黑龙江省专业技术人员继续教育
知识更新培训
地质工程专业 （2013年） 遥感—岩石力学学习材料
黑龙江科技学院 2013年1月
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遥感—岩石力学专题教学计划
黑龙江科技学院 杨德智
一、教学目的与要求
以专业技术人才的能力建设为核心，以提高专业技术人员的创新能力、专业水平和科学素质为目的，通过组织网上自学和网上面授辅导的方式，强化学员的专业知识，使各类专业技术人员了解本专业的科技发展动态，掌握本专业的最新科技理论和技术成果，为黑龙江省发展建设提供强有力的人才保障和智力支持。
二、课程设置及授课计划
序号 学时分配 课程名称 总学时 网上 函授 40（高、1 遥感—岩石力学 48 中级） 48（初级） 20（高、2 创新能力建设：专业技术人员创新案例 24 中级） 24（初级） 合计 72 60 网上 面授 8（高、考核方式 以完成思考题和撰写论文相结合形式 初级职称人员完成中级） 两次思考题，培训中 4（高、期和结束前各一次；高、中级职称人员在培训中期完成一次培训结束后中级） 思考题， 12 成一篇学习体会（3000-5000字）。 三、学习考核
1、思考题和学习体会通过知识更新网络学习平台提交。联系电话：04672385061。
2、培训实行单科结业制，凡坚持参加学习，按时提交作业和研究论文，公需科目和专业科目考试均取得及格以上成绩者，可获得由黑龙江省人力资源和社会保障厅颁发的合格证书，作为职称评定的条件之一。
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目 录
遥感—岩石力学概述 ............................................................................. 错误！未定义书签。 1.1遥感—岩石力学的产生和发展 ......................................................................................... 1 1.2遥感—岩石力学的遥感学基础 ......................................................................................... 6 1.3遥感—岩石力学的岩石力学基础 ................................................... 错误！未定义书签。 1.4遥感—岩石力学的应用 ................................................................................................... 16 思考题..................................................................................................................................... 23
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遥感—岩石力学概述
1.1 遥感—岩石力学的产生和发展
1.1.1 遥感—岩石力学的产生
遥感—岩石力学（Remote Sensing Rock Mechanics，RSRM）源自构造地震卫星热像异常的模拟实验探索及矿压红外探测基础实验研究，是红外、微波等现代遥感技术引入现代岩石力学相关领域进行交叉学科的相关产物。
（1）构造地震卫星红外异常的发现
利用卫星热红外（Thermal Infrared，TIR）遥感技术，可以遥感探测地球表面大区域温度场分布情况，1988年，前苏联学者Gorny等（1988）在研究中亚地区的地震时，发现该区的很多中强地震震前的热红外图像上均出现温度异常，并且这些温度异常多与断裂构造有关。这引起了中国有关学者的密切关注，并相继在中国和国外发现了类似的情况，并且基于地震震前卫星红外异常的特征进行了尝试性的地震预报，取得了可喜的成果。
强祖基等多年对卫星热红外异常进行研究，发现许多中强地震前1～3月，震中区附近会出现短期的热红外增温现象，如1992年4月20日台湾花莲6.8级地震、1996年2月3日云南丽江7.0级地震，在总结这些震前卫星热红外异常特征基础上，发现以下规律：
①震前在卫星遥感的10.5～12.5μm波段的红外图像上，在震中附近出现孤立的高温异常区域，异常区域的形状呈圆、椭圆、条带及块状，并且该区域在震前随着地震的临近而发生迁移以及形状和走向的变化。
②异常区域的温度比周围一般高2～6℃。
③高温异常区域的面积越大，温度越高，发生地震的震级越大：当高温异常区域的面积
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在70万Km或以上时，相应的地震震级在7级以上；当高温异常区域的面积在40～70万Km
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时，相应的地震震级在6级以上；当高温异常区域的面积在10～30万Km时，相应的地震震级在5级以上。
④利用增温异常演化特征来追寻未来地震发生的震中位置，往往位于随时间迁移的增温异常的前缘，或其前锋与地震带、活动构造带交汇部位，或孤立亮温增温异常凹陷部位，或两组应力热带交汇部位。
⑤一般在增温亮温异常发展到鼎盛时期后，在几天到60天内发震。
徐秀登等对1989～1999年发生在我国及邻国的40多次地震震前的卫星热红外进行分析，初步总结出现红外异常具有如下基本特征：
①Ms＞5的地震震前大多有清晰可辨的热红外遥感临震异常显示。 ②热红外异常多在震前2～22天内突然出现，呈现突发性特征。 ③与地震有关的热红外异常可持续几天到十几天，甚至更长，而非地震异常则会很快消失。
④震前二到十几天累计增温幅度可达几度到十几度，异常幅度是显著的，异常区的温度比背景温度高出几度，异常幅度与震级相关性不是很明显，但一般呈正相关。
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⑤增温异常范围大，5级以上地震可达20～100万Km，异常面积的大小与震级呈一定程度的正相关。
⑥在40次地震中有30次地震的震中位于弱异常区域或异常区边缘甚至远离异常区几十公里。
⑦增温异常一般经历初始—高潮—平静3个阶段，异常演变多呈阶段性，但也有异常演
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变具多旋回性，即增温经高峰到平静期后并不发震，又出现第二轮甚至第三轮再增温过程，最后才发震。
为探索构造地震卫星红外异常的内在机制，20世纪90年代以来，我国的地球物理、遥感、地震与航天界等多家单位合作，开展了岩石加载过程中红外辐射（Infrared Radiation，IRR）的实验探索研究。实验发现：
①单轴加载过程中，岩石红外辐射温度随应力而变化：加载初期平静或略有下降，随后缓慢上升，临破裂前快速上升，分别与应变—应力曲线的3阶段相对应；
②当岩石由应力峰值阶段进入破坏过程中，热像显示出低温区扩大，低温条带即是随后主破裂的位置；
③随着应力的增加，岩石的红外辐射光谱在保持其形态基本不变的情况下辐射强度明显增加，岩石破裂前其红外辐射强度达到最高值。
（2）矿压遥感监测的实验探索
