基于Landsat 8的開采全周期礦區(qū)地表溫度反演

畢京銳,張 坤,張 震,付 俊

(安徽理工大學(xué) 空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

長期以來，煤礦開采都是中國工業(yè)大力發(fā)展的重要支撐力量。然而，長時(shí)間、大規(guī)模、高強(qiáng)度、粗放式的煤礦開采勢必會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的損害[1-2]。與傳統(tǒng)非充填開采方式相比，充填開采利用充填漿液在離層空間內(nèi)沉淀壓實(shí)后對上覆巖層起到支撐作用，從而減緩覆巖移動(dòng)變形向地表傳播，進(jìn)而達(dá)到減少地表下沉的目的。地表沉陷直接影響著礦區(qū)土壤、植被、水等關(guān)鍵生態(tài)要素的時(shí)空演變。地表溫度作為區(qū)域和全球尺度上陸地表面溫度物理變化過程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，綜合了所有地氣相互作用和能量交換的結(jié)果[3]。地表溫度(Land Surface Temperature,LST)是反映地球表面自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要物理指標(biāo)[4-5]，在一定程度上可以反映并預(yù)測土地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境的變化。為定量研究充填開采與非充填開采對礦區(qū)地表溫度的影響以及影響的差異性，通過遙感影像對地表溫度進(jìn)行反演，分析其規(guī)律。

黃元等[6]將Landsat多光譜數(shù)據(jù)與實(shí)測地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，綜合光譜特征選取最優(yōu)波段作為輸入?yún)⒘?，利?種常用的數(shù)據(jù)同化方法對研究區(qū)地表溫度進(jìn)行演變模擬。邱文瑋等[7]以徐州九里礦區(qū)1995、2000、2004、2010年的Landsat TM影像為數(shù)據(jù)源，研究礦區(qū)生態(tài)擾動(dòng)對地表溫度的影響效應(yīng)。劉英等[8]以神東礦區(qū)為基礎(chǔ)，從礦井尺度分析神東礦區(qū)9個(gè)主要礦井采區(qū)和非采區(qū)地表溫度的季節(jié)差異性。廖東等[9]基于Landsat 8影像，利用監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類對遙感影像進(jìn)行處理，并比較二者應(yīng)用于地物分類的精度，結(jié)果表明監(jiān)督分類的效果更好。劉悅[10]通過目視解譯，從土地利用類型結(jié)構(gòu)、變化速度和轉(zhuǎn)化關(guān)系等方面分析陳寨2003—2015年土地利用變化情況及其驅(qū)動(dòng)力因素。

基于此，文中將溫度反演與監(jiān)督分類相結(jié)合，分析開采全周期內(nèi)兩個(gè)區(qū)域地表溫度變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)選取

1.1 礦井位置及基本概況

袁店二井煤礦位于安徽省濉溪縣和渦陽縣交界處，坐落在曹市鎮(zhèn)高長營新村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°27′56″，北緯33°31′96″。研究區(qū)內(nèi)地形平坦，地面標(biāo)高為+28～+31 m，平均為+29.5 m。研究區(qū)為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，氣候溫和，雨量適中，四季分明，無霜期較長。年平均氣溫為15.1 ℃，年平均降雨量810 mm，降雨多集中在7、8月份。

1.1.1 83采區(qū)位置

83采區(qū)為非充填開采區(qū)域，位于袁店二礦西南部3.5～4.0 km處，南起82煤層露頭線，北至F14斷層，與礦井81、87采區(qū)相接，礦井大致開采傾向?yàn)槟媳狈较騕11]。其中，7234工作面于2018年6月開始回采，同年10月回采結(jié)束。其主要下沉量集中于7232工作面地表，下沉活躍狀態(tài)持續(xù)至2019年6月，最大下沉值增至3 099 mm。

1.1.2 82采區(qū)位置

82采區(qū)為充填開采區(qū)域，位于礦井中南部，南起82煤層露頭及高長營孜斷層上盤斷煤交線，北至F高-7斷層下盤和礦井工廣保護(hù)煤柱線；東以采礦權(quán)登記邊界作為采區(qū)邊界；西至DF2斷層下盤斷煤交線與81采區(qū)和83采區(qū)相鄰。東西寬600～1 600 m，南北長約2 400 m，面積約2.3 km2。其中，1025工作面回采時(shí)間為2018年6月17日，2019年1月10日收作。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中研究區(qū)范圍內(nèi)包含充填開采采區(qū)及其擾動(dòng)影響范圍、非充填開采采區(qū)及其擾動(dòng)影響范圍。區(qū)域位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置

