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来源：职称驿站所属分类：地质论文 发布时间：2013-09-12浏览：25次
【摘 要】 2004年12月26日发生与印度尼西亚苏门答腊岛南西面太平洋底的8.6级大地震使南亚和环太平洋地区的13个国家遭受了严重灾难。本文采用美国MODIS Web和新加坡国立大学CRSP的MODIS遥感影像速据资料，不失时机地对重灾区苏门答腊岛北端及其临震中海域开展了遥感调查研究，通过数字图像处理发现了4种具有特殊征状的奇异遥感信息——黄边岛岸、海水层圈、海—云层圈和尖角云。这些遥感奇异信息具有比原始遥感影像更加深刻的指示意义。通过对其分析解译，对这次海震灾难得到了更多的认识了解。
【关键词】 苏门答腊 海震 EOS-MODIS 奇异遥感信息 地质论文投稿
1 引 言
2004年12月26日，发生在印度尼西亚苏门答腊岛南西面印度洋海底的8.6级大地震导致了一场史无前例的海啸灾难。在地震数分钟内，大海汹涌冲上海岸，毁灭了北苏门达腊海岸，造成南亚和东非13个国家近20万人死亡，而财产损失更是不计其数。作者利用美国MODIS WEB和新加坡国立大学(National University of Singapore)CRSP(Centre for Remote Imaging，Sensing and Processing)网站发布的Terra-MODIS数据，不失时机地对印度尼西亚苏门答腊岛地灾情开展了研究，通过遥感信息处理发现了4种具有特殊征状的遥感奇异信息——黄边岛岸、海水层圈、海—云层圈和尖角云。研究表明，这些遥感奇异信息具有比原始遥感影像更为深刻的指示意义，通过对它们解析研究，可以对这次海啸灾难有更多的认识了解。
基本研究数据为TerraMODIS灾前(2004.12.17)和灾后(2004.12.29)南亚轨道区影像数据，相关成像参数见表1[1]。这两天影像区的云量覆盖率都较高。但所幸的是，以重灾区苏门答腊岛北端为中心的区域云量偏少，这使得该区域数据应用成为可能。由于成像时间分别为灾前11天和灾后1天，灾区影像特征变化具有很好的可比性。新加坡CRSP公布了这两天整个东南亚MODIS影像的三种不同波段合成处理的结果，即：(1)近红外、红光波段和绿光波段假彩色合成影像;(2)近红外、红光波段和绿光波段假彩色合成影像;(3)真彩色合成影像。但这些影像均为压缩JPEG图像格式，已不适于进一步作遥感信息提取处理。实际研究采用的MODIS数据来自美国MODIS Web提供的1B精度MODIS数据，共1～7波段，通过输入以苏门答腊岛北端为中心的矩形区域坐标直接从Internet上下载[2]。影像区域大小为1078(像元)×4060(像元)，面积为1，733，620km2(500米分辨率)。
表1. 2004.12.26和2004.12.29 Terra-MODIS南亚成像区参数
Table1.imaging parameters of Terra-MODIS to South Asia in Nov.26 & 29.2004
增强处理清晰地揭示出灾海岛外侧的海水中，存在大量海啸冲刷出的绿色、绿黄色絮状陆地物质。这些絮状物形态不规则，具有从海岸线向海洋深处扩散趋势，清晰显示出海水冲刷陆源物质向海洋迁移搬运的走向趋势。该现象曾被Jesse Allen观察到并在MODIS Web上作了简单描述[2]。但作者的兴趣不限于此，而是那些通过增强处理反映出来的新信息——几乎整个苏门答腊岛北端的陆岸都变成了浅褐色，表明源于苏门答腊岛SW侧海震中心的海啸，不仅冲刷破坏了与其正对面的岛岸，同时还绕过岛屿，使其背面的NE侧岛岸受损。这一点可以通过苏门答腊岛海啸波浪高度分布平面图和苏门答腊岛海啸波速分布平面图得到印证。这一发现或许还只对Jesse Allen发现的一个小补充，不足为奇。但一个真正有意义的新情况使，通过非线性增强处理使沿SW岛岸出现了一条狭窄延伸的黄色带状区，而在背离震中心的NE岛岸却无此带出现。由于未能到实地考察，难于断定造成两边岛岸这种差异的原因，但可以推断，这应与海岛SW和NE两侧受海啸攻击影响的方式、强度和所处环境不同有关。