煤矿开采，由于生产工艺的要求和地质构造的影响，常在采场中预留各种类型的煤柱，这些煤柱无论形状、分布如何，都无一例外地兼有支撑和隔离作用。历史和实践表明，当这些煤柱突然失稳时，会造成地表沉陷异常加剧，如地表塌陷、断裂等。准确获取煤柱内应力和变形分布特征，对分析煤柱的稳定性非常重要。煤柱内应力与变形的分布，可以通过实验室模拟试验或计算机数值模拟而获取，也可以通过现场实地监测获取。与实验室模拟试验相比，现场实地监测虽然费用较高，时间较长，但是具有直接获得煤柱内应力和变形分布特征 的优点；同时，现场测试结果也是检验理论分析和实验室模拟结果是否正确、合理的标准。因此。现场实地监测对分析煤柱的稳定性是十分重要的。
煤柱承载直到屈服破坏，是一个动力学过程；岩爆、煤岩与瓦斯突出是一个动力学过程；煤层顶、底板破坏也是一个动力学过程。它们在地应力和采动应力的共同作用下，产生移动变形，并引起成矿矿物内部结构的物理、化学变化，其中必然包括能量转化和电子跃迁，如一部分机械能转化为内能；或一部分固有热能转化为机械能，并以电磁辐射的形式表现出来。因此，以电磁辐射为信息基础的遥感技术有望成为矿山压力、岩爆、煤与瓦斯突出等动力现象提供一种新的遥感监测与预测预报技术。
矿山实践表明，具有一定规模构造应力场或瓦斯突出现象的矿井往往会造成矿区局部温度异常。例如1986年山东陶庄矿井下频繁发生应力集中和冲击地压时，环境温度场高达34℃；英国西斯海德—彭特赖马任尔矿井的一次突出中，突出的煤屑温度高达60℃；另外发生瓦斯突出时，常出现煤壁温度或环境温度降低的无声前兆，如1951年12月22日四川天府磨心坡矿发生煤与瓦斯突出前，“工人感觉工作面很冷”。因此，电磁辐射之一—具有热效应的红外辐射的时空变化，必然反映矿压、煤柱失稳、岩爆、煤与瓦斯突出等物理力学变化过程，并提供一些重要的前兆信息。
为了探索矿压及煤岩在应变及屈服过程中的红外辐射规律，我国著名学者吴立新教授和刘善军教授进行了煤岩及其顶板砂岩受压过程中的红外热像与辐射温度特征的实验探索。实验发现：
①煤岩单轴压缩屈服过程中有3类辐射热像特征和3类辐射温度异常特征，其中3类辐射热像特征分别为单调升温、低温前兆型，缓慢升温、快速高温前兆型和先降后升、持续辐射高温前兆型；上述3类热像特征和辐射温度异常特征分别对应3类屈服前兆信息。
②红外探测与声发射、电阻率探测具有可比性；一般情况下，热红外前兆晚于声发射前兆和电阻率前兆，但具煤爆倾向的煤岩的辐射温度的前兆则相反。在综合研究和分析对比的基础上提出，0.79σC附近是矿压及其灾害监测的“应力预警区”
为了解地下巷道矿压显现的红外辐射情况，吴立新教授和刘善军教授还进行了中间穿孔（模拟地下巷道）的煤矿砂岩在单轴受压条件下的红外辐射实验探索。实验发现：试块破裂
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前，孔口附近出现明显的红外辐射异常前兆，而且前兆位置正是破裂位置，前兆位置与理论分析和有限元计算的破裂位置一致。
上述实验探索结果表明，矿压显现和煤柱屈服过程中存在明显的红外异常现象，而且红外热像能够反映矿压显现的位置、应力迁移现象和岩石破裂的性质。
（3）遥感—岩石力学的产生
1992年，耿乃光、崔承禹、邓明德3位学者在《地震学报》上以“岩石破裂实验中的遥感观测与遥感岩石力学的开端”一文，共同提出：“遥感技术与岩石力学相结合，导致在岩石力学中建立一个新的学科领域—遥感岩石力学，或叫‘遥感岩石物理学’。”并且预言：“遥感岩石力学有广阔的应用前景，随着研究的深入，有可能建立一种应用遥感技术探测岩体应力状态和岩体稳定性的新方法。在大范围方面，可通过搭载卫星和飞机的遥感仪器对地面进行遥感观测，以探索测量地壳应力场活动构造应力和预报地震；在小范围方面，可在地面对矿山岩体进行遥感观测来测定岩体的应力状态，评估岩体的稳定性和岩爆的发生。”
考虑到遥感岩石力学是一门交叉学科，应该强调遥感与岩石力学的交叉性和遥感技术作为岩石力学研究手段的方法性。故吴立新、耿乃光、崔承禹在2000年9月正式向国际学术界提出了“遥感—岩石力学（Remote Sensing Rock Mechanics，RSRM）”这一学科术语，并系统阐述了RSRM的定义、学科内涵和信息逻辑。
遥感—岩石力学的定义如下：遥感—岩石力学是一门基于遥感科学、岩石力学、地球物理学和信息科学的交叉科学。它研究岩石类固体材料（包括岩石、混凝土、砖等）在应力、应变作用下电磁辐射变化的物理—力学机制，研究岩石类固体材料及其结构屈服与破裂过程的电磁辐射特征、规律与前兆，并应用于地震预报、采矿工程、结构工程等地质力学与岩石工程领域。
1.1.2 遥感—岩石力学的发展过程
（1）由实验探索到定性研究
遥感—岩石力学的研究始于实验探索。在最初的实验中，研究者发现岩石在加载过程中，随着应力的增加红外辐射强度和微波辐射强度均发生相应变化，表明岩石受力后存在红外辐射和微波辐射异常效应，但其规律和机制还不清楚。随着实验的进一步进行，研究者逐渐发现，在岩石加载过程中，红外辐射出现规律性变化，这些变化与岩石的应力状态有着密切关系。
1991～2000年10年间，从实验探索起步，基本属于定性研究阶段，主要围绕岩石单轴加载和摩擦滑移进行，主要成果及结论包括：
①岩石在加载过程中，岩石表面的红外辐射温度随应力变化而变化。在加载初期平静或略有下降，随后缓慢上升，临破裂前快速上升，分别与应变—应力曲线的3个阶段（压密、线弹性和屈服破裂）相对应。
②当岩石由应力峰值进入破坏过程中，热像中的低温区有短暂扩大现象，低温条带是随后主裂的位置（耿乃光等，1992；崔承禹等，1993）。
③随着应力的增加，岩石的红外辐射光谱在保持其形态的情况下辐射强度明显增加，岩石破裂前其红外辐射强度达到最高值（崔承禹等，1993）。
④剪切破裂位置出现高温辐射条带，而张性破裂出现低温条带，岩石在破裂前出现红外异常前兆（耿乃光等，1998）。
⑤岩石摩擦滑移过程中，随着位移的增加红外辐射温度升高，在黏滑前出现红外辐射温度的增温异常前兆（耿乃光等，1998）。
⑥含水岩石红外辐射能力比干燥时有所降低，但加载过程中含水岩石的红外辐射能力随应力的增加大于干燥岩石的增加量，即水对于受力岩石红外辐射起到了推动作用（邓明德等，
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1997）。
⑦煤岩压缩屈服过程中有3类辐射热像特征和3类辐射温度异常特征，且分别对应3类屈服前兆信息；0.79σC可作为煤岩稳定性监测的应力预警区；随压应力、剪应力上升，岩石试块的红外辐射强度总体呈上升趋势；而拉应力对岩石试块的红外辐射影响不大，几乎监测不到异常前兆；试块单压、压剪破裂前，沿破裂位置出现红外辐射高温异常前兆（吴立新等，2000）。
（2）由定性研究到定量研究
2001～2005年的5年间，在继续扩大进行实验探索与定性研究的同时，有目的的组织进行岩石撞击、单轴压缩和黏滑的定量基础实验研究工作。
A:岩石撞击的定量研究
钢球撞击不同材料的红外观测实验探索中曾发现：靶元受撞击瞬间的辐射升温幅度与落球势能线性相关，并指出一旦确定了与弹体特征和靶体材料相对应的撞击势能和靶元辐射升温幅度的关系函数与有关参数，就可以实现基于热红外遥感成像技术的固体撞击瞬态过程的侦测与反分析。
为了进一步研究岩石撞击的红外辐射规律并进行定量反演研究，设计了大量的岩石撞击实验（吴立新等，2003～2006），实验发现：
①同种岩石在不同撞击条件下具有不同的辐射特征，岩石靶元撞击瞬间的辐射特征与岩石类型密切相关。相同撞击条件下，红色花岗岩及花岗闪长岩辐射升温相对小于辉长岩及大理岩；辐射升温与撞击高度近线性相关，相关程度由高到低分别为：相对均质大理岩、非均质的花岗岩、花岗闪长岩及辉长岩。
②同种岩石在不同撞击条件下具有不同的辐射特征，其撞击产生的辐射能量与撞击参数密切相关。撞击热辐射影响区的周长与撞击速度直线相关，其面积与弹体动能也直线相关。
