蘇門答臘島12.26海震EOS-MODIS奇異遙感信息解析

論文類別:理學論文 > 地質學論文
論文作者: 吳虹 郭遠飛 張銀橋
上傳時間:2007/3/10 16:18:00

【摘 要】 2004年12月26日发生與印度尼西亞蘇門答臘島南西面太平洋底的8.6级大地震使南亞和環太平洋地區的13個國家遭受了嚴重災難。本文采用美國MODIS Web和新加坡國立大學CRSP的MODIS遙感影像速據資料,不失時機地對重災區蘇門答腊島北端及其臨震中海域开展了遙感調查研究,通過數字圖像處理發現了4種具有特殊征狀的奇異遙感信息——黃邊島岸、海水層圈、海—雲層圈和尖角云。這些遙感奇異信息具有比原始遙感影像更加深刻的指示意義。通过對其分析解譯,對這次海震災難得到了更多的認識了解。
【關鍵詞】 蘇門答臘 海震 EOS-MODIS 奇異遙感信息

  1 引 言
  2004年12月26日,發生在印度尼西亞苏門答臘島南西面印度洋海底的8.6級大地震導致了一场史無前例的海嘯災難。在地震數分鐘內,大海洶湧沖上海岸,毀滅了北蘇門達臘海岸,造成南亞和東非13個國家近20萬人死亡,而財產损失更是不計其數。作者利用美國MODIS WEB和新加坡國立大學(National University of Singapore)CRSP(Centre for Remote Imaging,Sensing and Processing)網站發布的Terra-MODIS數據,不失時機地對印度尼西亞蘇门答臘島地災情開展了研究,通過遙感信息處理發現了4种具有特殊征狀的遙感奇異信息——黃邊島岸、海水層圈、海—雲層圈和尖角雲。研究表明,這些遙感奇異信息具有比原始遙感影像更为深刻的指示意義,通過對它們解析研究,可以對這次海嘯災難有更多的認識了解。
  基本研究數據為TerraMODIS災前(2004.12.17)和災後(2004.12.29)南亞軌道区影像數據,相關成像參數見表1[1]。這兩天影像區的雲量覆盖率都較高。但所幸的是,以重災區苏門答臘島北端為中心的區域雲量偏少,這使得該區域数據應用成為可能。由於成像時間分別為災前11天和災後1天,災區影像特征變化具有很好的可比性。新加坡CRSP公布了這兩天整個東南亞MODIS影像的三種不同波段合成處理的結果,即:(1)近紅外、紅光波段和綠光波段假彩色合成影像;(2)近紅外、紅光波段和綠光波段假彩色合成影像;(3)真彩色合成影像。但這些影像均為壓縮JPEG圖像格式,已不適於進一步作遙感信息提取處理。實際研究采用的MODIS數据來自美國MODIS Web提供的1B精度MODIS數據,共1~7波段,通過输入以蘇門答臘島北端為中心的矩形區域坐標直接從Internet上下載[2]。影像區域大小為1078(像元)×4060(像元),面積為1,733,620km2(500米分辨率)。

表1. 2004.12.26和2004.12.29 Terra-MODIS南亞成像區參數
Table1.imaging parameters of Terra-MODIS to South Asia in Nov.26 & 29.2004
苏门答腊岛12.26海震EOS-MODIS奇异遥感信息解析

