劉效才，江泳，劉孝陽，劉琨

(1.山東省第七地質礦產勘察院，山東 臨沂　276000；2.臨沂市國土資源局，山東 臨沂　276000；3.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京　100083)

Landsat ETM+遙感數(shù)據(jù)在尋找臨沂地熱中的應用

劉效才1，江泳2，劉孝陽3，劉琨1

(1.山東省第七地質礦產勘察院，山東 臨沂276000；2.臨沂市國土資源局，山東 臨沂276000；3.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京100083)

沂沭斷裂帶內蘊藏著豐富的地熱資源，以landsat ETM+為主要遙感數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程反演出整個臨沂地區(qū)地表溫度，對灰色溫度圖像進行交互式拉伸突顯出33℃及以上溫度異常區(qū)，結合ETM+真彩色圖像以及Google影像，排除城鎮(zhèn)建筑、農村居民點、河岸灘、裸露巖體等異常區(qū)域，將所得異常結果與地熱地質背景圖進行疊加比對，并從區(qū)域地質角度對其進行分析，以期找到地熱潛伏區(qū)。

Landsat ETM+；溫度反演；地熱；臨沂

引文格式：劉效才，江泳，劉孝陽，等.Landsat ETM+遙感數(shù)據(jù)在尋找臨沂地熱中的應用[J].山東國土資源，2015，31(5)：76-81.LIU Xiaocai，LIU Xiaoyang, JIANG Yong，etc. Application of Landsat ETM+ Remote Sensing Data in Searching Geothermal Field in Linyi City[J].Shandong Land and Resources,2015，31(5)：76-81.

0　引言

地熱是蘊藏在地球內部的一種自然熱能，其熱量主要來自地球內部放射性元素的蛻變。從能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略看，地熱資源是一種發(fā)展前景非常好的綠色能源，它分布廣泛而且性質較穩(wěn)定，與煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源相比，具有廉價、潔凈和可持續(xù)利用等優(yōu)點。據(jù)估算，地球蘊藏的地熱能約14.5×10J，折合4948萬億t標準煤，而全球煤的埋藏量僅為1萬億t[1]。加上近年來全球氣候變暖，霧霾天氣頻發(fā)等環(huán)境污染問題日益突出，地熱資源開發(fā)利用的巨大前景備受各國重視?？茖W開發(fā)利用地熱能能夠實現(xiàn)經濟效益社會效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一，有著各方面的重要意義[2]。

比較成熟的地熱資源的探測方法有地質學方法、地球物理勘探方法以及地熱異常現(xiàn)象調查法、地球化學法等[3]。但這些傳統(tǒng)方法周期長，資金投入大，如果對探測區(qū)地熱宏觀環(huán)境條件不明，就會出現(xiàn)投資風險大或盲目開采的情況，對地熱資源的可持續(xù)發(fā)展是一種很大的危害[4]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，遙感技術的不斷成熟，其在地熱資源探測與調查中的優(yōu)越性越來越明顯：可快速、經濟、大區(qū)域的定量研究熱量資源和熱場分布變化。郝艷梅等于2001年探索了遙感技術在小區(qū)域應用的方法和途徑,揭示了遙感技術的廣闊應用前景[5]；喬玉良等于2002年利用TM6作為數(shù)據(jù)源對快速尋找地下熱水進行了探究[6]；楊波等于2003年利用遙感技術發(fā)現(xiàn)了騰沖西南地區(qū)地熱富集的規(guī)律性，提出了地熱田的遙感影像模式[7]；章方等于2012年利用Landsat 7 ETM+遙感影像對長春地區(qū)地表溫度異常進行了遙感分析[8]。

1　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1研究區(qū)域概況

臨沂市近黃海，東連日照，西接棗莊、濟寧、泰安，北靠淄博、濰坊，南鄰江蘇。南北最大長距228km，東西最大寬度161km，總面積17191.2km2，地勢西北高東南低，是山東省面積最大的地級市。臨沂市地質構造復雜，地層發(fā)育比較齊全，從太古宇至新生界，除上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)、三疊系及中、下侏羅統(tǒng)、古新統(tǒng)、新近系缺失以外，其他各期地層都有發(fā)育。主要構造以郯廬斷裂帶(境內稱沂沭斷裂帶)為主。沂沭斷裂帶經郯城北向延伸，縱貫臨沂市，以斷裂為界，臨西為魯西臺背斜的一部分，屬華北地臺范疇，臨東為膠南隆起的一部分，屬揚子大陸塊范疇。

