熱紅外遙感在地?zé)岙惓Ｌ崛≈械膽?yīng)用

翟錫丹 邢立新 元楠楠 王曉東 高志勇 陳瀟

摘要 熱紅外遙感技術(shù)對(duì)地?zé)岬难芯渴且豁?xiàng)非常重要的手段，在對(duì)地?zé)岬难芯恐?，利用Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的熱紅外波段，采用輻射傳輸方程算法進(jìn)行地表溫度反演，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受地形因素的影響，溫度反演的熱異常點(diǎn)分布在接收太陽輻射較多的區(qū)域。為了減弱這一影響，該研究進(jìn)行了地形校正，并以撫松縣地區(qū)為研究對(duì)象分析了地表溫度的熱異常狀況。結(jié)果表明，經(jīng)過地形校正，在一定程度上顯現(xiàn)了真實(shí)的溫度異常區(qū)域，撫松縣內(nèi)已知的2個(gè)地?zé)豳Y源也在反演結(jié)果中顯示出來，并且該縣的北部與西南部都有地表溫度異常區(qū)，可以作為地?zé)豳Y源的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞 熱紅外遙感;地?zé)?輻射傳輸方程;地形校正

中圖分類號(hào) S126;TP79 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-358-03

Application of Thermal Infrared Remote Sensing Technology in Extracting Heat Anomalies of Geothermal

ZHAI Xidan， XING Lixin*， YUAN Nannan et al

（College of Geoexploration Science and Technology， Jilin University， Changchun， Jilin 130026）

Abstract Thermal infrared remote sensing technology is a very important tool to the study of geothermal. The surface temperature was inversed by using radiative transfer equation algorithm and the data source is the thermal infrared band of satellite Landsat8. It was found that the abnormal thermal inversion points tend to appear in the regions where they receive more solar radiation， being affected by the topography. In order to reduce the impact of topography， a topographic correction was conducted， and the heat anomalies of the surface temperature in a case study of Fusong area were analyzed. After topographic correction， the results show the true temperature to a certain extent in the former anomaly region， and both the known geothermal resources within Fusong are obtained in the inversion results. Besides， there are heat anomalies of the surface temperature areas in the north and southwest of the county shown in the inversion results， which could predict geothermal resources.

Key words Thermal infrared remote sensing; Geothermal; Radiative transfer equation; Topographic correction

基金項(xiàng)目 吉林省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目（2014地勘1313）。

作者簡(jiǎn)介 翟錫丹（1989- ），女，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向：熱紅外遙感。

*通訊作者，教授，碩士生導(dǎo)師，從事遙感與GIS研究。

收稿日期 20141208

熱紅外遙感技術(shù)對(duì)研究地表溫度具有重要的意義，它以信息量大、檢測(cè)精度高以及受地面條件限制小等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于地?zé)豳Y源。調(diào)查中。地球表面的溫度一部分是太陽輻射的作用，另一部分是來自于地球內(nèi)部的熱源該研究主要探討后者的地?zé)崮堋?999年楊鋒杰等采用衛(wèi)星多波段遙感影像處理與解譯，發(fā)現(xiàn)地?zé)岙惓^(qū)域^[1]。2003年楊波等對(duì)TM6熱紅外信息分析處理，結(jié)合遙感構(gòu)造解譯，對(duì)騰沖西南216 km²范圍內(nèi)進(jìn)行了地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)^[2]。2007年許軍強(qiáng)等利用ETM熱紅外波段數(shù)據(jù)和相應(yīng)的氣象資料，采用單窗算法，反演佳木斯地表溫度，分析了地表溫度的空間分布特征和熱異常狀況^[3]。筆者在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，利用Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)源熱紅外波段，采用輻射傳輸方程法進(jìn)行地表溫度反演，以撫松縣為研究區(qū)進(jìn)行地?zé)岱治?，并利用已知地?zé)狳c(diǎn)對(duì)比進(jìn)行研究區(qū)的地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)研究。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

撫松縣位于吉林省東南部長(zhǎng)白山西北麓，平均海拔530 m，湯河流經(jīng)該區(qū)域，在大地構(gòu)造單元上位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)太子河—渾江褶皺斷束、老嶺斷塊西北側(cè)，溫泉村一帶為構(gòu)造侵蝕地貌^[4]。湯河兩岸有斷續(xù)的Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地分布，地?zé)豳Y源多位于Ⅰ級(jí)階地前緣，四周為中生界上侏羅統(tǒng)火山巖地層。研究區(qū)附近的斷裂構(gòu)造分兩組，為北東向的逆斷層和北西向的正斷層，在各斷裂帶有中酸性巖脈出露^[5]，該區(qū)為地?zé)豳Y源豐富，已知的溫泉山莊和仙人橋溫泉度假村2個(gè)地?zé)豳Y源已經(jīng)開發(fā)利用。