  增強處理清晰地揭示出災海島外側的海水中,存在大量海啸沖刷出的綠色、綠黃色絮狀陆地物質。這些絮狀物形態不規則,具有從海岸線向海洋深处擴散趨勢,清晰顯示出海水冲刷陸源物質向海洋遷移搬運的走向趨勢。該現象曾被Jesse Allen觀察到並在MODIS Web上作了簡單描述[2]。但作者的興趣不限於此,而是那些通過增強處理反映出來的新信息——幾乎整個蘇門答臘島北端的陸岸都變成了淺褐色,表明源於蘇門答臘島SW側海震中心的海嘯,不僅沖刷破壞了與其正對面的島岸,同時還繞过島嶼,使其背面的NE側島岸受損。這一點可以通過蘇門答臘島海嘯波浪高度分布平面圖和蘇門答臘島海嘯波速分布平面圖得到印證。這一發现或許還只對Jesse Allen发現的一個小補充,不足為奇。但一個真正有意義的新情況使,通過非线性增強處理使沿SW島岸出現了一條狹窄延伸的黃色帶狀區,而在背離震中心的NE島岸卻無此帶出現。由於未能到實地考察,難於斷定造成兩邊岛岸這種差異的原因,但可以推斷,這應與海島SW和NE兩側受海啸攻擊影響的方式、強度和所處環境不同有關。
  為對海嘯造成的災區復雜環境状態進行快速模式識別,用ENVI軟件對MODIS影像數据進行了不同參數ISODATA分類,揭示出緊鄰海震中心存在著海水層圈結構,而這種層圈結構在未經處理的MODIS影像上反映不出來。雖然不同的ISODATA分類參數設置使得兩种分類圖像的色彩區域形态面積在局部有些差異,但在對层圈結構存在性的揭示上始终是一致的。按照ISODATA分類原理,同層圈海水区域應屬於相同的成因屬性。現島屿SW側海域中主要有4種不同色的層圈——紅、綠、藍、黑層圈,故可以判斷海域種至少存在4種大規模物質/能量遷移/扩散運動差異區域。
  2 奇異遙感信息
  奇異遙感信息是指那些在遙感影像上客观存在,但具有不同尋常表現特征的遙感信息。這次在蘇門答臘災後的各种MODIS影像中,主要觀察到了4種奇異遙感信息——黃邊島岸、海水層圈、海雲層圈和尖角雲。
  2.1 黃邊島岸
  經過非線性增強後,在MODIS影像的蘇門答臘島SW海岸顯示出具鮮明黃色帶狀遙感影像特征。經測算,其長度257km,平均寬度2.075km,最大宽度約4.0km,面积約為526km2。在海嘯前整個蘇門答臘島岸為基本相同的浅棕色調,SW和NE兩側島岸影像特征不存在什麽差異,但增強影像清晰地揭示出海嘯前後兩邊島岸的這種差異。由於海嘯對SW海岸具有更大的沖击力,足以將其表層土壤大部沖刷光,而使下部的新土層暴露出來,而新鮮的土层對太陽光具有較強的反射/吸收率,致使黃邊島岸形成。之所以NE島岸沒能反映出這種影像特征,是由於海嘯繞到苏門答臘島NE側之後,冲擊力已大為減弱,不再具備將表土植被沖刷走的能力。
  2.2 海水層圈
  不同參數的ISODATA分類圖像都反映出在朝向震中一側的海洋中,存在明顯的海水層圈結構。從圖可見,該層圈主要由3種顏色區組成——緊靠島岸的藍色層區、遠離島岸的红色層區和居於兩者之間的綠色層區。藍色層區面積小,全部緊鄰島岸分布,形態極不規则,分布不連續。綠色層區為第二層,按照像元計算出的面積13640km2,具有連续和平行島岸分布的特點。红色層區域為第三層,也是具有最大連續分布區域的層圈,其東臨綠色層區,而向SW方向一直擴展出影像图之外。僅從遙感角度可以對這種層奇異圈結構的成因有兩種推測,即:
  推測一:海啸沖刷回流攜帶物成因。海嘯從陸地上席卷走的固體物質,依其重量、體積大小和形態不同,在被攜帶入海後形成分异分布,如是造成了海中不同的懸浮物分区。而不同懸浮物分区對太陽光吸收/反射率不同,從而造成海水影像差異。在原始影像中,這種差異知识表現為不明顯的藍色和黃綠色,不易識別,但分類处理使得這種目視解譯難於识別的差異大大明顯化。根据這種成因,藍層圈主要是對大體積大質量的海嘯沖出物在中近岸海水中分布的揭示反映,綠層圈主要是對小體积輕質量的海嘯沖出物在中近岸海水中分布的揭示反映;而红層圈則主要是對海嘯沖出的陸地細小懸浮物在遠岸海水中分布的揭示反映。但這種解釋与紅色層圈區具有圓弧形態而SW島岸卻是平直形態相矛盾,因為從平直形態的島岸上回流入海的海水,應該具有與海岸基本平行的平直形態,而不應該是圓弧形態。
  推測二:海震造成海水環形震蕩成因。發生於苏門答臘島SW側海底的大地震,使海水整體發生震蕩,導致海面宏觀形態和水體微觀結構變化,使海洋中形成一種對太陽光反射率起綜合改變效應的場——海嘯“綜合效應場”。這種場圍绕海震中心呈對稱分布。由於海洋巨大的儲能功能,“綜合效應場”足以保持很長的時間。因此,雖然這是在災后的第二天拍攝的MODIS影像,但“綜合效应場”的對稱慣性結構仍在海水中潛存了下來,並通過對微小差異信息具有敏感性的ISODATA分類得以揭示反映出來。另外,在12.26大震後的較長一段時间裏,仍余震不止,使得震中持續發出余波,對“綜合效應場”能量進行補充,從而使該層圈結構得以持續較長時間。
  2.3 海雲層圈
