巴布亚新几内亚卡多瓦尔火山熔岩流速度估算的VHR SAR粒子图像测速分析

《International Journal of Remote Sensing》：VHR SAR Particle Image Velocimetry analysis for lava flow velocity estimation at Kadovar Volcano, Papua New Guinea

熔岩流动速度与形态变化监测研究利用TSX高分辨率SAR数据结合PIV方法分析卡多瓦尔火山2019-2022年动态，揭示三个活动阶段：2020年初流速达2.5m/d的高峰期，随后低活动期，2021年中至2022年火山口再生活动伴熔岩穹顶生长。研究证实VHR SAR在云区监测火山有效，为高粘度熔岩流提供新监测方法。

　　### 解读：利用高分辨率SAR数据监测Kadovar火山的火山活动与形态变化

Kadovar火山位于巴布亚新几内亚东北部海域，是一个具有重要研究价值的火山活动区域。由于其地理位置偏远，加上热带气候带来的频繁云层覆盖，传统的地面观测手段难以全面准确地获取其活动数据。因此，科学家们选择使用高分辨率合成孔径雷达（VHR SAR）数据来研究该火山的喷发过程，包括熔岩流的速度测量和火山形态的演变。这种遥感技术具有全天候监测的能力，不依赖于天气条件，为火山活动的持续监测提供了可靠的技术手段。

#### 1. 研究意义与背景

火山活动的监测对于评估潜在的灾害风险、理解火山动力学过程具有重要意义。然而，许多活跃的火山由于地处偏远或受天气影响，难以通过地面设备进行长期、实时的监测。特别是，火山喷发期间，地面观测常常受到云层遮挡和火山灰与蒸汽云的影响，使得数据获取变得复杂。因此，科学家们采用卫星遥感技术，尤其是高分辨率SAR数据，来克服这些挑战。

Kadovar火山自2018年开始新一轮喷发，随后的活动持续到2022年。科学家们通过时间序列分析，结合高分辨率SAR数据、热红外数据和光学数据，来追踪火山活动的变化。这不仅有助于了解火山喷发的动态过程，还能揭示熔岩流的运动规律，为未来的火山灾害预警和科学研究提供依据。

#### 2. 研究方法与数据来源

本研究主要依赖于TerraSAR-X（TSX）卫星提供的高分辨率SAR数据，以及MODIS和VIIRS热红外传感器和Sentinel-2和Landsat-8光学传感器的数据。TSX卫星采用X波段进行成像，具备两种主要模式：HighResolution SpotLight（HS）和StaringSpotLight（ST）。HS模式的分辨率约为1米，而ST模式的分辨率更高，为0.25米。这种高分辨率使得科学家能够识别出熔岩流表面的微小结构，从而更准确地追踪其位移。

为了提高数据的可用性，研究团队使用了ESA SNAP软件对TSX数据进行预处理，包括校准和配准。同时，利用TanDEM-X数字高程模型（DEM）对SAR图像进行地形校正。在Fiji ImageJ软件中，研究团队对预处理后的图像进行了像素偏移追踪，应用了粒子图像测速（PIV）方法，以计算熔岩流的速度。PIV方法最初应用于流体力学实验中，通过追踪图像中的粒子运动来推断流体的速度场。在火山研究中，PIV方法被用于分析熔岩流表面的结构变化，从而估算其运动速度。

为了提高PIV结果的准确性，研究团队还结合了热红外数据和光学数据进行验证。热红外数据通过MODIS和VIIRS传感器获取，能够检测火山活动的热异常。光学数据则通过Sentinel-2和Landsat-8获取，可以识别火山表面的视觉变化。这些数据的结合使得科学家能够更全面地理解火山活动的动态变化，并验证PIV结果的可靠性。

#### 3. 研究发现与结果

研究团队通过分析2019年至2022年的数据，发现Kadovar火山在这一时期内经历了三个不同的活动阶段。第一个阶段是从2019年10月到2020年初，熔岩流活动达到高峰，熔岩流速度最高可达约2.5米/天。这一阶段的熔岩流主要沿东部火山坡延伸，呈现出较高的速度和较大的变化范围。

