基于卫星遥感图像的火山灰云团识别和追踪实用化方法研究

近20年来，火山灰云团的监测与追踪对航空安全、国家安全和社会经济发展的影响愈来愈受到国际社会的重视，我国在该领域的研究尚属空白。不仅我国国际航空运输业，而且我国境内和周边也存在着大量的活火山。我们通过研究国外近20年来具有详尽卫星遥感观测数据的2个火山云团案例，以火山灰的物理成分、化学性质、温度为切入点，对不同喷发类型和喷发参数的火山，从火山灰云团物理特性与光学成像原理的角度，利用信息融合技术提高卫星数据高分辨率，探索卫星高光谱识别火山灰云团的新途径；结合卫星遥感图像，改进火山灰飘移轨迹追踪模型，编制实用化软件包，给出火山灰云团识别和追踪的实用化方法，以期下一步为建立全球火山灰云团监控追踪体系和基于网络的火山灰云对航空安全、公共安全、国家安全威胁的预测预警分级系统提供核心技术支撑。

近20多年来火山灰云对航空安全及社会经济造成了巨大影响，引起各国政府及学者的重视。国外在火山灰云团的监测方法和火山灰云团扩散预测模型取得很多进展，但在实用化方面还比较欠缺。国内在这方面研究还属空白。本项目发展了主成分分析方法和变分贝叶斯（ICA）方法。在理论研究基础上，选择我国具有自主知识产权的FY-3卫星遥感图像进行火山灰云团识别，其优点是具有实时或准实时的功能。选择2010年以来6个火山喷发经典案例，使用FY-3的卫星遥感数据进行处理，提取火山灰云团信息，完成二维空间云团识别和监视追踪。. FY-3极轨气象卫星可刻画火山灰云二维形态，但在垂面上的约束不好。CALIPSO激光雷达卫星已应用于火山灰云监测，但由于CALIOPSO探测仪器轨道特征，容易漏掉某一次火山爆发，因此不适用于动态监测。近年来我国部分学者从理论上探索利用FY-2双星进行云高反演。本项目研究FY-2双星立体云高测量的理论方法，然后利用FY-2C、FY-2D和FY-2E双星实测数据进行云顶高度反演实验，获得西太平洋区域云高图。利用该方法，结合FY-3可联合反演火山灰云三维形态。完成三维空间云团识别和监视追踪。. 虽然很多模型适用对火山灰云团扩散漂移路径预测，但这些模型在应用上存在很多限制，最大挑战是预测精度。我们从火山灰云飘移控制方程、风场数据计算、涡流扩散系数计算、粒子沉降速度计算、火山喷发参数计算、边界条件等方面进行综合研究。以FALL3D为基础，吸收PUFF、VAFTAD的优点，研制出基于windows操作系统的火山灰飘移轨迹数值模拟软件包。并对冰岛2010年4月艾雅法拉火山喷发后形成的火山灰云移动轨迹进行模拟，获得成功。完成火山灰云团的预测追踪。此外，基于分布式存储技术建立卫星遥感火山灰云特征图像数据库，把各种火山、遥感相关的研究论文、报告、图片、数据、软件、多媒体集成于数据库，并能进行浏览检索，方便后续研究和数据挖掘。. 利用信息融合技术提高卫星数据高分辨率，探索卫星高光谱识别火山灰云团的新途径；结合卫星遥感图像，改进火山灰飘移轨迹追踪模型，编制实用化软件包，给出火山灰云团识别和追踪的实用化方法，为下一步建立全球火山灰云团监控追踪体系和基于网络火山灰云对航空安全、公共安全、国家安全威胁预测预警分级系统提供核心技术支撑。