1.2 數(shù)據(jù)來源以及預(yù)處理

Landsat8陸地衛(wèi)星攜帶了2個(gè)主要載荷：運(yùn)行陸地成像儀（OLI）和熱紅外傳感器（TIRS），OLI的Band4波長(zhǎng)為0.63～0.68 μm，Band5波長(zhǎng)為0.845～0.885 μm，空間分辨率均為30 m，TIRS的Band10波長(zhǎng)為103～11.3 μm，Band11波長(zhǎng)為11.5～12.5 μm，空間分辨率均為100 m^[6]，首先對(duì)這3個(gè)波段進(jìn)行大氣校正，大氣校正完成后，為了便于波段運(yùn)算，需要重采樣數(shù)據(jù)使所有波段的空間分辨率都為30 m，最后裁剪出研究區(qū)范圍。為了能夠更好地提取熱異常點(diǎn)，預(yù)測(cè)溫度異常區(qū)域，達(dá)到相互印證的目的，該研究選用1月22日、4月28日、10月16日3個(gè)不同時(shí)相的Landsat8影像對(duì)其進(jìn)行溫度反演處理。

2 地表溫度反演

地球表面的溫度一部分來自太陽輻射的作用，一部分來自地球內(nèi)部的熱能，而地表溫度反演可以將地球表面的熱異常信息提取出來，從而為地?zé)犷A(yù)測(cè)的圈定提供依據(jù)。

地表溫度反演算法有多種，包括輻射方程算法、分裂窗算法、單窗算法、單通道算法、多通道算法，等等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。該研究選擇輻射方程算法的原因是與其他算法相比，它僅需要3個(gè)基本參數(shù)：植被覆蓋度、地表比輻射率、輻射亮度。根據(jù)撫松縣的地理位置，該研究采取多時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射傳輸方程算法定量反演，獲取地表的真實(shí)溫度。

輻射傳輸方程法，又稱大氣校正法，首先利用與衛(wèi)星過空時(shí)間同步的大氣數(shù)據(jù)來估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響;然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星高度上傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度;最后把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度^[7-8]。輻射傳輸方程法需要的參數(shù)有3個(gè)：植被覆蓋度、地表比輻射率、輻射亮度。以下就這3個(gè)參數(shù)作如下運(yùn)算。

2.1 植被覆蓋度

植被覆蓋度FV的計(jì)算主要根據(jù)Landsat8衛(wèi)星OLI數(shù)據(jù)的可見光波段計(jì)算，采用的是混合像元分解法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑^[9]，具體的計(jì)算公式為：

FV =（NDVI-NDVIS）/（NDVIV-NDVIS）（1）

式中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVIV為影像為植被的最大DN值，NDVIS為影像中裸土的最小DN值。

NDVI=（B₅-B₄）/（B₅+B₄）（2）

式中，B₄為植被在紅光波段的葉綠素吸收特征波段的反射率;B₅為近紅外平臺(tái)特征波段的植被反射率。

2.2 地表比輻射率計(jì)算

物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征。目前只是基于某些假設(shè)獲得比輻射率的相對(duì)值^[10]。

根據(jù)前人的研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型。該研究采取以下方法計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)（3）、（4）式進(jìn)行計(jì)算：

εsurface =0.962 5+0.061 4FV-0.046 1F²V（3）

εbuilding =0.958 9 +0.086 0FV-0.067 1F²V（4）

式中，F(xiàn)V 為植被覆蓋度。

2.3 計(jì)算相同溫度下黑體的輻射亮度值

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由3部分組成：大氣向上輻射亮度，地面的真實(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的表達(dá)式可寫為：

Lλ=LMINλ+LMAXλ-LMIXλQCALMAX-QCALMIN ·（QCAL-QCMIN）（5）

式中，QCAL為熱紅外波段的DN值;LMAXλ、LMINλ、QCALMAX、QCALMIN都是指熱紅外波段的數(shù)值，可以在頭文件中找到。

B（TS）=[Lλ - L↑- τ·（1-ε）L↓]/τ·ε（6）

式中，ε為地表輻射率;TS為地表真實(shí)溫度;B（TS）為黑體在TS的熱輻射亮度;τ為大氣在熱紅外波段的透過率;L↑為大氣向上輻射亮度;L↓為大氣向下輻射亮度。在NASA官網(wǎng)上中輸入成影時(shí)間以及中心經(jīng)緯度，則會(huì)提供上式中所需要的參數(shù)。

