保定市東部平原地表溫度反演研究

李春波，任 磊，于 蒙，焦尚斌

華北地質(zhì)勘查局五一九大隊，河北 保定 071051

0 引言

地?zé)豳Y源作為一種天然綠色能源，與傳統(tǒng)能源相比具有廉價、潔凈、可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)，其開發(fā)利用越來越受到人們的重視[1]。傳統(tǒng)的地?zé)豳Y源勘查方法主要包括地質(zhì)、化探、物探、鉆探等手段[2]，近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者開展了基于熱紅外遙感技術(shù)的地?zé)岙惓^(qū)地表溫度反演研究，取得了較好的效果。閆佰忠等基于Landsat TM5數(shù)據(jù)對長白山玄武巖區(qū)地表溫度進(jìn)行了反演，劃分了潛在地?zé)豳Y源異常區(qū)[3]；唐超等利用Landsat ETM數(shù)據(jù)對騰沖地區(qū)地?zé)岙惓^(qū)地表溫度進(jìn)行了反演，查明了潛在地?zé)岙惓７植嫉貛4]；賀金鑫等基于Landsat 8數(shù)據(jù)對遼東地?zé)釁^(qū)地表溫度進(jìn)行了反演，并對高溫異常區(qū)和已知溫泉點(diǎn)的空間分布特征進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)溫泉點(diǎn)均位于高溫異常區(qū)內(nèi)[5]。相比傳統(tǒng)的物探、化探等方法，遙感技術(shù)具有價格低廉、效率高、范圍廣、可進(jìn)行大區(qū)域探測地表溫度分布變化等特點(diǎn)[6]，在地?zé)豳Y源勘查中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

保定市地處中朝準(zhǔn)地臺(Ⅰ級)的燕山臺褶帶、山西斷隆和華北斷坳三個Ⅱ級構(gòu)造單元的結(jié)合部位，經(jīng)過漫長的地質(zhì)構(gòu)造演化蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源，其中保定市東部平原分布有涿州地?zé)崽?、容城地?zé)崽?、牛駝?zhèn)地?zé)崽?、高陽地?zé)崽锏?，開發(fā)利用前景廣闊[7-8]。論文基于Landsat 8 OLI/TIRS遙感數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程法反演保定市東部平原區(qū)地表溫度，分析地表溫度分布特征，劃分地表溫度異常區(qū)，探尋該地區(qū)地表溫度異常與地?zé)豳Y源分布之間的關(guān)系。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)概況

保定市位于河北省中部，地理位置位于東經(jīng)113°40′～116°20′、北緯38°15′～39°57′之間，地勢西北高、東南低，整體可分為西北部的太行山區(qū)以及東南部的平原區(qū)。研究區(qū)位于保定市東部平原，主要包括保定市區(qū)、容城、雄縣、安新、高陽、定興、定州、望都、安國、蠡縣、涿州、高碑店等區(qū)域。氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，夏季多東南風(fēng)，炎熱多雨，降雨多集中在7～9月；冬季多西北風(fēng)，寒冷干燥。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富(圖1)，根據(jù)相關(guān)研究，研究區(qū)內(nèi)地?zé)崽镏饕袖弥莸責(zé)崽?、容城地?zé)崽?、牛駝?zhèn)地?zé)崽?、高陽地?zé)崽锏龋渲信ｑ勬?zhèn)地?zé)崽锸呛颖笔〉責(zé)衢_發(fā)最為成熟的地?zé)崽颷8]，地?zé)豳Y源開發(fā)利用方式以地?zé)峁┡⑾丛?、種植、養(yǎng)殖為主，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益[9-10]。

圖1 研究區(qū)位置及地?zé)豳Y源分布略圖(據(jù)張德忠等，2013)

1.2 研究數(shù)據(jù)

Landsat系列衛(wèi)星的熱紅外波段具有較高的空間分辨率，常用于進(jìn)行地表溫度反演[11-12]。本次研究數(shù)據(jù)選擇Landsat 8 OLI/TIRS遙感影像，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，影像獲取時間為2013年11月4日和2013年11月11日，影像質(zhì)量較好，滿足本次研究需要。Landsat 8數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、影像鑲嵌、裁剪等，以得到研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)用于地表溫度反演。

1.3 地表溫度反演

基于Landsat 8熱紅外波段反演地表溫度的常用方法大致可分為輻射傳輸方程法、單窗算法、單通道算法等[13-14]。其中，輻射傳輸方程法的基本原理是將衛(wèi)星傳感器接收到的總輻射分為三部分，分別是地表熱輻射經(jīng)大氣衰減后到達(dá)傳感器的輻射、大氣上行輻射和大氣下行輻射經(jīng)地表反射后通過大氣傳輸?shù)絺鞲衅鞯妮椛?。與其他方法相比，輻射傳輸方程法僅需要3個基本參數(shù)：植被覆蓋度、地表比輻射率和輻射亮度[15]，數(shù)據(jù)處理過程簡單，反演結(jié)果與其他方法有較好的一致性，因此本次研究采用輻射傳輸方程法反演研究區(qū)地表溫度。反演所需參數(shù)的計算如下：

植被覆蓋度計算公式為[16]：

Fv=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(1)

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIv和NDVIs分別是植被和裸地的NDVI值，本次研究中，NDVIv=0.70，NDVIs=0.05。NDVI的計算公式為[17]：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(2)