③基于热红瓦成像技术的撞击实验监测结果表明，由热像特征可以定性、定量反演有关撞击参数，包括岩石类别、靶元特征、撞击体参数等。基于均质岩石靶元的定量反演具有较高的精度，以大理岩为例，由辐射温度反演撞击高度，其相对误差＜12%。
B:岩石单轴压缩的定量研究
对岩石单轴加载过程中力学参量与红外辐射参量的定量关系研究中发现，当岩石为强脆性、成分均一、无损伤的完整岩石时，红外辐射参量与力学变量之间存在较好的定量关系。
①岩石表面的平均红外辐射温度与应力和应变之间呈线性正相关关系。当轴向应力增加
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1MPa时，辉长岩、片麻岩、花岗闪长岩的辐射温度上升分别为3.70×10℃、6.26×10℃、
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9.74×10℃；当比拟于1个单位的轴向压应变时，3种岩石的温度分别上升6.59℃、12.45℃、14.63℃；相同应力、应变下，花岗闪长岩随应力、应变的增加辐射温度上升最快，片麻岩次之，辉长岩最低。
②对单轴加载实验的试块进行统计发现，73%样品的红外辐射能与其所受的机械能呈很好的线性关系，线性拟合的相关系数可达0.99以上，粗估计算表明，大理岩、辉长岩、石灰岩、片麻岩、花岗闪长岩平均有0.68%的机械能转化为红外辐射能，而花岗闪长岩的能量转化率最高，可达0.95%。
C:岩石黏滑的定量研究
①辉长岩和花岗闪长岩的平均辐射温度和最高辐射温度增幅与正应力间近似呈线性关系。即正应力增高，岩石的平均红外辐射温度和最高红外辐射温度呈线性增加，拟合直线的相关系数在0.9以上；当正向应力增加1MPa时，辉长岩和花岗闪长岩的最高辐射温度分别增加0.276℃和0.167℃，平均辐射温度分别增加0.055℃和0.037℃，辉长岩随正应力的增温速度要比花岗闪长岩要高。
②岩石黏滑过程中机械能与红外辐射温度增量之间也呈线性关系。
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（3）由基础实验到应用基础研究
A：构造地震预测的实验模型建立及实例验证 ①破裂型地震预测的实验模型建立 基于岩石单轴、压剪加载的红外观测实验，研究加载过程中红外辐射温度及红外热像的变化规律，重点研究岩石破裂前的红外异常前兆现象，获得岩石破裂的红外前兆的时空分布及演化规律。实验结果表明：岩石破裂的红外前兆有两种表现形式，分别为热像异常表现形式和平均红外辐射温度—时间曲线异常表现形式；热像异常有高温条带和低温条带两种类型，平均红外辐射温度—时间曲线异常则有短暂降温、升温加速和降温转升3种类型；岩石破裂红外前兆出现在微破裂发育的塑性变形阶段，平均红外辐射温度—时间曲线前兆出现在σ=0.77～0.87σp应力区间内；岩石破裂出现红外前兆和几率与应力作用方式有关。
②非连续断层破裂发震预测的实验模型的建立 雁列和共线非联通断层是两种常见的非连续断层，许多构造地震的发震都与其有关。对两种非连续断层模型加载的红外辐射观测实验结果显示：两种非连续断层在应力积累至破坏过程中，载荷—位移曲线呈现出阶段性特征，相应的红外辐射温度（平均红外辐射温度）变化和模型热像也具有阶段性规律，尤其在应力闭锁阶段和解锁阶段特征明显；在断层破裂失稳前，破裂区域的红外辐射出现短暂的平静。
上述实验结果表明，断层破裂区热红外遥感图像的平均红外辐射温度可以作为地震破裂的短期监测与分析指标，可通过对监测区内平均红外辐射温度的升温趋势来对地震进行短期预警；在短期预警的基础上，从破裂区卫星热红外遥感图像上寻找局部热异常条带，可进一步预测发震位置。在上述基础上，通过监测平均红外辐射温度的下降和热像局部热异常条带的减弱（平静）现象的同时出现，即可以进行地震的临期预测。
③断层黏滑型地震预测的实验模型建立 基于断层黏滑实验的红外辐射监测与分析，揭示：摩擦面上各处的热效应会因应力分布状况的不同而存在差异；摩擦剪切带附近的热像时空演变特征与摩擦表面的性状（包括摩擦面两侧的岩性组成、摩擦面粗糙度及几何特征等）有很大关系，导致岩石表面红外热像时空非均衡演化特征；当摩擦面某些部位的应力超过岩石强度时，岩石发生破裂，而在临破裂前，随着应力集中点逐渐向破裂位置迁移，辐射高温中心也向破裂位置迁移。
基于上述研究，推断出有地震前兆意义的结论：孕育构造对于红外辐射增温异常的时空演化特征具有控制作用；红外增温异常的演化方向代表了应力场的演化趋势，对于发震的时间与空间要素的确定具有重要意义。
④交汇型断层发震监测模式的建立 交汇型断层也是一种常见的组合断层，许多构造地震的发生于交汇断层的活动有关。通过对交汇型断层活动过程的红外辐射规律的研究，表明：交汇型组合断层活动过程呈现阶段性变化特征，表现为初始加载的应力上升阶段和之后的重复黏滑阶段；不同交汇角度的组合断层其声发射（Acoustic Emission,AE）红外辐射特征明显不同，交汇断层活动的红外特征与断层几何结构有关。
基于上述研究, 推断出有地震前兆意义的结论：可将AE与红外辐射手段结合来监测断层活动过程的AE和红外辐射温度的变化特征，提取地震黏滑的短临时间信息；利用红外热像密切监测断层的交汇部位，特别当两组断层呈垂直交汇时，交汇部位是地震监测的重点部位；一旦出现交汇部位的强红外辐射异常现象，即可对地震进行短期预测。
B：岩石撞击引发矿井瓦斯爆炸可能性的实验探索 通过沉积岩石撞击的红外辐射观测实验发现： ①撞击瞬间，岩石撞击中心部位或飞溅破碎体辐射温度升高可达218℃，且保持在100℃以上的时间超过1分钟；
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②干燥岩石升温高于潮湿岩石； ③不规则岩石升温高于规则岩石； ④石灰岩升温高于砂岩。 煤矿采掘过程中，由于岩块质量往往大于实验样品且几何形状不规则，特别是发生岩爆或煤与瓦斯突出时，岩块的撞击能与撞击速度将远大于实验情形，其温度应更高，并能维持更长时间的高温，这样的高温易使沉积岩石中的易燃物起火（黄磷的燃点约34℃，硫的燃点约207℃），从而引起瓦斯爆炸或矿井火灾。所以，顶、底板或煤层伴生有磷、硫化物的煤矿开采过程中，应采取适当措施，避免因岩石撞击引发矿井瓦斯爆炸。
C：混凝土结构失稳过程的红外监测研究
最初的研究主要集中在混凝土材料在加载过程中的红外（包括微波）辐射规律的探测上。而针对实际应用进行工程物理实验模拟研究还未开展，目前正着手开展混凝土工程物理模拟的加载红外监测实验，拟研究模型在加载过程中红外辐射的变化特征及变化规律，研究模型失稳破坏的红外辐射前兆，并最终建立岩石及混凝土工程健康状况红外技术诊断的技术模式。
1.2遥感—岩石力学的遥感学基础
1.2.1 遥感物理基础
遥感（Remote Sensing）是一种远距离的、非接触式的目标探测技术与方法。对于遥感有多种定义，广义的遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等。目前，对遥感比较一致的定义：在远离被测物体或现象的位置上，使用各种仪器设备，接受、记录物体或现象反射或发射的电磁波信息，经过对信息的运输、加工、处理、分析与解译，对物体或现象的性质极其变化进行探测与识别的理论与技术。
（1）电磁辐射源
自然界中的一切物体在一定温度下（高于绝对温度零度）都具有发射辐射电磁波的特性。遥感辐射源可分为自然辐射源和人工电磁辐射源两大类。
①自然辐射源
自然辐射源主要包括太阳辐射和地物热辐射。太阳辐射是可见光和近红外遥感系统的主要辐射源，地球自身则是远红外遥感的辐射源。
太阳是一个巨大的电磁辐射源，太阳表面温度高达6000k，内部温度则更高，每秒钟辐
