基于Landsat 8的开采全周期矿区地表温度反演

毕京锐,张 坤,张 震,付 俊

(安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 232000)

长期以来，煤矿开采都是中国工业大力发展的重要支撑力量。然而，长时间、大规模、高强度、粗放式的煤矿开采势必会给生态环境造成不可逆转的损害[1-2]。与传统非充填开采方式相比，充填开采利用充填浆液在离层空间内沉淀压实后对上覆岩层起到支撑作用，从而减缓覆岩移动变形向地表传播，进而达到减少地表下沉的目的。地表沉陷直接影响着矿区土壤、植被、水等关键生态要素的时空演变。地表温度作为区域和全球尺度上陆地表面温度物理变化过程的一个关键参数，综合了所有地气相互作用和能量交换的结果[3]。地表温度(Land Surface Temperature,LST)是反映地球表面自然生态环境优劣的重要物理指标[4-5]，在一定程度上可以反映并预测土地质量和生态环境的变化。为定量研究充填开采与非充填开采对矿区地表温度的影响以及影响的差异性，通过遥感影像对地表温度进行反演，分析其规律。

黄元等[6]将Landsat多光谱数据与实测地表温度进行相关性分析，综合光谱特征选取最优波段作为输入参量，利用3种常用的数据同化方法对研究区地表温度进行演变模拟。邱文玮等[7]以徐州九里矿区1995、2000、2004、2010年的Landsat TM影像为数据源，研究矿区生态扰动对地表温度的影响效应。刘英等[8]以神东矿区为基础，从矿井尺度分析神东矿区9个主要矿井采区和非采区地表温度的季节差异性。廖东等[9]基于Landsat 8影像，利用监督分类与非监督分类对遥感影像进行处理，并比较二者应用于地物分类的精度，结果表明监督分类的效果更好。刘悦[10]通过目视解译，从土地利用类型结构、变化速度和转化关系等方面分析陈寨2003—2015年土地利用变化情况及其驱动力因素。

基于此，文中将温度反演与监督分类相结合，分析开采全周期内两个区域地表温度变化规律。

1 研究区概况及数据选取

1.1 矿井位置及基本概况

袁店二井煤矿位于安徽省濉溪县和涡阳县交界处，坐落在曹市镇高长营新村，地理坐标为东经116°27′56″，北纬33°31′96″。研究区内地形平坦，地面标高为+28～+31 m，平均为+29.5 m。研究区为暖温带半湿润大陆性季风气候，光照充足，气候温和，雨量适中，四季分明，无霜期较长。年平均气温为15.1 ℃，年平均降雨量810 mm，降雨多集中在7、8月份。

1.1.1 83采区位置

83采区为非充填开采区域，位于袁店二矿西南部3.5～4.0 km处，南起82煤层露头线，北至F14断层，与矿井81、87采区相接，矿井大致开采倾向为南北方向[11]。其中，7234工作面于2018年6月开始回采，同年10月回采结束。其主要下沉量集中于7232工作面地表，下沉活跃状态持续至2019年6月，最大下沉值增至3 099 mm。

1.1.2 82采区位置

82采区为充填开采区域，位于矿井中南部，南起82煤层露头及高长营孜断层上盘断煤交线，北至F高-7断层下盘和矿井工广保护煤柱线；东以采矿权登记边界作为采区边界；西至DF2断层下盘断煤交线与81采区和83采区相邻。东西宽600～1 600 m，南北长约2 400 m，面积约2.3 km2。其中，1025工作面回采时间为2018年6月17日，2019年1月10日收作。

1.2 数据来源

文中研究区范围内包含充填开采采区及其扰动影响范围、非充填开采采区及其扰动影响范围。区域位置如图1所示。

图1 研究区域位置

充填开采采区及其扰动影响范围为袁店二井82采区1025工作面及其扰动范围；非充填开采采区及其扰动影响范围为袁店二井83采区7234工作面及其扰动影响范围；未开采区域位于82采区内部1025工作面东部。由于7234工作面回采时间为2018年6月至10月，1025工作面回采时间为2018年6月至2019年1月，为更好地比较非充填与充填两种矿区开采方式对地表温度的影响，选取两个矿区共同开采时间段的影像作为研究对象。

2 研究方法

文中主要以Landsat 8 TIRS数据为基础，通过辐射传导方程法(大气校正法)[12-13]对82、83以及未开采采区开采全周期的地表温度进行定量反演，将3个采区的地表温度进行对比，分析地表温度的变化规律。

虽然近年来很多国内外学者在温度反演算法比较上多有研究，且各种算法精度存在差异，但针对不同区域、不同数据源等方面，其算法精度优劣性各有不同。由于文中的研究重点为矿区开采全周期地表温度变化及规律，因此，只要确保使用同一种算法对所有影像数据进行地表温度反演即可控制算法精度对规律研究的干扰。

