保定市东部平原地表温度反演研究

李春波，任 磊，于 蒙，焦尚斌

华北地质勘查局五一九大队，河北 保定 071051

0 引言

地热资源作为一种天然绿色能源，与传统能源相比具有廉价、洁净、可持续利用等优点，其开发利用越来越受到人们的重视[1]。传统的地热资源勘查方法主要包括地质、化探、物探、钻探等手段[2]，近年来随着遥感技术的发展，许多学者开展了基于热红外遥感技术的地热异常区地表温度反演研究，取得了较好的效果。闫佰忠等基于Landsat TM5数据对长白山玄武岩区地表温度进行了反演，划分了潜在地热资源异常区[3]；唐超等利用Landsat ETM数据对腾冲地区地热异常区地表温度进行了反演，查明了潜在地热异常分布地带[4]；贺金鑫等基于Landsat 8数据对辽东地热区地表温度进行了反演，并对高温异常区和已知温泉点的空间分布特征进行了对比研究，发现大多数温泉点均位于高温异常区内[5]。相比传统的物探、化探等方法，遥感技术具有价格低廉、效率高、范围广、可进行大区域探测地表温度分布变化等特点[6]，在地热资源勘查中具有独特的优势。

保定市地处中朝准地台(Ⅰ级)的燕山台褶带、山西断隆和华北断坳三个Ⅱ级构造单元的结合部位，经过漫长的地质构造演化蕴藏着丰富的地热资源，其中保定市东部平原分布有涿州地热田、容城地热田、牛驼镇地热田、高阳地热田等，开发利用前景广阔[7-8]。论文基于Landsat 8 OLI/TIRS遥感数据，利用辐射传输方程法反演保定市东部平原区地表温度，分析地表温度分布特征，划分地表温度异常区，探寻该地区地表温度异常与地热资源分布之间的关系。

1 研究内容与方法

1.1 研究区概况

保定市位于河北省中部，地理位置位于东经113°40′～116°20′、北纬38°15′～39°57′之间，地势西北高、东南低，整体可分为西北部的太行山区以及东南部的平原区。研究区位于保定市东部平原，主要包括保定市区、容城、雄县、安新、高阳、定兴、定州、望都、安国、蠡县、涿州、高碑店等区域。气候属温带大陆性季风气候，四季分明，夏季多东南风，炎热多雨，降雨多集中在7～9月；冬季多西北风，寒冷干燥。区内地热资源丰富(图1)，根据相关研究，研究区内地热田主要有涿州地热田、容城地热田、牛驼镇地热田、高阳地热田等，其中牛驼镇地热田是河北省地热开发最为成熟的地热田[8]，地热资源开发利用方式以地热供暖、洗浴、种植、养殖为主，取得了较好的经济效益、社会效益和环境效益[9-10]。

图1 研究区位置及地热资源分布略图(据张德忠等，2013)

1.2 研究数据

Landsat系列卫星的热红外波段具有较高的空间分辨率，常用于进行地表温度反演[11-12]。本次研究数据选择Landsat 8 OLI/TIRS遥感影像，数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，影像获取时间为2013年11月4日和2013年11月11日，影像质量较好，满足本次研究需要。Landsat 8数据预处理主要包括辐射定标、大气校正、影像镶嵌、裁剪等，以得到研究区的影像数据用于地表温度反演。

1.3 地表温度反演

基于Landsat 8热红外波段反演地表温度的常用方法大致可分为辐射传输方程法、单窗算法、单通道算法等[13-14]。其中，辐射传输方程法的基本原理是将卫星传感器接收到的总辐射分为三部分，分别是地表热辐射经大气衰减后到达传感器的辐射、大气上行辐射和大气下行辐射经地表反射后通过大气传输到传感器的辐射。与其他方法相比，辐射传输方程法仅需要3个基本参数：植被覆盖度、地表比辐射率和辐射亮度[15]，数据处理过程简单，反演结果与其他方法有较好的一致性，因此本次研究采用辐射传输方程法反演研究区地表温度。反演所需参数的计算如下：

植被覆盖度计算公式为[16]：

Fv=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(1)

