應(yīng)用方案—采用紅外熱成像監(jiān)測(cè)火山噴發(fā)，以評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)

1995年開(kāi)始，在蒙特塞拉特島的火山上接連發(fā)生圓頂塌陷，導(dǎo)致首都普利茅斯及周邊地區(qū)撤離并最終被棄置，而1994年默拉皮火山（印度尼西亞）倒塌，造成95人死亡，并破壞了幾個(gè)村莊。2015年在Volcánde Colima發(fā)生的類似事件產(chǎn)生了約10 km的火山碎屑流，所幸僅造成了很小的破壞。熔巖穹頂會(huì)造成重大的火山災(zāi)害，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀桩a(chǎn)生與塌陷有關(guān)的火山碎屑流，并且火山以小時(shí)數(shù)量級(jí)的頻率連續(xù)顯示出小型火山爆發(fā)。這些通常在火山穹頂放置后會(huì)發(fā)生較大的爆炸。

監(jiān)測(cè)穹頂?shù)膸缀涡螤?、增長(zhǎng)率和變形是預(yù)測(cè)此類坍塌事件的關(guān)鍵。越來(lái)越多地?cái)z影測(cè)量法被考慮投入使用。這些技術(shù)，可以安全且廉價(jià)地獲取形態(tài)和幾何數(shù)據(jù)，并將其用于跟蹤噴發(fā)進(jìn)程，識(shí)別不穩(wěn)定跡象或積水率變化以及預(yù)測(cè)火山風(fēng)險(xiǎn)的變化。然而，這些方法依賴于清晰的觀察條件，因此增加了對(duì)脫氣，陰云和不良照明條件時(shí)的監(jiān)測(cè)難度。

圖為來(lái)自兩個(gè)不同觀察飛行的典型單反圖像和紅外熱圖像。

熱成像技術(shù)也廣泛用于監(jiān)測(cè)目的，因?yàn)樗鼈兛梢远吭u(píng)估火山噴口的熱通量，圓頂，流量和噴氣孔。重要的是，熱通量的空間分布可以揭示難以用反射可見(jiàn)光檢測(cè)到的特征，例如噴氣孔，裂縫和落石痕跡。熱異常的分布和強(qiáng)度的變化也可以先于火山噴發(fā)或噴發(fā)形式的變化，因此有可能進(jìn)行災(zāi)害預(yù)報(bào)。

研究者監(jiān)測(cè)了始于2013年1月的火山穹頂，當(dāng)時(shí)熔巖噴發(fā)形成了一個(gè)150毫米寬和50毫米深的火山口底部（同月發(fā)生了幾次大爆炸）。 新的圓頂繼續(xù)充滿了這個(gè)火山口，到2013年4月，溢流形成了幾個(gè)熔巖流，并最終充滿了整個(gè)山頂火山口（寬約300 m）。 2015年7月10日至11日，幾次局部坍塌（伴隨火山活動(dòng)增加）導(dǎo)致穹頂破壞； 這些坍塌產(chǎn)生的火山碎屑密度流沿著蒙特格蘭德的山溝傳播了約10.6公里，威脅了幾家牧場(chǎng)和克薩里亞鎮(zhèn)（2010年人口8611）。 自1913年以來(lái)，該火山噴發(fā)是沃爾坎德科利馬州最大的火山噴發(fā)。

圖為選定的單反和熱攝影測(cè)量模型

研究者演示了一種方法，該方法可使用運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)技術(shù)直接從傾斜的熱圖像中獲取地形數(shù)據(jù)和地理參考熱圖，以及在2013年至2015年墨西哥沃爾坎德科利馬州（Volcánde Colima）穹頂生長(zhǎng)期間捕獲的圖像。熱模型提供了直觀的穹頂表面溫度和地理參考以及幾何形狀的重要測(cè)量結(jié)果。

這項(xiàng)研究也進(jìn)一步證明了盡管熱圖像的空間分辨率較低，但熱模型可以在光線不足和大量脫氣期間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并且熔巖穹頂體積的估計(jì)值在單反和熱量數(shù)據(jù)集之間具有很好的對(duì)應(yīng)性。成功地使用了結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)技術(shù)和傾斜的熱圖像來(lái)生成沃爾坎德科利馬州活動(dòng)熔巖穹頂?shù)牡乩韰⒖既S熱模型的時(shí)間序列。

圖為在強(qiáng)脫氣條件下，拍攝的紅外熱圖像和單反圖像。

熱模型提供了有用的互補(bǔ)幾何估計(jì)，有助于識(shí)別模型中的不確定性，并提供溫度分布的地理參考圖，從而可以確定圓頂表面上的熱活動(dòng)區(qū)域，從而使從溫度分布中能夠預(yù)先評(píng)估穹頂坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

參考資料：

Samuel T. Thiele, Nick Varley, Mike R. James, et al. Thermal photogrammetric imaging: A new technique for monitoring dome eruptions [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 337:140-145, 2017.