熱紅外遙感在福建濱海地?zé)嵴{(diào)查中的應(yīng)用研究

李 明

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院， 福州，350013)

利用熱紅外遙感技術(shù)勘查地?zé)豳Y源，起源于20世紀(jì)70年代，主要采用熱紅外遙感(Infrared Remote Sensing)通過熱紅外探測器收集、記錄熱紅外遙感地物輻射出來的人眼看不到的熱紅外輻射信息，并利用這種熱紅外輻射信息來識別地物和反演地表參數(shù)(如溫度、發(fā)射率、濕度、熱慣量等)[1]，由于該地表熱狀況信息從一定程度上反映了地球深部熱源的分布，進(jìn)而被應(yīng)用到地下熱水資源的勘查中。福建省遙感地?zé)嵫芯抗ぷ飨噍^于傳統(tǒng)的地?zé)峥辈閬碚f，開展較晚，從所查到已發(fā)表的少量資料來看，多數(shù)研究角度較為單一，停留于利用肉眼對色調(diào)的判讀，實際勘察成果也很少得到野外驗證。筆者以福建海壇島—興化灣濱海地?zé)嵴{(diào)查福清工作區(qū)為例，利用熱紅外遙感影像，對工作區(qū)進(jìn)行溫度反演，提取地表熱異常信息，結(jié)合多源數(shù)據(jù)分析圈定預(yù)測靶區(qū)，并得到野外勘查驗證，力圖給予區(qū)域地?zé)豳Y源勘查一種新的思路，提供一定技術(shù)支持。

1 工作區(qū)地質(zhì)特征及水文條件

工作區(qū)位于福建福清灣區(qū)域，面積約為116.3 km2，該區(qū)出露的地層主要有晚侏羅世-早白堊世南園組、早白堊世黃坑組上段和第四紀(jì)。南園組以深灰-淺灰色碎斑熔巖為主，分布較為分散；黃坑組上段以紫灰、灰黑色偏堿性熔巖為主，完整的分布于工作區(qū)東北部；第四紀(jì)主要分布在沿海地區(qū)及內(nèi)陸山間盆地中，以沖積層、殘積層分布最廣，組成物質(zhì)粒度沿海較細(xì)，向陸地段變粗。侵入巖以早白堊世晶洞堿長花崗巖為主，呈巖株或巖瘤狀、不規(guī)則狀沿北西向展布，侵入于南園組和石帽山群及花崗巖類；其次為晚白堊世深灰色閃長玢巖，呈橢圓狀展布(圖1)。

區(qū)內(nèi)地下熱水主要儲存于基巖裂隙之中，形成呈帶狀或脈狀的基巖裂隙水熱儲層。地下熱水通過周邊山區(qū)接受大氣降水的入滲補給，在向排泄區(qū)不斷運移的過程中，隨著深度的增大，地下水從圍巖中獲取熱量形成熱水。熱儲中的熱水沿著斷裂交會處而形成的高滲透帶上涌至地表，形成熱田高溫中心。熱水上涌至第四系含水層，與其中的冷水發(fā)生混合作用，形成了熱田中心外圍中低溫地下熱水。因此，區(qū)內(nèi)地下熱水具有長時間、遠(yuǎn)距離、深循環(huán)的運移特征，這直接導(dǎo)致區(qū)域地表熱異常信息呈溫度低、面積大的特點，對熱紅外遙感地?zé)岙惓Ｐ畔⒌奶崛∨c優(yōu)化選取造成較大干擾。

2 技術(shù)方法流程

工作區(qū)熱紅外遙感解譯分為遙感影像數(shù)據(jù)選擇、遙感影像圖制作、區(qū)域遙感構(gòu)造解譯、遙感地?zé)岙惓Ｌ崛　⑦b感地?zé)岙惓７治雠c預(yù)測五個部分，根據(jù)其工作流程編制了熱紅外遙感解譯流程圖(圖2)。

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)選擇

工作區(qū)遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯使用RapidEye數(shù)據(jù)，空間分辨率為5 m，局部地區(qū)綜合使用IKONOS、Quick Bird等高分辨率數(shù)據(jù)，可以滿足區(qū)域內(nèi)遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯和對假異常甄選的需求。