充填開采采區(qū)及其擾動(dòng)影響范圍為袁店二井82采區(qū)1025工作面及其擾動(dòng)范圍；非充填開采采區(qū)及其擾動(dòng)影響范圍為袁店二井83采區(qū)7234工作面及其擾動(dòng)影響范圍；未開采區(qū)域位于82采區(qū)內(nèi)部1025工作面東部。由于7234工作面回采時(shí)間為2018年6月至10月，1025工作面回采時(shí)間為2018年6月至2019年1月，為更好地比較非充填與充填兩種礦區(qū)開采方式對地表溫度的影響，選取兩個(gè)礦區(qū)共同開采時(shí)間段的影像作為研究對象。

2 研究方法

文中主要以Landsat 8 TIRS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過輻射傳導(dǎo)方程法(大氣校正法)[12-13]對82、83以及未開采采區(qū)開采全周期的地表溫度進(jìn)行定量反演，將3個(gè)采區(qū)的地表溫度進(jìn)行對比，分析地表溫度的變化規(guī)律。

雖然近年來很多國內(nèi)外學(xué)者在溫度反演算法比較上多有研究，且各種算法精度存在差異，但針對不同區(qū)域、不同數(shù)據(jù)源等方面，其算法精度優(yōu)劣性各有不同。由于文中的研究重點(diǎn)為礦區(qū)開采全周期地表溫度變化及規(guī)律，因此，只要確保使用同一種算法對所有影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演即可控制算法精度對規(guī)律研究的干擾。

2.1 輻射傳導(dǎo)方程法(大氣校正法)

輻射傳導(dǎo)方程法，也稱為大氣校正法(Radiative Transfer Equation Algorithm，RTEA)。此算法對地表溫度的反演是通過一些大氣輻射傳輸模型，如MODTRAN系列、LOWTRAN系列、ATCOR或6S，根據(jù)實(shí)時(shí)的大氣探空數(shù)據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線數(shù)據(jù)，估計(jì)大氣對地表熱輻射的影響，并從遙感器所觀測到的熱輻射總量中剔除這部分大氣影響，從而得到真實(shí)的地表輻射強(qiáng)度，最后把真實(shí)的地表輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

輻射傳導(dǎo)方程算法反演的地表溫度在總體趨勢上和亮度溫度比較接近[14]，在一定誤差允許范圍內(nèi)可以保證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 歸一化地表溫度

由于遙感影像存在時(shí)相差異性，不能用反演地表溫度直接做比較，所以需將地表溫度進(jìn)行歸一化處理[8]，將地表溫度分布范圍統(tǒng)一在0～1之間，公式為

(1)

式中：N為地表溫度歸一化結(jié)果；T為輻射傳導(dǎo)方程法反演的地表溫度，℃；Tmin和Tmax分別為T累計(jì)統(tǒng)計(jì)1%和99%的值。

2.3 地表溫度反演精度對比與可行性分析

通過天氣網(wǎng)查詢的遙感影像當(dāng)天的氣溫如表1所示。

表1 遙感影像當(dāng)天氣溫

氣溫是指大氣中的溫度，太陽的光輻射熱能被地面吸收后，地面再通過輻射、傳導(dǎo)和對流把熱能傳給大氣，這是地球大氣中產(chǎn)生熱量的主要來源，通常來講，地表溫度會(huì)明顯高于大氣溫度[15]。因此，本次反演的地表溫度具有客觀真實(shí)性，可用于研究充填與非充填開采采動(dòng)影響范圍的地表溫度差異。

3 結(jié)果與分析

研究區(qū)附近除居民地之外主要土地利用類型為耕地，該地區(qū)主要種植小麥和大豆兩種作物。6月初為春季小麥的收割時(shí)間，9月底為大豆的收割時(shí)間，10月下旬開始種植春小麥。地表覆蓋度發(fā)生明顯變化時(shí)會(huì)對地表溫度造成影響[16]。開采地表塌陷會(huì)對建筑物產(chǎn)生影響，破壞建筑物的形狀，更有甚者會(huì)導(dǎo)致建筑物塌陷傾斜[17]，但建筑區(qū)的溫度變化主要是由其構(gòu)成成分影響，受充填和開采的影響較小，因此，不對建筑物方面加以分析。

文中主要分析兩種開采方式及其擾動(dòng)范圍內(nèi)的地表溫度差異，而地表溫度的變化規(guī)律與地物類型息息相關(guān)，因此，對研究區(qū)區(qū)域分別進(jìn)行監(jiān)督分類[18]及地表溫度反演，通過地物類型分布與地表溫度相結(jié)合，分析相同時(shí)間、相同地物類型、不同區(qū)域的地表溫度分布規(guī)律以及開采過程中不同時(shí)間、同一區(qū)域、同一地物類型的地表溫度變化規(guī)律，旨在間接反映不同開采方式對地物類型的影響。

