基于热红外遥感数据的尕斯库勒盐湖温度异常信息提取及成因探讨

2019-12-02王俊虎武鼎郭帮杰

铀矿地质 2019年6期

王俊虎，武鼎，郭帮杰

（核工业北京地质研究院，遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

我国盐湖数量众多，蕴藏着极其丰富的盐类资源，除石盐、石膏、芒硝、天然碱、天青石等天然盐矿物原料外，卤水中的锂、硼、镁、钾都具有单独开采的价值，且溴、锶、铷、铯等也具有综合利用价值。开展盐湖资源环境分析及评价十分必要［1］。但盐湖区自然环境恶劣，交通不畅，盐湖水体采样和物化数据采集困难。采用人工测量方法获取盐湖水样参数难度大、周期长，且成本高，不利于盐湖资源环境分析与快速评价。遥感作为一种先进的探测技术，具有快速、动态、宏观、综合的优势，在生态环境监控、土地资源调查与监测及灾害预警与评估等领域，均可作为一种新的技术手段发挥作用［2］。随着遥感数据空间分辨率和光谱分辨率的不断提高及相应信息提取技术的进步，应用遥感技术开展盐湖的形成与演化研究、矿化度估测、卤水变化监测、矿产资源评价等均取得了良好的效果，并受到越来越多盐湖学者的关注［3-7］。

热红外遥感与传统光学遥感相比，因其全天候数据应用优势和每种地物可供识别的独特红外辐射特性，受到相关研究学者的广泛青睐。在农情监测、地热资源探测、矿产资源调查等领域均得到了广泛的应用［8-12］，但在盐湖领域的应用鲜有报道。本文基于热红外遥感数据，对青海省尕斯库勒盐湖进行了温度异常信息提取及其成因探讨，旨在为开展不同年份、不同水域盐湖湖表水温调查和异常分析提供一种新的技术手段。

1 研究区概况及其遥感影像特征

尕斯库勒盐湖位于青海省西部海西州花土沟镇，发育于柴达木盆地西南部茫崖坳陷之尕斯库勒凹陷中。除湖区南部及西南部分布着残丘状的新近系上新统泥岩和粉砂岩外，区内均为第四系沉积。该盐湖为卤水湖类别，是柴达木盆地演化至晚更新世水体变浅、湖盆收缩、变为大小不等、互不相连、散布各地的37 个盐湖及半咸水湖之一。盐湖形态呈北西向展布，西北、东北、西南面分别被阿尔金山、油砂山和祁漫塔格山环绕，东南面与东柴山相隔，处于相对封闭的积水洼地中。阿尔金山和祁漫塔格山主峰海拔均在4 000 m以上，终年积雪，为盐湖淡水补给的主要水源区。盐湖海拔高度约为2 800 m，湖水区面积为103 km2，水深一般为0.5～0.8 m，平均水深为0.65 m，湖中南部最深，可达1.3 m。盐湖水源主要依赖南部祁漫塔格山、西部泉集河（铁木里克河、卡里木塔河、赛斯克雅河、托斯克雅河）和西北部阿哈堤山地表径流渗透补给。卡里木塔河、铁木里克河、赛斯克雅河为季节性河流，托斯克雅河为常年性河流。该湖东部水域平均矿化度为305 g/L，湖水西部受河流补给影响矿化度降低。湖区全年多风干燥、降雨稀少、蒸发强烈，为典型的内陆干旱气候［13-14］。

尕斯库勒盐湖湖水水化学类型为硫酸镁亚型，是一个以芒硝、石盐沉积为主的盐湖。2010—2012 年，核工业北京地质研究院王志明项目团队对该盐湖开展了含铀性评价，湖表卤水铀含量平均值为212 μg/L，得出了该湖为含铀盐湖的结论［15］。为了较好突出尕斯库勒盐湖-蚀源区的地形、地貌及补给-径流-排泄特征，本文采用了对地质要素、水体信息反映较好的ETM＋741 进行彩色合成，与DEM 数据叠加生成三维影像图，解译出湖区的补给-径流-排泄方式，盐湖淡水补给主要来源于西北部、西部和南部，盐湖东部因无地表淡水补给，蒸发量远大于补给量，形成了大面积的干盐滩（图1）。

