李 明

(福建省地質調查研究院， 福州，350013)

利用熱紅外遙感技術勘查地熱資源，起源于20世紀70年代，主要采用熱紅外遙感(Infrared Remote Sensing)通過熱紅外探測器收集、記錄熱紅外遙感地物輻射出來的人眼看不到的熱紅外輻射信息，并利用這種熱紅外輻射信息來識別地物和反演地表參數(shù)(如溫度、發(fā)射率、濕度、熱慣量等)[1]，由于該地表熱狀況信息從一定程度上反映了地球深部熱源的分布，進而被應用到地下熱水資源的勘查中。福建省遙感地熱研究工作相較于傳統(tǒng)的地熱勘查來說，開展較晚，從所查到已發(fā)表的少量資料來看，多數(shù)研究角度較為單一，停留于利用肉眼對色調的判讀，實際勘察成果也很少得到野外驗證。筆者以福建海壇島—興化灣濱海地熱調查福清工作區(qū)為例，利用熱紅外遙感影像，對工作區(qū)進行溫度反演，提取地表熱異常信息，結合多源數(shù)據(jù)分析圈定預測靶區(qū)，并得到野外勘查驗證，力圖給予區(qū)域地熱資源勘查一種新的思路，提供一定技術支持。

1 工作區(qū)地質特征及水文條件

工作區(qū)位于福建福清灣區(qū)域，面積約為116.3 km2，該區(qū)出露的地層主要有晚侏羅世-早白堊世南園組、早白堊世黃坑組上段和第四紀。南園組以深灰-淺灰色碎斑熔巖為主，分布較為分散；黃坑組上段以紫灰、灰黑色偏堿性熔巖為主，完整的分布于工作區(qū)東北部；第四紀主要分布在沿海地區(qū)及內陸山間盆地中，以沖積層、殘積層分布最廣，組成物質粒度沿海較細，向陸地段變粗。侵入巖以早白堊世晶洞堿長花崗巖為主，呈巖株或巖瘤狀、不規(guī)則狀沿北西向展布，侵入于南園組和石帽山群及花崗巖類；其次為晚白堊世深灰色閃長玢巖，呈橢圓狀展布(圖1)。

區(qū)內地下熱水主要儲存于基巖裂隙之中，形成呈帶狀或脈狀的基巖裂隙水熱儲層。地下熱水通過周邊山區(qū)接受大氣降水的入滲補給，在向排泄區(qū)不斷運移的過程中，隨著深度的增大，地下水從圍巖中獲取熱量形成熱水。熱儲中的熱水沿著斷裂交會處而形成的高滲透帶上涌至地表，形成熱田高溫中心。熱水上涌至第四系含水層，與其中的冷水發(fā)生混合作用，形成了熱田中心外圍中低溫地下熱水。因此，區(qū)內地下熱水具有長時間、遠距離、深循環(huán)的運移特征，這直接導致區(qū)域地表熱異常信息呈溫度低、面積大的特點，對熱紅外遙感地熱異常信息的提取與優(yōu)化選取造成較大干擾。

2 技術方法流程

工作區(qū)熱紅外遙感解譯分為遙感影像數(shù)據(jù)選擇、遙感影像圖制作、區(qū)域遙感構造解譯、遙感地熱異常提取、遙感地熱異常分析與預測五個部分，根據(jù)其工作流程編制了熱紅外遙感解譯流程圖(圖2)。

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)選擇

工作區(qū)遙感地質構造解譯使用RapidEye數(shù)據(jù)，空間分辨率為5 m，局部地區(qū)綜合使用IKONOS、Quick Bird等高分辨率數(shù)據(jù)，可以滿足區(qū)域內遙感地質構造解譯和對假異常甄選的需求。

遙感地熱異常提取使用美國Landsat8的熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，時相為2013年10月23日，影像質量很好，無云、無壞點、無高頻噪聲，可以滿足溫度反演的要求。

2.2 遙感構造解譯

工作區(qū)遙感解譯地質構造部分以目視解譯為主，計算機解譯為輔。主要解譯與地熱異常有關的深大斷裂、斷裂密集帶、節(jié)理裂隙，以及侵入巖、火山巖等熱液來源體和環(huán)狀充水構造，并對被第四系覆蓋的區(qū)域進行了較為合理的推測。地質資料顯示，工作區(qū)北東向構造為控熱構造，以壓扭性為主，提供主要熱源；北西、東西向構造為控水構造，以張性、張扭性為主，提供主要水源，故在解譯過程中，重點關注該類構造。其解譯成果參見工作區(qū)遙感構造解譯結果圖(圖3)。

2.3 遙感地熱異常提取

2.3.1 輻射傳輸方程算法

針對不同的遙感數(shù)據(jù)類型，異常提取方法很多，主要有單窗算法(Mono-window Algorithm)[2]、劈窗算法(SWT,split-window techniques)[3]、輻射傳輸方程算法[4]、密度分割、比輻射歸一化算法(NEM)[5]、主成分分析法等。在這些方法中，只有單窗算法和輻射傳輸方程算法是針對Landsat8數(shù)據(jù)進行地表溫度反演，由于前者需要的部分參數(shù)無法收集到，故該工作區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)采用輻射傳輸方程算法(又稱大氣校正法)，首先利用與衛(wèi)星過空時間同步的大氣數(shù)據(jù)來估計大氣對地表熱輻射的影響，然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星高度上傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強度，再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達式可寫為(輻射傳輸方程)

