熱紅外遙感技術(shù)在江西尋烏地區(qū)地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用

任正情，方泓錦，王學(xué)平

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安 237000；2.長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長沙 410000；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

熱紅外遙感技術(shù)在地?zé)豳Y源勘查中的應(yīng)用主要通過遙感熱紅外傳感器獲取人眼無法看到的地物輻射的熱紅外輻射信息，并根據(jù)這種輻射信息反演地表參數(shù)(如溫度、發(fā)射率、熱慣量等)及判別地物(李小文等，2001)，遙感因具有經(jīng)濟(jì)、便捷、探測范圍大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地?zé)岙惓ＨΧㄅc遠(yuǎn)景區(qū)劃定(余先川等，2015)。

以江西尋烏地區(qū)為研究區(qū)，采用單窗算法對Landsat 8的熱紅外影像進(jìn)行地表溫度反演并驗(yàn)證有效性，研究已有地?zé)狳c(diǎn)和地質(zhì)構(gòu)造背景以及二者與地表溫度的空間分布特點(diǎn)，總結(jié)分析地?zé)岙惓ＨΧǖ挠欣麠l件，為該區(qū)地?zé)峥辈樘峁┯行б罁?jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西東南邊陲武夷山與九連山余脈交會處，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤，雨量充沛。地形以山地丘陵為主，其中山地占總面積的76%以上。

該區(qū)地?zé)崴Y源豐富，出露熱泉約16處、熱水點(diǎn)多處，是江西地?zé)岢雎遁^多的區(qū)域。熱泉和熱水孔主要分布于研究區(qū)東部低山丘陵地帶，多出露于中生代白堊紀(jì)碎屑巖、侏羅紀(jì)火山碎屑巖和燕山期花崗巖中或邊緣部位，受斷裂構(gòu)造控制明顯，尤其是受新華夏系斷裂構(gòu)造控制，其次受旋扭構(gòu)造帶和東西向構(gòu)造體系的斷裂構(gòu)造控制。

2 數(shù)據(jù)源

采用Landsat 8熱紅外數(shù)據(jù)(TIRS10)，選取2017-01-01T10:45(北京時(shí)間)的衛(wèi)星影像，研究區(qū)影像無云，且冬季影像可在一定程度上減少太陽輻射對地表溫度的影響，質(zhì)量符合應(yīng)用要求。MODIS數(shù)據(jù)選取與Landsat過境時(shí)間基本一致的MOD02數(shù)據(jù)用于地溫反演，MOD11_L2地表溫度產(chǎn)品用于精度分析。

數(shù)據(jù)源信息見表1。

表1 數(shù)據(jù)源信息Table 1 Information of remote sensing data sources

3 地表溫度反演

(1)

式(1)中：Ts為地面實(shí)際溫度，K；K2為TIRS10的定標(biāo)常數(shù)；C、D為中間參數(shù)，C=ε10τ10，D=(1-τ10)[1+(1-ε10)τ10]，其中，ε10為Landsat 8 TIRS10熱紅外波段的地表比輻射率，τ10為其大氣透過率；T10為其亮溫值，K；Ta為大氣平均作用溫度，K。

根據(jù)上述算法公式對研究區(qū)TIRS10波段分別進(jìn)行參數(shù)估算。

(1)估算大氣透過率τ10。大氣水汽含量ω的不同會影響大氣透過率τ10擬合公式的選取(表2)(覃志豪等，2003)，對收集的MOD02數(shù)據(jù)采用通道比值法估算大氣水汽含量(崔林林等，2019)，得到研究區(qū)大氣水汽面密度約為2.25 g/cm2，并知其所屬范圍為0.4～3.0 g/cm2，根據(jù)表2計(jì)算得到研究區(qū)大氣透過率τ10約為0.75。

表2 TIRS10波段大氣水汽面密度與大氣透過率的關(guān)系Table 2 Relationship between atmospheric water vapor density and atmospheric transmittance in TIRS10 band

