弗尔卡诺岛：2021–2022 年火山不安之后的新高分辨率数字地表模型

以前所未有的细节描绘的火山岛

弗尔卡诺（Vulcano）是位于西西里以北的第勒尼安海（Tyrrhenian Sea）上的一座小岛，既以为“火山”命名而闻名，也因在平静与危机之间频繁摆动而著称。经历了 2021–2022 年间令人担忧的气体排放激增、小规模地震和地面移动后，科学家们着手制作该岛史上最详尽的三维地表地图。这个数字模型不仅满足科学好奇心：它还是理解滑坡、海岸变化和未来可能影响岛上居民与游客的火山风险的强大工具。

为何需要监视火山上的每一处细微变化

活火山不断被喷发、地震、强降雨甚至人类活动重塑。地面的细微变化——新的裂缝、鼓起的斜坡、移动的海滩——常常在灾难发生前很久就显示出上升的岩浆或不稳定山坡的迹象。在弗尔卡诺，数十年的温和不安与 19 世纪末一次历史性爆炸性喷发留下了复杂的火山地形，遍布喷口、锥体与陡峭坡面。在 2021–2022 年的危机期间，气体温度和成分发生剧烈变化，土壤中二氧化碳排放量显著增加，小地震群频繁震动岛屿。官方宣布进入紧急状态。为弄清变化原因并为可能到来的情况做好准备，研究人员需要一幅更新且超精确的岛屿地表全景图。

从空中扫描岛屿

2023 年 8 月 4 日，一架小型飞机在弗尔卡诺上空往返飞行，搭载了复杂的激光扫描仪和相机系统。该激光设备称为机载 LiDAR，每秒向地面发射数十万次近红外脉冲。每次脉冲从地形、植被或建筑物反射回来，使系统在短短半小时多一点的时间里记录下超过 2.2 亿个三维点。同时，一台高分辨率相机采集了岛屿的清晰彩色影像。借助机载精确的 GPS 与惯性传感器，团队将每个激光点的水平与垂直定位精确到几厘米内。

将数十亿个数据点转化为栩栩如生的地貌

回到地面后，科学家们对数据集进行清理与处理，剔除异常测量值，并使用专业软件将剩余的 1.37 亿个点缀合成一幅无缝的数字“皮肤”。该产品称为数字地表模型（Digital Surface Model），表示弗尔卡诺岛上所有物体的高度——包括岩石、土壤、植被与建筑物——点间距仅为 50 厘米。模型捕捉到了诸如耕作坡地上的独立梯田、港区建筑，甚至一排排海滩遮阳伞等细节。将激光数据与高分辨率航空照片结合，团队还精确描绘了海岸线并编目了数百个露出海面的近海小岩礁。

揭示地形中隐藏的风险

新模型不仅具有观赏价值；它还是衡量过去与未来风险的工具。通过对坡面进行细致检查，研究人员能够清晰勾勒出 1988 年 4 月发生在弗尔卡诺中央锥体东北侧的滑坡痕迹，该滑坡很可能由强降雨与地震活动触发。数字高程数据使他们能精确确定滑坡起点、地面下陷的约 29 米高度，以及受影响区域的宽度与长度。如此精确的信息可直接用于滑坡诱发海啸的模拟，并用于评估在未来风暴或再次不安时哪些区域可能处于风险之中。精细描绘的海岸线也支持关于侵蚀、海滩演变和潜在海水淹没的研究。

验证这张地图究竟有多准确

为确保数字模型可信，团队将模型高程与地面采用高精度卫星接收机在 17 个精心选定点收集的测量值以及岛上三座永久 GPS 站的数据进行了比较。在大多数地点，模型与实地测量的差异仅为几厘米，即便在最差情况也接近预期的不确定度。总体而言，典型垂直误差约为 8 厘米——大约一本平装书的厚度——这证实了该数字模型在全岛范围内与现实高度吻合。

为未来岛屿安全建立新的基线

对于居民、应急规划者与科学家而言，这一新的数字地表模型构成了 2021–2022 年危机之后弗尔卡诺的基线快照。它可供任何人免费下载与使用。未来的勘测可以与之对比，以发现火山形态、山坡稳定性或海岸位置的微小变化。简而言之，这项研究为弗尔卡诺提供了有史以来最清晰的“3D 肖像”之一，将原始激光脉冲转化为可用于保护人民与财产免受脚下不安力量侵害的实用知识。

引用: Bisson, M., Gianardi, R., Iacono, F. et al. Vulcano island: the new high resolution digital surface model post 2021-2022 volcanic unrest. Sci Data 13, 286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06623-7

关键词: 火山监测, 弗尔卡诺岛, LiDAR 制图, 滑坡危险, 数字地形模型