興安盟區(qū)域斷裂帶與地表溫度場變化特征研究＊

包寶小 席文雅 王志勇 李騰宇 王 慧 賈寶金

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局烏蘭浩特地震監(jiān)測中心站， 內(nèi)蒙古興安盟 137400）

0 引言

研究地表溫度變化對(duì)地震監(jiān)測及地球資源監(jiān)測具有重要意義[1]。前人研究表明，斷裂構(gòu)造附近區(qū)域一般流體溫度及地表溫度會(huì)有一定變化[2]。在地震孕育、斷裂帶破裂過程中，地下深部物質(zhì)、巖石破裂以及氣體的釋放都有可能會(huì)引起地表溫度的上升[3-4]。地震活動(dòng)性監(jiān)測已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)獲得了斷裂構(gòu)造與溫度異常相關(guān)的事例[5-7]。在長白山地區(qū)，張福坤等[8]使用Landsat遙感影像進(jìn)行了地表溫度隨斷裂構(gòu)造變化的研究，結(jié)果表明地表溫度場與斷裂帶構(gòu)造之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在山東地區(qū)，馬俊飛等[9]使用MODIS地表溫度數(shù)據(jù)，研究了山東地區(qū)的地表溫度與活動(dòng)斷裂之間的相關(guān)性變異系數(shù)空間分布，結(jié)果表明斷裂構(gòu)造區(qū)域地表溫度變化明顯且高于其他地區(qū)，從而得出地表溫度與地震具有一定的相關(guān)性。在地表溫度反演方面，王玉渲等[10]使用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，利用單窗算法反演了石家莊區(qū)域地表溫度數(shù)據(jù)。王艷芳等[11]使用Landsat 8 TIRS數(shù)據(jù)利用輻射傳輸方程算法反演了臨汾市堯都區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)。晁江琴[12]使用Landsat 8 TIRS數(shù)據(jù)在富民盆地利用輻射傳輸方程算法、單窗算法、單通道算法、劈窗算法反演了該區(qū)域地表溫度，結(jié)果表明輻射傳輸方程算法及單窗算法反演的可靠性更強(qiáng)。

基于前人的研究，本文針對(duì)興安盟區(qū)域大尺度地表溫度反演精度低的問題，采用Landsat 8 TIRS遙感影像數(shù)據(jù)及斷裂帶矢量數(shù)據(jù)，使用輻射傳輸方程算法，最終實(shí)現(xiàn)興安盟區(qū)域斷裂帶地表溫度的高效反演。針對(duì)興安盟區(qū)域斷裂帶地表溫度場變化及其特征不明晰的問題，使用等間距劃分及均值統(tǒng)計(jì)方法，采用疊加斷裂帶與地表溫度圖層的形式及繪制相關(guān)性曲線方式，剖析興安盟區(qū)域主要斷裂帶地表溫度場的變化特征。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

烏蘭浩特地震監(jiān)測中心站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟境內(nèi)，本文以內(nèi)蒙古興安盟區(qū)域?yàn)橹饕芯繉?duì)象。該區(qū)域構(gòu)造簡單，可劃分為EW向構(gòu)造及NS向構(gòu)造[13]。境內(nèi)有2條主要斷裂帶，即為嫩江斷裂帶及洮兒河斷裂帶（紅色線）（圖1）。

圖1 興安盟區(qū)域斷裂分布圖Fig.1 Distribution map of regional faults in Xing’an League

本文主要使用2019年9月和2020年9月的Landsat 8 OLI/TIRS數(shù)據(jù)，此時(shí)段云量較少，符合使用需求。經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正預(yù)處理后，使用烏蘭浩特矢量圖進(jìn)行了矢量拼接及裁剪處理。為了提高提取地表溫度的可靠性，使用最大似然分類算法對(duì)影像進(jìn)行了6種地表物的分類。

2 基本原理

本文地表溫度反演使用了輻射傳輸方程方法。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由3部分組成：大氣向上輻射亮度L↑、地面真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量、大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達(dá)式可表示為（輻射傳輸方程）：

式中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實(shí)溫度，B（TS）為通過反應(yīng)物體溫度和輻射強(qiáng)度之間關(guān)系的普特朗克公式推算所得的溫度T相對(duì)應(yīng)的黑體輻射亮度值，τ為大氣在熱紅外波段的透射率，L↑和L↓是大氣向上和向下輻射亮度。由此可得黑體在熱紅外波段的輻射亮度B（TS）公式如下：