沂沭斷裂帶由4條主干斷裂組成，自西向東依次為鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂及昌邑-大店斷裂[9](圖1)。該斷裂帶不但控制了地層展布，巖漿活動也沿斷裂侵入，同時把深部熱液沿斷裂向淺部運移，為地熱形成提供了通道和儲存空間[10]。復雜的地質構造,為區(qū)內地熱資源形成提供了地質條件,是地熱資源較豐富地區(qū)[11]，臨沂也因此被國土資源部授予“中國溫泉之城”的美稱。目前已發(fā)現(xiàn)多處溫泉，如湯頭地熱田、銅井地熱田、松山地熱田等。由于近年來勘查工作一直未能取得突破性進展，加上溫泉長期過量開采，多處溫泉出現(xiàn)不同程度的枯竭，因此方向正確的溫泉勘查工作迫在眉睫。

1—第四系；2—新近系；3—古近系；4—白堊系；5—奧陶系；6—寒武系；7—沂水巖群；8—花崗閃長巖；9—閃長玢巖；10—二長花崗巖；11—韌性剪切帶；F1—甘霖斷裂；F2—燕甘斷裂；F3—蒙山斷裂；F4—新泰-垛莊斷裂；F5—銅冶店-孫祖斷裂；F6—相邸斷裂圖1　臨沂市地熱地質背景圖鞏貴仁等修改)

1.2數(shù)據(jù)資料

該文所用遙感數(shù)據(jù)為2003年5月11日的Landsat7 ETM+遙感影像，衛(wèi)星過境時間為上午10點31分，圖像質量較好，清晰無云。所用氣象統(tǒng)計資料來源于中國氣象局。

2　地表溫度反演

2.1輻射定標

ETM+數(shù)據(jù)是以灰度值來表示的，灰度值并非實際的反射或者輻射強度值，但它們之間存在著一定的換算關系，在進行溫度反演之前，必須要將灰度值轉化為傳感器接受到的輻射強度值，即所謂的輻射定標。對于ETM+數(shù)據(jù)，輻射定標的轉換公式可以簡化為

L(λ)=gain×QDN+offset

式中：QDN為像元灰度值；gain和offset分別為圖像的增益和偏置，是數(shù)據(jù)頭文件中提供的定標系數(shù)。

2.2地表比輻射率計算

物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征，這一基本參數(shù)主要取決于地表物質結構和觀測波段，與觀測角度等因素也存在關系。ETM+熱紅外波段分辨率為60m，大都為混合像元，在大尺度上對比輻射率精確測量的難度很大，目前一般采用間接的方法來獲取。地球表面不同區(qū)域的地表結構雖然很復雜，但從衛(wèi)星像元的尺度來看,可以大體視作由3種類型構成：水面、城鎮(zhèn)和自然表面[12]。根據(jù)VandeGriend和Owe的實測數(shù)據(jù)研究，ε與植被覆蓋度存在密切關系。該文將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)下式進行計算：

式中：εsurface和εbuilding分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率；Fv代表植被覆蓋度，指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比。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，具體的計算公式為：

FV=(NDVI- NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

式中：NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，NDVIv為100%植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，對應研究區(qū)域NDVI最大值；NDVIs為100%裸土覆蓋區(qū)域的NDVI值，對應研究區(qū)域NDVI最小值。然而影像不可避免地會受到噪聲的影響，可能對NDVI值產生一定的影響，為了保證估算精度，該文利用不同波段彩色合成分別識別出植被與土壤，經過統(tǒng)計分析，得到NDVIv=0.5，NDVIs=0。且有，當某個像元的NDVI大于0.5時，F(xiàn)V取值為1；當NDVI小于0時，F(xiàn)V取值為0。