(2)估算地表比輻射率ε10。結(jié)合Landsat 8 多光譜影像數(shù)據(jù)估算地表比輻射率ε10，對Landsat 8的多光譜影像進(jìn)行監(jiān)督分類，將地表覆被分為城鎮(zhèn)地表(如建筑物、道路等)、自然地表(如農(nóng)田、林草地等)、水體和裸地4類，并依據(jù)宋挺等(2015)的研究結(jié)果將植被、建筑物表面、水體純凈像元的地表發(fā)射率分別設(shè)為0.987、0.965和0.997，同時(shí)結(jié)合植被覆蓋度獲得研究區(qū)地表比輻射率圖。

然后利用ε10和τ10值計(jì)算C、D中間參數(shù)。

(3)估算大氣平均作用溫度Ta。利用近地表的溫度觀測數(shù)據(jù)估算大氣平均作用溫度Ta(覃志豪等，2003)，公式為：

Ta(中緯度冬季)=19.270 4+0.911 18T0

(2)

式(2)中，T0為近地面氣溫。

(4)亮溫T10反演。對TIRS10熱紅外波段進(jìn)行亮溫反演，公式為：

(3)

式(3)中：T10為TIRS10的亮溫，K；L為該波段輻射值，通過輻射定標(biāo)獲?。籏1、K2為TIRS10的定標(biāo)常數(shù)，直接在影像頭文件中查取。

4 結(jié)果分析

MOD11_L2產(chǎn)品由多通道反演計(jì)算方法獲得，包括反演地表溫度和比輻射率，實(shí)驗(yàn)證明，在天氣晴朗的情況下該溫度產(chǎn)品誤差在1 K以下，該產(chǎn)品是Landsat影像反演結(jié)果常用的驗(yàn)證數(shù)據(jù)(林平等，2018)。MOD11_L2產(chǎn)品的分辨率為1 km，因此需將Landsat 8 反演的溫度數(shù)據(jù)同樣重采樣為1 km。由于該產(chǎn)品在研究區(qū)北側(cè)一小塊無數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證其可靠性，擴(kuò)大范圍選擇Landsat 8整幅影像范圍為驗(yàn)證區(qū)域。

由于Landsat 8反演溫度空間分辨率較高，而城區(qū)內(nèi)地表覆蓋類型復(fù)雜，地表溫度差異大，為避免分辨率帶來的誤差，驗(yàn)證點(diǎn)選取盡量避免城區(qū)內(nèi)的點(diǎn)。以Landsat 8影像范圍為界，共選取了60個(gè)驗(yàn)證地點(diǎn)，且基本平均分布在全區(qū)(圖1)。統(tǒng)計(jì)最大值、最小值和平均值，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)指標(biāo)評價(jià)反演結(jié)果(宋挺等，2015)。

圖1 驗(yàn)證點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of verification points

在ArcGIS平臺上，通過疊加分析功能獲取各點(diǎn)的Landsat 8反演溫度和MOD11_L2溫度值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)，Landsat 8 反演的溫度平均值為18.71 ℃，MOD11_L2溫度平均值為19.66 ℃，二者差值為0.95 ℃，最大值差為0.74 ℃，最小值差為0.53 ℃，雖MOD11_L2溫度值總體上比Landsat 8反演溫度高，但誤差均低于1 ℃，其差異仍在規(guī)定范圍內(nèi)，表明Landsat 8反演結(jié)果有效。

表3 溫度結(jié)果對比Table 3 Comparison of temperature results

5 地?zé)岙惓５娜Χㄅc分析

5.1 地?zé)崤c地溫的關(guān)系

熱泉是地殼深部熱水沿?cái)嗔褬?gòu)造運(yùn)動、富集并向上涌出地球表面的結(jié)果，也是地?zé)嵘l(fā)的一種重要方式。根據(jù)地?zé)狳c(diǎn)與反演溫度的空間疊加關(guān)系，提取熱泉和地?zé)狳c(diǎn)所處位置的地表溫度(表4)。研究地?zé)狳c(diǎn)與地表溫度的關(guān)系可知，區(qū)內(nèi)地?zé)狳c(diǎn)分布在地表溫度較高的19～26 ℃之間，可將19 ℃作為地?zé)岙惓Ｌ崛∠孪薏⑦M(jìn)行分割(趙珍等，2019)。據(jù)分割結(jié)果統(tǒng)計(jì)，19～38 ℃范圍的面積占研究區(qū)總面積的61%，故將該區(qū)間作為圈定地?zé)岙惓５某跏紖^(qū)域(圖2)。