  由增強MODIS影像還可見,從海震中心向蘇門答臘島內陸方向的區域内,存在4種相對獨立的影像特征分區,即:(1)由AB線圍成的紅色海水層區;(2)由AB與CD線圍成的綠色海水區;(3)由CD解譯線和EF解译線圍成的陸地層區;(4)由EF解譯線和GH解譯線圍成的雲層區。由AB、CD和EF3條解译線基本上都與蘇門答臘島SW側海岸線呈平行關系,直觀反映出它們都應該成因於同一動力源。這已在前面討論過了。至於EF和GH,它們反映的是一條弧形雲層的轮廓線。AB、CD和EF、GH之間宏觀上體現的近于平行關系表明了一種客觀存在的海——天物質分布走向的一致性。盡管雲的形態具有較大的偶然性,是多解的,但在此我們不排除可能的海嘯成因。因為從理論上,巨大海嘯煽刮起海面上的大氣形成的巨大沖擊波,足以使得蘇門答臘島上空得低空雲层被沖壓變形,因此完全有可能導致弧形雲層的形成。从這個角度,海嘯不僅海洋和陸地,同時也影響大气和雲層,導致形成一種海——陸——空介質聯動的激烈環境變化。
  2.4 奇異尖角雲
  在災后(12月29日)的MODIS影像中,另一個顯著的影像特征是,在蘇門答臘島SW側偏北的海岸線兩側,清晰反映出一個呈銳角的灰白色薄雲區域。尖角位於蘇門答臘島內,指向正東方,角度32°。銳角區域的南、北邊界平直,角形區域與周圍環境存在明顯區別。圖區內北角邊長为209.3km,南角邊長為203.8km。由此兩角邊圍成的區域的面积約11302km2。其中大部在海中,小部分在陸地上。該角形雲區的奇异之處兩點:
  第一,形态奇異——角形區域由兩條直线邊緣構成, 其平直的程度完全不象是自然成因產物,倒象是人工所為。
  第二,指向奇異——角形雲區的尖角由海洋指向蘇門答臘島內,這刚好與海嘯運動同向。
  這一奇異特征尖角雲出現在12月29日,已是海啸發生的第二天。這時候巨大的主震已經結束。因此,即使其的出现與這次大海震有關,也只能是與余震有關。但余震的能力有限,不太可能導致這種影响作用。總之,根據目前掌握的資料,還不能夠對這一奇異現象作出解釋。目前只能將其作為一個观察到的未知奇異現象提出。
  3 綜合分析
  在這次大海震發生後,各國科学家同時還采用大量非遙感測地測海技術手段對這次災難開展了研究。據網上的不完全搜索,這些研究有:震源與太平洋—印度洋板块結合部的斷裂構造關系、震中海底地貌變形三維模擬[6]、海嘯在整個太平洋和印度洋擴散運動過程的二維動画模擬(日本產業綜合研究所)[7]、海震海浪波高分布和運動時間度分布定量可视化分析,等等。這些研究從不同角度揭示了本次MODIS遙感發現相同的問題。
  如果我們将從分類影像上解譯出的海水層圈結構經過適當外推延伸後,落到海震中心的海底地形变形隆起高度平面圖和地形變形水平移動距離平面圖上,立即就可以發現,由這些層圈組成的波狀分布集合,具有以南亞斷裂帶為軸線 ,向NW方向擴散的規律。聯系到前面對層圈結構的初步分析,容易作出判断,所謂的海水層圈結構,實際上是對一種海嘯信息疊加效應,即對海嘯沖刷陸源物質分布區與海啸“綜合效應場”的綜合疊加反映。更具體的說,也及時對Jesse Allen觀察到的綠色、綠黃色絮狀體與ISODATA分類揭示的層圈結构分布區的綜合疊加反映。
  同样,對海水——雲——陸地分層組合結構奇異遙感影像特征的解釋,也可以通過海啸波浪高度平面分布图和海嘯推進波速平面分布圖找到答案。該圖給出了此间太平洋海域的海水運動學和海水動力學分布背景。海震中心的海浪高度達17.38米,到蘇门答臘島SW測的海浪高度仍在4~17.38米之間。如此高度的海啸巨浪在不到1小時的時間裏就達到了整個蘇門答臘島。海面的這種超常整體運動必然通過流体牽引效應傳遞給了上方的大氣,進而傳遞到雲層,從而使得蘇门答臘島上方的低空雲層受到沖擊,使得其形態和運动方向發生改變。增強影像中的白色彎曲雲層的特征就是對這種作用力存在及作用方向的直觀反映。在增强影像上,海水層圈结構與白色彎曲雲層的形跡的組合,使人直觀感受到來自海震中心的巨大沖擊力同時对海洋和大氣的強迫驅動。
  通過將本次研究結果與D.P.Mckenzie and F.Richer(1976)繪制的地球主要板塊運动方向與速度圖比較,容易看出,所觀察到的各種奇異MODIS遙感信息为何都具有NW走向,實際上這都是由於這條印度洋板塊與歐亞板塊結合部的地殼深大斷裂帶控制的結果。
  4 結束語
  通過對印度尼西亞苏門答臘島及其周邊海域的Terra-MODIS影像數據的處理分析,共發現了4种具有特殊征狀的遙感奇异信息——黃邊島岸、海水層圈、海-雲層圈和尖角雲。研究表明,黄邊島岸主要是由於海嘯對蘇門答臘島的SW海岸線的過度沖刷剝蚀造成的,表明海嘯對該海島正面和背面的破壞力度存在差別。海水層圈表明了海嘯沖刷陸源物質与海嘯“綜合效應場”的疊加作用,這種作用會對海嘯之後的海洋生態環境造成影響。海-雲層圈表明了海嘯不僅只對海洋和陸地造成影響,海由于成海-天一體化聯動作用,可以對近地上空的雲系形態和走向造成影響。對於形態奇特的尖角雲,由於找不到任何輔助解釋資料,目前還暂不能對它作出合理的解釋,有待於今後有條件時再作进一步的研究。