遙感地?zé)岙惓Ｌ崛∈褂妹绹鳯andsat8的熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，時相為2013年10月23日，影像質(zhì)量很好，無云、無壞點、無高頻噪聲，可以滿足溫度反演的要求。

2.2 遙感構(gòu)造解譯

工作區(qū)遙感解譯地質(zhì)構(gòu)造部分以目視解譯為主，計算機(jī)解譯為輔。主要解譯與地?zé)岙惓Ｓ嘘P(guān)的深大斷裂、斷裂密集帶、節(jié)理裂隙，以及侵入巖、火山巖等熱液來源體和環(huán)狀充水構(gòu)造，并對被第四系覆蓋的區(qū)域進(jìn)行了較為合理的推測。地質(zhì)資料顯示，工作區(qū)北東向構(gòu)造為控?zé)針?gòu)造，以壓扭性為主，提供主要熱源；北西、東西向構(gòu)造為控水構(gòu)造，以張性、張扭性為主，提供主要水源，故在解譯過程中，重點關(guān)注該類構(gòu)造。其解譯成果參見工作區(qū)遙感構(gòu)造解譯結(jié)果圖(圖3)。

2.3 遙感地?zé)岙惓Ｌ崛?/h3>

2.3.1 輻射傳輸方程算法

針對不同的遙感數(shù)據(jù)類型，異常提取方法很多，主要有單窗算法(Mono-window Algorithm)[2]、劈窗算法(SWT,split-window techniques)[3]、輻射傳輸方程算法[4]、密度分割、比輻射歸一化算法(NEM)[5]、主成分分析法等。在這些方法中，只有單窗算法和輻射傳輸方程算法是針對Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，由于前者需要的部分參數(shù)無法收集到，故該工作區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)采用輻射傳輸方程算法(又稱大氣校正法)，首先利用與衛(wèi)星過空時間同步的大氣數(shù)據(jù)來估計大氣對地表熱輻射的影響，然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星高度上傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度，再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式可寫為(輻射傳輸方程)

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

式中：ε為地表輻射率；TS為地表真實溫度(K)；B(TS)為普朗克定律推導(dǎo)得到的黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；L↓為大氣下降參數(shù)(Effective bandpass downwelling radiance)；L↑為大氣上升參數(shù)(Effective bandpass upwelling radiance)。

溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

則地表實際溫度TS為

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

2.3.2 地?zé)岙惓Ｌ崛?/p>

利用輻射方程算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度反演，地?zé)岙惓＝Y(jié)果在陸地按照1℃進(jìn)行分類，陸地重點區(qū)域按照0.5℃進(jìn)行分類，形成遙感地?zé)岙惓７植紙D(圖4)。

2.3.3 異常分析與預(yù)測

對于所選數(shù)據(jù)p119r42(軌道號119，行列號42)，拍攝于2013年10月23日，過境時間為美國時間2點34分，即北京時間14點34分，幾乎為一天中溫度最高值。據(jù)收集到的當(dāng)?shù)貧庀蟛块T天氣數(shù)據(jù)，當(dāng)天福州地面氣象站的最低溫度、最高溫度及平均溫度分別為16.8℃、27.8℃、21℃。因此，為了提高所提取異常的有效精度，在進(jìn)行溫度反演過程中，經(jīng)反復(fù)研究分析，認(rèn)為取22℃以上為有效異常溫度、28℃以上為重點異常溫度較為合理。經(jīng)統(tǒng)計，28℃以上的面積2.81 km2，29℃以上面積0.61 km2，30℃以上面積0.136 km2，分別占工作區(qū)總面積(154.6 km2)的1.82%、0.39%、0.088%。