第二个阶段是从2020年底到2021年中期，火山活动显著减弱。熔岩流的速度下降，且热异常和光学观测数据中显示的活动频率减少。然而，这一阶段并非完全静止，仍有少量气体和火山灰喷发活动。

第三个阶段从2021年中期开始，火山活动再次增强，主要集中在火山口区域。研究团队通过SAR图像的视觉分析，发现火山口形成了一个新的熔岩穹丘，并且该区域的熔岩流活动呈现出周期性变化的特征。这一阶段的熔岩流速度有所回升，但并未恢复到第一阶段的水平。

通过PIV分析，研究团队还计算了熔岩流的平均速度，并结合火山地形的变化，对熔岩流的速度进行了修正。由于SAR数据的视角限制，熔岩流的速度可能受到地形倾斜和观测角度的影响。因此，研究团队引入了修正公式，以提高速度测量的准确性。

#### 4. 火山形态变化的分析

除了熔岩流的速度测量，研究团队还通过SAR图像的视觉分析，追踪了火山形态的变化。特别是，东部火山坡的熔岩流区域在研究期间出现了明显的扩展和收缩现象。研究团队发现，熔岩流的宽度在不同时间段有所变化，这可能与熔岩流的冷却过程、地形变化以及外部环境的影响有关。

在ST模式的SAR图像中，由于观测角度的不同，熔岩流的阴影区域减少，使得研究团队能够更准确地测量熔岩流的宽度。而HS模式的图像中，由于阴影的存在，导致测量结果存在一定的偏差。因此，研究团队特别关注了ST模式的图像，并利用其较高的分辨率和更少的阴影区域，对熔岩流的宽度变化进行了更精确的分析。

此外，火山口区域的形态变化也引起了研究团队的关注。通过分析TSX图像，研究团队发现火山口的宽度和高度在研究期间有所增加，这表明火山活动仍在持续，并且形成了新的熔岩穹丘。这些变化可能与熔岩流的冷却、堆积以及火山内部压力的变化有关。

#### 5. 方法的局限性与未来展望

尽管SAR数据在火山监测中表现出色，但该方法也存在一定的局限性。例如，由于SAR数据的获取周期较长（约11天），可能导致某些时间段的数据缺失，从而影响对火山活动的连续监测。此外，由于熔岩流的表面结构可能受到地形倾斜和观测角度的影响，某些区域的熔岩流速度可能无法被准确测量。

研究团队还提到，未来的火山监测可以结合更高分辨率的光学数据，例如WorldView和Pléiades提供的数据，以提高速度测量的精度。同时，新的卫星任务，如ESA的Harmony任务，计划采用双基地干涉合成孔径雷达（InSAR）技术，提供连续的高程数据，这将有助于更精确地计算熔岩流的体积变化。

#### 6. 研究的意义与影响

本研究通过高分辨率SAR数据和PIV方法，成功地追踪了Kadovar火山的熔岩流速度，并分析了其形态变化。这一方法不仅适用于Kadovar火山，还可以推广到其他类似的火山活动区域。由于SAR数据不受天气条件限制，因此特别适合用于监测那些因云层覆盖或火山灰遮挡而难以通过光学手段观测的火山。

此外，本研究的结果表明，PIV方法在火山监测中具有广泛的应用前景。它不仅可以用于熔岩流速度的测量，还可以用于分析火山活动的动态变化。通过结合多种遥感数据，研究团队能够更全面地理解火山喷发的过程，并为未来的火山监测和灾害预警提供科学依据。

#### 7. 总结

Kadovar火山的喷发过程揭示了火山活动的复杂性和动态性。通过高分辨率SAR数据和PIV方法，科学家们成功地测量了熔岩流的速度，并追踪了其形态变化。研究团队还结合了热红外和光学数据，验证了PIV结果的可靠性，并进一步揭示了火山活动的周期性特征。

本研究不仅为Kadovar火山的活动提供了新的视角，也为其他火山的监测提供了可借鉴的方法。尽管存在一些局限性，如数据获取周期较长和地形影响，但SAR技术在火山监测中的应用前景仍然广阔。随着遥感技术的不断发展，未来的火山研究将能够更精确地追踪火山活动的变化，并为火山灾害的预测和应对提供更可靠的数据支持。