红外热像仪和动态摄影法可绘制地面温度和热液通量

测量地表温度、热液通量、时间变化以及与地形和地质结构有关的空间关系对于理解火山过程和地热发展以及地热勘探和资源评估具有重要意义。使用传统基于地面方法（例如热电偶）来测量大面积上的温度和热通量是费力并且费时的，而且时常可能带来危险。虽然来自卫星和机载平台的红外热像仪提供了在远距离和大范围土地上绘制热异常的能力。但是，从机载和卫星平台获取图像的空间分辨率可能不足以绘制足够的热异常空间变化。

手持式红外热像仪则具有以下优势：易于使用、相对低成本的调查方式，高空间分辨率（毫米级）图像和高速率（最高60 Hz）图像采集。应在黎明之前在火山和地热系统中收集红外热像图，以最大程度地减少太阳能反射的影响。尤其是在没有部署多个精确定位的热目标的情况下，给红外热像图的正射校正和定量分析提出了重大挑战。

图为从运动结构测量方法处理获取的可见图像以及从站点的三脚架1和2收集的可见红外热像图时间序列的相机姿势

运动结构测量方法是一种相对低成本和计算效率较高的摄影测量方法，用于绘制3D结构并创建具有一系列重叠可见图像的数字高程模型。可见光图像和红外热像图中包含的热目标用于估计可见光图像参考帧中的红外热像仪方向，从而可以对红外热像图进行正射校正。

本方案基于地面的红外热像仪收集白天研究区域周围的一组重叠和偏移的可见图像，以及在该区域内一个或多个地点同时定位的可见图像和红外热像图的时间序列。使用结构-运动摄影测量法对白天的可见图像进行处理，以创建数字高程模型，将黎明前的红外热像图进行正射校正并进行地理参考。然后通过各种计算机平台对视在表面温度和辐射水热通量的三维地图进行可视化和分析。

图为三脚架1和2拍摄的时均表面温度

研究区域证明了这种方法的有效性。该区域是位于东部加利福尼亚长谷火山口西南边缘的石圆顶建筑群。这里在过去几十年经历过地震群，地面变形以及火山侧面5个主要区域的散发性非热岩浆CO2排放。2006年，三名滑雪巡逻员暴露于该地点的雪洞中，吸收了由热液产生并积聚的有毒火山气体后，在事故中死亡。因此，绘制和监视地表温度的变化以及水热通量对于监视潜在的侵入活动以及评估对在火山上工作和重建的人们的潜在危害非常重要。

图上显示了三脚架1和2场景中表面温度的标准偏差

研究提供了高分辨率的正视和地理参考的表面视温度和辐射热液热通量图，并估计了该地区的辐射热液热散发率。这里的地面温度（最高约80°C）和辐射热液热量输出（1.54 kW）。尽管如此，该站点存在的热液排放量相对较低，但这些排放对冬季在火山上工作和重建的人们构成了潜在的危害，并且有机会监测与潜在的未来火山爆发相关的表面变化。因此，红外热像仪持续测量热液散发的数量和空间分布将是监测和减灾的重要工具。

参考资料：

2015. Lewis, G.E. Hilley, J.L. Lewicki. Integrated thermal infrared imaging and structure-from-motion photogrammetry to map apparent temperature and radiant hydrothermal heat flux at Mammoth Mountain, CA, USA. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 303:16-24, 2015.