式中，NDVI为归一化植被指数，NDVIv和NDVIs分别是植被和裸地的NDVI值，本次研究中，NDVIv=0.70，NDVIs=0.05。NDVI的计算公式为[17]：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(2)

式中，ρnir和ρred分别为Landsat 8近红外和红外波段的反射率。

地表比辐射率可根据以下公式计算[18]：

ε=0.004Fv+0.986

(3)

辐射亮度的计算公式为[19]：

B(Ts)=[Lλ-(L↑)-τ(1-ε)(L↓)]/(τε)

(4)

式中，B(Ts)为温度Ts时黑体的辐射亮度，Lλ为卫星热红外传感器接辐射强度，L↑和L↓分别为大气上行辐射强度和大气下行辐射强度，τ为大气透过率，这3个参数可在NASA提供的网站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)输入成像时间以及中心经纬度等信息获取[20-21]。

以上参数计算完毕以后，可根据以下公式计算地表温度[19]：

(5)

式中，K1=774.89W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 321.08K。

2 结果与讨论

2.1 地表温度分布特征

研究区地表温度反演结果如图2所示，研究区地表温度整体上呈西低东高态势分布，低值区域主要位于研究区西部保定市主城区一带及白洋淀区域，高值区域主要分布在研究区东部高碑店、容城、雄县、安新一带以及高阳、蠡县、博野一带。统计结果表明，研究区地表温度最低为0.54℃，最高26.25℃，平均值12.46℃，标准差为1.56，地表温度主要分布在10℃～15℃之间，小于10℃区域占比4.17%，大于15℃区域占比5.78%，地表温度分布基本符合正态分布特征(图3)。

图2 研究区地表温度分布图

图3 研究区地表温度直方图

2.2 地表温度异常提取

地表温度异常提取的主要目的是划分研究区的地表温度高值区域，进而分析地表温度异常区与地热资源(地热田)分布之间的关系。研究地表温度基本呈正态分布，地表温度高值和低值占比较小，因此地表温度异常的提取可按照m+a·s的方法，m为平均值，s为标准差，一般a分别取1.5、2.0、2.5，分别代表在平均值的基础上扩大标准差的1.5、2.0、2.5倍，分别表示低(14.80℃～15.58℃)、中(15.58℃～16.36℃)、高(>16.36℃)三个等级的地表温度异常[3]，进而划分地表温度异常区(图4)。

图4 研究区地表温度异常分布图

2.3 地表温度异常与地热资源之间的关系

研究区地表温度异常主要集中分布在研究区东部的高碑店、容城、雄县、安新、高阳、蠡县等区域，其他地区仅以单点或小范围方式呈现，因此进一步将研究区地表温度异常划分为Ⅰ、Ⅱ两个区域。根据相关资料[22]，保定市东部平原主要分布有牛驼镇地热田、容城地热田、高阳地热田(图1)等，主要位于容城、雄县、安新、高阳、蠡县等区域，经过大量地质勘查和研究证实了是区内地热地质条件和开采技术条件相对较好的区域。研究区地表温度异常区与地热田位置基本吻合，主要地热田区域的地表温度异常等级较高、面积较大，说明地热田在地表温度反演结果中有一定程度的体现。基于热红外遥感反演的地表温度结果受多种因素的影响，研究区地表温度异常与地热田并非完全对应的关系，但从整体上来看，研究区地表温度异常主要分布在研究区东侧，与地热田位置基本一致，表明基于热红外遥感技术提取地表温度异常区可以作为地热资源勘查或预测的一种有效方法。

3 结论

本次研究基于Landsat 8热红外遥感数据，利用辐射传输方程法反演保定市东部平原区地表温度。结果表明研究区地表温度基本呈正态分布，主要分布在10℃～15℃之间，低值区域主要位于研究区西部保定市主城区一带及白洋淀区域，高值区域主要分布在研究区东部高碑店、容城、雄县、安新一带以及高阳、蠡县、博野一带；在将地表温度划分为低、中、高三个异常等级的基础上，圈定出2处地表温度异常区，主要分布在雄安新区、高阳县一带地热资源丰富且开发利用程度较高区域，与地热田分布基本一致，说明该方法具有一定的有效性。该研究对保定东部平原地热资源进一步勘查开发具有一定的意义。