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射出的热量大于3.84×10J。由于大气对太阳辐射具有一定的吸收、散射和反射作用，尽
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管太阳辐射能量到达地球时有一定损失，但它达到地球的能量仍有1.73×10J之大，地球
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的主要能量来源就是太阳。太阳辐射覆盖了很宽的波长范围，从短于10m的γ射线一直到波长大于20km的无线电波。
②人工辐射源
主动式遥感（包括主动式微波遥感）采用人工辐射源。人工辐射源是指人为发射具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接受并判断地物散射该光束而返回的后向反射信号的强弱，从而探知地物或测距，又称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达，在微波遥感中，目前常用的技术是侧视雷达。一般情况下，微波辐射源常用的波段为0.8～30μm，而激光辐射源波长范围则较宽，短波波长可到0.24cm以下，长波波长可达1000cm。
（2）辐射的度量
①辐射能：指以电磁波的形式发射、传输或接受的能量，单位J。 ②辐射通量：指单位时间内通过某一表面的辐射能量，单位W。
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③辐射通量密度：指单位时间内从单位面积上辐射出的辐射能量，单位W/m。
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④点源辐射强度：指点辐射源在某一给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位是W/sr。
⑤面源发射亮度：指面状辐射源在某方向上的单位投影面积上的单位立体角内的辐射
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通量，单位是W/（m.sr）
(3)黑体辐射 ①绝对黑体
为便于讨论物体的热辐射性质，需要一个理想的标准热辐射体作为参照源，这就是绝对黑体（简称黑体）。黑体是指在任何温度下，入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也无透射的物体。
②黑体辐射定律
1900年，普朗克用量子论推导出热辐射定律，揭示黑体辐射通量密度与其温度和辐射波长的关系。该关系用普朗克公式表示如下：
W2πhc25.1ech1kT
式中：W—分子光谱辐射通量密度（W/（m.sr）
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h—普朗克常数，其值为6.626×10 W.S
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k—波尔兹曼常数，数值为1.3806×10 W.S/K T—黑体的绝对温度，k
由普朗克公式和实验求得的不同温度下的黑体波普曲线符合的很好，从图中可以清楚地得到黑体辐射的3个特性：
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不同温度下的黑体辐射
a. 与曲线下面积呈正比的总辐射通量密度是随温度增加而增加的。在全部波长范围内对普朗克公式进行积分，得到单位面积内黑体辐射到半球空间的总辐射通量表达式为（称为斯蒂芬—波尔兹曼定律）
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WT4 式中：—斯蒂芬—波尔兹曼常数，其数值为5.67×10 W/m.k
可见，黑体通量的密度的增加与绝对温度的4次方成正比。也就是说，当温度有很小的变化时，都会引起辐射通量密度的很大变化。这表明，不同温度的物体具有不同的辐射能量，记录它们之间的辐射能量差别就为区别它们提供了基础，这也是在遥感图像上识别不同目标的物理学基础。
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b. 随着温度的升高，辐射通量密度的最大值max向短波方向移动，称为维恩位移定律。对普朗克公式微分并求极值，得到下式
max式中：为常数，其数值为2897.8±0.4μm.k
T从图中可以看出，黑（物）体间辐射通量密度区别的明显处就在max附近。因此，记录地物在max处的辐射特征并进行地物识别，将更为有利。维恩位移定律为识别特定地物而设计遥感器的特定相应波段提供了重要的理论基础。
c. 每条曲线彼此不相交，即温度越高，所有波长上的辐射通量密度也愈大，表明辐射通量密度是随着温度的升高而增大。该特性表明：不同温度的黑体在不同波段处的辐射通量密度W是不同的；由于不同温度黑体间的W不同，因而在分波段记录的遥感图像上它们是可区别的。
③实际物体的辐射
自然界中，真正的黑体辐射是不存在的，一般地物的辐射能量总要比黑体辐射能量小。对于非黑体（即一般物体），需要引入一个表征物体发射能力的物理量，即光谱发射率，才能利用黑体辐射的有关公式进行计算。光谱发射率是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）W与同温度的黑体的辐射出射度W黑的比值，用表示。事实证明，地物的发射率与地物的温度、波长有关，有时也与其发射方向有关，如下图所示。物体发射率随着波长变化的规律称为物体的光谱发射特性。将物体的光谱发射率与波长的关系在直角坐标系中的曲线描述称为物体的发射特性曲线。
地物的发射特性曲线
；另一种从上图中可以看出，一种地物的发射率在各个波长处不尽相同，即f
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地物的发射率在各波长处基本不变，即0。按的变化情况可以将地物分为以下几种类型：
a. 绝对黑体，=1
b. 灰体，，但0 ＜＜1 c. 选择性黑体，fd. 理想反射体（绝对白体），=0
自然界中的物体一般都可以近似看成灰体，可得到一般地物的斯蒂芬—波尔兹曼定律
WT4 1.2.2 遥感技术及其发展
（1）遥感技术系统组成
遥感过程是指遥感信息的获取、传输、处理以及分析判读和应用的全过程。遥感技术的内涵包括遥感信息源的物理性质、分布及其运动形态，环境背景以及电磁波的光谱特性，大气的干扰和大气窗口，遥感器的分辨能力、性能和信噪比以及图像处理及识别等。
遥感技术系统是一个从地面到空中、直到空间，从信息采集、存储、传输及处理到分析判读、应用的完整技术系统。现代遥感技术系统一般由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统和信息分析应用系统4大部分组成，如下图所示。
遥感技术系统的组成
（2）遥感技术分类
遥感技术的分类指标有很多种，通常按遥感平台、遥感器和遥感波段进行分类。 ①按遥感平台分类
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遥感中搭载遥感器的工具称为遥感平台。遥感平台的种类很多，按遥感平台所在的高度可分为3类，即地面平台、航空平台和航天平台。这代表了遥感技术发展过程中相互衔接，又相互重叠的3个阶段或3个方面。
a. 地面遥感
地面遥感是指使用三脚架、遥感塔、遥感车等作为遥感平台的遥感技术。通常遥感平台的高度在100m以下。三脚架的放置高度一般在0.75～2.0m之间，在三脚架上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等遥感器进行地物光谱曲线的测定工作。遥感车、遥感塔上的悬臂放置高度一般在6～10m之间，甚至更高，在这样的高度上可以对地物的综合光谱特性进行测定。
