用溫度植被干旱指數(shù)識別河源地區(qū)隱伏構(gòu)造

趙 玲

(廣東省地質(zhì)測繪院, 廣東 廣州 510800)

0 引言

遙感影像不僅能從宏觀、動態(tài)的角度來研究活斷層的發(fā)生、發(fā)展及時空演化規(guī)律,還可以通過數(shù)字圖像處理技術(shù)實現(xiàn)活斷層圖像解譯與制圖的自動化和定量化,使得以往常規(guī)地質(zhì)方法受限于地形、氣候及主觀意識等因素的局面得到很大改善。遙感技術(shù)由于其在構(gòu)造信息提取方面的巨大優(yōu)勢,在斷裂構(gòu)造研究中的應(yīng)用越來越深入并成為地質(zhì)找礦、油氣勘探、地質(zhì)災(zāi)害、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等行業(yè)的重要技術(shù)方法[1-2]。

河源地區(qū)大面積被殘積物和土壤覆蓋,隱伏斷層地表破碎帶抗風化能力較弱,殘積層、土壤層會比周圍地段加厚,由于殘積、土壤層具有較高的孔隙度,斷裂處表現(xiàn)出較高的含水量。這種含水量異常在地表一方面表現(xiàn)為較高的植被綠度或植被密度,另一方面為溫度的異常。水具有較大的比熱容,升高同樣溫度需要吸收更多的熱量,所以在白天同等加熱條件下,斷裂處溫度變化較周圍地段慢。現(xiàn)有研究表明,斷層發(fā)育處往往表現(xiàn)出地面溫度相對低值區(qū),溫度負異常可以用來指示隱伏斷層的存在。本文采用在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的指示土壤濕度的溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Drought Index,TVDI)，結(jié)合地形、地貌和影像特征來進行斷層識別,特別是隱伏斷層識別[3-6]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)選擇

1.1 研究區(qū)概況

河源地區(qū)的地熱資源是粵東地區(qū)分布較廣、較豐富的地區(qū)之一,隨著河源市經(jīng)濟的快速發(fā)展以及旅游業(yè)的迅速崛起,地熱資源開發(fā)利用也在不斷升溫。地熱資源開發(fā)和利用,對河源地區(qū)的旅游業(yè)的發(fā)展有著推動作用,同時也將帶來一定的經(jīng)濟和社會效益。

河源地區(qū)的地熱資源屬于中低溫(35～90 ℃)構(gòu)造裂隙型地熱資源,受斷裂構(gòu)造控制作用尤為明顯。區(qū)內(nèi)有32處天然溫泉露頭,其中已有8處已開發(fā)利用。根據(jù)資料統(tǒng)計,河源地區(qū)溫泉的分布,均直接或間接被北東向河源深大斷裂帶及其次生斷裂控制。而河源地區(qū)植被較多,遙感技術(shù)在植被覆蓋區(qū)提取隱伏構(gòu)造信息具有一定的困難,利用TVDI對該地區(qū)隱伏斷裂有效識別為廣東省及其他植被覆蓋率較高地區(qū)的隱伏構(gòu)造研究提供了有益補充。

1.2 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本次使用的數(shù)據(jù)是GeoTiff格式的高程校正產(chǎn)品,經(jīng)過了輻射校正和幾何校正,同時采用數(shù)字高程模型(Digital elevation model,DEM)糾正地勢起伏造成的視誤差。選取了協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated,UTC)為2017年1月19日當天02:33:46和02:34:13的兩景影像,行列號分別為121、043和121、044。

數(shù)據(jù)預(yù)處理首先進行輻射定標,將數(shù)字量化值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值等物理量。由于兩幅影像獲取時間基本相同,故先拼接,再輻射定標。多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射定標后進行FLAASH(Fast line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)大氣校正。

2 地表溫度反演

2.1 地表溫度反演算法

Landsat 7ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)數(shù)據(jù)包含8個波段,其中第6個波段為熱紅外波段,本研究采用覃志豪等提出的單窗算法反演地表溫度[7-11]。

該算法需要用地表輻射率、大氣透射率和大氣平均溫度3個參數(shù)進行地表溫度的演算。該算法公式可表示為

Ts={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+

C+D]T6-D×Ta}/C

(1)

式中,Ts為地表溫度；C=ε×τ,D=(1-τ)[1+(1-ε)τ],a和b為常數(shù),這里分別取-60.326 3和0.434 36；ε為地表輻射率；τ為大氣透射率；T6為第6波段的亮度溫度；Ta為大氣平均作用溫度。

