以采用這些軟件和方法來處理高光譜衛星數據，提取斷層逸出氣信息。同時，進行野外實地斷層逸出氣光譜測量，對比高光譜遙感和近地表光譜結果，探討高光譜斷層逸出氣強震預測指標異常識別方法。筆者歸納總結出具體的技術途徑如下：

高光譜衛星遙感數據處理。運用衛星地球化學遙感數據處理軟件 （ENVI、PCI、ERDAS） 等，同時借鑒環境科學方面的軟件，對衛星數據進行處理，反演計算斷層氣體各組分的濃度，探究提取H2O、CO、CO2、He、Ｈ2和CH4強震斷層氣體信息的方法。

收集地震地質資料、各種氣體組分的反射特征光譜資料。在地震活動強烈的地區進行野外斷層氣體測量，確定不同地震地質區域的特征氣體組分；實驗室標定地震地球化學特征組分的特征波譜，診斷特征組分蝕變和地表異常的特征波譜，在地震斷裂帶進行特征氣體組分通量測定，建立野外光譜數據庫。

對比高光譜遙感和近地表光譜結果，結合實驗室標準光譜，探討高光譜斷層逸出氣強震預測指標異常識別方法。

結合震例，把地震活動與利用高光譜遙感數據獲得斷層氣體地球化學場的變化聯系起來，進行構造活動和地震異常判定，歸納總結出高光譜活動斷層逸出氣強震預測指標，并進行震例檢驗。

高光譜活動斷層逸出氣強震預測指標信息提取技術途徑如圖 2所示。

3結 語

高光譜遙感作為一門新興的傳統遙感發展的前沿技術，具有光譜分辨率高、信息量大、圖譜合一的特點?這是傳統的遙感技術無法比擬的。高光譜遙感的這些特點，使得對地物的分類識別，物化信息的提取和預測的廣度、深度和精度大大提高，遙感技術從定性為主向更高精度的定量遙感發展。同時其所擁有的巨大的信息量，為其向更廣領域的拓展提供了巨大的潛力。可以相信，隨著高光譜遙感技術的發展，結合地面觀測，我們可以更好地確定與強震斷層逸出氣體組分有關的變化；結合震例，探討強震前后斷層逸出氣體異常變化量與強震的關系；結合地震孕育區其他有關的地震活動信息和前兆異常現象，預判未來地震可能發生的地點，提高地震預報水平。

現在我國地震系統中，四川省地震局已建立接收高光譜遙感數據的平臺，當務之急應充分利用現有資源，把高光譜遙感數據與地面臺站監測數據結合起來，研究提取斷層氣異常信息的方法，探索強震前兆信息的判定指標。

利用空間對地觀測技術，把高光譜遙感監測和地面監測綜合起來，并大力加強地震前兆與震源關系的深入研究。對不同地區、不同類型的地震，其前兆種類、幅度、分布范圍、持續時間存在著一定的差異。通過地震前兆場孕育模式及地震前兆場時空分布與孕震動力環境關系的研究，取得地震前兆時空分布與演化規律的正確認識，繼續對地震遙感異常的成因機制進行研究，將會使高光譜遙感技術在地震預報中具有更廣闊的應用前景。

萊森光學- iSpecHyper-VM系列無人機機載高光譜成像系統

萊森光學-多旋翼無人機高光譜成像系統iSpecHyper-VM系列是一款基于小型旋翼無人機的高性能機載高光譜成像系統。

萊森光學-多旋翼無人機高光譜成像系統光譜范圍400-1000nm/900-1700nm,由高性能高光譜相機、穩定云臺、高清相機、GNSS模塊、機載控制與數據采集模塊、機載供電模塊、地面站模塊等部分組成。核心載荷高光譜相機完全自主研發，采用1英寸大靶面CCD圖像傳感器具有高光譜分辨率、高靈敏度、大視場及優異的成像性能，配合定制開發的高性能穩定云臺，能夠有效降低飛行過程中無人機抖動引起的圖像扭曲與模糊；同時與GPS同步觸發，實現可見光照片匹配同步GPS信息；通過地面實時數據平臺實時觀測飛行器采樣點并可利用地面端設置采集的航線預覽及矯正功能；有輻射度校正、反射率校正、區域校正等批處理能力。輔助相機可實時可見、監控拍攝效果，有圖像實時回傳功能；有輻射度校正、反射率校正、區域校正等批處理能力，光譜相機控制、數據采集、自動曝光、自動掃描速度匹配、輔助攝像頭功能、支持遠程遙控、支持巡航、慣導采集模式，數據支持Envi等主流遙感軟件，實時常用植被指數計算功能、光譜及圖像數據預覽、建庫、建立指標解譯庫等功能。

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萊森光學- iSpecField-系列手持式/便攜式地物光譜儀

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萊森光學-iSpecField系列地物光譜儀主要技術特點

2 光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2 2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測器同步測量，光譜精度高、分辨率高

2 主機與工業級觸控顯示手柄探頭一體化結構，野外測量無需額外電腦，操作靈活

2 最短積分時間30微秒，測量動態范圍大，7吋高清觸控顯示遠程觸發一鍵測量

2 內置＞800萬像素自動對焦攝像頭（相機）、GPS、激光指示器、內置光學快門控制

2 GPS定位、地物圖像、角度測量、距離測量、空氣溫濕度測量與光譜實時對應同步

2 SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數據庫和NDVI等13個植被指數

2 豐富測量光學配件：標準白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內太陽光源、視場角鏡頭、BRDF測量附件、透反射實驗室支架裝置、遠程觸發器等可滿足野外和實驗室測量需求，可實現透射反射率、輻照度、輻亮度等測試

2 大容量電池，續航時間4-5小時，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長時間野外測量

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