图1 尕斯库勒盐湖补给-径流-排泄ETM＋741 三维解译图Fig.1 3D ETM＋（741）image showing the interpreted recharge-runoff-discharge zones in Gasikule Salt Lake

2 基于热红外遥感数据的盐湖温度信息提取

2.1 实验数据选择

为从不同时相和不同数据源类型两方面充分对比提取的盐湖温度信息，本文获取了2000 年11 月3 日12∶00 采集的Landsat7 ETM＋热红外数据，光谱波段范围为10.40～12.50 μm，空间分辨率为60 m，数据绝对辐射精度为5%，地理定位精度为250 m。购买了2006 年10 月2 日12∶00 采集的ASTER 热红外数据，数据处理级别为Level1B 级（表1）。两类热红外数据清晰无云，信噪比高，且均已经过几何校正，精度满足本文研究需求。

表1 ASTER 热红外子系统技术参数表Table 1 Technical parameters of ASTER thermal infrared bands

本文使用的与热红外数据同期的气象数据（如温度、湿度等）来源于天气记录网，研究过程中主要用到的遥感软件为ENVI 4.8。

2.2 基于ETM＋热红外数据的盐湖温度信息提取

基于ETM＋热红外数据反演地表温度信息，比较成熟且应用广泛的算法为单窗算法［16］。该算法主要基于大气辐射传输方程和对普朗克方程的线性化估计模型来推导反演模型，反演模型算法相对简单，反演误差对比辐射率不敏感，只需确定等效大气平均温度、大气透射率和比辐射率即可，且反演精度较高。因此，本文基于ETM＋热红外数据，采用单窗反演算法对盐湖进行了温度提取：

式中：TS—地表温度（K）；a、b—常量，a＝-67.355 351，b＝0.458 606；T6—ETM＋第六波段热红外数据像元亮度温度（K）；Ta—大气平均作用温度（K）；C、D—中间变量，C＝ετ，D＝（1-τ）［1＋（1-ε）τ］，其中，ε为比辐射率，τ 为大气透射率。

因本文主要关注盐湖不同水域水体温度的相对值而非绝对值，因此，部分参数的选取和测算上进行了近似模拟，具体的提取过程如下：

2.2.1 ETM＋热红外波段辐射定标

本文获取的ETM＋热红外数据值为亮度值，依据辐射定标原理，将ETM＋热红外波段亮度值定标为卫星上遥感器所探测的光谱辐射亮度值：

式中：Retm＋—ETM＋热红外波段光谱辐射亮度（W/（m2·sr·μm）），DNetm＋—ETM＋热红外波段像元的亮度值（0≤DNetm＋＜255）。

2.2.2 星上亮度温度测算

亮度温度是遥感器在卫星高度所获取的热辐射强度相对应的温度，在辐射定标的基础上根据普朗克函数便可以计算星上辐亮度值。由于普朗克函数计算复杂，为了简化计算过程，本文采用近似算法计算：

式中：Tetm＋—ETM＋热红外波段像元亮度温度值（K）；k1、k2—卫星发射前预先设定的常量，对于ETM ＋热红外波段数据，k1＝666.09 m·W·cm-2·sr-1·μm-1，k2＝1 282.71 K；Retm＋—ETM＋热红外波段光谱辐射亮度（W/（m2·sr·μm））。

2.2.3 大气平均作用温度（Ta）测算

Ta 主要取决于大气状态和大气剖面气温分布，因卫星飞过盐湖区上空时间很短，很难实时开展大气状态和大气剖面数据的直接测量。因此，本文根据Karnieli 等人的研究进行测算［17］：

式中：Ta—大气平均作用温度（K）；T0—地面气温（K）。该式表明，在天空晴朗、无涡旋作用等标准大气状态下，Ta 是T0的线性函数。因此，在无法实时获取大气探测资料的情况下，亦可用式（4）近似测算Ta。根据天气记录网提供的盐湖区温度数据T0，测算出Ta 为275.312 K。