随着遥感技术的不断发展，人们越来越多地使用航空遥感和航天遥感数据，但作为基础性研究，地面遥感是一种必不可少的实验手段。地面遥感对于深入研究遥感信息机理及各领域应用信息之间的关系，以及对于开拓遥感信息应用的广度及深度，均至关重要。
b. 航空遥感
航空遥感使用的遥感平台一般在30km以下，通常的遥感平台是遥感飞机。按照飞机的飞行高度，又可将其分为低空遥感、中空遥感和高空遥感。
当遥感飞机在2000m以下的对流层飞行时，称为低空遥感。若要取得等比例尺的航空遥感图像时，飞机飞行高度一般要求在此范围之内。
当遥感飞机在2000～6000m间的对流层中层飞行时，称为中空遥感。通常可以通过这种遥感获取中小比例尺的航空遥感图像。
当遥感飞机在12000左右的对流层顶层和同温层下层飞行时，称为高空遥感。通常可以通过这种遥感获取中小比例尺的航空遥感图像。
航空遥感受对飞机性能和飞行过程有特殊的要求，如航速不宜过快、稳定性能要好，续航能力要强等。
c. 航天遥感
航天遥感使用的遥感平台一般在150km以上，使用人造地球卫星、宇宙飞船、空间轨道站和航天飞机等作为遥感平台。目前对地观测中航天遥感平台主要是遥感卫星、如陆地卫星系列（Landast）、气象卫星系列（NOAA）等
②按遥感器分类
遥感信息的获取是通过遥感器来收集、探测和记录地物的电磁辐射信息。遥感器的性质决定了遥感的能力，包括遥感器对电磁波段的响应能力（如探测灵敏度和光谱分辨率）、遥感器的空间分辨率及遥感图像的几何特性、遥感器获取地物电磁波信息量的大小和可靠程度等。一般将遥感器进行如下分类。
由于遥感器的多样化，导致遥感方式的多样化。一般地，可按遥感器接受的电磁波辐射来源的不同，分为两类，即主动式遥感和被动式遥感。主动式遥感是由遥感器本身向目标发射电磁波，然后收集从目标反射回来的电磁波信息，如合成孔径侧视雷达等。被动式遥感是接受从目标反射的太阳光的能量或目标本身辐射的电磁波能量，如使用摄影相机和多光谱扫描仪等遥感器。
③按遥感波段进行分类 a. 可见光遥感
利用电磁波普中的可见光波段进行的遥感称为可见光遥感。可见光波长约在0.4～0.7μm之间，主要源自太阳辐射。尽管大气对可见光有一定的吸收和散射作用，但可见光遥感仍是遥感技术中使用最多的方式。可见光波段中大部分吧地物都具有良好的亮度反差特性，不同地物在此波段的图像容易区分，所以，可见光遥感是作为鉴别物质特性的主要手段。遥感技术常用光学摄影方式接受和记录地物对可见光的反射特征。
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为进一步探测地物的细微差别，可见光波段还可分为红（0.6～0.7μm）、绿（0.5～0.6μm）、蓝（0.4～0.5μm）3个区。如果分别使用这些波段同时对地物进行探测成像，则称为多光谱遥感或（高）光谱遥感。
b. 红外遥感
利用红外波段进行的遥感称为红外遥感。常用的红外线波长在0.76～1000μm之间。为了实际应用方便，另有一种划分为：近红外（0.7～3.0μm）、中红外（3.0～6.0μm）、远红外（06.0～15.0μm）和极远红外（15～1000μm）。近红外性质与可见光相似，故又称光红外，由于它是地表面反射太阳的红外辐射，因此也称反射红外。中红外、远红外和极远红外是产生热感的原因，故也称为热红外（TIR）。而物体在常温范围内发射红外线的波长多在3～40μm之间，且15μm以上的远红外容易被大气和水分子吸收，因此，红外遥感技术中主要利用3～15μm的中红外至热红外波段，其中主要利用3～5μm和8～145μm波段。
c. 微波遥感
利用微波波段进行的遥感称为微波遥感。微波的波长一般在1mm～100cm之间，根据波长单位，一般将微波划分成毫米波、厘米波和分米波。微波辐射和红外辐射两者都具有热辐射性质。由于微波波长比可见光、红外线要长，受大气中云、雾散射干扰较小，所以能进行全天候、全天时的遥感探测。微波遥感可以采用主动式或被动式。由于地物在微波波段的辐射能量较小，为了能利用微波的优势，一般由遥感器主动向目标发射微波，然后记录地物反射回来的电磁波能量，从而达到探测地物的目的。此外，由于微波对于某些物质具有一定的透射能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物，因此，近年来对微波遥感技术愈来愈受到人们关注，成为又一个重要的遥感手段。
遥感器的基本分类
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1.3遥感—岩石力学的岩石力学基础
1.3.1 岩石及其基本性质
岩石是构成地壳的致密或较松散的聚集体，它是由多种矿物的颗粒、结晶、碎屑以及联结（胶结）这些颗粒的物质和孔隙（空隙）组成的，而且大多数岩石的孔隙（空隙）里含有水，这会对矿物颗粒的相互联结情况产生影响。
（1）岩石的物理性质
岩石的物理性质（physical properties of rock）是其内部矿物基本性质、结构与构造的综合反映，主要包括容重和比重、密度、孔隙率、水理性、热导率和比热等。
①容重与比重
岩石单位体积（包括岩石内孔隙体积）的重量称为岩石的容重（g／cm3），表示为
式中：—岩石容重；
W V W—岩石的重量； V—岩样的体积；
岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水量。岩石的容重大小在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣。一般地，岩石容重越大，其力学性质愈不好；反之，则愈差。
岩石比重，有两种不同定义：
a. 指岩石试块中固相部分单位体积的重量。由于容重包括岩石三相（固相、液相和气相）所有的重量与这些相所占体积的比，故容重始终小于比重；
b．指岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值，即
GSWS
VS.W按此定义，岩石的比重在数值上等于其密度。 可见，岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。成岩矿物的比重愈大，则岩石的比重愈大；反之，则岩石的比重愈小。
②密度
岩石密度指单位体积岩石的质量。值得注意的是，由于岩石包含孔隙，因此岩石的体积
V等于岩石中固体物质的体积Vg加上孔隙的体积V0。包含孔隙（孔隙中为体积）的岩石
密度叫做岩石的体积密度，通常也简称为岩石的密度；而仅指岩石中固态物质的密度叫做岩石的颗粒密度，用r来表示。
③孔隙率
在低压下，所有天然岩石中均包含着大小不一、数量不等、成因各异的孔隙，如矿物颗粒之间的孔隙空间、颗粒之间及颗粒内部的微裂隙和裂隙，这是岩石的重要结构特征之一。孔隙和裂隙对岩石力学性质的影响基本一致，在工程实践中很难将二者分开，因此通称岩石的孔隙性。
岩石的孔隙性常用孔隙率k表示，即：单位体积岩石（包括孔隙本身）中所含的孔隙的体积，以百分数表示。岩石的孔隙、裂隙有的与大气相通，有的不相通。岩石的孔隙率是衡
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量岩石工程质量的重要指标之一。
④水理性
岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性，包含岩石的天然含水率、吸水性、透水性、软化性和抗冻性。
a. 岩石的天然含水率w：指天然状态下岩石中所含水的质量mw与干燥岩石的质量
mrd（即颗粒实体总质量）之比，常以百分数表示，即