表4 已知地?zé)釋?yīng)的地表溫度Table 4 Surface temperature corresponding to known geothermal temperature

圖2 已知地?zé)崤c地表溫度疊加圖Fig.2 Known geothermal points superimposed on surface temperatures

地?zé)嵋鸬牡乇頊囟仍龈咧皇堑乇頊囟犬惓５囊环N，由于地表溫度異常受多種因素影響，因此地?zé)岙惓ＨΧ☉?yīng)結(jié)合地物類型、地質(zhì)背景、已有地?zé)豳Y料、地表溫度等綜合分析，剔除假性異常區(qū)，進(jìn)一步提取潛在地?zé)岙惓^(qū)。

5.2 地?zé)崤c地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

5.2.1 地質(zhì)構(gòu)造 研究區(qū)位于武夷山新華夏系構(gòu)造帶和南嶺東西向構(gòu)造帶的交接復(fù)合部位，構(gòu)造形跡錯(cuò)綜復(fù)雜，尤以新華夏系的斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主干構(gòu)造主要為北北東、北東走向的大型斷裂，其次為北西向斷裂，且區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造常以平行斜列方式帶狀展布。

研究區(qū)在早更新世構(gòu)造上升劇烈，至全新世構(gòu)造運(yùn)動較為穩(wěn)定，而全新世以來活動過的斷裂主要有新華夏系北東向斷裂、北北東向斷裂及其派生的武平(環(huán)狀)旋扭構(gòu)造中的大部分?jǐn)嗔押腿稀獙鯑|西向構(gòu)造。其中，東西向斷裂構(gòu)造控制了侏羅世火山巖分布；北北東向斷裂是區(qū)域深大斷裂，屬晚、近期活動性構(gòu)造，控制著留車斷陷盆地的展布，不僅規(guī)模大、延伸長、切割深，且至今仍有活動跡象，沿帶出露多處地?zé)崛?；武平環(huán)狀構(gòu)造帶由一系列北東東、東西、北西、北西西向斷裂組成，為新華夏系扭動派生而出，總體呈環(huán)狀，區(qū)內(nèi)僅見南西半環(huán)，也是區(qū)內(nèi)重要的控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造。

5.2.2 地?zé)崤c地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系 將已有熱泉點(diǎn)和地?zé)狳c(diǎn)與區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造疊加，研究分析其空間分布規(guī)律和斷裂構(gòu)造對地?zé)岬挠绊?圖3)。

圖3 地?zé)崤c斷裂構(gòu)造疊加圖1-地?zé)狳c(diǎn)；2-熱泉；3-已知斷裂；4-活動性斷裂；5-解譯構(gòu)造Fig. 3 Map of geothermal points superimposed on fault structure

(1)地?zé)崤c北北東向構(gòu)造。留車斷陷帶是研究區(qū)地?zé)岱植驾^集中的區(qū)域，新華夏系北北東向扭壓性斷裂構(gòu)造是該區(qū)重要的控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造，沿構(gòu)造帶分布有獅子峰熱泉、橫涇村熱泉、嶺石背熱泉、嶺石背南西熱泉、靈石熱泉等多處地?zé)?，北北東向扭壓性主干斷裂構(gòu)造具有多期活動的特點(diǎn)，其低序次斷裂及節(jié)理發(fā)育，均為地?zé)崴雎短峁┝送ǖ馈?/p>

