天津濱海新區淺層地溫能熱紅外遙感信息特征

王永立

（1.中國地質大學（北京），北京 100083；2.天津市地質調查研究院，天津 300191）

0 引言

淺層地溫能是指在太陽能和地熱流綜合作用下，存在于地球表層恒溫帶至200m埋深中土壤、巖石和地下水的低溫地熱能（一般溫度低于25℃）。20世紀70年代，地熱能已是天津市的補充能源。淺層地溫能分布于地球表層，是可再生綠色低溫能源。

在基巖裸露地區，可通過地質調查推斷淺層地溫能的賦存情況；在第四紀地層覆蓋地區，通過物探、鉆探等方法進行解釋推斷。熱紅外遙感檢測可在短時間內獲取大面積地面溫度場信息[3]，受地面條件限制小，可以有效應用于淺層地溫能的調查。

1 研究區概況

研究區位于華北平原東部，北緯38°40′～39°00′，東經117°20′～118°00′，陸域面積積約2270km2。熱分布面積800 km2，熱水總儲量200×108t。2010年濱海新區淺層地溫能利用面積為112.09×104m2。

本區共圈定了9個地熱異常區。在200m深度的溫度21～28°C，非地熱異常區為17～19°C。

第四系地下水淺層地溫能可劃分為4個含水組。第Ⅰ含水組為全新統和上更新統，埋深一般70m；第Ⅱ含水組為中更新統，底界埋深180～220m；第Ⅲ含水組為下更新統上部，底界埋深290～310m；第Ⅳ含水組為下更新統，底界埋深370～430m（圖1）。

圖1 天津濱海新區地表溫度與地熱異常分布圖

2 地表溫度反演

目前針對Landsat 熱紅外波段數據進行地表溫度反演的算法較多，覃志豪等人根據地表熱輻射傳導方程，推導出一個精度較高的演算方法，把大氣和地表的影響直接包括在演算公式中。由于該算法用于僅有一個熱紅外通道的遙感數據，故稱為單窗算法。該算法的優點僅需要用地表輻射率、大氣透射率和大氣平均溫度3個參數進行地表溫度的演算[4][5]。

式中，Ts是地表實際溫度；Tb是行星亮度溫度；Ta是大氣等效溫度；a 和b 是參考系數，分別為-67.355351,0.458606；ε為地表輻射率；τ大氣透過率。

本次遙感圖像采用兩景美國陸地衛星Landsat7 ETM+數據，條帶號122，行編號33。獲取時間為2001年5月12日和2002年2月8日，包括與兩期影像相應的大氣探空數據、地表氣溫、相對濕度等資料。

2.1 輻射校正

由于地表熱輻射在其傳導過程中受到大氣和輻射面的多重影響，Landsat傳感器所觀測到的熱輻射強度已經轉化為相應的灰度值，使直接利用Landsat的原數據進行區域分析所得到的結論存在很大的偏差[5]。通常Landsat ETM+6數據是以灰度值(DN值)來表示，DN值越大，亮度越大，表示地表熱輻射強度越大，溫度越高。ETM+6數據中求算亮度溫度的過程包括把DN值轉化為相應的熱輻射強度值，然后推算所對應的地表輻射溫度。陸地衛星傳感器在設計時就考慮到如何把所接收到的輻射強度轉化為DN值。對于ETM+數據，所接收到的輻射強度與其DN值存在如下關系：

式中Lλ為TM傳感器接收到的輻射亮度,單位為w?m-2?Sr-1?μm-1，Lmax和Lmin為TM遙感器所接收到的最大和最小輻射強度。當ETM+6低增益時，Lmax=17.04，Lmin=0.0；當高增益時，Lmax=12.65，Lmin=3.2。然后根據輻射亮度推算衛星高度傳感器上所探測到的像元亮度溫度Tb，其公式為:

2.2 大氣等效溫度及大氣透射率

大氣透射率主要取決于大氣水分含量，而大氣等效溫度取決于大氣剖面的氣溫分布和大氣水分狀況。影響大氣透射率的因素較多，氣壓、氣溫、氣溶膠含量、大氣水分含量、CO2等對熱輻射傳導均有不同程度的作用。因此求算確定大氣透射率比較復雜，需要較詳細的大氣剖面數據。一般來說，準確氣透射率需要進行大氣模擬，目前較普遍使用的大氣模擬程序有LOWTRAN、MODTRAN和6S等。這種大氣模擬需要很詳細的大氣剖面數據；而大多數情況下不具備這樣的條件，從而使大氣模擬法難以實施。

大氣等效溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態。由于衛星飛空的時間很短，一般直接利用覃志豪總結出的大氣等效溫度Ta的估計方程[6]:

