将基于地面和太空的GNSS观测数据融合应用于印度卡纳塔克邦极端降雨预测的影响

《International Journal of Remote Sensing》：Impact of assimilating GNSS ground-based and Space-based observations on Extreme rainfall prediction over Karnataka, India

本研究利用高分辨率SAR数据对巴布亚新几内亚卡多瓦火山2019-2022年的熔岩流动速度及形态变化进行监测，结合热异常与光学遥感数据验证。结果显示火山活动分为三个阶段：2020年初高峰期流速达2.5米/日，随后2020年末至2021年中活动减弱，2021年下半年起 summit区域出现新 dome生长及东部熔岩流收缩。研究表明VHR SAR结合PIV方法可有效监测高粘度熔岩流动，为偏远火山提供可靠观测手段。

　　本研究探讨了利用高分辨率合成孔径雷达（VHR SAR）数据对帕劳新几内亚的卡多瓦火山进行监测，特别是在2019年10月至2022年6月期间测量熔岩流速度和观察地形变化。由于许多活跃火山无法通过地面传感器进行监测，特别是在偏远且多云的地区，卫星遥感技术成为一种重要手段。研究中采用了粒子图像测速（PIV）方法，结合热红外（MODIS和VIIRS）及光学（Sentinel-2和Landsat-8）卫星数据，以验证PIV结果并加深对火山喷发动态的理解。

卡多瓦火山是一座小型火山岛，位于帕劳新几内亚东北方，直径约1.5公里，高度365米。该火山自2018年首次喷发以来，其活动性一直持续到2022年中期。研究发现，该火山在观测期间经历了三个显著的活动阶段：第一阶段是2020年初的高活动期，熔岩喷发量达到峰值，熔岩流速度可达约2.5米/天；第二阶段是从2020年底到2021年中期，活动性明显减弱；第三阶段是从2021年中期开始，火山口区域再次活跃，并伴随外生岩瘤的形成。这些发现展示了VHR SAR技术在监测火山活动方面的有效性，特别是在那些难以接近的区域，能够提供关于喷发动态的重要见解。

研究利用TerraSAR-X（TSX）卫星的高分辨率斑点模式（HS）和固定斑点模式（ST）进行数据采集，其优势在于能够独立于天气和昼夜条件，实现连续观测。然而，SAR数据也存在一定的局限性，如几何失真、阴影、缩短效应和地形覆盖等。为提高PIV分析的准确性，研究团队采用了多步骤的预处理流程，包括数据校准、共注册、地形校正和图像对比度增强。此外，还通过手动掩膜的方式排除阴影区域，以确保分析结果的可靠性。

PIV分析的结果显示，熔岩流在火山口和东侧坡面表现出不同的运动特征。在火山口区域，熔岩流的速度峰值出现在2020年初，达到约2.5米/天。而在东侧坡面，熔岩流的速度在2020年3月至5月达到最高，随后逐渐下降。研究还指出，由于SAR成像几何的影响，实际的熔岩流速度与测量值之间存在偏差，因此需要进行校正。通过计算不同角度和地形坡度对测量结果的影响，校正后的速度值能够更准确地反映熔岩的真实运动状态。

在对熔岩流宽度的分析中，研究发现HS模式由于阴影的影响，导致测量值存在低估现象。而ST模式由于其不同的成像几何，能够提供更完整的熔岩流视图，显示熔岩流宽度在2021年后期有所减少。同时，火山口区域的形态变化也通过SAR数据进行了详细分析，显示出火山口在喷发过程中逐渐扩大，并伴有外生岩瘤的形成。这种岩瘤的生长不仅在火山口区域明显，而且通过PIV分析和视觉解释也得到了验证。

研究还对比了PIV结果与热红外和光学数据，发现熔岩流速度的高峰与热异常数据的增加相吻合，尤其是在2020年初。然而，在2020年底至2021年中期，活动性明显减弱，速度值下降，热异常也减少。尽管如此，光学数据仍然显示出喷发期间的蒸汽和火山灰羽流，表明火山活动并未完全停止。此外，研究还发现，在某些时段，熔岩流可能因温度升高而形成新的地貌，如2020年5月的热数据表明熔岩流可能向东南方向延伸。

PIV方法在火山研究中的应用具有重要的潜力，但同时也面临一定的挑战。例如，由于熔岩流的高粘性，其表面结构可能在移动过程中保持稳定，从而影响PIV的准确性。此外，SAR数据的重访周期较长，为11天，这限制了其在监测快速变化的火山活动中的应用。相比之下，高分辨率光学数据如WorldView或Pléiades可以提供更精确的观测结果，但其获取受到天气条件的限制。

研究还探讨了火山喷发过程的理论模型，基于PIV分析和热红外、光学数据，将观测期间的火山活动划分为三个阶段。第一阶段是喷发高峰期，第二阶段是活动性减弱期，第三阶段则是火山口区域的重新活跃期。这些阶段的划分有助于更好地理解火山喷发的动态变化，并为未来的火山监测提供参考。

总体而言，本研究展示了VHR SAR技术在监测高粘性熔岩流和火山形态变化方面的有效性，尤其是在天气条件不利或火山活动频繁的地区。通过结合多种卫星数据，研究不仅验证了PIV方法的准确性，还揭示了火山活动的复杂性和多样性。未来，随着更多高分辨率SAR数据的获取和分析技术的改进，如ESA的Harmony任务，将有望实现更精确的火山喷发体积测量，从而进一步提升对火山活动的理解和预测能力。