(2)地?zé)崤c北東東向構(gòu)造?；彑崛⑿绿链鍩崛?、新田圩熱泉位于北東東向扭壓性斷裂與次級張性斷裂復(fù)合三角帶或低序次北西向斷裂上，地?zé)狳c(diǎn)呈北東東向分布。斷層內(nèi)裂隙較發(fā)育且張開程度好，有利于地?zé)崴雎?。區(qū)內(nèi)各期斷裂構(gòu)造均有發(fā)育，除北東東向扭壓性主干斷裂和北西向次級斷裂外，附近近東西向的緯向構(gòu)造體系壓型主干斷裂帶節(jié)理、劈理和小斷裂均較發(fā)育，且有石英脈貫入，具多次活動特點(diǎn)，是重要的控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造。

(3)地?zé)崤c武平(環(huán)狀)旋扭構(gòu)造帶。熱水塘熱泉、麻地凹熱泉、上津村熱泉等地?zé)狳c(diǎn)位于武平環(huán)狀構(gòu)造帶中的紅層斷陷盆地邊緣，均在北西向壓扭性斷裂帶上出露，帶內(nèi)節(jié)理發(fā)育，壓扭性節(jié)理為區(qū)內(nèi)地?zé)嶂匾膶?dǎo)熱節(jié)理，同時(shí)帶內(nèi)常見硅化擠壓構(gòu)造透鏡體，并有石英脈貫入，表明近期仍有活動跡象。

此外，在鵝子湖—菖蒲一帶出露有中和熱水村熱泉、河角熱泉、徐溪熱泉、上坪熱水村熱泉，空間上呈北北東向展布，構(gòu)造上位于新華夏系斷裂帶與東西向構(gòu)造體系斷裂帶的復(fù)合部位，熱泉出露于北北東向扭壓性斷裂上盤節(jié)理中或張性斷裂帶上。

綜上可知，研究區(qū)地?zé)岱植家?guī)律為：主要分布于北東東、北北東向壓扭性斷裂構(gòu)造上，其次在武平環(huán)狀構(gòu)造帶的北西向斷裂構(gòu)造或環(huán)狀構(gòu)造上，部分位于北東東向扭壓性斷裂與低序次張性斷裂復(fù)合三角帶上，東西向構(gòu)造帶上的地?zé)醿H出露于研究區(qū)西南側(cè)。根據(jù)地質(zhì)資料研究，活動性斷裂構(gòu)造對地?zé)岙惓Ｓ兄匾目刂谱饔茫瑓^(qū)內(nèi)地?zé)岙惓Ｖ饕杀北睎|向構(gòu)造、北東東向構(gòu)造和旋扭構(gòu)造帶的北西向構(gòu)造控制，且全新世以來均有活動跡象。

5.3 地?zé)岙惓ＨΧㄅc假異常剔除

根據(jù)對已有地?zé)豳Y料、地質(zhì)構(gòu)造背景、地表反演溫度以及三者相互關(guān)系的研究分析，建立地?zé)岙惓ＨΧㄒ罁?jù)，主要如下。

(1)研究地?zé)狳c(diǎn)與地表溫度之間的關(guān)系，確定19～38 ℃地?zé)岱秶鸀楫惓澏ǔ醪椒秶?/p>

(2)分析已有地質(zhì)構(gòu)造資料認(rèn)為，新華夏系北東東向、北北東向斷裂構(gòu)造及其派生的武平(環(huán)狀)旋扭構(gòu)造中的大部分?jǐn)嗔押蜄|西向構(gòu)造為區(qū)內(nèi)重要的活動性構(gòu)造，對區(qū)內(nèi)地?zé)岬男纬删哂兄匾目刂谱饔谩?/p>

(3)根據(jù)已有地?zé)崤c區(qū)內(nèi)重要斷裂構(gòu)造分布規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)主要熱泉及地?zé)狳c(diǎn)沿北北東向、北東東向、北西向和東西向活動性斷裂構(gòu)造分布，或沿附近次一級斷裂或交會三角帶出露，這幾條主干性斷裂構(gòu)造具有重要的控?zé)釋?dǎo)熱作用，而其低序次斷裂及節(jié)理是地?zé)嵝纬傻闹匾獙?dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造。