为对海啸造成的灾区复杂环境状态进行快速模式识别，用ENVI软件对MODIS影像数据进行了不同参数ISODATA分类，揭示出紧邻海震中心存在着海水层圈结构，而这种层圈结构在未经处理的MODIS影像上反映不出来。虽然不同的ISODATA分类参数设置使得两种分类图像的色彩区域形态面积在局部有些差异，但在对层圈结构存在性的揭示上始终是一致的。按照ISODATA分类原理，同层圈海水区域应属于相同的成因属性。现岛屿SW侧海域中主要有4种不同色的层圈——红、绿、蓝、黑层圈，故可以判断海域种至少存在4种大规模物质/能量迁移/扩散运动差异区域。
2 奇异遥感信息
奇异遥感信息是指那些在遥感影像上客观存在，但具有不同寻常表现特征的遥感信息。这次在苏门答腊灾后的各种MODIS影像中，主要观察到了4种奇异遥感信息——黄边岛岸、海水层圈、海云层圈和尖角云。
2.1 黄边岛岸
经过非线性增强后，在MODIS影像的苏门答腊岛SW海岸显示出具鲜明黄色带状遥感影像特征。经测算，其长度257km，平均宽度2.075km，最大宽度约4.0km，面积约为526km2。在海啸前整个苏门答腊岛岸为基本相同的浅棕色调，SW和NE两侧岛岸影像特征不存在什么差异，但增强影像清晰地揭示出海啸前后两边岛岸的这种差异。由于海啸对SW海岸具有更大的冲击力，足以将其表层土壤大部冲刷光，而使下部的新土层暴露出来，而新鲜的土层对太阳光具有较强的反射/吸收率，致使黄边岛岸形成。之所以NE岛岸没能反映出这种影像特征，是由于海啸绕到苏门答腊岛NE侧之后，冲击力已大为减弱，不再具备将表土植被冲刷走的能力。
2.2 海水层圈
不同参数的ISODATA分类图像都反映出在朝向震中一侧的海洋中，存在明显的海水层圈结构。从图可见，该层圈主要由3种颜色区组成——紧靠岛岸的蓝色层区、远离岛岸的红色层区和居于两者之间的绿色层区。蓝色层区面积小，全部紧邻岛岸分布，形态极不规则，分布不连续。绿色层区为第二层，按照像元计算出的面积13640km2，具有连续和平行岛岸分布的特点。红色层区域为第三层，也是具有最大连续分布区域的层圈，其东临绿色层区，而向SW方向一直扩展出影像图之外。仅从遥感角度可以对这种层奇异圈结构的成因有两种推测，即：
推测一：海啸冲刷回流携带物成因。海啸从陆地上席卷走的固体物质，依其重量、体积大小和形态不同，在被携带入海后形成分异分布，如是造成了海中不同的悬浮物分区。而不同悬浮物分区对太阳光吸收/反射率不同，从而造成海水影像差异。在原始影像中，这种差异知识表现为不明显的蓝色和黄绿色，不易识别，但分类处理使得这种目视解译难于识别的差异大大明显化。根据这种成因，蓝层圈主要是对大体积大质量的海啸冲出物在中近岸海水中分布的揭示反映，绿层圈主要是对小体积轻质量的海啸冲出物在中近岸海水中分布的揭示反映;而红层圈则主要是对海啸冲出的陆地细小悬浮物在远岸海水中分布的揭示反映。但这种解释与红色层圈区具有圆弧形态而SW岛岸却是平直形态相矛盾，因为从平直形态的岛岸上回流入海的海水，应该具有与海岸基本平行的平直形态，而不应该是圆弧形态。
推测二：海震造成海水环形震荡成因。发生于苏门答腊岛SW侧海底的大地震，使海水整体发生震荡，导致海面宏观形态和水体微观结构变化，使海洋中形成一种对太阳光反射率起综合改变效应的场——海啸“综合效应场”。这种场围绕海震中心呈对称分布。由于海洋巨大的储能功能，“综合效应场”足以保持很长的时间。因此，虽然这是在灾后的第二天拍摄的MODIS影像，但“综合效应场”的对称惯性结构仍在海水中潜存了下来，并通过对微小差异信息具有敏感性的ISODATA分类得以揭示反映出来。另外，在12.26大震后的较长一段时间里，仍余震不止，使得震中持续发出余波，对“综合效应场”能量进行补充，从而使该层圈结构得以持续较长时间。
2.3 海云层圈
由增强MODIS影像还可见，从海震中心向苏门答腊岛内陆方向的区域内，存在4种相对独立的影像特征分区，即：(1)由AB线围成的红色海水层区;(2)由AB与CD线围成的绿色海水区;(3)由CD解译线和EF解译线围成的陆地层区;(4)由EF解译线和GH解译线围成的云层区。由AB、CD和EF3条解译线基本上都与苏门答腊岛SW侧海岸线呈平行关系，直观反映出它们都应该成因于同一动力源。这已在前面讨论过了。至于EF和GH，它们反映的是一条弧形云层的轮廓线。AB、CD和EF、GH之间宏观上体现的近于平行关系表明了一种客观存在的海——天物质分布走向的一致性。尽管云的形态具有较大的偶然性，是多解的，但在此我们不排除可能的海啸成因。因为从理论上，巨大海啸煽刮起海面上的大气形成的巨大冲击波，足以使得苏门答腊岛上空得低空云层被冲压变形，因此完全有可能导致弧形云层的形成。从这个角度，海啸不仅海洋和陆地，同时也影响大气和云层，导致形成一种海——陆——空介质联动的激烈环境变化。