2.3計算相同溫度下黑體的輻射亮度值

在熱紅外窗口，大氣并非是完全透明的。傳感器接收的熱紅外輻射除地表信息以外，還受大氣狀況的影響。由于熱紅外波段大氣散射一般可以忽略不計，熱紅外輻射的大氣傳輸方程應考慮大氣的吸收和發(fā)射[13]。Chandrasekhar[14]把傳感器接收的熱紅外輻射表達為3項之和，即大氣上行輻射項，經大氣吸收衰減后到達傳感器的輻射，大氣下行輻射項經地表反射后通過大氣傳輸?shù)絺鞲衅鞯妮椛洹：喕疌handrasekhar的計算表達式得到輻射傳輸方程：

式中：ε為地表輻射率；TS為地表真實溫度；B(TS)為普朗克定律推到得到的黑體在TS的熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率。則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

根據(jù)遙感圖像時間以及中央經緯度等信息，在NASA官網模型中查詢式中所需參數(shù)值。

2.4反演地表溫度

在獲取溫度為TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實溫度TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)。對于ETM+數(shù)據(jù)，K1=666.09W/(m2·sr·μm)，K2=1282.71K。溫度反演結果見圖2。

圖2　臨沂市地表溫度圖

2.5反演地表溫度驗證

該文所用輻射傳輸方程法反演出臨沂地區(qū)最高溫度38.17℃，最低溫度16.58℃，大部分地區(qū)溫度介于20～30℃之間。由于沒有衛(wèi)星過境時的同步氣象觀測數(shù)據(jù)，所以不能對地表溫度反演的結果進行客觀的評價[15]。該文只是采用中國氣象局統(tǒng)計的往年5月份氣溫資料進行簡單比對。據(jù)統(tǒng)計，臨沂地區(qū)5月份溫度極端最低溫度為3℃(1961年)，極端最高溫度為38℃(1982年)。從圖3可以看出，平均最高溫度約為25℃，平均最低溫度約為14℃。由于陸地與大氣熱交換的不平衡性，一般情況下認為白天陸地溫度會略高于大氣溫度，水域溫度略低于大氣溫度，與所反演結果大體吻合。從溫度空間分布來看，河流、水庫區(qū)域溫度較低，北部山區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū)溫度較高，溫度分布符合邏輯，所以認為反演結果準確。

圖3　臨沂市5月份溫度走勢圖

3　溫度異常區(qū)分析

3.1溫度異常區(qū)提取

為了便于提取溫度異常信息，該文對灰度值溫度圖像進行交互式拉伸，突顯33℃以上異常區(qū)，并用ENVI軟件與ETM+真彩色圖像進行地理鏈接。由于ETM影響分辨率為30m，不能很細致地觀察地表成分，只能對溫度異常區(qū)進行粗篩選，排除一些顯而易見的人為或地形地貌因素干擾。為了更好地對異常區(qū)進行分析，該文將交互式拉伸處理后的圖像加載到Global mapper中，對溫度異常區(qū)進行數(shù)字化，圈出共計58個區(qū)域，并導出為KMZ矢量格式，利用Google Earth高分辨率和歷史圖像等優(yōu)勢，對其進一步比較分析。

經認真比對分析，該文將溫度異常區(qū)劃分為兩類：A類溫度異常區(qū)和B類溫度異常區(qū)。A類溫度異常區(qū)指由于城鎮(zhèn)建筑、村莊、河岸灘、裸露山體等因素影響下呈現(xiàn)的溫度異常區(qū)，這種溫度異常并非地熱因素導致。B類溫度異常區(qū)排除人為或地形地貌等因素對溫度的影響，溫度異常原因尚不明確，待考證。兩者共計58處，其中A類溫度異常區(qū)39處，B類溫度異常區(qū)19處，對B類溫度異常區(qū)進行編號B1-B19。分析結果如圖4所示。