2.2.4 大气透射率（τ）测算

覃志豪（2003）在对夏季和冬季的大气气温、天顶视角、CO2等大气参数模拟的基础上得出了ETM＋热红外数据大气透射率估计方程的经验公式：

式中：w—水气含量，τ—大气透射率［17］。本文根据天气记录网提供的盐湖区相对湿度数据，测算出为0.89。

2.2.5 比辐射率（ε）确定

比辐射率（ε）是地物向外辐射电磁波的能力，其不仅依赖于地物本身的组成成分，而且与物体的表面状态（粗糙度等）及物理性质（介电常数、含水量、温度等）有关，并随着所测定辐射能的波长、观测角度等条件的变化而变化。由于水体在热红外谱带的比辐射率很高，接近于黑体（ε＝1）。因此，比辐射率无法按照常规地物的计算公式（如以植被指数定义的经验公式）来测算［18］。Lillesand Thomas M 等人经过大量实验，测算出了清水的平均比辐射率为0.98～0.99［19］。盐湖水体与清水相比，矿化度高、水体浑浊。因此，盐湖水体比辐射率取清水比辐射率的最低值0.98。

2.2.6 盐湖温度信息提取

在获取上述参数的基础上，依据式（1）提取了尕斯库勒盐湖湖表水体的温度信息，对其进行彩色密度分割，获取了盐湖水域的ETM＋温度信息图（图2a）。

2.3 基于ASTER 热红外数据的盐湖温度信息提取

2.3.1 ASTER 热红外数据辐射定标

本文获取的研究区ASTER 热红外数据值为亮度值，因此，需把亮度值定标为光谱辐射亮度值，定标公式见式（6）［20］：

式中：Rad—传感器入瞳处辐亮度（W/（m2·sr·μm））；os—传感器本身的偏差；Gn—传感器本身的增益；DN—ASTER 热红外数据的亮度值。

基于ASTER 热红外波段辐射定标公式，对ASTER 热红外谱带的第10～14 波段分别进行辐射定标处理，获取了ASTER 热红外数据的辐亮度值，为下一步进行大气校正奠定了基础（表2）。

2.3.2 ASTER 热红外数据大气校正

基于ASTER 热红外数据提取盐湖水体温度信息时，大气上行辐射和透射率会对温度提取精度产生重要影响，若不进行大气校正，则提取温度的误差将可能很大。因此，本次采用In-Scene 大气补偿算法［21］，基于遥感处理软件Envi4.8 对ASTER 热红外数据进行大气校正。该算法假设地物上空的大气均一，并将地物表面近似为黑体，具体计算过程为从ASTER 热红外数据中估计出每个像元的表面温度，然后使用普朗克公式（假定发射率为1）来估算亮度温度，绘制亮度温度与辐射率的散点图，从而确定一条曲线，从曲线的倾斜和偏移得出大气上行辐射和透射率的值［21］。因水体在热红外谱带的比辐射率近似于黑体，与In-Scene 大气补偿算法将地物表面近似为黑体的假设一致。因此，该算法尤为适用于水体热红外数据的大气校正。

2.3.3 盐湖温度信息提取

鉴于ASTER 热红外谱带具有5 个波段，本文采用了适用于多波段遥感数据的发射率归一化法（NEM——Normalization Emissition Method）来提取盐湖温度信息。NEM 法原理即用固定的发射率值计算每一个波段和像元的温度值，每个像元的最高温度代入普朗克公式来计算发射率值［22］。不考虑环境辐射时，计算公式为：

式中：Tλ—每个波长对应的温度；εmax—最大发射率；λ—不同波长；L（λ）—传感器不同的波段获取的辐亮度值—最大发射率一定时不同波长计算得出的黑体温度；c1、c2—普朗克公式常量，c1＝1.19×10-16W·m2，c2＝14 388 μm·K。通过计算获取所有波段中最高的黑体温度，假设该温度即是目标真实温度的情况下，按照式（8）计算所有波段的发射率（ε（λ））：

式中：L（λ）—传感器不同的波段获取的辐亮度值；B（λ，T）—黑体辐亮度值。

NEM 算法计算过程并不复杂，算法原理也较合理，更适用于在热红外谱带比辐射率近似于黑体的水体温度信息提取。上文中已设定盐湖水体平均比辐射率ε 为0.98，与其对应，在NEM 算法中设定盐湖水体最大发射率εmax为0.99。本文基于ASTER 热红外数据，采用NEM 算法提取了盐湖温度信息，并对得到的温度数据进行彩色密度分割，获取了盐湖水域的ASTER 温度信息图（图2b）。

表2 ASTER 热红外数据辐射定标系数表Table 1 The radiometric calibration coefficients of ASTER thermal infrared bands

图2 基于ETM＋热红外数据（a）和ASTER 热红外数据（b）盐湖温度提取叠加解译隐伏断裂图Fig.2 Temperature extraction and hidden fault identification map of the salt lake based on the ETM＋thermal infrared data（a）and the ASTER thermal infrared data（b）.