wmw mrdb. 岩石的吸水性wa：指岩石在一定条件下吸收水分的性能，取决于岩石的孔隙性，如孔隙数量、大小、开闭程度及分布情况。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水性。岩石的吸水性同样能反应岩石的力学特性，岩石的吸水率愈大，表明岩石的孔隙大，数量多，并且连通性好，岩石的力学性质差。
c. 岩石的透水性：指岩石能被水透过的性能。水只能沿着连通孔隙渗透，其性质可用渗透系数（单位时间内透过岩石某一方向的距离）来衡量，它取决于岩石中孔隙的大小、方向及其相互连通的情况。
d. 岩石的软化性：指岩石浸水后强度降低的性能。岩石的软化性常用软化性来衡量，软化系数是指岩样饱水状态的抗压强度与自然风干状态的抗压强度之比值，即
c式中：c—岩石的软化系数； cw—饱水岩样的抗压强度； c—自然风干岩样的抗压强度。
cw c⑤热导率
岩石的热导率是反映岩石材料热传递特性的重要参量。一般地，热导率定义为：在稳定状态下，热流密度（即通过单位面积的能量流）除以一维导热体中的温度梯度所得的商值，即：
KQ dTdx⑥比热
材料单元体积内能的增加与其本身的质量和温度成正比，其比例因子称为比热。
c1dq. mdT(2)岩石的基本力学性质 ①岩石的应力—应变曲线
岩石在应力作用下的宏观反映是变形或破裂。在岩石力学中，应力—应变曲线（或载荷
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—位移曲线）是描述岩石在加载过程中变形过程及力学特征的重要手段。一般根据岩石在加载过程中应力—应变曲线的变化特征，将岩石从加载到破坏氛围若干个阶段。下图是典型岩石在加载过程中应力—应变曲线，曲线划分为4段和4个特征点，对应4个应力变化阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），分别称为压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段和临失稳阶段；4个特征点分别为E、Y、P、I，分别称为弹性点、屈服点、强度极限点和临失稳点。
阶段Ⅰ：曲线呈向下弯曲状。由于岩石内部存在孔隙和裂隙等缺陷，导致在加载初期，这些缺陷被压密、闭合，使得应力上升缓慢，应力—应变曲线呈现向下弯曲，弯曲的大小代表岩石所含空隙的多少。
阶段Ⅱ：曲线呈线性特征。当岩石内部孔隙被压实后，应变上升缓慢，而应力则上升加快，两者呈现线性增长关系，表明材料进入线弹性阶段。此时，直线斜率的高低代表了材料弹性的强弱。此阶段在整个加载过程中所占比例的大小代表了岩石的脆韧性质、线弹性阶段越长，岩石的脆性越强。
阶段Ⅲ：曲线呈向上弯曲状。表明岩石内部随应力的上升出现了大量的微裂隙，从而造成岩石材料发生塑性变形。开始发生弯曲的分界点Y称为屈服点。曲线弯曲的程度代表材料的塑性大小。这一阶段一直持续到曲线的最高点，即峰值应力点P。
阶段Ⅳ：应力由应力峰值点P开始下降。表明岩石内部的微裂隙逐渐相互贯通并逐渐加宽，出现了宏观破裂。此阶段的岩石虽仍有一定的承载能力，但已处于破坏的临界状态，只要外部应力稍加扰动，岩石就会发生灾难性破坏。
②弹性模量
弹性模量E是正应力n与试块在外加载荷作用方向产生的线性弹性变形1l的
l比值。
各种岩石的弹性模量变化在1～300GPa之间。弹性模量最低的是多孔的凝灰岩以及松软的泥质页岩、片麻岩等。弹性模量最高的是玄武岩、辉绿岩、辉岩和纯橄榄岩等。岩石的弹性模量通常随其密度增大而提高。层状岩石沿层理方向的弹性模量要比垂直于层理方向的弹性模量要高。
③泊松比
岩石试块在受载荷时要发生横向变形，同时由于试块内裂隙的产生、贯通和滑移要产生体积变形。为衡量横向变形与轴向变形之间的关系，沿用材料力学的方法，定义了各向同性
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岩石的泊松比，即：
v-式中：1、2—岩石的轴向和横向应变。
2 1一般岩石的泊松比v=0.15～0.35。其中，泊松比最小的是某些黑云页岩和石灰质页岩、片麻岩；而最大的是某些纯橄榄岩、角闪岩等。
④单轴抗压强度
在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度。抗压强度是反映岩块基本力学性质的重要参数，它在岩体工程分类、建立岩体破坏判据中都是必不可少的。抗压强度测试方法简单，且与抗拉强度和抗弯强度之间有着一定的比例关系，如抗拉强度为它的3％一30％，抗弯强度为它的7％一15％．从而可借助它大致估算其他强度参数。
试验研究表明，岩块的抗压强度受一系列因素影响和控制。这些因素主要包括两个方面：一是岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及微结构发育特征等)、密度及风化程度等等；二是试验条件方面的因素。这里就试验条件因素对岩块抗压强度的影响讨论如下。
a. 试件的几何形状及加工密度
试件形状的影响表现在当试件断面积和高径比相同的情况下、断面为圆形的试件强度大 于多边形试件强度。在多边形试件中，边数增多，试件强度增大。其原因是由于多边形试件的棱角处易产生应力集中，棱角越尖应力集中越强烈，试件越易破坏，岩块抗压强度也就越低。
试件尺寸越大，岩块强度越低，这被称为尺寸效应。尺寸效应的核心是结构效应。因为大尺寸试件包含的细微结构面比小尺寸试件多，结构也复杂一些，因此，试件的破坏概率也大。
试件的高径比，即试件高度(h)与直径或边长(D)的比值，它对岩块强度也有明显的影响。 一般来说，随h／D增大，岩块强度降低，其原因是随h／D增大导致试件内应力分布及其弹性稳定状态不同所致。 b. 加荷速率
岩块的强度常随加荷速率增大而增高。这是因为随加荷速率增大，若超过了岩石的变形速率，即岩石变形未达稳定就继续增加荷载，则在试件内将出现变形滞后于应力的现象，使塑性变形来不及发生和发展，增大了岩块强度。因此，为了规范试验方法，现行的试验规程都规定了加荷速率，一般约为0.5—0.8MPa／s。 c. 端面条件
端面条件对岩块强度的影响，称为端面效应。其产生原因一般认为是由于试件端面与压力承压板间的摩擦作用，改变了试件内部的应力分布和破坏方式，进而影响岩块的强度。 d. 湿度和温度
水对岩块强度有显著的影响。当水侵入岩石时，将顺着裂隙进入并润湿全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的加入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒问的连结力，降低了岩块强度。其降低程度取决于岩石的空隙性、矿物的亲水性、吸水性和水的物理化学特征等因素。水对岩块强度的影响常用软化系数表示。
温度对岩块强度也有明显的影响。岩块强度也随之降低。 e. 层理结构
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岩块强度因受力方向不同而有差异，具有显著层理的沉积岩，这种差异更明显。 ⑤单轴抗拉强度
岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度，简称抗拉强度。虽然在工程实践中，一般不允许拉应力出现，但拉破坏仍是工程岩体及自然界岩体的主要破坏型式之一，而且岩石抵抗拉应力的能力最低。因此，抗拉强度是一个重要的岩体力学指标。它还是建立岩石强度判据，确定强度包络线以及建筑石材选择中不可缺少的参数。
⑥抗剪强度
岩石的抗剪强度是指在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。它是岩石力学重要的指标之一。按剪切试验方法不同，所测定的剪切强度的含义也不同，通常可分为如下三种剪切强度。
a. 抗剪断强度