式中，L↑和L↓可通過影像中心緯度與成像時(shí)間在網(wǎng)上（http://atmcorr.gsfc.nasa.gov）獲取。

運(yùn)用普朗克公式的反函數(shù)，可推導(dǎo)出亮度溫度TR：

式中，K1與K2值可在影像MLT.txt文件中獲得。

地表比輻射率ε是指在同一溫度下地表發(fā)射的輻射量與黑體發(fā)射的輻射量的比值，地表比輻射率是熱紅外遙感獲取地表溫度必不可少的參數(shù)。針對(duì)Landsat影像的Band10熱紅外波段，使用Sobrino提出的NDVI閾值法計(jì)算地表比輻射率：

式中，PV是植被覆蓋度，用以下公式計(jì)算：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIS為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIV為完全植被覆蓋像元的NDVI值，一般取經(jīng)驗(yàn)值NDVIV=0.70，NDVIS=0.05。

為了提高地表溫度反演的準(zhǔn)確性，使用最大似然分類方法對(duì)影像進(jìn)行地表物的分類。假定各類分布函數(shù)為正態(tài)分布，并選擇訓(xùn)練區(qū)，計(jì)算各待分類樣區(qū)的歸屬概率。

P21對(duì)HoxB4的調(diào)控機(jī)制及其影響造血干細(xì)胞增殖初步研究 … ……………… 李雪華，等(6):636

假設(shè)B1，B2，……互斥且構(gòu)成一個(gè)完全時(shí)間，A伴隨他們出現(xiàn)，已知他們分別發(fā)生的先驗(yàn)概率P(Bi)，i=1，2，……及A的條件概率P(A|Bi)，則可以得到事件A的后驗(yàn)概率P(Bi|A)。

概率乘法公式為：P(AB)=P(A)×P(B|A)=P(B)×P(A|B)，可導(dǎo)出貝葉斯定理公式：

設(shè)有s個(gè)類別，用ω1，ω2，......，ωs來表示，每個(gè)類別發(fā)生的概率（先驗(yàn)概率）分別為P(ω1)，P(ω2)，······，P(ωs)。

設(shè)有未知類別的樣本X，其類條件概率分別為：

則根據(jù)貝葉斯定理可以得到樣本X出現(xiàn)的后驗(yàn)概率為：

此時(shí)，以樣本X出現(xiàn)的后驗(yàn)概率作為判別函數(shù)來確定樣本X的所屬類別，其分類準(zhǔn)則為：

3 實(shí)驗(yàn)過程

圖2 2019年及2020年地表溫度反演結(jié)果Fig.2 Inversion results of land surface temperature for 2019 and 2020

斷裂帶與地表溫度反演結(jié)果疊加在一幅圖層上，使用等距離切分方法，以研究區(qū)的兩條嫩江斷裂帶和洮兒河斷裂帶為中心，向各個(gè)方向同等范圍內(nèi)延伸，將斷裂帶兩側(cè)的每側(cè)10 km區(qū)域劃分成40個(gè)部分，分別統(tǒng)計(jì)等分區(qū)域內(nèi)的地表溫度平均值和平均距離，進(jìn)而獲得斷裂帶與溫度場間的相關(guān)性（圖3）。

圖3 2019年和2020年各斷裂帶與溫度場的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between fault zone and temperature field in 2019 and 2020

以已知的斷裂帶為中心線（紅色線），向兩側(cè)擴(kuò)展，小方塊的顏色深度代表該小方塊所代表的區(qū)域內(nèi)平均溫度的相對(duì)高低，圖像中的顏色深度代表地表平均溫度的高低，顏色越深，溫度越低，反之，顏色越淺，溫度越高。

為更直觀的顯示兩者的相關(guān)性，繪制了等分區(qū)域的平均溫度與平均距離的相關(guān)性曲線（圖4），進(jìn)一步驗(yàn)證了溫度場與主要斷裂帶構(gòu)造之間的相關(guān)性。在圖中，虛線代表斷裂帶的中心位置，向兩側(cè)延伸表示與斷裂帶的相對(duì)位置，即正負(fù)值表示與斷裂帶的相對(duì)位置，曲線的方向與斷裂帶的方向垂直。

