兴安盟区域断裂带与地表温度场变化特征研究＊

包宝小 席文雅 王志勇 李腾宇 王 慧 贾宝金

（内蒙古自治区地震局乌兰浩特地震监测中心站， 内蒙古兴安盟 137400）

0 引言

研究地表温度变化对地震监测及地球资源监测具有重要意义[1]。前人研究表明，断裂构造附近区域一般流体温度及地表温度会有一定变化[2]。在地震孕育、断裂带破裂过程中，地下深部物质、岩石破裂以及气体的释放都有可能会引起地表温度的上升[3-4]。地震活动性监测已经在多个地区获得了断裂构造与温度异常相关的事例[5-7]。在长白山地区，张福坤等[8]使用Landsat遥感影像进行了地表温度随断裂构造变化的研究，结果表明地表温度场与断裂带构造之间表现出一定的相关性。在山东地区，马俊飞等[9]使用MODIS地表温度数据，研究了山东地区的地表温度与活动断裂之间的相关性变异系数空间分布，结果表明断裂构造区域地表温度变化明显且高于其他地区，从而得出地表温度与地震具有一定的相关性。在地表温度反演方面，王玉渲等[10]使用Landsat 8 OLI数据，利用单窗算法反演了石家庄区域地表温度数据。王艳芳等[11]使用Landsat 8 TIRS数据利用辐射传输方程算法反演了临汾市尧都区地表温度数据。晁江琴[12]使用Landsat 8 TIRS数据在富民盆地利用辐射传输方程算法、单窗算法、单通道算法、劈窗算法反演了该区域地表温度，结果表明辐射传输方程算法及单窗算法反演的可靠性更强。

基于前人的研究，本文针对兴安盟区域大尺度地表温度反演精度低的问题，采用Landsat 8 TIRS遥感影像数据及断裂带矢量数据，使用辐射传输方程算法，最终实现兴安盟区域断裂带地表温度的高效反演。针对兴安盟区域断裂带地表温度场变化及其特征不明晰的问题，使用等间距划分及均值统计方法，采用叠加断裂带与地表温度图层的形式及绘制相关性曲线方式，剖析兴安盟区域主要断裂带地表温度场的变化特征。

1 研究区域及数据

乌兰浩特地震监测中心站位于内蒙古自治区兴安盟境内，本文以内蒙古兴安盟区域为主要研究对象。该区域构造简单，可划分为EW向构造及NS向构造[13]。境内有2条主要断裂带，即为嫩江断裂带及洮儿河断裂带（红色线）（图1）。

图1 兴安盟区域断裂分布图Fig.1 Distribution map of regional faults in Xing’an League

本文主要使用2019年9月和2020年9月的Landsat 8 OLI/TIRS数据，此时段云量较少，符合使用需求。经过辐射定标、大气校正预处理后，使用乌兰浩特矢量图进行了矢量拼接及裁剪处理。为了提高提取地表温度的可靠性，使用最大似然分类算法对影像进行了6种地表物的分类。

2 基本原理

本文地表温度反演使用了辐射传输方程方法。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由3部分组成：大气向上辐射亮度L↑、地面真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量、大气向下辐射到达地面后反射的能量。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ的表达式可表示为（辐射传输方程）：

式中，ε为地表比辐射率，TS为地表真实温度，B（TS）为通过反应物体温度和辐射强度之间关系的普特朗克公式推算所得的温度T相对应的黑体辐射亮度值，τ为大气在热红外波段的透射率，L↑和L↓是大气向上和向下辐射亮度。由此可得黑体在热红外波段的辐射亮度B（TS）公式如下：

式中，L↑和L↓可通过影像中心纬度与成像时间在网上（http://atmcorr.gsfc.nasa.gov）获取。

运用普朗克公式的反函数，可推导出亮度温度TR：

式中，K1与K2值可在影像MLT.txt文件中获得。

地表比辐射率ε是指在同一温度下地表发射的辐射量与黑体发射的辐射量的比值，地表比辐射率是热红外遥感获取地表温度必不可少的参数。针对Landsat影像的Band10热红外波段，使用Sobrino提出的NDVI阈值法计算地表比辐射率：

式中，PV是植被覆盖度，用以下公式计算：

式中，NDVI为归一化植被指数，NDVIS为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIV为完全植被覆盖像元的NDVI值，一般取经验值NDVIV=0.70，NDVIS=0.05。

为了提高地表温度反演的准确性，使用最大似然分类方法对影像进行地表物的分类。假定各类分布函数为正态分布，并选择训练区，计算各待分类样区的归属概率。

P21对HoxB4的调控机制及其影响造血干细胞增殖初步研究 … ……………… 李雪华，等(6):636

假设B1，B2，……互斥且构成一个完全时间，A伴随他们出现，已知他们分别发生的先验概率P(Bi)，i=1，2，……及A的条件概率P(A|Bi)，则可以得到事件A的后验概率P(Bi|A)。