3 盐湖温度异常信息分析及成因探讨

3.1 盐湖温度异常信息分析

由图2a 可见，因ETM＋遥感影像的成像时间是2000 年11 月3 日12 时整，平静的盐湖水面受到太阳光照射温度较高，在温度影像上大部分水域呈现的温度范围在276～290 K之间。但盐湖西南部由于受到地表淡水补给，温度较低的流动淡水注入盐湖，造成了盐湖西南部水域温度降低，温度提取图显示的温度范围在273～276 K 之间，并形象的显示出低温淡水注入湖体时，水流冲击所产生的云朵状影像特征。而紧邻干盐滩的盐湖东部水域因蒸发量远大于补给量，且水深较浅，在正午阳光照射下温度应最高。但在图上却出现了一个低温环状异常区（图2a 绿黄色），是何种原因造成了该湖东部水域的低温异常？

由图2b 可见，因ASTER 影像的成像时间为2006 年10 月2 日12 时整，湖水在阳光照射下温度较高，在温度影像上呈现的温度范围在281～290 K 之间。与ETM＋温度提取影像不同的是，此时期湖水的淡水补给主要来源于西北部河流，且河流流量较小。因此，温度影像上呈现盐湖西北部水域温度范围在279～281 K 之间的低温条带状影像特征（图2b 蓝色）。同理，在紧邻干盐滩的盐湖东部水域因蒸发量远大于补给量，本应以高温显示而同样出现了一个低温环状异常区（图2b 蓝绿色）。而且经测算，ETM＋温度信息提取图和ASTER 温度信息提取图中低温异常区中心线的绝对位置基本一致。

3.2 盐湖温度异常成因探讨

基于不同时相（2000 年与2006 年成像）和不同数据源（ETM＋和ASTER）的盐湖温度提取图，在紧邻干盐滩的盐湖东部水域均出现了一条低温环状异常带。经过6 年的盐湖演化，低温环状异常区并未消失，说明此低温异常不是在某个时期存在，而是真实且长期存在的水温异常。该盐湖水源补给方式主要为西北部、西部和南部地表径流、大气降水和深部水补给，该湖东部水域无地表径流补给，而大气降水亦不能单独对东部水域产生影响。因此，紧邻干盐滩的东部水域低温异常产生的原因只能是深部水源补给所致，而深部水只能沿断裂面这一通道由深部向上补给盐湖。即低温异常带中心线下部的深层地下水沿断裂面向上注入盐湖，温度较低的地下水涌入到温度较高的湖水中，向两侧扩散，形成了盐湖东部水域水温由低到高的环带异常。由此推断盐湖东部水域低温环状异常带的中心线位置即为盐湖水域中隐伏的断裂构造位置（图2）。正是该断裂的存在为深部水的上升补给提供了通道。

3.3 盐湖温度异常成因佐证

为进一步佐证基于盐湖水温异常推断的东部水域隐伏断裂存在的可能性，本文从尕斯库勒盐湖所处阿拉尔断陷盆地的构造形迹进行分析（图3）。阿拉尔断陷盆地褶皱和断裂构造普遍发育，特别是古近纪以来的构造运动使区内新生代地层发生褶皱，并伴随产生断裂，形成了北西向的构造带，如干柴沟、狮子沟、七个泉、油砂山等。现已探明，在尕斯库勒盐湖周边分布有北西或北北西向隐伏构造，如湖西的阿拉尔一号、二号构造、湖东的跃进一号、二号构造［23］。其中，湖东干盐滩上发育的跃进一号隐伏构造亦是储油构造，正在大量的开采石油。因此，从区域构造发育特征分析，盐湖东部确实存在一系列北西或北北西向隐伏或出露的构造。既然湖东干盐滩上已探明有此类构造，紧邻干盐滩的盐湖东部水域也很可能存在该类隐伏构造，正是这一系列北西向构造的存在，控制了东部盐湖以北西-南东走向的演化发育，甚至可能控制着深部高矿化度水和高稀散元素含量水的长期补给。