2.1 辐射传导方程法(大气校正法)

辐射传导方程法，也称为大气校正法(Radiative Transfer Equation Algorithm，RTEA)。此算法对地表温度的反演是通过一些大气辐射传输模型，如MODTRAN系列、LOWTRAN系列、ATCOR或6S，根据实时的大气探空数据或标准大气廓线数据，估计大气对地表热辐射的影响，并从遥感器所观测到的热辐射总量中剔除这部分大气影响，从而得到真实的地表辐射强度，最后把真实的地表辐射强度转化为相应的地表温度。

辐射传导方程算法反演的地表温度在总体趋势上和亮度温度比较接近[14]，在一定误差允许范围内可以保证反演结果的准确性。

2.2 归一化地表温度

由于遥感影像存在时相差异性，不能用反演地表温度直接做比较，所以需将地表温度进行归一化处理[8]，将地表温度分布范围统一在0～1之间，公式为

(1)

式中：N为地表温度归一化结果；T为辐射传导方程法反演的地表温度，℃；Tmin和Tmax分别为T累计统计1%和99%的值。

2.3 地表温度反演精度对比与可行性分析

通过天气网查询的遥感影像当天的气温如表1所示。

表1 遥感影像当天气温

气温是指大气中的温度，太阳的光辐射热能被地面吸收后，地面再通过辐射、传导和对流把热能传给大气，这是地球大气中产生热量的主要来源，通常来讲，地表温度会明显高于大气温度[15]。因此，本次反演的地表温度具有客观真实性，可用于研究充填与非充填开采采动影响范围的地表温度差异。

3 结果与分析

研究区附近除居民地之外主要土地利用类型为耕地，该地区主要种植小麦和大豆两种作物。6月初为春季小麦的收割时间，9月底为大豆的收割时间，10月下旬开始种植春小麦。地表覆盖度发生明显变化时会对地表温度造成影响[16]。开采地表塌陷会对建筑物产生影响，破坏建筑物的形状，更有甚者会导致建筑物塌陷倾斜[17]，但建筑区的温度变化主要是由其构成成分影响，受充填和开采的影响较小，因此，不对建筑物方面加以分析。

文中主要分析两种开采方式及其扰动范围内的地表温度差异，而地表温度的变化规律与地物类型息息相关，因此，对研究区区域分别进行监督分类[18]及地表温度反演，通过地物类型分布与地表温度相结合，分析相同时间、相同地物类型、不同区域的地表温度分布规律以及开采过程中不同时间、同一区域、同一地物类型的地表温度变化规律，旨在间接反映不同开采方式对地物类型的影响。

3.1 不同地物地表温度分布规律

3.1.1 2018年9月8日不同地物地表温度分布规律

2018年9月8日的地物分类结果与地表温度反演结果如图2、图3所示。

图2 2018年9月8日地物类型

图3 2018年9月8日温度反演

经分区统计计算得出不同区域不同地物类型的地表温度如表2所示，分区统计结果分布规律如图4所示。

表2 2018年9月8日地表温度分布 ℃

图4 2018年9月8日地表温度分布

1)水体。非充填开采扰动区域地表温度低于充填开采扰动区域；非充填开采采区地表温度低于充填开采采区，即非充填开采及扰动区域均低于充填开采及扰动区域。采煤沉陷使地表变形，形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑，破坏了原有的地表形态，当沉陷深度超过该区地表潜水位时，土地受淹而常年积水，导致温度下降。

2)植被。植被覆盖度与地表温度成反比，该时期植被区域地表温度与水体呈现相同规律，即非充填开采及扰动区域均低于充填开采扰动区域。矿区开采对植被的影响呈现多样化，地表塌陷会影响植物的生长发育，甚至造成绿色植物的大幅度减少，从而引起地表温度下降，充填开采可以有效减少地表下沉，但数据表明，开采初期，其对上覆岩层起到支撑作用的充填浆液却对植被生长造成了更大地破坏，导致地表温度升高。

3)裸地。该时期裸地与植被、水体均体现出相同的变化规律。裸地地表温度主要受地表塌陷的影响，地表塌陷导致地下潜水位上升，土壤含水量上升，甚至出现积水形成沼泽地区[19]，土壤含水量增多导致地表温度下降。非充填开采及其扰动区域下沉量高于充填开采，因此，非充填区域的温度低于充填开采。

3.1.2 2018年9月24日不同地物地表温度分布规律

2018年9月24日的地物分类结果与地表温度反演结果如图5、图6所示。

图5 2018年9月24日地物类型

图6 2018年9月24日温度反演

经分区统计计算得出不同区域不同地物类型的地表温度如表3所示，分区统计结果分布规律如图7所示。

表3 2018年9月24日地表温度分布 ℃

图7 2018年9月24日地表温度分布

1)水体。非充填开采采区及其扰动区域地表温度低于充填开采。同样是因为非充填开采相较于充填开采使地表潜水位上升更多导致的。

2)植被。非充填开采及其扰动区域较充填开采及其扰动区域温差缩小。开采中后期，随着采空区面积的不断扩大，移动盆地的面积和最大下沉值也不断增大[20]，对植物生长造成的破坏更加明显，使植物覆盖度降低，温度升高。