圖4 2019年及2020年斷裂帶平均地表溫度與平均距離相關(guān)性曲線Fig.4 Correlation curves of average land surface temperature and average distance of fault zone in 2019 and 2020

4 討論與結(jié)論

本文基于Landsat 8 TIRS影像，根據(jù)興安盟區(qū)域內(nèi)的主要斷裂結(jié)構(gòu)，使用輻射傳輸方程算法反演區(qū)域內(nèi)主要斷裂帶所在位置的地表溫度。為了提高反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，反演前對(duì)影像進(jìn)行了預(yù)處理，使用最大似然分類算法進(jìn)行了地表物的分類。然后使用等間距劃分、分段均值統(tǒng)計(jì)方法，將繪制的地表溫度圖與斷裂帶構(gòu)造圖疊加在一個(gè)圖層上，以繪制的兩條斷裂帶（嫩江斷裂帶及洮兒河斷裂帶）為中心線，向斷裂帶的兩側(cè)等同距離做等間距的劃分，對(duì)于兩條斷裂帶，我們可以計(jì)算出它們等分帶內(nèi)的平均距離和平均地表溫度，將統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果利用圖形的方式分析區(qū)域內(nèi)兩條斷裂帶與地表溫度場變化的相關(guān)特征，并繪制相關(guān)性曲線，進(jìn)一步描述斷裂帶與地表溫度場變化的特征。最后利用同月不同年份的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

通過以上實(shí)驗(yàn)，觀察斷裂帶和溫度場的關(guān)系圖（圖3）可發(fā)現(xiàn)，2019年9月，區(qū)域內(nèi)的兩條斷裂帶與地表溫度場的相關(guān)性十分顯著。研究區(qū)域內(nèi)斷裂帶與地表溫度的相關(guān)特性相當(dāng)鮮明且穩(wěn)定，與斷裂帶分區(qū)的距離越遠(yuǎn)，地表溫度的表現(xiàn)值越低。2020年9月的圖像驗(yàn)證表明，地表溫度場隨著斷裂結(jié)構(gòu)的變化而變化，與2019年9月地表溫度場與斷裂結(jié)構(gòu)變化的趨勢非常相似。

為了提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，本文進(jìn)一步制作了興安盟區(qū)域斷裂帶（嫩江斷裂帶、洮兒河斷裂帶）兩側(cè)地表溫度和距離之間相關(guān)性的曲線。從圖4的2019年和2020年的斷裂帶地表平均溫度與平均距離相關(guān)性曲線圖可以看出，地表溫度場與斷裂構(gòu)造的關(guān)系顯示出類似的相關(guān)性，在嫩江斷裂帶和洮兒河斷裂帶的分區(qū)范圍內(nèi)，地表溫度的總體趨勢是距離斷裂帶越近，值越高。繪制的2019年和2020年的全局?jǐn)嗔褞c地表溫度相關(guān)性特征曲線（圖5），也很好地證實(shí)了斷裂帶與地表溫度的相關(guān)性特征。

圖5 相關(guān)性綜合曲線Fig.5 Correlation synthesis curve

本文采用等間距分段平均值的方式，探討了興安盟主要斷裂帶和溫度場間的關(guān)聯(lián)性。數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，在所研究區(qū)域內(nèi)，嫩江斷裂帶和洮兒河斷裂帶與地表溫度場的相關(guān)性較為突出。分段內(nèi)離斷裂帶越遠(yuǎn)，地表溫度值越低，反之，離斷裂帶越近，溫度讀數(shù)越高。

溫度和斷裂帶是開展地震學(xué)相關(guān)研究的重要因素，本次研究的結(jié)果將為相關(guān)科學(xué)研究提供參考。本研究中采用的分段平均值分析法，不僅可用于分析興安盟地區(qū)地表溫度與斷裂構(gòu)造間的關(guān)系，還可用于估測興安盟地區(qū)的斷裂構(gòu)造對(duì)地表溫度場的大致影響范圍。這將為興安盟地區(qū)的斷裂構(gòu)造活動(dòng)特性分析，以及復(fù)雜地表溫度場與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系的研究提供科研參考。