指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩块的内聚力和内摩擦阻力。岩块的抗剪断强度是通过抗剪断试验测定的。方法有：直剪试验、变角板剪切试验和三轴试验等。其目的是通过试验求取岩块的剪切强度曲线和剪切强度参数值。它是岩体力学参数估算及建立强度判据不可缺少的指标。
b. 抗切强度
指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。由于剪切面上的法向应力为零，所以其抗切强度仅取决于内聚力。岩块的抗切强度可通过抗切试验求得，方法有：单(双)面剪切及冲孔试验等。
c. 摩擦强度
指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面(层面、节理等)再次剪切破坏时的最大剪应力。与此对应的试验叫摩擦试验，其目的是通过试验求取岩体中各种结构面、人工破裂面及岩块与其他物体(混凝土块等)的接触面等的摩擦阻力。
1.4遥感—岩石力学的应用
1.4.1 遥感—岩石力学的主要研究与应用领域
（1）材料行为探测 地球动力、岩石工程与实验状态中，岩石类固体材料将遭受不同的应力活动，包括压缩、拉伸、摩擦、黏滑、扭曲和剪切等；应力活动过程可鞥是迅速的，也可能是缓慢的，短暂的或者是长期的，单一的或者是综合的，一次性的或者是反复的。这些差异及其引起的变形与损伤。均将导致可探测的电磁辐射参量的时空变化。
（2）材料异常诊断
由于岩石各项异性和高度复杂，其受力与变形过程中不同部位将产生可探测的辐射差异。这种差异可能因内部组成及其非均匀空间分布引起，也可能因断裂发展、局部风化和含水量不同引起。
（3）屈服破坏时空预报 通过对应力作用下，岩石类固体材料及其结构电磁辐射变化过程的监测，参考实验研究确定的已知参数、标定曲线或标准图谱，对可能发生或即将发生的岩石屈服破坏等应力灾害进行预报。其应用领域包括地震与山体滑移预报、岩爆与矿柱屈服预测以及岩石与混凝土结构屈服控制等。
遥感—岩石力学的理论基础是岩石受力过程中电磁辐射变化规律、机理及其定性、定量描述。遥感—岩石力学的实践应用是以对目标的电磁辐射进行遥感遥测为基础的，包括辐射参量及其空间相关的场分布、时间相关的量变化等。
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1.4.2 遥感—岩石力学的应用实例
（1）红外遥感用于大型混凝土工程稳定性监测和失稳预测研究
①实验
由于物质的红外辐射对温度十分敏感,温度微小的变化,都可引起红外辐射强度很大的变化,为了证明机械力直接引起红外辐射变化,在实验中,必须保证试件的温度恒定,不随压力增加而改变,即等温过程加载,只有在等温过程加载条件下,得出红外辐射能量变化,才能证明是机械力引起的变化,这个变化与温度无关。
a．遥感测量仪器
红外光谱仪,波长范围为1.444～14.436μm，分成324个波段,等效噪声功率密度NEI=1.5948×10-10W/cm2,视场8.7mrad。红外热象仪,两个工作波段:短波段2.0～5.6μm,长波段8.0～12.0μm,温度分辨率0.1℃,视场0.175rad。
b. 实验方法
在500t压力机作用下,沿试件长轴方向单轴加载至试件破裂,试件尺寸为100 mm×250 mm×400mm,加载速率为1.5MPa/min(为保证等温过程加载)。光谱仪和热象仪的接收器距离试件4.0m。用灵敏度为0.02℃的温度计,监视试件周围环境温度变化,在一块试件加载的过程中,环境温度最大变化ΔT≤0.1℃。在对试件加载前,先测量试件的固有(未受力状态)红外辐射,以此值为基准,然后开始加载,在加载的过程中,同时测量红外辐射、压力、应变和声发射率,测量直到试件破裂。
②实验结果和分析
a．波谱特性随应力的变化
图1、图2分别是图1,2分别是C60混凝土和C40混凝土的波谱特性(8.0～14.0μm)随应
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力的变化。图中纵坐标为红外辐射亮度L,单位为W/cm.sr.m,横坐标为波长,单位为μm。每一条曲线对应一个应力值。物质辐射电磁波能量按波长分配的规律称为物质的波谱特性。σ=0这条曲线,是混凝土本身固有(未受力状态)的波谱特性。由图1,2可见, C60混凝土和C40混凝土的波谱特性随应力增加而上升,表明辐射能量随应力增加而增加,从图中还可以看出, 每条曲线并非完全平行上移,这表明辐射能量随应力增加在不同波长和不同应力状态增加的幅度不同。
b. 可探测的遥感波段
红外辐射能量在不同波段随应力变化的规律称为物质的红外波段辐射特性。对于不同的探测目标,选取不同的遥感波段,对于探测应力,最主要的研究之一是被探测目标的波段辐射
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特性,以便选取适合探测应力的遥感波段,有效地实行稳定性监测,并做出失稳预测。选取可 探测的遥感波段,应满足下列条件: (1)所选取波段应在大气窗口之内。 (2)辐射能量随应力变化大的波长域。 (3)波段特性应是线性或近似线性。
利用卫星已公布的红外遥感波段,研究混凝土在这些波段的波段辐射特性。图3,4分别是这些卫星遥感波段由实验测出的波段辐射特性。图中纵坐标为红外辐射亮度L,单位为
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W/cm.sr.m,横坐标为应力σ,单位为MPa,图中每条曲线末端的数字,为表1中的波段序号。下面对这些波段辐射特性进行分析和讨论。
由图3可见,在波段1,ΔL随σ增加而增加,但在试件临破裂前ΔL随σ增加而下降,在波段2～6, ΔL随σ增加而单调上升。由图3还可看出,波段1,2两条曲线基本平行,波段3,4,5,6,这4条曲线,几乎完全平行,这表明在波段1,2, ΔL随σ变化的速率和规律基本相同,在波段3～6,L随σ的变化速率和规律几乎完全相同。由图3还可看出,在初始应力状态, ΔL随σ变化速率加快,随着σ增加,曲线呈现出弯曲,表明ΔL随σ增加而增加的速率随σ增加略有减慢。此外,波段1,3,4,试件临破裂前,辐射能量随应力增加而减小,预示试件即将破裂,表现出临破裂前兆特征,波段1最为显著。
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由图4可见,波段1～6, ΔL随σ的变化基本为近似线性变化,波段2～5则更接近线性变化。在波段1和波段6表现出明显的临破裂前兆特征,在波段1临破裂前呈现突降特征,在波段6呈现突升特征。通过这些破裂前兆,便能预测失稳发生的时间。
综上分析,图3,4中的6个波段都可以作为混凝土应力测量、稳定性监测和失稳预测的遥感波段。
③结论
a.本实验成功地实现了等温过程的加载实验,得出了混凝土的红外辐射能量随压力变化而显著变化的实验结果,证明了机械力能够直接引起固体物质(混凝土、岩石等)的红外辐射能量发生变化,不需要经历生热中间物理过程。这就把红外辐射能量与应力从物理上直接联系起来。
b.红外遥感有很高的地面分辨率,例如,对一座大型水库大坝,在距离大坝1 km远处测量,对大坝的地面分辨率很容易地做到30cm×30cm,即在30cm×30cm的面积内就有一个应力和温度测量点,如此密集的应力、温度测量点,除了遥感方法十分容易做到外,其他任何方法都做不到。遥感测量出的应力场分布和温度异常分布是高度连续分布,可从应力和温度异常两方面对工程稳定性进行监测,做出失稳预测。遥感测量是非接触、无损伤测量,费用低,效率高,是传统应力测量方法和工程稳定性监测方法所不可比拟的。