概率乘法公式为：P(AB)=P(A)×P(B|A)=P(B)×P(A|B)，可导出贝叶斯定理公式：

设有s个类别，用ω1，ω2，......，ωs来表示，每个类别发生的概率（先验概率）分别为P(ω1)，P(ω2)，······，P(ωs)。

设有未知类别的样本X，其类条件概率分别为：

则根据贝叶斯定理可以得到样本X出现的后验概率为：

此时，以样本X出现的后验概率作为判别函数来确定样本X的所属类别，其分类准则为：

3 实验过程

图2 2019年及2020年地表温度反演结果Fig.2 Inversion results of land surface temperature for 2019 and 2020

断裂带与地表温度反演结果叠加在一幅图层上，使用等距离切分方法，以研究区的两条嫩江断裂带和洮儿河断裂带为中心，向各个方向同等范围内延伸，将断裂带两侧的每侧10 km区域划分成40个部分，分别统计等分区域内的地表温度平均值和平均距离，进而获得断裂带与温度场间的相关性（图3）。

图3 2019年和2020年各断裂带与温度场的关系图Fig.3 Relationship between fault zone and temperature field in 2019 and 2020

以已知的断裂带为中心线（红色线），向两侧扩展，小方块的颜色深度代表该小方块所代表的区域内平均温度的相对高低，图像中的颜色深度代表地表平均温度的高低，颜色越深，温度越低，反之，颜色越浅，温度越高。

为更直观的显示两者的相关性，绘制了等分区域的平均温度与平均距离的相关性曲线（图4），进一步验证了温度场与主要断裂带构造之间的相关性。在图中，虚线代表断裂带的中心位置，向两侧延伸表示与断裂带的相对位置，即正负值表示与断裂带的相对位置，曲线的方向与断裂带的方向垂直。

图4 2019年及2020年断裂带平均地表温度与平均距离相关性曲线Fig.4 Correlation curves of average land surface temperature and average distance of fault zone in 2019 and 2020

4 讨论与结论

本文基于Landsat 8 TIRS影像，根据兴安盟区域内的主要断裂结构，使用辐射传输方程算法反演区域内主要断裂带所在位置的地表温度。为了提高反演数据的准确性，反演前对影像进行了预处理，使用最大似然分类算法进行了地表物的分类。然后使用等间距划分、分段均值统计方法，将绘制的地表温度图与断裂带构造图叠加在一个图层上，以绘制的两条断裂带（嫩江断裂带及洮儿河断裂带）为中心线，向断裂带的两侧等同距离做等间距的划分，对于两条断裂带，我们可以计算出它们等分带内的平均距离和平均地表温度，将统计出的结果利用图形的方式分析区域内两条断裂带与地表温度场变化的相关特征，并绘制相关性曲线，进一步描述断裂带与地表温度场变化的特征。最后利用同月不同年份的遥感影像数据进行结果验证。

通过以上实验，观察断裂带和温度场的关系图（图3）可发现，2019年9月，区域内的两条断裂带与地表温度场的相关性十分显著。研究区域内断裂带与地表温度的相关特性相当鲜明且稳定，与断裂带分区的距离越远，地表温度的表现值越低。2020年9月的图像验证表明，地表温度场随着断裂结构的变化而变化，与2019年9月地表温度场与断裂结构变化的趋势非常相似。

为了提高实验结果的精确度，本文进一步制作了兴安盟区域断裂带（嫩江断裂带、洮儿河断裂带）两侧地表温度和距离之间相关性的曲线。从图4的2019年和2020年的断裂带地表平均温度与平均距离相关性曲线图可以看出，地表温度场与断裂构造的关系显示出类似的相关性，在嫩江断裂带和洮儿河断裂带的分区范围内，地表温度的总体趋势是距离断裂带越近，值越高。绘制的2019年和2020年的全局断裂带与地表温度相关性特征曲线（图5），也很好地证实了断裂带与地表温度的相关性特征。

图5 相关性综合曲线Fig.5 Correlation synthesis curve

本文采用等间距分段平均值的方式，探讨了兴安盟主要断裂带和温度场间的关联性。数据处理结果显示，在所研究区域内，嫩江断裂带和洮儿河断裂带与地表温度场的相关性较为突出。分段内离断裂带越远，地表温度值越低，反之，离断裂带越近，温度读数越高。

温度和断裂带是开展地震学相关研究的重要因素，本次研究的结果将为相关科学研究提供参考。本研究中采用的分段平均值分析法，不仅可用于分析兴安盟地区地表温度与断裂构造间的关系，还可用于估测兴安盟地区的断裂构造对地表温度场的大致影响范围。这将为兴安盟地区的断裂构造活动特性分析，以及复杂地表温度场与地质构造关系的研究提供科研参考。