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

華北地質勘查局五一九大隊，河北 保定 071051

0 引言

地熱資源作為一種天然綠色能源，與傳統能源相比具有廉價、潔凈、可持續(xù)利用等優(yōu)點，其開發(fā)利用越來越受到人們的重視[1]。傳統的地熱資源勘查方法主要包括地質、化探、物探、鉆探等手段[2]，近年來隨著遙感技術的發(fā)展，許多學者開展了基于熱紅外遙感技術的地熱異常區(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數據對長白山玄武巖區(qū)地表溫度進行了反演，劃分了潛在地熱資源異常區(qū)[3]；唐超等利用Landsat ETM數據對騰沖地區(qū)地熱異常區(qū)地表溫度進行了反演，查明了潛在地熱異常分布地帶[4]；賀金鑫等基于Landsat 8數據對遼東地熱區(qū)地表溫度進行了反演，并對高溫異常區(qū)和已知溫泉點的空間分布特征進行了對比研究，發(fā)現大多數溫泉點均位于高溫異常區(qū)內[5]。相比傳統的物探、化探等方法，遙感技術具有價格低廉、效率高、范圍廣、可進行大區(qū)域探測地表溫度分布變化等特點[6]，在地熱資源勘查中具有獨特的優(yōu)勢。

保定市地處中朝準地臺(Ⅰ級)的燕山臺褶帶、山西斷隆和華北斷坳三個Ⅱ級構造單元的結合部位，經過漫長的地質構造演化蘊藏著豐富的地熱資源，其中保定市東部平原分布有涿州地熱田、容城地熱田、牛駝鎮(zhèn)地熱田、高陽地熱田等，開發(fā)利用前景廣闊[7-8]。論文基于Landsat 8 OLI/TIRS遙感數據，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)地表溫度異常與地熱資源分布之間的關系。

1 研究內容與方法

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。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季多東南風，炎熱多雨，降雨多集中在7～9月；冬季多西北風，寒冷干燥。區(qū)內地熱資源豐富(圖1)，根據相關研究，研究區(qū)內地熱田主要有涿州地熱田、容城地熱田、牛駝鎮(zhèn)地熱田、高陽地熱田等，其中牛駝鎮(zhèn)地熱田是河北省地熱開發(fā)最為成熟的地熱田[8]，地熱資源開發(fā)利用方式以地熱供暖、洗浴、種植、養(yǎng)殖為主，取得了較好的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益[9-10]。

圖1 研究區(qū)位置及地熱資源分布略圖(據張德忠等，2013)

1.2 研究數據

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

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大氣衰減后到達傳感器的輻射、大氣上行輻射和大氣下行輻射經地表反射后通過大氣傳輸到傳感器的輻射。與其他方法相比，輻射傳輸方程法僅需要3個基本參數：植被覆蓋度、地表比輻射率和輻射亮度[15]，數據處理過程簡單，反演結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，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度，L↑和L↓分別為大氣上行輻射強度和大氣下行輻射強度，τ為大氣透過率，這3個參數可在NASA提供的網站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)輸入成像時間以及中心經緯度等信息獲取[20-21]。

以上參數計算完畢以后，可根據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。統計結果表明，研究區(qū)地表溫度最低為0.54℃，最高26.25℃，平均值12.46℃，標準差為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，進而分析地表溫度異常區(qū)與地熱資源(地熱田)分布之間的關系。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為標準差，一般a分別取1.5、2.0、2.5，分別代表在平均值的基礎上擴大標準差的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 地表溫度異常與地熱資源之間的關系

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)僅以單點或小范圍方式呈現，因此進一步將研究區(qū)地表溫度異常劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域。根據相關資料[22]，保定市東部平原主要分布有牛駝鎮(zhèn)地熱田、容城地熱田、高陽地熱田(圖1)等，主要位于容城、雄縣、安新、高陽、蠡縣等區(qū)域，經過大量地質勘查和研究證實了是區(qū)內地熱地質條件和開采技術條件相對較好的區(qū)域。研究區(qū)地表溫度異常區(qū)與地熱田位置基本吻合，主要地熱田區(qū)域的地表溫度異常等級較高、面積較大，說明地熱田在地表溫度反演結果中有一定程度的體現。基于熱紅外遙感反演的地表溫度結果受多種因素的影響，研究區(qū)地表溫度異常與地熱田并非完全對應的關系，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，與地熱田位置基本一致，表明基于熱紅外遙感技術提取地表溫度異常區(qū)可以作為地熱資源勘查或預測的一種有效方法。

3 結論

本次研究基于Landsat 8熱紅外遙感數據，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)、高陽縣一帶地熱資源豐富且開發(fā)利用程度較高區(qū)域，與地熱田分布基本一致，說明該方法具有一定的有效性。該研究對保定東部平原地熱資源進一步勘查開發(fā)具有一定的意義。