圖4　溫度異常區(qū)在Google Earth上的顯示

3.2B類溫度異常區(qū)與臨沂市地熱資源開發(fā)利用規(guī)劃圖的疊加分析

圖5為臨沂市政府所編制下發(fā)《中國溫泉之城——山東臨沂發(fā)展建設規(guī)劃(2013—2020年)》的地熱開發(fā)利用規(guī)劃略圖，包含2013年前已經開發(fā)的溫泉示范區(qū)，2013—2015年溫泉規(guī)劃開發(fā)區(qū)以及2016—2020年溫泉規(guī)劃開發(fā)區(qū)。其中已開發(fā)示范區(qū)已完成勘察驗證，規(guī)劃開發(fā)區(qū)為地熱異常區(qū)。

圖5　臨沂市“一軸兩翼”地熱資源開發(fā)利用規(guī)劃略圖

將該文所得B類溫度異常區(qū)與之疊加分析，共發(fā)現(xiàn)6處B類溫度異常區(qū)完全處于已開發(fā)示范區(qū)或規(guī)劃開發(fā)區(qū)范圍內，編號分別為B1，B5，B8，B14，B15，B19，它們顯示出的溫度異常面積大都較小，呈現(xiàn)為點狀分布，應為地熱露頭或者地熱中心區(qū)。B4，B10，B12三處溫度異常區(qū)與溫泉已開發(fā)示范區(qū)或規(guī)劃開發(fā)區(qū)有大部分重疊，它們的面積較大，呈現(xiàn)長條帶狀。其中B10受到北部費縣處溫泉和區(qū)內山體的共同影響，表現(xiàn)出溫度異常形狀狹長且面積較大；B12處于城市建筑密度較大區(qū)域，受其與地熱的共同影響，表現(xiàn)出的面積也較大。部分地熱區(qū)在熱紅外遙感溫度圖像上得到一定程度的體現(xiàn)，表現(xiàn)為熱異常，但由于受到熱源埋深、溫度和地表覆蓋情況等因素的影響，并非所有地熱區(qū)都會在地表呈現(xiàn)出熱異常，有些地熱區(qū)未能監(jiān)測的到。

3.3B類溫度異常區(qū)與地熱地質背景圖的疊加分析

排除A類溫度異常區(qū)和上文中所列與溫泉已開發(fā)或規(guī)劃開發(fā)區(qū)重疊部分的異常區(qū)，該文利用圖像疊加層功能，將所剩B類溫度異常區(qū)與臨沂市地熱地質背景圖在Google Earth中進行疊加，從區(qū)域地質角度對其進行分析判斷地熱存在的可能性。經分析，共發(fā)現(xiàn)3處B類溫度異常區(qū)具有存在地熱的可能性，且均處于韌性剪切帶或者斷裂帶上，編號分別為B2，B3，B9(圖6)。

圖6　溫度異常區(qū)與地質圖在Google Earth上的疊加

3.3.1B2號異常區(qū)

該區(qū)位于蒙陰縣東部興旺莊村—魏家?guī)r路村一帶，呈NW—SE向條帶狀分布，處于銅冶店-孫祖斷裂上。

銅冶店-孫祖斷裂為NW向旋轉構造帶的臨北帚狀構造，全長100km，走向NW，傾向NE；斷裂帶內構造片巖、糜棱巖、角礫巖發(fā)育，斷面上斜沖擦痕清晰，斷盤上地層擠壓牽引明顯，不利于地熱水流通，也是阻水斷裂。N盤(弧外)下降由泰山巖群構成，S盤(弧內)上升由古生界、中生界組成；控制著中、新界凹陷盆地沉積，其特點為北斷南超，地層東老西新；由一組多期活動的左行逆斷層組成；活動時間為侏羅紀至新近紀，白堊紀活動最強烈。該斷裂位于水文地質條件良好，富水性強的沂沭斷裂帶以西中低山丘陵水文地質區(qū)，該區(qū)域分布大面積的碳酸鹽類裂隙巖溶水，含水層主要由灰?guī)r組成，厚度大，分布廣，裂隙巖溶發(fā)育，彼此連通，為地下水提供了充裕的賦存空間。銅冶店-孫祖斷裂與NNE向斷裂交會處有非常好的成熱條件，同時由于鄌郚-葛溝斷裂為由北向南的疏水斷裂，故NNE向斷裂與其交會部位為地下水匯集地區(qū)，地熱水水源豐沛。