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  MODIS作為新一代地球觀測系統的重要傳感器,其探測地球突發自然災害事件的有效性通過這次對蘇门答臘海嘯的快速反應研究得到了充分的顯示。但不足之處是,從Internet下載MODIS數據的完善性和穩定性還有待於改進。

參 考 文 獻
[1] http://www.crisp.nus.edu.sg/tsunami
[2] http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery
[3] http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/Archive/Dec 2004/tsunami_displacement_lry.jpg
[4] http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/Ima-ges/pmel_max.pdf
[5] http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/Ima-ges/pmel_TT.pdf
[6] http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/Archive/Dec 2004/sunda_trench_earthquake.pdf
[7] http://www.cathome01.com/archives/2004/12/700.htm/

Analysis to the bizzare remote sensing information of EOS-MODIS images in the island of Sumatra during the period of sea-earthquake of November 26th,2004
Wu Hong,Guo Yuanfei,Zhang Yinqiao,Peng Zhongqin
(Institute for Remote Sensing Application,Guilin University of Technology,Guilin,541004,Guangxi,P.R. China)

Prof. Wu Hong
Institute of Remote Sensing Application
Guilin University of Technology
Jiangan Rd 12
541004,Guilin
Guangxi,P.R.CHINA
E-mial:wuhong@glite.edu.cn
Fax:0086-773-5892796
Abstract】 In December 26,2004,the tremendous earthquake up to grade 8.6 happened at the sea floor under the Pacific,where is located in the southwest of the island of Sumatra,Indonesia,has caused serious hazard to 13 countries of the south Asia and the regions around the Pacific. Four strange remote sensing information that they have special characters and sharps,that is,the yellow island margin,level-ring of sea water,level-ring of sea-cloud and the sharp-horn cloud,had been found in the north end of the island of Sumatra,an area suffered serious hazard and the sea area where closes to the center of earthquake,through remote sensing investigation study by using digital image processing to MODIS image data from MODIS Web of U.S. and CRSP of National University of Singapo. The strange remote sensing information is to be more indicating significant more than the original remote sensing image. More knowing to this hazard of sea-earthquake had been taken out through these analysis and explaining to those strange remote sensing information.
Keywords】 Sumatra;sea-earthquake;EOS-MODIS;strange remote sensing information

附圖:

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Fig2. the strange yellow island margin at the southwest end of the island of Sumatra in MODIS image displayed by non-linear enhancement processing. And the arrowhead points is the strange sharp-angled shape clouds
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Fig3. ring-layer of seawater, level-ring of sea-cloud and opposite moving of tsunamis and silt and the solid organic matter swept away from land by the tsunami,which revealed by ISODATA classification
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Fig4. quantitative analysis to ring-layer of seawater,level-ring of sea-cloud revealed by ISODATA classification
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Fig7. the red rectangle frame is study area in Terra-MODIS image in South Asia region in Nov. 29,2004
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Fig 5 & 6. relation of vertical(Fig 4)and horizontal(Fig 5)distortion of landform under seabed at the epicenter,dynamic field of tsunamis and ring-layer of seawater

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Fig8. idea model of level-ring of sea-cloud forming

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