地?zé)岱囱莩Ｊ艿匦蔚挠绊?，光照面溫度較高，陰影面溫度低，因此高地?zé)峒佼惓Ｎ挥谏襟w陽坡且與背陰坡地溫對比明顯，此類異常對比地形或真彩色影像予以剔除。其次，城區(qū)內(nèi)工廠、水泥建筑物等反演溫度較高，部分裸地溫度也偏高，均需仔細(xì)分析剔除。

將地?zé)岙惓＿h(yuǎn)景區(qū)與構(gòu)造斷裂疊加，最終圈定11個(gè)潛在地?zé)岙惓^(qū)(圖4)。① 潛在異常區(qū)Q1、Q2、Q3、Q11、Q4、Q5均沿北北東向扭壓性斷裂構(gòu)造帶分布。其中，Q1、Q2位于留車斷陷帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，不僅已有地?zé)狳c(diǎn)多，且地表溫度較高，分布范圍與北北東向構(gòu)造走向一致，面積較大，屬高地?zé)岙惓^(qū)；Q4、Q5應(yīng)屬北北東向斷裂與東西向斷裂的交會處，多向構(gòu)造較發(fā)育，屬地?zé)岣弋惓^(qū)。② 潛在異常區(qū)Q6、Q7位于武平(環(huán)狀)旋扭構(gòu)造帶上，其地表溫度稍高，高溫區(qū)分布不密集，但同樣處于紅層盆地內(nèi)，構(gòu)造發(fā)育，屬地?zé)岣弋惓^(qū)。③ 潛在異常區(qū)Q9位于2條北東東向活動斷裂帶之間，其地表高溫區(qū)較為分散，屬地?zé)嶂挟惓^(qū)。④ Q8、Q10位于北北東向和北東東向斷裂上，附近斷裂發(fā)育，但遠(yuǎn)離活動構(gòu)造，由于地表反演溫度較高，需進(jìn)一步研究。

圖4 尋烏地區(qū)潛在地?zé)岙惓^(qū)1-T<17 ℃;2-17～19 ℃;3-19～21 ℃;4-21～23 ℃;5-T>23 ℃;6-地?zé)狳c(diǎn)；7-熱泉；8-已知斷裂；9-活動性斷裂；10-解譯構(gòu)造；11-地?zé)岙惓^(qū)Fig. 4 Potential geothermal anomaly areas in Xunwu area

6 結(jié) 論

(1)針對Landsat 8的熱紅外影像，采用單窗算法進(jìn)行地表溫度反演，并結(jié)合MOD11_L2地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果的有效性驗(yàn)證，兩者溫度差最大值為0.74 ℃，最小值為0.53 ℃，平均溫差為0.95 ℃，均低于1 ℃，證明了結(jié)果的有效性，且其熱紅外波段的實(shí)際分辨率為100 m，遠(yuǎn)高于MODIS產(chǎn)品的1 km。

(2)分析尋烏地區(qū)已有地?zé)狳c(diǎn)的空間分布規(guī)律及其與地表溫度的關(guān)系，初步圈定了地?zé)岙惓^(qū)。研究已有地?zé)崤c地質(zhì)背景條件，認(rèn)為區(qū)內(nèi)地?zé)崾軜?gòu)造嚴(yán)格控制，北北東、北東東向構(gòu)造及武平環(huán)狀構(gòu)造帶的北西向構(gòu)造均為區(qū)內(nèi)重要控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造，其次是近東西向構(gòu)造。通過各類數(shù)據(jù)的空間疊加分析其空間分布規(guī)律，進(jìn)一步建立異常劃定的依據(jù)，同時(shí)剔除假異常，最終圈定區(qū)內(nèi)11個(gè)潛在地?zé)岙惓^(qū)，表明熱紅外遙感技術(shù)在該區(qū)地?zé)峥辈橹行Ч黠@。

(3)熱紅外遙感技術(shù)結(jié)合已有的地質(zhì)資料、地?zé)豳Y料，可以獲取多方面的地?zé)岢傻V有利條件及空間分布規(guī)律，更深入地研究區(qū)域上的地?zé)岙惓３梢蚰Ｊ健?/p>