3.3.2B3號異常區(qū)

該區(qū)位于沂南縣蘭香埠村—司馬村一帶，呈NNE向條帶狀分布，處于沂水-湯頭斷裂帶上。

沂水-湯頭斷裂走向15°，構成蘇村-馬站地塹的東界和汞丹山凸起的西界，斷裂南段出露不好，北段沂水境內出露好。在新生代早期構造處于開放系統(tǒng)，火山活動頻繁，在該斷裂附近發(fā)育一系列派生斷裂，在斷裂交會處對地熱形成極為有利，湯頭溫泉就在該斷裂帶上。

3.3.3B9號異常區(qū)

該區(qū)位于費縣盛家?guī)X—安樂窩村一帶，呈NE向條帶狀，處在甘霖斷裂處附近；區(qū)內地層多以寒武紀海相沉積巖為主，在中生代印支期被中酸性花崗巖沿裂隙或順層侵入。推斷區(qū)內中生代侵入巖根部及甘霖斷裂提供了地熱資源的熱源及通道，存在較好的地熱勘查前景。

4　結論

該文從熱紅外遙感和區(qū)域地質角度對臨沂市地熱分布狀況進行了簡要分析，共有部分溫泉已開發(fā)區(qū)或者規(guī)劃開發(fā)區(qū)顯示出了溫度異常，在遙感溫度圖像得到了很好的驗證。另外發(fā)現(xiàn)3處地熱潛伏區(qū)，對以后臨沂地區(qū)地熱勘測具有一定的導向性作用。在實際應用中，此法與同類技術相比具有以下優(yōu)勢：

(1)利用熱紅外波段進行地表溫度反演，確切的量化出整個臨沂地區(qū)地表溫度，而以往遙感地熱相關研究往往是通過波段差值運算和增強處理等步驟定性的區(qū)分地表溫度高低，對于溫度異常區(qū)缺乏定量分析。相比之下，通過溫度反演這一過程使得研究更加精確。

(2)對于灰色溫度圖像進行交互式拉伸，凸顯出33℃以上區(qū)域，而使得其他溫度區(qū)作為黑色背景值不予顯示，使得圖像更具有可讀性。

(3)該文將33℃以上溫度異常區(qū)進行了矢量化，并利用Google Earth具有高分辨率和歷史圖像等優(yōu)勢排除人為因素或地形地貌等引起的溫度異常區(qū)，把所得到的結果分別與地熱規(guī)劃圖和地熱地質背景圖進行疊加分析，通過2次篩選增加了結果的準確性和可靠性。

但由于缺乏物探、鉆探以及磁異常等實際工作，對得出的3處地熱潛伏區(qū)也只屬于初探，尚需等待驗證。遙感雖快捷方便，可節(jié)省大量人力物力，但畢竟還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地熱勘測技術。遙感技術必須與其他技術方法相配合,與專業(yè)知識及專家思想相結合才能取得比較好的應用效果。

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Application of Landsat ETM+ Remote Sensing Data in Searching Geothermal Field in Linyi City

LIU Xiaocai1，LIU Xiaoyang1, JIANG Yong2, LIU Kun1

(1.No.7 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Linyi 276000, China; 2. Linyi Bureau of Land and Resources, Shandong Linyi 276000, China; 3. Land Science and Technology College of China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China)

Yishu fault zone is rich in geothermal resources. By using Landsat ETM+ as the main remote sensing data, and inversing the whole surface temperature in Linyi city by using radiative transfer equation. Gray temperature images have been interactively stretched in order to show temperature abnormal areas in 33℃ and the above temperature. Combining with ETM+ true color images and Google images, excluding town, rural residential buildings, river beach, bare rock and other abnormal areas, the already gained abnormal results have been compared with geothermal geologic background images, and analyze it from the angle of regional geology in order to find potential geothermal regions.

Landsat ETM+; temperature inversion; geothermal

2014-07-13；

2014-09-24；編輯：曹麗麗

劉孝才(1983—)，男，山東臨沂人，工程師，主要從事地質礦產工作；E-mail:285410775@qq.com

P208

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