3.1 不同地物地表溫度分布規(guī)律

3.1.1 2018年9月8日不同地物地表溫度分布規(guī)律

2018年9月8日的地物分類結(jié)果與地表溫度反演結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 2018年9月8日地物類型

圖3 2018年9月8日溫度反演

經(jīng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出不同區(qū)域不同地物類型的地表溫度如表2所示，分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布規(guī)律如圖4所示。

表2 2018年9月8日地表溫度分布 ℃

圖4 2018年9月8日地表溫度分布

1)水體。非充填開采擾動(dòng)區(qū)域地表溫度低于充填開采擾動(dòng)區(qū)域；非充填開采采區(qū)地表溫度低于充填開采采區(qū)，即非充填開采及擾動(dòng)區(qū)域均低于充填開采及擾動(dòng)區(qū)域。采煤沉陷使地表變形，形成地表移動(dòng)盆地，產(chǎn)生地裂縫和塌陷坑，破壞了原有的地表形態(tài)，當(dāng)沉陷深度超過該區(qū)地表潛水位時(shí)，土地受淹而常年積水，導(dǎo)致溫度下降。

2)植被。植被覆蓋度與地表溫度成反比，該時(shí)期植被區(qū)域地表溫度與水體呈現(xiàn)相同規(guī)律，即非充填開采及擾動(dòng)區(qū)域均低于充填開采擾動(dòng)區(qū)域。礦區(qū)開采對植被的影響呈現(xiàn)多樣化，地表塌陷會(huì)影響植物的生長發(fā)育，甚至造成綠色植物的大幅度減少，從而引起地表溫度下降，充填開采可以有效減少地表下沉，但數(shù)據(jù)表明，開采初期，其對上覆巖層起到支撐作用的充填漿液卻對植被生長造成了更大地破壞，導(dǎo)致地表溫度升高。

3)裸地。該時(shí)期裸地與植被、水體均體現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。裸地地表溫度主要受地表塌陷的影響，地表塌陷導(dǎo)致地下潛水位上升，土壤含水量上升，甚至出現(xiàn)積水形成沼澤地區(qū)[19]，土壤含水量增多導(dǎo)致地表溫度下降。非充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域下沉量高于充填開采，因此，非充填區(qū)域的溫度低于充填開采。

3.1.2 2018年9月24日不同地物地表溫度分布規(guī)律

2018年9月24日的地物分類結(jié)果與地表溫度反演結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 2018年9月24日地物類型

圖6 2018年9月24日溫度反演

經(jīng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出不同區(qū)域不同地物類型的地表溫度如表3所示，分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布規(guī)律如圖7所示。

表3 2018年9月24日地表溫度分布 ℃

圖7 2018年9月24日地表溫度分布

1)水體。非充填開采采區(qū)及其擾動(dòng)區(qū)域地表溫度低于充填開采。同樣是因?yàn)榉浅涮铋_采相較于充填開采使地表潛水位上升更多導(dǎo)致的。

2)植被。非充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域較充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域溫差縮小。開采中后期，隨著采空區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，移動(dòng)盆地的面積和最大下沉值也不斷增大[20]，對植物生長造成的破壞更加明顯，使植物覆蓋度降低，溫度升高。

3)裸地。大豆收割時(shí)，儲(chǔ)存著大量銨素的大豆根瘤會(huì)留在土壤中，相當(dāng)于土壤中的自然氮肥，土壤含水量降低，地表溫度升高。據(jù)實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)，非開采區(qū)及其擾動(dòng)范圍內(nèi)主要種植大豆，因此，該區(qū)域溫度升高，但由于沉陷積水的影響，地表溫度與充填開采區(qū)差異較小。

4個(gè)區(qū)域在裸地部分地表溫度均明顯低于未開采區(qū)域。其中，充填開采采區(qū)低于充填開采擾動(dòng)區(qū)域；非充填開采采區(qū)低于非充填開采擾動(dòng)區(qū)域。非充填開采擾動(dòng)區(qū)域地表溫度更加接近于未開采區(qū)域。

3.1.3 2018年10月26日不同地物地表溫度分布規(guī)律

該地區(qū)9月底為大豆的收割時(shí)間，10月下旬開始種植冬小麥，本期影像正是大豆收割結(jié)束且開始種植冬小麥的季節(jié)，因此，從監(jiān)督分類結(jié)果來看，影像呈現(xiàn)大面積裸地區(qū)域。2018年10月26日地物分類結(jié)果與溫度反演如圖8、圖9所示。