中緯度夏季平均大氣作用溫度:

中緯度冬季平均大氣作用溫度:

其中，To為近地面(一般為2m處)的氣溫，To和Ta的單位均為K。這些，在標準大氣狀態下(天空晴朗、沒有渦旋作用)，大氣平均溫度是地面線性函數。

大氣透射率的變化主要取決于大氣水分含量的動態變化，其動態變化不大對大氣透射率的變化沒有顯著影響[6]。因此，大氣水分含量就成為透射率估計的主要因素。在高溫和低溫不同的溫度季節，其大氣透射率估計方程不同（表1）。

根據楊景梅[7]等研究，大氣水汽含量可以通過與地面水汽壓之間的關系確定。

其中，e是絕對水汽壓，可以表示為：

表1 大氣透射率估計方程

式中，RH是相對濕度，T0是氣溫，a、b是常數分別為17.67K、29.65K。

2.3 地表比輻射率確定

地表比輻射率是單窗算法的一個重要參數[8]。通過歸一化植被指數(NDVI)獲得地表比輻射率是在沒有實時的參考數據下一種有效方法。

Enric-Valor等[9]提出了一種使用NDVI計算植被覆蓋率，然后推導計算地表比輻射率的方法：

式中，P v表示植被覆蓋度，取N DV Iv=0.70，NDVIs=0.05。當某個像元的NDVI值大于0.70時，Pv取值為1；當NDVI小于0.05時，Pv取值為0。ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

3 結果分析

通過上述計算得出地表亮度值、大氣等效溫度、大氣透射率和比輻射率，進而求得地表實際溫度。將研究區的斷裂構造、地熱異常在GIS軟件中進行疊加得到地表溫度與地熱異常分布圖（圖1）。

通過對比分析可以看出，這些已探明的橋沽、山嶺子、萬家碼頭和沙井子等地熱異常區在熱紅外遙感影像上都顯示出較高的溫度值，而且大都沿著活動斷裂的控制方向，特別是在活動斷裂的交叉點，溫度異常尤為明顯。而斷裂為地下熱能向上傳輸提供了便利通道，說明地表溫度異常可能是由地下熱流通道斷裂上升到淺部所引起的。

分布在北部的看才莊地熱異常區，屬于于黃驊凹陷的寧河凸起構造單元，地溫梯度變化區間3.5～6.5℃/100m，NE向的楊家泊斷裂構成北部控熱邊界，內部為近SN向的楊家泊東斷裂縱穿，而到南部則被晚更新世活動的漢沽斷裂所橫切。在2002年冬季遙感圖像上，異常區北部呈現地表溫度高值，普遍高于背景值。

西北部的橋沽異常區，位于黃驊坳陷的寧河凸起和北塘坳陷的接觸部位，被近EW向漢沽斷裂和NE向的楊家泊斷裂、大田莊斷裂控制。在兩期遙感圖像上，除了薊運河地表溫度呈現低值外，其它區域都高于背景值。

在西部的山嶺子地熱異常區，位于滄縣隆起的潘莊凸起構造單元，地溫梯度變化區間3.5～7.0°C/100m，由滄東斷裂、大寺斷裂、海河斷裂和張貴莊斷裂幾組斷裂所控制。在兩期圖像上地表溫度都呈現高值。

西南部的萬家碼頭地熱異常區，位于滄縣隆起的小韓莊凸起構造單元，地溫梯度變化區間3.5～7.0℃/100m，在區內受到滄東斷裂、小韓莊斷裂和上古林斷裂的控制。在兩期遙感圖像上，都不同程度的出現高值區，在板橋農場、中塘鎮和大臺子出現極值；受獨流減河和北大港水庫的影響，地表溫度在異常區東部呈現低值。

南部的沙井子地熱異常區，處于黃驊坳陷的港西凸起構造單元，受港東斷裂帶的控制。在遙感圖像上，地表溫度普遍不高，僅在太平村呈現高值，推測受到北大港水庫及周邊河流水系的影響。

4 結語

地表溫度與地下地熱異常具有一定的相關性。建議在地表溫度高值區采用物探和鉆探等方法開展地熱調查。

天津濱海新區道路網密集，地表土層主要由近代海侵海退過程中之海水浸漬而成，具有較高的鹽分，在遙感圖像上顯示較高的反射率，反演出地表溫度較高。因此，必須選用其它手段剔除非淺層地溫能引發地表溫度升高等干擾因素，有效發揮遙感信息的作用。

[1]朱家玲等.地熱能開發與應用技術[M].北京:化學工業出版社,2006.

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[3]李小文,汪駿發,王錦地等，多角度與熱紅外對地遙感[M].北京:科學出版社,2001.

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