热红外遥感在福建滨海地热调查中的应用研究

李 明

(福建省地质调查研究院， 福州，350013)

利用热红外遥感技术勘查地热资源，起源于20世纪70年代，主要采用热红外遥感(Infrared Remote Sensing)通过热红外探测器收集、记录热红外遥感地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射信息，并利用这种热红外辐射信息来识别地物和反演地表参数(如温度、发射率、湿度、热惯量等)[1]，由于该地表热状况信息从一定程度上反映了地球深部热源的分布，进而被应用到地下热水资源的勘查中。福建省遥感地热研究工作相较于传统的地热勘查来说，开展较晚，从所查到已发表的少量资料来看，多数研究角度较为单一，停留于利用肉眼对色调的判读，实际勘察成果也很少得到野外验证。笔者以福建海坛岛—兴化湾滨海地热调查福清工作区为例，利用热红外遥感影像，对工作区进行温度反演，提取地表热异常信息，结合多源数据分析圈定预测靶区，并得到野外勘查验证，力图给予区域地热资源勘查一种新的思路，提供一定技术支持。

1 工作区地质特征及水文条件

工作区位于福建福清湾区域，面积约为116.3 km2，该区出露的地层主要有晚侏罗世-早白垩世南园组、早白垩世黄坑组上段和第四纪。南园组以深灰-浅灰色碎斑熔岩为主，分布较为分散；黄坑组上段以紫灰、灰黑色偏碱性熔岩为主，完整的分布于工作区东北部；第四纪主要分布在沿海地区及内陆山间盆地中，以冲积层、残积层分布最广，组成物质粒度沿海较细，向陆地段变粗。侵入岩以早白垩世晶洞碱长花岗岩为主，呈岩株或岩瘤状、不规则状沿北西向展布，侵入于南园组和石帽山群及花岗岩类；其次为晚白垩世深灰色闪长玢岩，呈椭圆状展布(图1)。

区内地下热水主要储存于基岩裂隙之中，形成呈带状或脉状的基岩裂隙水热储层。地下热水通过周边山区接受大气降水的入渗补给，在向排泄区不断运移的过程中，随着深度的增大，地下水从围岩中获取热量形成热水。热储中的热水沿着断裂交会处而形成的高渗透带上涌至地表，形成热田高温中心。热水上涌至第四系含水层，与其中的冷水发生混合作用，形成了热田中心外围中低温地下热水。因此，区内地下热水具有长时间、远距离、深循环的运移特征，这直接导致区域地表热异常信息呈温度低、面积大的特点，对热红外遥感地热异常信息的提取与优化选取造成较大干扰。

2 技术方法流程

工作区热红外遥感解译分为遥感影像数据选择、遥感影像图制作、区域遥感构造解译、遥感地热异常提取、遥感地热异常分析与预测五个部分，根据其工作流程编制了热红外遥感解译流程图(图2)。

2.1 遥感影像数据选择

工作区遥感地质构造解译使用RapidEye数据，空间分辨率为5 m，局部地区综合使用IKONOS、Quick Bird等高分辨率数据，可以满足区域内遥感地质构造解译和对假异常甄选的需求。

遥感地热异常提取使用美国Landsat8的热红外传感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)数据，空间分辨率为30 m，时相为2013年10月23日，影像质量很好，无云、无坏点、无高频噪声，可以满足温度反演的要求。

2.2 遥感构造解译

工作区遥感解译地质构造部分以目视解译为主，计算机解译为辅。主要解译与地热异常有关的深大断裂、断裂密集带、节理裂隙，以及侵入岩、火山岩等热液来源体和环状充水构造，并对被第四系覆盖的区域进行了较为合理的推测。地质资料显示，工作区北东向构造为控热构造，以压扭性为主，提供主要热源；北西、东西向构造为控水构造，以张性、张扭性为主，提供主要水源，故在解译过程中，重点关注该类构造。其解译成果参见工作区遥感构造解译结果图(图3)。

2.3 遥感地热异常提取

2.3.1 辐射传输方程算法

针对不同的遥感数据类型，异常提取方法很多，主要有单窗算法(Mono-window Algorithm)[2]、劈窗算法(SWT,split-window techniques)[3]、辐射传输方程算法[4]、密度分割、比辐射归一化算法(NEM)[5]、主成分分析法等。在这些方法中，只有单窗算法和辐射传输方程算法是针对Landsat8数据进行地表温度反演，由于前者需要的部分参数无法收集到，故该工作区遥感影像数据采用辐射传输方程算法(又称大气校正法)，首先利用与卫星过空时间同步的大气数据来估计大气对地表热辐射的影响，然后把这部分大气影响从卫星高度上传感器所观测到的热辐射总量中减去，从而得到地表热辐射强度，再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值的表达式可写为(辐射传输方程)