3)裸地。大豆收割时，储存着大量铵素的大豆根瘤会留在土壤中，相当于土壤中的自然氮肥，土壤含水量降低，地表温度升高。据实际考察发现，非开采区及其扰动范围内主要种植大豆，因此，该区域温度升高，但由于沉陷积水的影响，地表温度与充填开采区差异较小。

4个区域在裸地部分地表温度均明显低于未开采区域。其中，充填开采采区低于充填开采扰动区域；非充填开采采区低于非充填开采扰动区域。非充填开采扰动区域地表温度更加接近于未开采区域。

3.1.3 2018年10月26日不同地物地表温度分布规律

该地区9月底为大豆的收割时间，10月下旬开始种植冬小麦，本期影像正是大豆收割结束且开始种植冬小麦的季节，因此，从监督分类结果来看，影像呈现大面积裸地区域。2018年10月26日地物分类结果与温度反演如图8、图9所示。

图8 2018年10月26日地物类型

图9 2018年10月26日温度反演

经分区统计计算得出不同区域不同地物类型的地表温度如表4所示，分区统计结果分布规律如图10所示。

表4 2018年10月26日地表温度分布 ℃

图10 2018年10月26日地表温度分布

1)水体。非充填开采及其扰动区域地表温度仍低于充填开采及其扰动区域地表温度。水的比热容较大，气温开始降低时，水的温度下降缓慢，因此，相较于前两期数据，非充填区较充填区温差缩小。但地表下沉仍是主导因素，非充填区域地表温度仍低于充填区。

2)植被。由于研究区内主要地物类型为耕地，植被的数量随农作物收割与种植的变化而变化，该时期植被面积明显缩小。但非开采区地表温度仍低于开采区，仍由地表下沉、地下潜水位上升引起。

3)裸地。非充填与充填区域温差明显缩小。据实地考察得知，种植冬小麦的地方主要集中在充填开采及其扰动区域，因此，该区域温度明显下降，但由于地表沉陷地下潜水位上升的影响，非充填开采及其扰动区域地表温度仍低于充填区域。

3.2 不同开采时间地表温度分布规律

将各个开采区域、各个时间段的地表温度进行归一化处理后，地表温度变化折线如图11—14所示。

图11 水体区域地表温度

图12 植被区域地表温度

图13 建筑物区域地表温度

图14 裸地区域地表温度

9月至10月气温呈下降趋势，因此，4种地物类型的地表温度也呈下降趋势。通过归一化处理得到温度变化趋势曲线。

1)水体。如图3—8所示，充填采区及扰动区域水体归一化地表温度呈上升趋势，非充填采区及其扰动区域前期呈平缓上升趋势，后期呈现下降趋势，且4个区域地表温度差异性逐渐增大。

2)植被。植被归一化地表温度呈现上升后趋于平缓趋势，温度差异性有上升的趋势。此时农作物是影响该区域温度变化的主要因素，9月底收割大豆，植被覆盖面积明显降低，因此，温度升高；10月底播种小麦，植被覆盖度无明显变化。

3)建筑物。从变化曲线可以看出，建筑物部分的归一化温度无明显规律，建筑物区域的地表温度主要受其自身材质的影响，与矿区开采方式无明显相关性。

4)裸地。裸地归一化地表温度整体呈现上升趋势，前期温度升高缓慢，后期温度上升趋势加快，且温度差异性越来越小。

4 结束语

通过对比两种开采方式下不同地物类型的地表温度变化规律，得出以下结论：非充填采区在开采过程中引起明显的地下潜水位上升、塌陷区积水等现象，导致水体温度下降，且下降速率高于充填开采区域；在不考虑气温变化对地表温度的影响时，非充填开采方式作用下引起的地表塌陷使裸地区域地表温度整体呈现上升趋势。

充填开采利用在离层空间内充填浆液对上覆岩层起到支撑作用，在该过程中，充填浆液的利用对不同地物类型产生不同程度的影响。开采过程中水体区域地表温度始终高于非充填开采区域，对煤层开采塌陷积水现象起到有效的缓解作用；植被区域地表温度始终高于非充填开采区域，除了农作物收割的影响之外，充填浆液对植被生长的影响是导致该现象的主要因素之一；同时，在该种开采影响下裸地归一化地表温度呈现上升趋势，且始终高于非充填开采区域。

建筑物区域的地表温度主要受其自身材质的影响，两种开采方式对建筑物区域的地表温度变化无显著影响。