2.4 奇异尖角云
在灾后(12月29日)的MODIS影像中，另一个显著的影像特征是，在苏门答腊岛SW侧偏北的海岸线两侧，清晰反映出一个呈锐角的灰白色薄云区域。尖角位于苏门答腊岛内，指向正东方，角度32°。锐角区域的南、北边界平直，角形区域与周围环境存在明显区别。图区内北角边长为209.3km，南角边长为203.8km。由此两角边围成的区域的面积约11302km2。其中大部在海中，小部分在陆地上。该角形云区的奇异之处两点：
第一，形态奇异——角形区域由两条直线边缘构成， 其平直的程度完全不象是自然成因产物，倒象是人工所为。
第二，指向奇异——角形云区的尖角由海洋指向苏门答腊岛内，这刚好与海啸运动同向。
这一奇异特征尖角云出现在12月29日，已是海啸发生的第二天。这时候巨大的主震已经结束。因此，即使其的出现与这次大海震有关，也只能是与余震有关。但余震的能力有限，不太可能导致这种影响作用。总之，根据目前掌握的资料，还不能够对这一奇异现象作出解释。目前只能将其作为一个观察到的未知奇异现象提出。
3 综合分析
在这次大海震发生后，各国科学家同时还采用大量非遥感测地测海技术手段对这次灾难开展了研究。据网上的不完全搜索，这些研究有：震源与太平洋—印度洋板块结合部的断裂构造关系、震中海底地貌变形三维模拟[6]、海啸在整个太平洋和印度洋扩散运动过程的二维动画模拟(日本产业综合研究所)[7]、海震海浪波高分布和运动时间度分布定量可视化分析，等等。这些研究从不同角度揭示了本次MODIS遥感发现相同的问题。
如果我们将从分类影像上解译出的海水层圈结构经过适当外推延伸后，落到海震中心的海底地形变形隆起高度平面图和地形变形水平移动距离平面图上，立即就可以发现，由这些层圈组成的波状分布集合，具有以南亚断裂带为轴线 ，向NW方向扩散的规律。联系到前面对层圈结构的初步分析，容易作出判断，所谓的海水层圈结构，实际上是对一种海啸信息叠加效应，即对海啸冲刷陆源物质分布区与海啸“综合效应场”的综合叠加反映。更具体的说，也及时对Jesse Allen观察到的绿色、绿黄色絮状体与ISODATA分类揭示的层圈结构分布区的综合叠加反映。
同样，对海水——云——陆地分层组合结构奇异遥感影像特征的解释，也可以通过海啸波浪高度平面分布图和海啸推进波速平面分布图找到答案。该图给出了此间太平洋海域的海水运动学和海水动力学分布背景。海震中心的海浪高度达17.38米，到苏门答腊岛SW测的海浪高度仍在4～17.38米之间。如此高度的海啸巨浪在不到1小时的时间里就达到了整个苏门答腊岛。海面的这种超常整体运动必然通过流体牵引效应传递给了上方的大气，进而传递到云层，从而使得苏门答腊岛上方的低空云层受到冲击，使得其形态和运动方向发生改变。增强影像中的白色弯曲云层的特征就是对这种作用力存在及作用方向的直观反映。在增强影像上，海水层圈结构与白色弯曲云层的形迹的组合，使人直观感受到来自海震中心的巨大冲击力同时对海洋和大气的强迫驱动。
通过将本次研究结果与D.P.Mckenzie and F.Richer(1976)绘制的地球主要板块运动方向与速度图比较，容易看出，所观察到的各种奇异MODIS遥感信息为何都具有NW走向，实际上这都是由于这条印度洋板块与欧亚板块结合部的地壳深大断裂带控制的结果。
4 结束语
通过对印度尼西亚苏门答腊岛及其周边海域的Terra-MODIS影像数据的处理分析，共发现了4种具有特殊征状的遥感奇异信息——黄边岛岸、海水层圈、海-云层圈和尖角云。研究表明，黄边岛岸主要是由于海啸对苏门答腊岛的SW海岸线的过度冲刷剥蚀造成的，表明海啸对该海岛正面和背面的破坏力度存在差别。海水层圈表明了海啸冲刷陆源物质与海啸“综合效应场”的叠加作用，这种作用会对海啸之后的海洋生态环境造成影响。海-云层圈表明了海啸不仅只对海洋和陆地造成影响，海由于成海-天一体化联动作用，可以对近地上空的云系形态和走向造成影响。对于形态奇特的尖角云，由于找不到任何辅助解释资料，目前还暂不能对它作出合理的解释，有待于今后有条件时再作进一步的研究。
MODIS作为新一代地球观测系统的重要传感器，其探测地球突发自然灾害事件的有效性通过这次对苏门答腊海啸的快速反应研究得到了充分的显示。但不足之处是，从Internet下载MODIS数据的完善性和稳定性还有待于改进。
《苏门答腊岛12.26海震EOS-MODIS奇异遥感信息》
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