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

式中：ε为地表辐射率；TS为地表真实温度(K)；B(TS)为普朗克定律推导得到的黑体热辐射亮度；τ为大气在热红外波段的透过率；L↓为大气下降参数(Effective bandpass downwelling radiance)；L↑为大气上升参数(Effective bandpass upwelling radiance)。

温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)为

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

则地表实际温度TS为

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

2.3.2 地热异常提取

利用辐射方程算法对数据进行温度反演，地热异常结果在陆地按照1℃进行分类，陆地重点区域按照0.5℃进行分类，形成遥感地热异常分布图(图4)。

2.3.3 异常分析与预测

对于所选数据p119r42(轨道号119，行列号42)，拍摄于2013年10月23日，过境时间为美国时间2点34分，即北京时间14点34分，几乎为一天中温度最高值。据收集到的当地气象部门天气数据，当天福州地面气象站的最低温度、最高温度及平均温度分别为16.8℃、27.8℃、21℃。因此，为了提高所提取异常的有效精度，在进行温度反演过程中，经反复研究分析，认为取22℃以上为有效异常温度、28℃以上为重点异常温度较为合理。经统计，28℃以上的面积2.81 km2，29℃以上面积0.61 km2，30℃以上面积0.136 km2，分别占工作区总面积(154.6 km2)的1.82%、0.39%、0.088%。

地热异常的预测主要在已知地质资料的基础上，结合当天气象状况、不同时相的高分辨率遥感影像、遥感构造解译成果、遥感地热异常提取结果进行宏观比较和微观分析，在多重数据下推测地球深部温度场空间分布，剔除人工假异常区，建立室内遥感地热异常解译标志，继而进行野外调查验证，进一步完善地热异常解译标志，提高该区域遥感地热异常预测的准确性，并圈定地热异常预测区。经过对工作区遥感地热异常分析(分析范围主要针对28℃以上区域)，共圈出A、B、C 3处异常预测靶区(图5)。

A区：长乐—马甲北东向断裂带与北西向断层交会处，遥感地热异常明显，呈完整的阶梯向中心递增，呈椭圆形态，东西长400 m，南北宽280 m，面积约0.086 9 km2，最高反演温度31℃。

B区：北西向断层与北东东向断层交会处，遥感地热异常明显，呈近圆形形态，面积约0.031 7 km2，最高反演温度30℃。

C区：处于早白垩纪晶洞碱长花岗岩，有一组北东向平行断层穿过，具有富水和储水条件，地热异常形态呈条带状，南北长850 m，东西宽350 m，面积约0.245 2 km2，地热异常最高反演温度31℃。

最后在预测靶区A区内进行物探浅孔测温，钻孔深度为60 m处，测得钻孔出水口温度为26℃，为工作区测温最高值。预测靶区C区内布置了2个钻孔，钻孔深度分别为60 m和70 m，其钻孔出水口温度均为23.5℃，为工作区测温次高值。

3 结论

(1)利用辐射传输方程算法对热红外影像进行温度反演，提取工作区陆地表面热异常信息，综合区域地质、水文地质、气象信息、高分辨率遥感影像等多重数据，共圈定了长乐—马甲北东向断裂带与北西向断裂交会处，北西向断层与北东东向断层交会处，区内早白垩红晶洞碱长花岗岩3处遥感地热异常预测区，其中前2处得到了野外钻孔温度异常验证，在地热勘查中具有较为可靠的实际效用。

(2)工作区位于福建滨海火山岩地区，地貌上属于低缓丘陵、滨海平原，居民点密集，人类开发活动多，植被覆盖率较低，客观上提高了遥感地热异常提取的可行性和准确度，对今后在类似地区开展遥感地热工作具有一定的指导意义，但是，该方法能否推及整个滨海区域甚至中西部植被覆盖较高区域，有待进一步实践验证。

本文系“福建海坛岛—兴化湾滨海地热调查”项目的部分遥感成果，系集体工作成果，在成文过程中得到了福建省地质调查研究院李荣安高级工程师的悉心指导，承蒙欧于祥高级工程师的认真审阅，在此一并深表感谢！

1 李小文.多角度与热红外对地遥感.北京：科学出版社，2001.

2 覃志豪.用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法.地理学报，2001，56(4).

3 丁莉东，覃志豪，毛克彪.基于MODIS影像数据的劈窗算法研究及其参数确定.遥感技术与应用，2005，20(2).

4 丁凤，徐涵秋.TM热红外波段图像的地表温度反演算法与实验分析.地理信息科学，2006，8(3).

5 许军强，白朝军，刘嘉宜.基于遥感技术的长白山火山区地热预测研究.国土资源遥感，2008，75(1).