2.4 地表溫度

根據(jù)輻射理論，黑體的輻射強(qiáng)度與溫度和波長(zhǎng)有直接關(guān)系。根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)^[11]，即可反演出地表真實(shí)溫度，公式如下：

TS=K₂ln（K₁B（TS）+1）（7）

在Landsat8數(shù)據(jù)中，K₁=774.89 W·m^-2·sr^-1·μm^-1，K₂=1 321.08K;B（Ts）為黑體在熱紅外波段輻射亮度。

將地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行異常信息分級(jí)顯示，紅色代表異常信息級(jí)別最高，其次為黃色、藍(lán)色。該研究3個(gè)時(shí)相的溫度反演結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，已知的地?zé)豳Y源溫泉山莊和仙人橋溫泉度假村在3個(gè)時(shí)相中都有顯示，而且溫度異常等級(jí)很高。4月份右下角的幾小塊溫度異常區(qū)域經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證是稀疏的人工林，大部分地表裸露而出現(xiàn)熱異常情況，1月份很少存在植被覆蓋的影響，所以在1月份的溫度反演結(jié)果圖上右下角區(qū)域沒有出現(xiàn)溫度異常點(diǎn)。經(jīng)過認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)溫度異常的區(qū)域集中在地形的陽坡，進(jìn)而考慮是否是地形引起的溫度異常點(diǎn)的差異。為了驗(yàn)證這一想法，該研究嘗試采用地形校正法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行處理。

3 地形校正

地形校正的目的是消除由于地形導(dǎo)致地物輻射亮度值的差異，能夠使得遙感影像更加真實(shí)地反映地物的波譜特征，而經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)地形校正主要考慮了有效入射角的余弦值與地物輻射亮度值之間的關(guān)系，總體校正精度較高，從而使的溫度反演結(jié)果更加真實(shí)可靠^[12]。

3.1 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)地形校正

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)地形校正法就是設(shè)定太陽輻射與影像像元輻射亮度值之間有一定的線性關(guān)系，通過回歸分析，建立二者之間的線性關(guān)系，然后通過這一回歸關(guān)系將坡面像元接收的輻射能量校正到水平位置，從而達(dá)到消除地形影響的效果，計(jì)算公式如下：

LT=m×cos（i）+b（8）

LH=LT-（m×cos（i）+b）+LT（9）

式中，LT為校正前的地物輻射亮度值;m和b是回歸分析得到的參數(shù);LH為校正后的地物輻射亮度值;LT為理論上是無地形起伏的平坦地區(qū)地物的輻射亮度值。

太陽有效入射角是被照射像元法線與太陽直射光線間的夾角，一般用i表示，太陽有效入射角的計(jì)算公式為：

cos（i）=cos（z）×cos（S）+sin（z）×sin（S）×cos（Φx-Φn）（10）

式中，z為太陽天頂角;Φx為太陽方位角;S為像元坡度角;Φn為像元坡向角。

3.2 地形校正后溫度反演結(jié)果

地形校正后，對(duì)3幅影像進(jìn)行溫度反演，結(jié)果如圖2所示。與圖1相比，圖2中溫度異常不再大部分出現(xiàn)在陽坡區(qū)域，仙人橋溫泉度假村（圖2A）和溫泉山莊（圖2B）在3個(gè)時(shí)相的影像中異常級(jí)別仍然很高。結(jié)果表明，地形校正確實(shí)在不同程度上完善了異常信息區(qū)域的合理性，大大增強(qiáng)了預(yù)測(cè)溫度異常區(qū)域的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)果與討論

熱紅外遙感技術(shù)是研究地?zé)豳Y源的有效途徑之一，該研究通過對(duì)撫松縣地區(qū)多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，與已知地?zé)岙惓｜c(diǎn)非常吻合。為了得到更加精確的結(jié)果，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了地形校正，在此基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)得出了A、B、C（圖2）3個(gè)地?zé)豳Y源異常區(qū)。由圖2可以看出，這3個(gè)異常區(qū)域在3個(gè)時(shí)相中都有明顯顯示，且異常等級(jí)很高，可以作為地?zé)峥碧降挠欣麉^(qū)域。

圖1 溫度反演結(jié)果

圖2 地形校正后的溫度反演結(jié)果

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