利用卫星遥感技术进行火山灰云监测的方法研究

The volcanic ash cloud not only causes significant changes in global climate and environmental systems, but also threats the aviation safety, and even endangers the social stability. Thermal infrared satellite remote sensing technique provides a new means for the volcanic ash cloud monitoring. At present, the disaster monitoring methods of volcanic ash cloud for thermal infrared remote sensing data are comparatively few, and they mainly have limitations such as a low precision and a narrow applicable range. After the exploration of the physics and chemical properties of volcanic ash cloud and the fusion of remote sensing identification features, a remote sensing monitoring algorithm of volcanic ash cloud is proposed, which takes into account of the volcanic ash cloud’s remote sensing identification features and synthesizes both the actual surface coverage types and the environmental meteorological factors. The proposed algorithm extends the application range of moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) remote sensing sensor in volcanic ash cloud monitoring. Meanwhile, according to the characteristics of FY-3A (01 batch) satellite thermal infrared remote sensing data, this study focuses on the remote sensing monitoring algorithm of volcanic ash cloud for FY-3A satellite remote sensing data, and the algorithm accuracy of the above researches is verified and analyzed comparatively in the actual cases; and a further extensive analysis of these two aspects is put forward in terms of sensor types and different times of the day. This study serves as a reference to the usage of domestically-produced and multi-band thermal infrared satellite remote sensing data in our country’s volcanic ash cloud disaster monitoring and early warning in the future.

火山灰云不但引起全球气候和环境系统的重大变化，还会威胁航空安全，甚至危及社会稳定。热红外卫星遥感技术的发展为监测火山灰云提供了新手段。目前，针对热红外遥感数据的火山灰云灾害监测方法相对较少，且这些方法基本上都存在精度低、适用范围窄的局限性。我们通过探索火山灰云物理、化学性质以及对火山灰云遥感识别特征进行融合，提出了考虑火山灰云遥感识别特征、并且综合实际地表覆盖类型和气象环境因素的火山灰云遥感监测算法，该算法扩展了中分辨率成像光谱仪（MODIS）传感器在火山灰云监测中的适用性；根据国产风云三号01批A星（FY-3A）热红外遥感数据的特点，重点探讨了适合于FY-3A的火山灰云遥感监测算法，并且通过实例对算法精度进行验证和对比分析，进而对传感器类型和不同时段等方面进行扩展。以期为我国将来利用国产多波段热红外卫星遥感数据进行火山灰云灾害监测和预警研究提供参考。

火山灰云主要是由火山剧烈喷发出的大量火山灰碎屑颗粒物和气体混合而成。由于其特殊的物理、化学性质，火山灰云能够长期停留在高空中。随着全球经济一体化的快速发展，火山灰云对航空安全的威胁也逐渐凸显出来。卫星热红外遥感技术能够及时、准确地获取火山灰云热红外辐射通量信息，具有全天候监测的特点，与传统的地面站点监测相比，优势非常明显。. 本项目以2010年4–5月艾雅法拉火山灰云、2011年6月11日普耶韦火山灰云、2014年5月30日桑厄昂火山灰云为典型案例，利用MODIS和FY-3A遥感数据，在前期研究基础上开展了一系列的火山灰云遥感监测方法及应用尝试。具体包括：（1）针对VBICA模型和SVM特征，提出了VBICA-SVM的火山灰云遥感监测方法。该方法利用贝叶斯推论、变分近似算法和SVM分类器实现了火山灰云信息的非线性分离；根据火山灰云的形成和扩散过程，探索性地将火山灰云发展过程人为划分为前期形成阶段和后期扩散阶段。（2）针对火山灰云前期特征和PCA、ICA、SVM模型特点，提出了PCA-ICA加权与SVM相结合的火山灰云遥感监测方法。该方法充分利用遥感数据中的二维和高维空间的统计特征与线性关系以及SVM非线性特点，提高了火山灰云在前期形成阶段的遥感监测效果；（3）针对火山灰云后期特征和传统FCM模型特点，提出综合PCA与带邻域约束FCM的火山灰云遥感监测方法。该方法通过降维和增加FCM邻域约束信息，提高了火山灰云在后期扩散阶段的遥感监测效果。. 在项目实施过程中，取得的成果主要包括科研论文、学术专著和软件著作权等。此外，项目组还搭建了展示项目研究成果和介绍火山灰云遥感监测的科普性网站。本项目立足于我国航空安全需要，借助卫星热红外遥感技术实现对典型火山灰云的监测研究和探讨。研究思路和成果可以为其他火山灰云遥感监测研究提供借鉴，同时对后续利用国产多源卫星遥感数据，构建火山灰云遥感监测方法和应用理论体系，具有一定的理论意义和应用前景。