式中，ρnir和ρred分別為Landsat 8近紅外和紅外波段的反射率。

地表比輻射率可根據(jù)以下公式計算[18]：

ε=0.004Fv+0.986

(3)

輻射亮度的計算公式為[19]：

B(Ts)=[Lλ-(L↑)-τ(1-ε)(L↓)]/(τε)

(4)

式中，B(Ts)為溫度Ts時黑體的輻射亮度，Lλ為衛(wèi)星熱紅外傳感器接輻射強(qiáng)度，L↑和L↓分別為大氣上行輻射強(qiáng)度和大氣下行輻射強(qiáng)度，τ為大氣透過率，這3個參數(shù)可在NASA提供的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)輸入成像時間以及中心經(jīng)緯度等信息獲取[20-21]。

以上參數(shù)計算完畢以后，可根據(jù)以下公式計算地表溫度[19]：

(5)

式中，K1=774.89W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 321.08K。

2 結(jié)果與討論

2.1 地表溫度分布特征

研究區(qū)地表溫度反演結(jié)果如圖2所示，研究區(qū)地表溫度整體上呈西低東高態(tài)勢分布，低值區(qū)域主要位于研究區(qū)西部保定市主城區(qū)一帶及白洋淀區(qū)域，高值區(qū)域主要分布在研究區(qū)東部高碑店、容城、雄縣、安新一帶以及高陽、蠡縣、博野一帶。統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)地表溫度最低為0.54℃，最高26.25℃，平均值12.46℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.56，地表溫度主要分布在10℃～15℃之間，小于10℃區(qū)域占比4.17%，大于15℃區(qū)域占比5.78%，地表溫度分布基本符合正態(tài)分布特征(圖3)。

圖2 研究區(qū)地表溫度分布圖

圖3 研究區(qū)地表溫度直方圖

2.2 地表溫度異常提取

地表溫度異常提取的主要目的是劃分研究區(qū)的地表溫度高值區(qū)域，進(jìn)而分析地表溫度異常區(qū)與地?zé)豳Y源(地?zé)崽?分布之間的關(guān)系。研究地表溫度基本呈正態(tài)分布，地表溫度高值和低值占比較小，因此地表溫度異常的提取可按照m+a·s的方法，m為平均值，s為標(biāo)準(zhǔn)差，一般a分別取1.5、2.0、2.5，分別代表在平均值的基礎(chǔ)上擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)差的1.5、2.0、2.5倍，分別表示低(14.80℃～15.58℃)、中(15.58℃～16.36℃)、高(>16.36℃)三個等級的地表溫度異常[3]，進(jìn)而劃分地表溫度異常區(qū)(圖4)。

圖4 研究區(qū)地表溫度異常分布圖

2.3 地表溫度異常與地?zé)豳Y源之間的關(guān)系

研究區(qū)地表溫度異常主要集中分布在研究區(qū)東部的高碑店、容城、雄縣、安新、高陽、蠡縣等區(qū)域，其他地區(qū)僅以單點(diǎn)或小范圍方式呈現(xiàn)，因此進(jìn)一步將研究區(qū)地表溫度異常劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域。根據(jù)相關(guān)資料[22]，保定市東部平原主要分布有牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽?、容城地?zé)崽?、高陽地?zé)崽?圖1)等，主要位于容城、雄縣、安新、高陽、蠡縣等區(qū)域，經(jīng)過大量地質(zhì)勘查和研究證實了是區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)條件和開采技術(shù)條件相對較好的區(qū)域。研究區(qū)地表溫度異常區(qū)與地?zé)崽镂恢没疚呛希饕責(zé)崽飬^(qū)域的地表溫度異常等級較高、面積較大，說明地?zé)崽镌诘乇頊囟确囱萁Y(jié)果中有一定程度的體現(xiàn)?；跓峒t外遙感反演的地表溫度結(jié)果受多種因素的影響，研究區(qū)地表溫度異常與地?zé)崽锊⒎峭耆珜?yīng)的關(guān)系，但從整體上來看，研究區(qū)地表溫度異常主要分布在研究區(qū)東側(cè)，與地?zé)崽镂恢没疽恢拢砻骰跓峒t外遙感技術(shù)提取地表溫度異常區(qū)可以作為地?zé)豳Y源勘查或預(yù)測的一種有效方法。

3 結(jié)論

本次研究基于Landsat 8熱紅外遙感數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程法反演保定市東部平原區(qū)地表溫度。結(jié)果表明研究區(qū)地表溫度基本呈正態(tài)分布，主要分布在10℃～15℃之間，低值區(qū)域主要位于研究區(qū)西部保定市主城區(qū)一帶及白洋淀區(qū)域，高值區(qū)域主要分布在研究區(qū)東部高碑店、容城、雄縣、安新一帶以及高陽、蠡縣、博野一帶；在將地表溫度劃分為低、中、高三個異常等級的基礎(chǔ)上，圈定出2處地表溫度異常區(qū)，主要分布在雄安新區(qū)、高陽縣一帶地?zé)豳Y源豐富且開發(fā)利用程度較高區(qū)域，與地?zé)崽锓植蓟疽恢?，說明該方法具有一定的有效性。該研究對保定東部平原地?zé)豳Y源進(jìn)一步勘查開發(fā)具有一定的意義。