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蘇門答臘島12.26海震EOS-MODIS奇異遙感信息解析
【摘 要】 2004年12月26日發(fā)生與印度尼西亞蘇門答臘島南西面太平洋底的8.6級(jí)大地震使南亞和環(huán)太平洋地區(qū)的13個(gè)國(guó)家遭受了嚴(yán)重災(zāi)難。本文采用美國(guó)MODIS Web和新加坡國(guó)立大學(xué)CRSP的MODIS遙感影像速據(jù)資料，不失時(shí)機(jī)地對(duì)重災(zāi)區(qū)蘇門答臘島北端及其臨震中海域開展了遙感研究，通過(guò)數(shù)字圖像處理發(fā)現(xiàn)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—云層圈和尖角云。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。通過(guò)對(duì)其分析解譯，對(duì)這次海震災(zāi)難得到了更多的認(rèn)識(shí)了解。
【關(guān)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(fā)生在印度尼西亞蘇門答臘島南西面印度洋海底的8.6級(jí)大地震導(dǎo)致了一場(chǎng)史無(wú)前例的海嘯災(zāi)難。在地震數(shù)分鐘內(nèi)，大海洶涌沖上海岸，毀滅了北蘇門達(dá)臘海岸，造成南亞和東非13個(gè)國(guó)家近20萬(wàn)人死亡，而財(cái)產(chǎn)損失更是不計(jì)其數(shù)。作者利用美國(guó)MODIS WEB和新加坡國(guó)立大學(xué)（National University of Singapore）CRSP（Centre for Remote Imaging，Sensing and Processing）網(wǎng)站發(fā)布的Terra－MODIS數(shù)據(jù)，不失時(shí)機(jī)地對(duì)印度尼西亞蘇門答臘島地災(zāi)情開展了研究，通過(guò)遙感信息處理發(fā)現(xiàn)了4種具有特殊征狀的遙感奇異信息——黃邊島岸、海水層圈、�！茖尤图饨窃啤Ｑ芯勘砻�，這些遙感奇異信息具有比原始遙感影像更為深刻的指示意義，通過(guò)對(duì)它們解析研究，可以對(duì)這次海嘯災(zāi)難有更多的認(rèn)識(shí)了解。
基本研究數(shù)據(jù)為TerraMODIS災(zāi)前（2004.12.17）和災(zāi)后（2004.12.29）南亞軌道區(qū)影像數(shù)據(jù)，相關(guān)成像參數(shù)見表1[1]。這兩天影像區(qū)的云量覆蓋率都較高。但所幸的是，以重災(zāi)區(qū)蘇門答臘島北端為中心的區(qū)域云量偏少，這使得該區(qū)域數(shù)據(jù)應(yīng)用成為可能。由于成像時(shí)間分別為災(zāi)前11天和災(zāi)后1天，災(zāi)區(qū)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(gè)東南亞MODIS影像的三種不同波段合成處理的結(jié)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，已不適于進(jìn)一步作遙感信息提取處理。實(shí)際研究采用的MODIS數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)MODIS Web提供的1B精度MODIS數(shù)據(jù)，共1～7波段，通過(guò)輸入以蘇門答臘島北端為中心的矩形區(qū)域坐標(biāo)直接從Internet上下載[2]。影像區(qū)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(qū)參數(shù)
Table1.imaging parameters of Terra-MODIS to South Asia in Nov.26 & 29.2004
增強(qiáng)處理清晰地揭示出災(zāi)海島外側(cè)的海水中，存在大量海嘯沖刷出的綠色、綠黃色絮狀陸地物質(zhì)。這些絮狀物形態(tài)不規(guī)則，具有從海岸線向海洋深處擴(kuò)散趨勢(shì)，清晰顯示出海水沖刷陸源物質(zhì)向海洋遷移搬運(yùn)的走向趨勢(shì)。該現(xiàn)象曾被Jesse Allen觀察到并在MODIS Web上作了簡(jiǎn)單描述[2]。但作者的興趣不限于此，而是那些通過(guò)增強(qiáng)處理反映出來(lái)的新信息——幾乎整個(gè)蘇門答臘島北端的陸岸都變成了淺褐色，表明源于蘇門答臘島SW側(cè)海震中心的海嘯，不僅沖刷破壞了與其正對(duì)面的島岸，同時(shí)還繞過(guò)島嶼，使其背面的NE側(cè)島岸受損。這一點(diǎn)可以通過(guò)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(fā)現(xiàn)或許還只對(duì)Jesse Allen發(fā)現(xiàn)的一個(gè)小補(bǔ)充，不足為奇。但一個(gè)真正有意義的新情況使，通過(guò)非線性增強(qiáng)處理使沿SW島岸出現(xiàn)了一條狹窄延伸的黃色帶狀區(qū)，而在背離震中心的NE島岸卻無(wú)此帶出現(xiàn)。由于未能到實(shí)地考察，難于斷定造成兩邊島岸這種差異的原因，但可以推斷，這應(yīng)與海島SW和NE兩側(cè)受海嘯攻擊影響的方式、強(qiáng)度和所處不同有關(guān)。