地?zé)岙惓５念A(yù)測主要在已知地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)天氣象狀況、不同時相的高分辨率遙感影像、遙感構(gòu)造解譯成果、遙感地?zé)岙惓Ｌ崛〗Y(jié)果進(jìn)行宏觀比較和微觀分析，在多重數(shù)據(jù)下推測地球深部溫度場空間分布，剔除人工假異常區(qū)，建立室內(nèi)遙感地?zé)岙惓＝庾g標(biāo)志，繼而進(jìn)行野外調(diào)查驗證，進(jìn)一步完善地?zé)岙惓＝庾g標(biāo)志，提高該區(qū)域遙感地?zé)岙惓ｎA(yù)測的準(zhǔn)確性，并圈定地?zé)岙惓ｎA(yù)測區(qū)。經(jīng)過對工作區(qū)遙感地?zé)岙惓７治?分析范圍主要針對28℃以上區(qū)域)，共圈出A、B、C 3處異常預(yù)測靶區(qū)(圖5)。

A區(qū)：長樂—馬甲北東向斷裂帶與北西向斷層交會處，遙感地?zé)岙惓Ｃ黠@，呈完整的階梯向中心遞增，呈橢圓形態(tài)，東西長400 m，南北寬280 m，面積約0.086 9 km2，最高反演溫度31℃。

B區(qū)：北西向斷層與北東東向斷層交會處，遙感地?zé)岙惓Ｃ黠@，呈近圓形形態(tài)，面積約0.031 7 km2，最高反演溫度30℃。

C區(qū)：處于早白堊紀(jì)晶洞堿長花崗巖，有一組北東向平行斷層穿過，具有富水和儲水條件，地?zé)岙惓Ｐ螒B(tài)呈條帶狀，南北長850 m，東西寬350 m，面積約0.245 2 km2，地?zé)岙惓Ｗ罡叻囱轀囟?1℃。

最后在預(yù)測靶區(qū)A區(qū)內(nèi)進(jìn)行物探淺孔測溫，鉆孔深度為60 m處，測得鉆孔出水口溫度為26℃，為工作區(qū)測溫最高值。預(yù)測靶區(qū)C區(qū)內(nèi)布置了2個鉆孔，鉆孔深度分別為60 m和70 m，其鉆孔出水口溫度均為23.5℃，為工作區(qū)測溫次高值。

3 結(jié)論

(1)利用輻射傳輸方程算法對熱紅外影像進(jìn)行溫度反演，提取工作區(qū)陸地表面熱異常信息，綜合區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣象信息、高分辨率遙感影像等多重數(shù)據(jù)，共圈定了長樂—馬甲北東向斷裂帶與北西向斷裂交會處，北西向斷層與北東東向斷層交會處，區(qū)內(nèi)早白堊紅晶洞堿長花崗巖3處遙感地?zé)岙惓ｎA(yù)測區(qū)，其中前2處得到了野外鉆孔溫度異常驗證，在地?zé)峥辈橹芯哂休^為可靠的實際效用。

(2)工作區(qū)位于福建濱?；鹕綆r地區(qū)，地貌上屬于低緩丘陵、濱海平原，居民點密集，人類開發(fā)活動多，植被覆蓋率較低，客觀上提高了遙感地?zé)岙惓Ｌ崛〉目尚行院蜏?zhǔn)確度，對今后在類似地區(qū)開展遙感地?zé)峁ぷ骶哂幸欢ǖ闹笇?dǎo)意義，但是，該方法能否推及整個濱海區(qū)域甚至中西部植被覆蓋較高區(qū)域，有待進(jìn)一步實踐驗證。

本文系“福建海壇島—興化灣濱海地?zé)嵴{(diào)查”項目的部分遙感成果，系集體工作成果，在成文過程中得到了福建省地質(zhì)調(diào)查研究院李榮安高級工程師的悉心指導(dǎo)，承蒙歐于祥高級工程師的認(rèn)真審閱，在此一并深表感謝！

1 李小文.多角度與熱紅外對地遙感.北京：科學(xué)出版社，2001.

2 覃志豪.用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法.地理學(xué)報，2001，56(4).

3 丁莉東，覃志豪，毛克彪.基于MODIS影像數(shù)據(jù)的劈窗算法研究及其參數(shù)確定.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005，20(2).

4 丁鳳，徐涵秋.TM熱紅外波段圖像的地表溫度反演算法與實驗分析.地理信息科學(xué)，2006，8(3).

5 許軍強(qiáng)，白朝軍，劉嘉宜.基于遙感技術(shù)的長白山火山區(qū)地?zé)犷A(yù)測研究.國土資源遙感，2008，75(1).