长白山天池火山喷发物遥感影像特征研究

论文摘要

长白山天池火山位于中朝边界,地势复杂,天池湖2/3的水体和天池火山锥体大约1/4的部分隶属于朝鲜民主主义共和国,用常规手段难以从大区域来研究火山喷发物的分布范围。尽管前人对长白山天池火山一直在进行着较全面的地质调查和岩石学等方面的研究工作,已经在火山喷发期次的确定、喷发物岩性及边界的确定等方面取得了不少研究成果。但从大区域来研究天池火山喷发物的空间分布一直处于较为薄弱的环节。遥感技术具有快速获取大范围数据但受条件限制少的特点,可为解决这一问题提供了帮助。而长白山天池火山植被发育好,遥感影像受植被影响大,使仅仅利用可见光遥感影像去判别喷发物的空间分布范围存在了难度。因此,本文引入DEM的地形分析技术,研究了长白山天池火山喷发物的地形地貌学特征,再结合遥感影像的光谱分析和纹理分析技术,研究了ASTER及IKONOS影像的长白山天池火山喷发物的光谱特征以及纹理特征,最后利用了提取的影像特征来推测了前人未涉及地区的喷发物空间分布范围。本研究成果为开展长白山天池火山的大比例尺火山地质填图,特别是对于某些全新世火山喷发物范围和界限的厘定提供了遥感学依据。利用DEM的地形分析技术,得到了长白山天池火山锥体附近范围地区的立体地形图,经过解译得到了研究区内的火山口及小火山锥的分布图和水系河谷的分布图,通过对天池火山锥体地区更新世粗面岩以及全新世喷发物地形地貌特征分析,得出初步结论:1)天池火山更新世造锥时期不同阶段的粗面岩呈垄状分布,四个喷发阶段的分布范围有明显的层次性,后一阶段的造锥喷发物往往堆积在前一阶段喷发物之上。总体来说,喷发年代越早,则分布距火口越远,其坡度越缓,高程也越低。通过由中国境内造锥粗面岩的上述分布特点,推测了研究区内位于朝鲜境内的造锥喷发物分布范围;2)天池火山全新世喷发物有着显著的地形地貌上特征,如气象站期的碱流质碎成熔岩呈长垄状分布,流动单元的整体特征明显;锥体附近全新世的滑坡堆积,其分布范围主要受控于于地形坡度;火山泥石流主要限于河谷低洼地带,其流动向在由DEM所生成的三维透视图中表现明显。故利用DEM数据进行地形地貌分析对于确定形貌特征突出的喷发物分布范围很有帮助,如更新世的几次造锥喷发物以及全新式的泥石流。对遥感影像定量化处理,通过公式反演了Aster影像的辐射率,由于在反演反射率上方法很多,但没有非常公认的方法,故采用了Log Residuals反演和FLAASH模块反演两种方法,并用K-Means非监督分类法对以上三种反演的影像进行分类,经检验发现两个反射率图像的分类精度均不如辐射率图像,因此在使用光谱分析时应用了辐射率影像。通过光谱分析提取了粗面岩和浮岩的光谱特征曲线,但由于植被覆盖程度高,只确定了喷发物中裸露粗面岩和浮岩的分布范围,但也可以使用间接方法来确定喷发物分布范围,如火口内壁凹兜是已经风化成土壤的近代的喷发物堆积物,故凹兜内苔原带植被的分布范围就是近代的喷发物堆积物的范围。同时研究了粗面岩及浮岩在坡度,坡向上的特征,发现裸露岩石有暗色调与亮色调两种的原因,一方面可能为前者主要在向阳面,后者主要在背阳面,引起同物异谱,另一方面可能因为前者大都位于火口的东南方向,而这个方向浮岩覆盖程度高,可能是粗面岩和少量浮岩混合而成。由于所用IKONOS影像为真彩色影像,对照野外实际的照片和长白山植被分布带,建立了初步解译标志,据此选取了八种训练样本类别,并使用使用波谱角技术（SAM）进行分类,经过混淆矩阵评价分类结果不理想,可能是其在合成过程忠光谱信息丢失严重,但纹理信息好,引入了ENVI的二阶概率矩阵法的纹理分析,并利用差异性（Dissimilarity）纹理特征图对地物建立了纹理解译标志,并解译形成了火口附近近代火山泥石流的分布区域。利用光谱和纹理结合的方法进行分类,提高了分类精度,确定了浮岩的分布范围,并做出其厚度分布图,同时分析了不同厚度浮岩的地形特征。长白山天池火山地区地势复杂且植被覆盖多,仅利用地质或可见光遥感手段往往较难从大区域确定准确火山喷发物的空间分布范围,结合DEM的地形分析会在一定程度上弥补这一缺陷。利用高空间分辨率影像IKONOS及多光谱影像ASTER并结合了DEM分析技术,得到了更新世以来喷发物的地形地貌特征和光谱特征和纹理特征,对火山喷发物的空间分布范围边界确定提供了辅助依据,在今后的工作中,需要进一步加强不同类型喷发物地形地貌特征的野外调查和复核,使其真正成为编制火山地质图和进行火山灾害危险性评价的重要工具之一。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 可用遥感资源
• 1.2 前人的研究
• 1.2.1 遥感岩性解译的现状
• 1.2.2 遥感火山地质填图的现状
• 2 长白山天池火山区域概况
• 2.1 长白山地理概况
• 2.2 长白山天池火山地质概况
• 2.3 长白山天池火山大地构造概况
• 2.4 研究区概况
• 3 遥感数据预分析
• 3.1 数据收集
• 3.1.1 遥感数据介绍
• 3.1.2 DEM 数据介绍
• 3.2 数据预处理
• 3.3 Aster 遥感影像初步解译
• 3.3.1 植被指数（NDVI）
• 3.3.2 长白山研究区的植被覆盖程度
• 3.4 DEM 数据可视化
• 3.4.1 DEM 可视化方法介绍
• 3.4.2 DEM 可视化
• 3.5 DEM 的地形分析及应用
• 4 火山地形地貌特征研究
• 4.1 研究区地貌解译
• 4.1.1 火山口及小火山锥解译
• 4.1.2 水系河谷解译
• 4.1.3 陇解译
• 4.1.4 小冲沟解译
• 4.2 长白山火山喷发物的DEM 地形地貌分析研究
• 4.2.1 更新世喷发物在地形地貌上的特征
• 4.2.2 全新世喷发物在地形地貌上的特征
• 4.2.3 全新世泥石流灾害在地形地貌上的特征
• 4.3 小结
• 5 Aster 影像光谱特征分析
• 5.1 遥感定量化
• 5.1.1 反演 Aster 1B 辐射率（radiance）
• 5.1.2 反演 Aster 1B 反射率
• 5.2 Aster 影像分类
• 5.2.1 遥感图象分类方法介绍
• 5.2.2 混淆矩阵分类结果精度评价介绍
• 5.2.3 K-means 变换非监督分类
• 5.2.4 长白山天池火山喷发物光谱分析
• 5.3 粗面岩及浮岩的地形特征
• 5.4 小结
• 6 IKONOS 影像特征分析
• 6.1 IKONOS 影像目视解译
• 6.2 IKONOS 影像光谱分类
• 6.3 IKONOS 影像纹理分析
• 6.3.1 遥感图像纹理分析及其方法
• 6.3.2 IKONOS 基于二阶概率矩阵法的纹理分析
• 6.4 基于光谱与纹理结合的分类
• 6.5 浮岩厚度及地形特征分析
• 6.6 小结
• 7 结论与讨论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介