為對(duì)海嘯造成的災(zāi)區(qū)復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行快速模式識(shí)別，用ENVI軟件對(duì)MODIS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同參數(shù)ISODATA分類，揭示出緊鄰海震中心存在著海水層圈結(jié)構(gòu)，而這種層圈結(jié)構(gòu)在未經(jīng)處理的MODIS影像上反映不出來(lái)。雖然不同的ISODATA分類參數(shù)設(shè)置使得兩種分類圖像的色彩區(qū)域形態(tài)面積在局部有些差異，但在對(duì)層圈結(jié)構(gòu)存在性的揭示上始終是一致的。按照ISODATA分類原理，同層圈海水區(qū)域應(yīng)屬于相同的成因?qū)傩浴，F(xiàn)島嶼SW側(cè)海域中主要有4種不同色的層圈——紅、綠、藍(lán)、黑層圈，故可以判斷海域種至少存在4種大規(guī)模物質(zhì)/能量遷移/擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)差異區(qū)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觀存在，但具有不同尋常表現(xiàn)特征的遙感信息。這次在蘇門答臘災(zāi)后的各種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、海云層圈和尖角云。
2.1 黃邊島岸
經(jīng)過(guò)非線性增強(qiáng)后，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(jīng)測(cè)算，其長(zhǎng)度257km，平均寬度2.075km，最大寬度約4.0km，面積約為526km2。在海嘯前整個(gè)蘇門答臘島岸為基本相同的淺棕色調(diào)，SW和NE兩側(cè)島岸影像特征不存在什么差異，但增強(qiáng)影像清晰地揭示出海嘯前后兩邊島岸的這種差異。由于海嘯對(duì)SW海岸具有更大的沖擊力，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(lái)，而新鮮的土層對(duì)太陽(yáng)光具有較強(qiáng)的反射/吸收率，致使黃邊島岸形成。之所以NE島岸沒(méi)能反映出這種影像特征，是由于海嘯繞到蘇門答臘島NE側(cè)之后，沖擊力已大為減弱，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(shù)的ISODATA分類圖像都反映出在朝向震中一側(cè)的海洋中，存在明顯的海水層圈結(jié)構(gòu)。從圖可見，該層圈主要由3種顏色區(qū)組成——緊靠島岸的藍(lán)色層區(qū)、遠(yuǎn)離島岸的紅色層區(qū)和居于兩者之間的綠色層區(qū)。藍(lán)色層區(qū)面積小，全部緊鄰島岸分布，形態(tài)極不規(guī)則，分布不連續(xù)。綠色層區(qū)為第二層，按照像元計(jì)算出的面積13640km2，具有連續(xù)和平行島岸分布的特點(diǎn)。紅色層區(qū)域?yàn)榈谌龑�，也是具有最大連續(xù)分布區(qū)域的層圈，其東臨綠色層區(qū)，而向SW方向一直擴(kuò)展出影像圖之外。僅從遙感角度可以對(duì)這種層奇異圈結(jié)構(gòu)的成因有兩種推測(cè)，即：
推測(cè)一：海嘯沖刷回流攜帶物成因。海嘯從陸地上席卷走的固體物質(zhì)，依其重量、體積大小和形態(tài)不同，在被攜帶入海后形成分異分布，如是造成了海中不同的懸浮物分區(qū)。而不同懸浮物分區(qū)對(duì)太陽(yáng)光吸收/反射率不同，從而造成海水影像差異。在原始影像中，這種差異知識(shí)表現(xiàn)為不明顯的藍(lán)色和黃綠色，不易識(shí)別，但分類處理使得這種目視解譯難于識(shí)別的差異大大明顯化。根據(jù)這種成因，藍(lán)層圈主要是對(duì)大體積大質(zhì)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(duì)小體積輕質(zhì)量的海嘯沖出物在中近岸海水中分布的揭示反映；而紅層圈則主要是對(duì)海嘯沖出的陸地細(xì)小懸浮物在遠(yuǎn)岸海水中分布的揭示反映。但這種解釋與紅色層圈區(qū)具有圓弧形態(tài)而SW島岸卻是平直形態(tài)相矛盾，因?yàn)閺钠街毙螒B(tài)的島岸上回流入海的海水，應(yīng)該具有與海岸基本平行的平直形態(tài)，而不應(yīng)該是圓弧形態(tài)。