c.红外遥感测量不出应力的各个分量,也测量不到内部深处的应力状态,测量的是作用在遥感观测面上的应力矢量的大小。由于红外遥感具有极高的地面分辨率,所以红外遥感能即时准确地发现遥感观测面应力集中、增强的部位或区域及其演变过程,再结合工程体内部深部的点应力测量,进而推断工程整体所处的应力状态,是否发生危险,这是最重要的。
d.当水库大坝及其周围有漏水或渗水的地方时,由于渗漏部位的红外辐射强度比周围干燥部位的红外辐射强度低许多,所以,用红外遥感还能够及时准确地发现渗漏水的部位及渗漏的变化情况。
e.这一物理现象的发现,为工程应力测量和稳定性监测提出了新原理、新方法和新技术,它不但可应用于大型混凝土工程的应力测量、稳定性监测和失稳预测,而且可用于地震预测、矿爆监测和预测以及对岩体、边坡、洞室工程等稳定监测和失稳预测,具有广泛的应用价值和前景。本实验为这些工程应用提供了实验依据,奠定了物理基础,为红外遥感应用和研究开拓了新领域。
(2) 遥感—岩石力学在矿山应用的试验研究 ①试验方案
a. 试验使用的设备
试验使用了德国生产的VarioSCAN3021ST制冷型红外热像仪，它采用碲镉汞探测器，波长范围3.7～5.0μm，热灵敏度高达0.03℃，分辨率320像素×240像素。内置斯特林(Stiriling)闭环制冷器，具有极佳的长期工作稳定性，是两用型热像仪，既可以作为便携式单机使用，又可以通过计算机在线对热像仪进行远程操控和热图数据的采集分析。
b. 试验场地选取
研究选择了河北峪耳崖金矿以及辽宁省鞍山市齐大山铁矿作为试验现场。峪耳崖金矿位于河北省承德市宽城满族自治县境内，属于地下矿山。目前采深已经达到550 m。一些巷道和采区的矿压较高，具备进行矿压灾害现象监测的条件。鞍山钢铁集团公司齐大山铁矿是大型露天铁矿之一，是鞍钢铁矿石原料主要供应基地。矿床属于太古宙鞍山群中的条带状铁矿。随着开采平台不断下降，矿区的一些边坡稳定性问题开始显现，具备露天矿安全检测的试验条件。
②试验结果
a. 矿(岩)柱承压检测
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过去的试验表明，岩石在受压时产生高温辐射现象，压力越高，辐射温度越高。图1(a)和1(d)分别是含孔和含断层岩石加载过程中的热像，图中显示在压力高的部位，热像中显示高温色调;当岩石临近破裂时，在未来破裂部位出现高温辐射条带现象(见图1(b))。这表明，具有高矿压和岩爆倾向的岩石在破裂前应出现红外热像异常现象，利用红外遥感成像探测方法可以监测矿山压力现象。
2010年5月利用红外热像仪对峪耳崖金矿的一些巷道及工作面进行了检测，结果发现在一些高矿压部位，热像呈现高温红外异常现象。图2为45m水平Au158位置的岩柱热像与可见光照片的对比图。
从图中看出，对于承压的岩柱，其红外辐射温度高于周围岩石，幅度在0.2℃左右。仔细观察发现，岩柱所支撑的顶板向左侧倾斜，且在图中圈定处存在一倒三角区域，根据力学分析，该区域是应力集中区，它较右侧岩石承受更大的压力，因而在热像中表现出高温异常。推测该区域是发生岩爆或失稳的危险区。
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b. 顶板承压检测
据统计，近年来顶板事故在矿山各类事故中占到了26.5%～30%。因冒顶片帮引起的事故占重伤以上事故的绝大部分，在矿山轻伤以上事故中也占到了31%。因此，对顶板承压检测就显得非常重要。我们选择了峪耳崖金矿的一些高矿压顶板进行了热红外检测，图3是该矿的1中段盲8大巷的一段顶板的检测结果。
从图中看出，整个顶板要比底板上的落石辐射温度高，而且顶板的温度场也存在着分异现象，图中所圈定区域温度较高。分析温度场分异的原因，认为下部掉落的岩石松散，没有应力作用，与空气充分接触，可以认为其温度与空气相近;而对于顶板来说承受着其上部岩体的力量，受到的应力相对较大，同时图中的圈定区域又是顶板应力集中的部位，根据热力耦合效应，因而出现高温。因此，顶板的温度相对落石高，而圈定区域的温度更高。
c. 井下渗水部位检测试验
水是引发矿山灾害的又一大危险源，尤其对于容易发生透水事故的矿山。因此，对于井下水体的探测识别就显得尤为重要。过去的研究表明，当内含水体的混凝土破裂渗水时，渗水部位的温度会降低(见图5)。因此，可以利用水体的低温特征对其进行热红外检测。对峪耳崖金矿的实地检测中发现，在渗水或涌水量较大的巷道，其温度明显低于干燥或渗水量较小的巷道，并且出水部位的温度明显低于周围岩石区域。图6是一渗水区域的红外热像检测结果，该渗水部位位于巷道的底板(过去矿山为卸水压曾经打过一钻孔，后期封堵，但边缘留下了缝隙，导致渗水)。图6的检测结果反映以下特征①渗水区的温度明显低于周围岩石，幅度大约2℃左右。与其他较干燥的巷道相比，温度低4～5℃②即使同是水域，从底板渗出的新鲜水比周围的非新鲜水温度低1～2℃。③离渗水点越近，水的温度就越低。
上述表明，可以利用热成像手段进行井下渗水点检测，为追踪水源提供了新的方法。即首先对同一水平的巷道进行检测，掌握所有巷道的温度分布情况，并求出平均温度。然后，找出明显低于平均温度的巷道，对该巷道的低温特点及原因进行分析，排除通风等其他因素的影响，结合巷道渗水程度考察，最终确定低温原因来源于巷道渗水。接下来，对确定的渗水巷道进行热红外详细复测，掌握温度场的空间分布特征，找出低温核心部位，结合渗水量肉眼观测与仪器测量，最终圈定出渗水点位置，作为渗水、突水危险靶区。
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③结论
a. 利用热红外手段可以检测井下矿压高的部在这些部位热像呈现高温色调。
b. 热红外手段可以有效检测矿井中的具有冒片落等具危险倾向的岩块体(关键块体)，这些在热像中呈现不同周围岩石的温度色调。
c. 热红外手段可以有效检测矿井下的渗水部这些部位在热像中呈现显著的低温色调。 d. 热红外手段可以检测露天矿中的断层和潜坡危险区，在这些区域热像经常呈现边缘低而高的温度场特征。研究结果为矿山安全与防灾提供了新的技术手段。
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思考题： 初级：
1、 遥感—岩石力学的概念以及学科的发展过程？ 2、 遥感—岩石力学的理论基础？ 3、 遥感—岩石力学主要的应用领域？
中、高级：
1、热红外遥感与微波遥感各自的优缺点？ 2、遥感—岩石力学在哪些地方还需要完善？
3、结合实例说明遥感—岩石力学这门学科的发展趋势？
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黑龙江科技大学关于2013年度知识更新培训作业提交方法的通
知
各位学员：
因我校用于知识更新培训的视频服务器多次出现问题，造成观看视频讲座困难，今年申报职称的学员上报材料的期限已近，现做如下安排：
1、今年申报职称的学员，且在线视频学习时长不够的，和无法通过“在线作业”提交作业的学员。请在6月25日前将作业提交到hkjpeixun@163.com（hkj意为黑科技，peixun意为培训）。
2、对作业封面的要求：将公需课作业和专业课作业分开提交，并在作业的封面写清：姓名、身份证号码、联系电话、学习专业、报名年份、用户名6项信息。
3、发送邮件的要求：在“主题”栏中写清报名年份+专业+学习级别+姓名+作业名称（例如：2010级采矿工程初级纪锋专业课作业）
4、作业的封面是给批改作业的老师用的，邮件的主题栏中的信息是领取证书时用于核对是否提交过作业时用的，所以必须填写清楚。
5、要求在作业的封面写上联系电话，是用于批改作业的老师与作业不合格的学员联系用的，也就是没接到作业不合格的电话即为作业已合格，按照领证通知的要求领起即可。
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