圖8 2018年10月26日地物類型

圖9 2018年10月26日溫度反演

經(jīng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出不同區(qū)域不同地物類型的地表溫度如表4所示，分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布規(guī)律如圖10所示。

表4 2018年10月26日地表溫度分布 ℃

圖10 2018年10月26日地表溫度分布

1)水體。非充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域地表溫度仍低于充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域地表溫度。水的比熱容較大，氣溫開始降低時(shí)，水的溫度下降緩慢，因此，相較于前兩期數(shù)據(jù)，非充填區(qū)較充填區(qū)溫差縮小。但地表下沉仍是主導(dǎo)因素，非充填區(qū)域地表溫度仍低于充填區(qū)。

2)植被。由于研究區(qū)內(nèi)主要地物類型為耕地，植被的數(shù)量隨農(nóng)作物收割與種植的變化而變化，該時(shí)期植被面積明顯縮小。但非開采區(qū)地表溫度仍低于開采區(qū)，仍由地表下沉、地下潛水位上升引起。

3)裸地。非充填與充填區(qū)域溫差明顯縮小。據(jù)實(shí)地考察得知，種植冬小麥的地方主要集中在充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域，因此，該區(qū)域溫度明顯下降，但由于地表沉陷地下潛水位上升的影響，非充填開采及其擾動(dòng)區(qū)域地表溫度仍低于充填區(qū)域。

3.2 不同開采時(shí)間地表溫度分布規(guī)律

將各個(gè)開采區(qū)域、各個(gè)時(shí)間段的地表溫度進(jìn)行歸一化處理后，地表溫度變化折線如圖11—14所示。

圖11 水體區(qū)域地表溫度

圖12 植被區(qū)域地表溫度

圖13 建筑物區(qū)域地表溫度

圖14 裸地區(qū)域地表溫度

9月至10月氣溫呈下降趨勢，因此，4種地物類型的地表溫度也呈下降趨勢。通過歸一化處理得到溫度變化趨勢曲線。

1)水體。如圖3—8所示，充填采區(qū)及擾動(dòng)區(qū)域水體歸一化地表溫度呈上升趨勢，非充填采區(qū)及其擾動(dòng)區(qū)域前期呈平緩上升趨勢，后期呈現(xiàn)下降趨勢，且4個(gè)區(qū)域地表溫度差異性逐漸增大。

2)植被。植被歸一化地表溫度呈現(xiàn)上升后趨于平緩趨勢，溫度差異性有上升的趨勢。此時(shí)農(nóng)作物是影響該區(qū)域溫度變化的主要因素，9月底收割大豆，植被覆蓋面積明顯降低，因此，溫度升高；10月底播種小麥，植被覆蓋度無明顯變化。

3)建筑物。從變化曲線可以看出，建筑物部分的歸一化溫度無明顯規(guī)律，建筑物區(qū)域的地表溫度主要受其自身材質(zhì)的影響，與礦區(qū)開采方式無明顯相關(guān)性。

4)裸地。裸地歸一化地表溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，前期溫度升高緩慢，后期溫度上升趨勢加快，且溫度差異性越來越小。

4 結(jié)束語

通過對比兩種開采方式下不同地物類型的地表溫度變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：非充填采區(qū)在開采過程中引起明顯的地下潛水位上升、塌陷區(qū)積水等現(xiàn)象，導(dǎo)致水體溫度下降，且下降速率高于充填開采區(qū)域；在不考慮氣溫變化對地表溫度的影響時(shí)，非充填開采方式作用下引起的地表塌陷使裸地區(qū)域地表溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢。

充填開采利用在離層空間內(nèi)充填漿液對上覆巖層起到支撐作用，在該過程中，充填漿液的利用對不同地物類型產(chǎn)生不同程度的影響。開采過程中水體區(qū)域地表溫度始終高于非充填開采區(qū)域，對煤層開采塌陷積水現(xiàn)象起到有效的緩解作用；植被區(qū)域地表溫度始終高于非充填開采區(qū)域，除了農(nóng)作物收割的影響之外，充填漿液對植被生長的影響是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要因素之一；同時(shí)，在該種開采影響下裸地歸一化地表溫度呈現(xiàn)上升趨勢，且始終高于非充填開采區(qū)域。

建筑物區(qū)域的地表溫度主要受其自身材質(zhì)的影響，兩種開采方式對建筑物區(qū)域的地表溫度變化無顯著影響。