利用独立分量分析进行火山灰云遥感检测.pdfVIP

第 36卷 第 1期 地 震 地 质 Vo1．36．No．1 2014年 3月 SEISMOLOGY AND GEOLOGY Mar．．2O14 利用独立分量分析进行火 山灰云遥感检测 李成范 戴羊羊 赵俊娟 尹京苑 周时强 (上海大学计算机工程与科学学院，上海 200444) 摘 要 火 山灰云不但引起全球气候和环境系统的重大变化 ，而且还会威胁航空安全 。热红外遥 感技术为检测火山灰云提供了新手段 ，但是遥感数据 自身的冗余和波段相关性大大降低了火山灰云 的检测精度。独立分量分析 (IndependentComponentAnalysis，ICA)能够实现遥感数据 的去相关和消 除冗余 ，在火 山灰云检测 中具有一定的潜力 。通过探索火 山灰云的物理、化学性质 ，文 中以2010年 4月 19日冰岛艾雅法拉 (Eyjafjallajokul1)火山灰云MODIS图像为数据源 ，在对 MODIS数据进行主成 分分析处理的基础上 ，利用 ICA进行火 山灰云检测。结果表明：ICA能够较好地从 MODIS图像 中获 取火山灰云信息，所得结果与美国地质调查局标准光谱数据库和火山灰云SO：浓度分布具有较好的 一 致性，取得 了较好 的检测效果。 关键词 热红外遥感 主成分分析 独立分量分析 火山灰云 艾雅法拉火山 中图分类号 ：P317．3 文献标识码 ：A 文章编号 ：0253—4967(2014)0卜0137—11 0 引言 一 次大型的火山喷发往往能够形成巨大的火 山灰云。火山灰云成分主要包括火 山灰气体 和火成岩碎屑两部分 ，其中火成岩碎屑通常是 由直径2mm 的火 山碎屑物构成 ，火山灰气体主 要是由H2O、SO2、H2S、CO2等气体构成 (Miffreeta1．，2012；Donovaneta1．，2013；Zakseketa1．， 2013)。火成岩碎屑和火山灰气体混合能够在平流层 中形成酸性气溶胶，消散周期较长 ，往往 长达几周。此外 ，火山灰云与气象云特征 比较接近，在高空中都呈现亮色调 ，不易区分 ，然而 火 山灰云的形成高度、光谱特征、组成成分等则与气象云具有明显的差异 。大量 的火山灰云覆 盖在地球上空，不但削弱了到达地面的太 阳辐射 ，引起臭氧层破坏 、大气污染 、温室效应、酸 雨以及气温和降水异常等全球气候和环境系统的重大变化 (Lukeeta1．，2001)，而且火山灰云 的飘浮高度 (一般处于平流层)恰好也是航空器飞行的高度 ，很容易腐蚀飞机发动机 ，导致飞 机发动机熄火 ，引发航空安全事故 ，造成重大经济损失和人员伤亡 (Mecikalskieta1．，2007； Mccarthyeta1．，2008；Prata，2009；尹京苑等 ，2013)。近年来 ，随着中国国际航线的大量开辟 ， 中国飞行器遭遇火山灰云的可能性也随之增大 。目前 ，如何对火 山灰云进行检测 已成为火山 和安全领域科研工作者面前的重要任务之一。 遥感技术具有快速、空间覆盖范围广和时间分辨率高的特点(屈春燕等，2006；季灵运等， 2009；许建东等 ，2009)，能够实时、准确地获取火山喷发形成火 山灰云的海量信息，为火 山灰 [收稿 日期] 2013—05—13收稿 ，2013—08一O1改回。 [基金项 目] 国家 自然科学基金 资助。 }通讯作者：尹京苑，教授，E—mail：jyyin@staff．shu．en。 138 地 震 地 质 36卷 云检测研究提供 了有效的技术支撑。从 20世纪80年代起 ，各 国研究人员 曾利用紫外吸收法、 分裂窗亮温差法和多波段法等对遥感数据中的一些典型的火 山灰云进行 了检测研究 (Androni— COeta1．，2009；Gangaleeta1．，2010；朱琳等 ，2011；Marzanoeta1．，2012)。然而，由于遥感数据 存在波段相关性和数据冗余 ，在一定程度上限制了火 山灰云的检测精度 ，这就需要在火山灰云 遥感检测 中引入新的数据处理方法。