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

式中：ε為地表輻射率；TS為地表真實溫度(K)；B(TS)為普朗克定律推導得到的黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；L↓為大氣下降參數(shù)(Effective bandpass downwelling radiance)；L↑為大氣上升參數(shù)(Effective bandpass upwelling radiance)。

溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

則地表實際溫度TS為

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

2.3.2 地熱異常提取

利用輻射方程算法對數(shù)據(jù)進行溫度反演，地熱異常結果在陸地按照1℃進行分類，陸地重點區(qū)域按照0.5℃進行分類，形成遙感地熱異常分布圖(圖4)。

2.3.3 異常分析與預測

對于所選數(shù)據(jù)p119r42(軌道號119，行列號42)，拍攝于2013年10月23日，過境時間為美國時間2點34分，即北京時間14點34分，幾乎為一天中溫度最高值。據(jù)收集到的當?shù)貧庀蟛块T天氣數(shù)據(jù)，當天福州地面氣象站的最低溫度、最高溫度及平均溫度分別為16.8℃、27.8℃、21℃。因此，為了提高所提取異常的有效精度，在進行溫度反演過程中，經(jīng)反復研究分析，認為取22℃以上為有效異常溫度、28℃以上為重點異常溫度較為合理。經(jīng)統(tǒng)計，28℃以上的面積2.81 km2，29℃以上面積0.61 km2，30℃以上面積0.136 km2，分別占工作區(qū)總面積(154.6 km2)的1.82%、0.39%、0.088%。

地熱異常的預測主要在已知地質資料的基礎上，結合當天氣象狀況、不同時相的高分辨率遙感影像、遙感構造解譯成果、遙感地熱異常提取結果進行宏觀比較和微觀分析，在多重數(shù)據(jù)下推測地球深部溫度場空間分布，剔除人工假異常區(qū)，建立室內遙感地熱異常解譯標志，繼而進行野外調查驗證，進一步完善地熱異常解譯標志，提高該區(qū)域遙感地熱異常預測的準確性，并圈定地熱異常預測區(qū)。經(jīng)過對工作區(qū)遙感地熱異常分析(分析范圍主要針對28℃以上區(qū)域)，共圈出A、B、C 3處異常預測靶區(qū)(圖5)。

A區(qū)：長樂—馬甲北東向斷裂帶與北西向斷層交會處，遙感地熱異常明顯，呈完整的階梯向中心遞增，呈橢圓形態(tài)，東西長400 m，南北寬280 m，面積約0.086 9 km2，最高反演溫度31℃。

B區(qū)：北西向斷層與北東東向斷層交會處，遙感地熱異常明顯，呈近圓形形態(tài)，面積約0.031 7 km2，最高反演溫度30℃。

C區(qū)：處于早白堊紀晶洞堿長花崗巖，有一組北東向平行斷層穿過，具有富水和儲水條件，地熱異常形態(tài)呈條帶狀，南北長850 m，東西寬350 m，面積約0.245 2 km2，地熱異常最高反演溫度31℃。

最后在預測靶區(qū)A區(qū)內進行物探淺孔測溫，鉆孔深度為60 m處，測得鉆孔出水口溫度為26℃，為工作區(qū)測溫最高值。預測靶區(qū)C區(qū)內布置了2個鉆孔，鉆孔深度分別為60 m和70 m，其鉆孔出水口溫度均為23.5℃，為工作區(qū)測溫次高值。

3 結論

(1)利用輻射傳輸方程算法對熱紅外影像進行溫度反演，提取工作區(qū)陸地表面熱異常信息，綜合區(qū)域地質、水文地質、氣象信息、高分辨率遙感影像等多重數(shù)據(jù)，共圈定了長樂—馬甲北東向斷裂帶與北西向斷裂交會處，北西向斷層與北東東向斷層交會處，區(qū)內早白堊紅晶洞堿長花崗巖3處遙感地熱異常預測區(qū)，其中前2處得到了野外鉆孔溫度異常驗證，在地熱勘查中具有較為可靠的實際效用。

(2)工作區(qū)位于福建濱海火山巖地區(qū)，地貌上屬于低緩丘陵、濱海平原，居民點密集，人類開發(fā)活動多，植被覆蓋率較低，客觀上提高了遙感地熱異常提取的可行性和準確度，對今后在類似地區(qū)開展遙感地熱工作具有一定的指導意義，但是，該方法能否推及整個濱海區(qū)域甚至中西部植被覆蓋較高區(qū)域，有待進一步實踐驗證。

本文系“福建海壇島—興化灣濱海地熱調查”項目的部分遙感成果，系集體工作成果，在成文過程中得到了福建省地質調查研究院李榮安高級工程師的悉心指導，承蒙歐于祥高級工程師的認真審閱，在此一并深表感謝！

1 李小文.多角度與熱紅外對地遙感.北京：科學出版社，2001.

2 覃志豪.用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法.地理學報，2001，56(4).

3 丁莉東，覃志豪，毛克彪.基于MODIS影像數(shù)據(jù)的劈窗算法研究及其參數(shù)確定.遙感技術與應用，2005，20(2).

4 丁鳳，徐涵秋.TM熱紅外波段圖像的地表溫度反演算法與實驗分析.地理信息科學，2006，8(3).

5 許軍強，白朝軍，劉嘉宜.基于遙感技術的長白山火山區(qū)地熱預測研究.國土資源遙感，2008，75(1).