推測(cè)二：海震造成海水環(huán)形震蕩成因。發(fā)生于蘇門答臘島SW側(cè)海底的大地震，使海水整體發(fā)生震蕩，導(dǎo)致海面宏觀形態(tài)和水體微觀結(jié)構(gòu)變化，使海洋中形成一種對(duì)太陽(yáng)光反射率起綜合改變效應(yīng)的場(chǎng)——海嘯“綜合效應(yīng)場(chǎng)”。這種場(chǎng)圍繞海震中心呈對(duì)稱分布。由于海洋巨大的儲(chǔ)能功能，“綜合效應(yīng)場(chǎng)”足以保持很長(zhǎng)的時(shí)間。因此，雖然這是在災(zāi)后的第二天拍攝的MODIS影像，但“綜合效應(yīng)場(chǎng)”的對(duì)稱慣性結(jié)構(gòu)仍在海水中潛存了下來(lái)，并通過(guò)對(duì)微小差異信息具有敏感性的ISODATA分類得以揭示反映出來(lái)。另外，在12.26大震后的較長(zhǎng)一段時(shí)間里，仍余震不止，使得震中持續(xù)發(fā)出余波，對(duì)“綜合效應(yīng)場(chǎng)”能量進(jìn)行補(bǔ)充，從而使該層圈結(jié)構(gòu)得以持續(xù)較
長(zhǎng)時(shí)間。
2.3 海云層圈
由增強(qiáng)MODIS影像還可見，從海震中心向蘇門答臘島內(nèi)陸方向的區(qū)域內(nèi)，存在4種相對(duì)獨(dú)立的影像特征分區(qū)，即：（1）由AB線圍成的紅色海水層區(qū)；（2）由AB與CD線圍成的綠色海水區(qū)；（3）由CD解譯線和EF解譯線圍成的陸地層區(qū)；（4）由EF解譯線和GH解譯線圍成的云層區(qū)。由AB、CD和EF3條解譯線基本上都與蘇門答臘島SW側(cè)海岸線呈平行關(guān)系，直觀反映出它們都應(yīng)該成因于同一動(dòng)力源。這已在前面討論過(guò)了。至于EF和GH，它們反映的是一條弧形云層的輪廓線。AB、CD和EF、GH之間宏觀上體現(xiàn)的近于平行關(guān)系表明了一種客觀存在的�！煳镔|(zhì)分布走向的一致性。盡管云的形態(tài)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?yàn)閺睦碚撋�，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云層被沖壓變形，因此完全有可能導(dǎo)致弧形云層的形成。從這個(gè)角度，海嘯不僅海洋和陸地，同時(shí)也影響大氣和云層，導(dǎo)致形成一種�！憽战橘|(zhì)聯(lián)動(dòng)的激烈變化。
2.4 奇異尖角云
在災(zāi)后（12月29日）的MODIS影像中，另一個(gè)顯著的影像特征是，在蘇門答臘島SW側(cè)偏北的海岸線兩側(cè)，清晰反映出一個(gè)呈銳角的灰白色薄云區(qū)域。尖角位于蘇門答臘島內(nèi)，指向正東方，角度32°。銳角區(qū)域的南、北邊界平直，角形區(qū)域與周圍環(huán)境存在明顯區(qū)別。圖區(qū)內(nèi)北角邊長(zhǎng)為209.3km，南角邊長(zhǎng)為203.8km。由此兩角邊圍成的區(qū)域的面積約11302km2。其中大部在海中，小部分在陸地上。該角形云區(qū)的奇異之處兩點(diǎn)：
第一，形態(tài)奇異——角形區(qū)域由兩條直線邊緣構(gòu)成， 其平直的程度完全不象是自然成因產(chǎn)物，倒象是人工所為。
第二，指向奇異——角形云區(qū)的尖角由海洋指向蘇門答臘島內(nèi)，這剛好與海嘯運(yùn)動(dòng)同向。
這一奇異特征尖角云出現(xiàn)在12月29日，已是海嘯發(fā)生的第二天。這時(shí)候巨大的主震已經(jīng)結(jié)束。因此，即使其的出現(xiàn)與這次大海震有關(guān)，也只能是與余震有關(guān)。但余震的能力有限，不太可能導(dǎo)致這種影響作用�？傊�，根據(jù)目前掌握的資料，還不能夠?qū)@一奇異現(xiàn)象作出解釋。目前只能將其作為一個(gè)觀察到的未知奇異現(xiàn)象提出。
3 綜合分析
在這次大海震發(fā)生后，各國(guó)科學(xué)家同時(shí)還采用大量非遙感測(cè)地測(cè)海技術(shù)手段對(duì)這次災(zāi)難開展了研究。據(jù)網(wǎng)上的不完全搜索，這些研究有：震源與太平洋—印度洋板塊結(jié)合部的斷裂構(gòu)造關(guān)系、震中海底地貌變形三維模擬[6]、海嘯在整個(gè)太平洋和印度洋擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過(guò)程的二維動(dòng)畫模擬（日本產(chǎn)業(yè)綜合研究所）[7]、海震海浪波高分布和運(yùn)動(dòng)時(shí)間度分布定量可視化分析，等等。這些研究從不同角度揭示了本次MODIS遙感發(fā)現(xiàn)相同的問(wèn)題。
