應(ying)用方案—采用紅外(wai)熱成(cheng)像監測火山噴發，以評估(gu)風險(xian)

1995年開(kai)始，在(zai)蒙(meng)特(te)塞(sai)拉特(te)島的(de)(de)火(huo)山(shan)上接連(lian)發(fa)(fa)生(sheng)圓頂(ding)塌陷(xian)，導致(zhi)首都普利茅斯及周(zhou)邊地區(qu)撤離并最終被棄置，而1994年默拉皮火(huo)山(shan)（印度(du)尼(ni)西(xi)亞）倒塌，造(zao)成(cheng)95人死(si)亡，并破壞了(le)幾(ji)個村莊。2015年在(zai)Volcánde Colima發(fa)(fa)生(sheng)的(de)(de)類似(si)事件產生(sheng)了(le)約10 km的(de)(de)火(huo)山(shan)碎屑流，所(suo)幸僅造(zao)成(cheng)了(le)很小(xiao)(xiao)(xiao)的(de)(de)破壞。熔巖穹頂(ding)會(hui)造(zao)成(cheng)重大的(de)(de)火(huo)山(shan)災害，因為它們容(rong)易產生(sheng)與塌陷(xian)有關的(de)(de)火(huo)山(shan)碎屑流，并且火(huo)山(shan)以小(xiao)(xiao)(xiao)時(shi)數量級的(de)(de)頻率連(lian)續顯(xian)示(shi)出小(xiao)(xiao)(xiao)型(xing)火(huo)山(shan)爆(bao)發(fa)(fa)。這些(xie)通常(chang)在(zai)火(huo)山(shan)穹頂(ding)放置后會(hui)發(fa)(fa)生(sheng)較大的(de)(de)爆(bao)炸(zha)。

監測(ce)穹頂的(de)(de)幾何(he)形(xing)狀(zhuang)、增長率和變(bian)形(xing)是預(yu)測(ce)此類(lei)坍塌事(shi)件(jian)的(de)(de)關(guan)鍵(jian)。越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多地(di)攝影測(ce)量法被(bei)考慮投(tou)入(ru)使用。這些技術，可(ke)以(yi)安全且(qie)廉價地(di)獲取形(xing)態(tai)和幾何(he)數據，并(bing)將其用于(yu)跟蹤(zong)噴(pen)發進程，識別(bie)不穩定跡(ji)象(xiang)或積水率變(bian)化以(yi)及(ji)預(yu)測(ce)火山(shan)風險的(de)(de)變(bian)化。然而，這些方法依賴于(yu)清晰的(de)(de)觀(guan)察條件(jian)，因此增加了對脫氣，陰云和不良照明條件(jian)時的(de)(de)監測(ce)難(nan)度(du)。

圖(tu)為來(lai)自兩個不同觀察飛(fei)行的典型單(dan)反圖(tu)像和紅外熱(re)圖(tu)像。

熱(re)成像技(ji)術也廣(guang)泛用于監測(ce)目的，因為它們可(ke)以(yi)定量評(ping)估(gu)火山(shan)噴(pen)口的熱(re)通(tong)量，圓(yuan)頂，流量和噴(pen)氣(qi)孔。重(zhong)要的是，熱(re)通(tong)量的空間分布可(ke)以(yi)揭示(shi)難(nan)以(yi)用反(fan)射(she)可(ke)見光(guang)檢測(ce)到(dao)的特征，例如噴(pen)氣(qi)孔，裂(lie)縫和落石痕跡。熱(re)異常的分布和強度的變(bian)化也可(ke)以(yi)先于火山(shan)噴(pen)發或噴(pen)發形(xing)式的變(bian)化，因此有可(ke)能進行(xing)災害預報(bao)。

研究者監測了(le)(le)始(shi)于2013年(nian)(nian)1月的(de)(de)(de)火(huo)山(shan)穹頂(ding)，當時熔巖噴發形(xing)成了(le)(le)一個(ge)150毫米寬和50毫米深的(de)(de)(de)火(huo)山(shan)口(kou)底部（同(tong)月發生(sheng)了(le)(le)幾次大(da)爆炸）。 新的(de)(de)(de)圓頂(ding)繼續充(chong)滿(man)了(le)(le)這(zhe)(zhe)個(ge)火(huo)山(shan)口(kou)，到2013年(nian)(nian)4月，溢流形(xing)成了(le)(le)幾個(ge)熔巖流，并最終充(chong)滿(man)了(le)(le)整個(ge)山(shan)頂(ding)火(huo)山(shan)口(kou)（寬約(yue)300 m）。 2015年(nian)(nian)7月10日(ri)至11日(ri)，幾次局部坍(tan)(tan)塌(ta)（伴隨火(huo)山(shan)活動(dong)增加）導致穹頂(ding)破壞； 這(zhe)(zhe)些(xie)坍(tan)(tan)塌(ta)產生(sheng)的(de)(de)(de)火(huo)山(shan)碎屑(xie)密度流沿(yan)著蒙特格蘭德的(de)(de)(de)山(shan)溝(gou)傳播了(le)(le)約(yue)10.6公里(li)，威(wei)脅了(le)(le)幾家牧(mu)場(chang)和克薩里(li)亞鎮（2010年(nian)(nian)人口(kou)8611）。 自1913年(nian)(nian)以來，該火(huo)山(shan)噴發是(shi)沃爾(er)坎德科利馬州(zhou)最大(da)的(de)(de)(de)火(huo)山(shan)噴發。

圖為選定(ding)的單反和熱攝影測(ce)量(liang)模型

研究(jiu)者演示了一種方(fang)法，該方(fang)法可使用運動結構技術直接從傾(qing)斜(xie)的熱圖像中獲(huo)取地形數據和(he)地理參(can)考熱圖，以及在(zai)2013年至2015年墨西哥沃爾坎德科(ke)利馬州（Volcánde Colima）穹頂(ding)生(sheng)長期間捕獲(huo)的圖像。熱模型提供了直觀的穹頂(ding)表面(mian)溫度和(he)地理參(can)考以及幾(ji)何形狀的重要(yao)測量結果。

這項研究也進一(yi)步證明(ming)了盡管(guan)熱(re)圖像(xiang)的(de)(de)空間分辨率(lv)較低，但熱(re)模(mo)型可以(yi)在光線不足和(he)大量脫氣期間進行監測。并(bing)且熔(rong)巖穹(qiong)頂(ding)(ding)體(ti)積的(de)(de)估計值(zhi)在單反和(he)熱(re)量數據(ju)集(ji)之(zhi)間具有很好的(de)(de)對應性。成功地(di)使用了結構運動技(ji)術(shu)和(he)傾斜的(de)(de)熱(re)圖像(xiang)來(lai)生成沃(wo)爾坎德科利馬州(zhou)活動熔(rong)巖穹(qiong)頂(ding)(ding)的(de)(de)地(di)理參考三維(wei)熱(re)模(mo)型的(de)(de)時間序列。

圖為在(zai)強脫氣條件下，拍(pai)攝的紅外(wai)熱圖像(xiang)和單反圖像(xiang)。

熱(re)模型提供(gong)了有(you)用的(de)(de)互補幾(ji)何估計，有(you)助于識別(bie)模型中(zhong)的(de)(de)不(bu)確定性，并提供(gong)溫度分布的(de)(de)地(di)理參(can)考圖(tu)，從(cong)而(er)可以確定圓頂表面上(shang)的(de)(de)熱(re)活動區域(yu)，從(cong)而(er)使從(cong)溫度分布中(zhong)能夠預先(xian)評估穹頂坍(tan)塌的(de)(de)風險。

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.