如果我們將從分類影像上解譯出的海水層圈結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)適當(dāng)外推延伸后，落到海震中心的海底地形變形隆起高度平面圖和地形變形水平移動(dòng)距離平面圖上，立即就可以發(fā)現(xiàn)，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(kuò)散的規(guī)律。聯(lián)系到前面對(duì)層圈結(jié)構(gòu)的初步分析，容易作出判斷，所謂的海水層圈結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是對(duì)一種海嘯信息疊加效應(yīng)，即對(duì)海嘯沖刷陸源物質(zhì)分布區(qū)與海嘯“綜合效應(yīng)場(chǎng)”的綜合疊加反映。更具體的說(shuō)，也及時(shí)對(duì)Jesse Allen觀察到的綠色、綠黃色絮狀體與ISODATA分類揭示的層圈結(jié)構(gòu)分布區(qū)的綜合疊加反映。
同樣，對(duì)海水——云——陸地分層組合結(jié)構(gòu)奇異遙感影像特征的解釋，也可以通過(guò)海嘯波浪高度平面分布圖和海嘯推進(jìn)波速平面分布圖找到答案。該圖給出了此間太平洋海域的海水運(yùn)動(dòng)學(xué)和海水動(dòng)力學(xué)分布背景。海震中心的海浪高度達(dá)17.38米，到蘇門答臘島SW測(cè)的海浪高度仍在4～17.38米之間。如此高度的海嘯巨浪在不到1小時(shí)的時(shí)間里就達(dá)到了整個(gè)蘇門答臘島。海面的這種超常整體運(yùn)動(dòng)必然通過(guò)流體牽引效應(yīng)傳遞給了上方的大氣，進(jìn)而傳遞到云層，從而使得蘇門答臘島上方的低空云層受到?jīng)_擊，使得其形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。增強(qiáng)影像中的白色彎曲云層的特征就是對(duì)這種作用力存在及作用方向的直觀反映。在增強(qiáng)影像上，海水層圈結(jié)構(gòu)與白色彎曲云層的形跡的組合，使人直觀感受到來(lái)自海震中心的巨大沖擊力同時(shí)對(duì)海洋和大氣的強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)。
通過(guò)將本次研究結(jié)果與D.P.Mckenzie and F.Richer（1976）繪制的地球主要板塊運(yùn)動(dòng)方向與速度圖比較，容易看出，所觀察到的各種奇異MODIS遙感信息為何都具有NW走向，實(shí)際上這都是由于這條印度洋板塊與歐亞板塊結(jié)合部的地殼深大斷裂帶控制的結(jié)果。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)印度尼西亞蘇門答臘島及其周邊海域的Terra-MODIS影像數(shù)據(jù)的處理分析，共發(fā)現(xiàn)了4種具有特殊征狀的遙感奇異信息——黃邊島岸、海水層圈、海－云層圈和尖角云。研究表明，黃邊島岸主要是由于海嘯對(duì)蘇門答臘島的SW海岸線的過(guò)度沖刷剝蝕造成的，表明海嘯對(duì)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(zhì)與海嘯“綜合效應(yīng)場(chǎng)”的疊加作用，這種作用會(huì)對(duì)海嘯之后的海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。海－云層圈表明了海嘯不僅只對(duì)海洋和陸地造成影響，海由于成海－天一體化聯(lián)動(dòng)作用，可以對(duì)近地上空的云系形態(tài)和走向造成影響。對(duì)于形態(tài)奇特的尖角云，由于找不到任何輔助解釋資料，目前還暫不能對(duì)它作出合理的解釋，有待于今后有條件時(shí)再作進(jìn)一步的研究。
MODIS作為新一代地球觀測(cè)系統(tǒng)的重要傳感器，其探測(cè)地球突發(fā)自然災(zāi)害事件的有效性通過(guò)這次對(duì)蘇門答臘海嘯的快速反應(yīng)研究得到了充分的顯示。但不足之處是，從Internet下載MODIS數(shù)據(jù)的完善性和穩(wěn)定性還有待于改進(jìn)。
參 考 文 獻(xiàn)
[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：
Fig8. idea model of level-ring of sea-cloud forming
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