熱紅外數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射定標后轉(zhuǎn)化為熱輻射強度,再通過普朗克公式轉(zhuǎn)化為亮度溫度:

T6=K2/ln(K1/L6+1)

(2)

式中,L6傳感器接收的輻射強度,K1和K2均為常量，可以從元數(shù)據(jù)文件中獲取,其值因不同的傳感器而異,對于ETM+數(shù)據(jù),K1=666.09 W/(m2×μm×sr),K2=1 282.71K。其中，W/(m2×μm×sr)為單位光譜波長上的輻射亮度,K為開爾文溫度。

2.2 地表溫度反演

首先要將圖像重采樣為60 m,利用式(1)反演研究區(qū)地表溫度。得到的溫度灰度圖像中由于背景值也參與了運算,導致溫度圖像中背景值出現(xiàn)負異常(<-200),顯示時工作區(qū)范圍內(nèi)會一片白色。再創(chuàng)建一個范圍為0～100的掩膜,然后做掩膜處理,得到遙感反演地表溫度分布圖。

從溫度分布圖上可知,地表平均溫度為16.9 ℃,與氣象資料獲取的當天的平均溫度16.3 ℃基本一致,標準偏差5.4,90%的點溫度在20.4℃以下,城區(qū)和基巖裸露區(qū)溫度相對較高。反演得到的溫度總體上符合實際,結(jié)果較好。

3 溫度植被干旱指數(shù)計算

工作區(qū)范圍內(nèi)每個像素點的TVDI定義為地表溫度和歸一化差分植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)的函數(shù),其表達式為

(3)

式中,A代表TVDI；B代表NDVI；Ts,max和Ts,min分別是對應(yīng)特定的NDVI值的地表溫度最高值和最低值。在Ts-NDVI坐標平面(Ts-NDVI特征空間)上,像素點的分布接近于梯形或三角形,采用遙感圖像處理軟件處理得到Ts-NDVI散點圖,圖中梯形區(qū)域的兩邊分別對應(yīng)Ts,max和Ts,min,稱為干邊和濕邊。

在前面工作得到的植被指數(shù)與地表溫度數(shù)據(jù)中,提取相同植被指數(shù)下的最高和最低地表溫度,將植被指數(shù)與其分別進行線性擬合,即可獲得特征空間中的干邊與濕邊方程:

Ts,max=a1+b1×B

(4)

Ts,min=a2+b2×B

(5)

其中a1、b1和a2、b2分別是干邊和濕邊擬合方程的系數(shù),可用最小二乘法確定。

4 構(gòu)造綜合解譯

斷裂構(gòu)造解譯是一個綜合分析的過程,遙感影像上判斷斷層是否存在,最重要的還是根據(jù)影像上的線性特征。首先,對ETM+多光譜數(shù)據(jù)進行假彩色合成、定向濾波等圖像增強處理突出這些線性特征;其次,在由ETM+熱紅外數(shù)據(jù)反演得到的TVDI灰度圖像上直接尋找線性負異常,得到斷層存在的可能位置及大致走向;最后,結(jié)合高分數(shù)據(jù)、立體影像和濕度圖像以及野外調(diào)查確定線性影像是否是斷層以及更準確地確定其延伸范圍。

斷層F1和F2分別為柳城正斷層和龍川正斷層,互相平行,北東-南西方向延伸,斷層面相對傾斜,構(gòu)成北東向的“地塹”構(gòu)造形態(tài)。F1在假彩色合成影像上表現(xiàn)為清晰連續(xù)的線狀影紋分界線(圖1),DEM融合圖像上表現(xiàn)為坡度陡變或截然不同的地貌分界線,北西側(cè)地勢高,東南側(cè)地勢低而平緩,土壤濕度大,TVDI灰度圖像上表現(xiàn)出明顯差異(圖2)。斷層F2在地貌上表現(xiàn)不明顯,在假彩色合成圖上可見由負地形造成的色調(diào)異常，如圖2(a)所示,在北東向濾波增強處理過的圖像上表現(xiàn)尤為明顯,如圖2(b)所示，在TVDI灰度圖上也有所顯示。其西南段延伸至龍川縣的部分缺乏目視解譯標志。

圖1 斷層F1、F2在TVDI灰度圖上的特征

圖2 斷層F2的線狀影像特征

5 結(jié)束語

對比工作區(qū)現(xiàn)有的地質(zhì)構(gòu)造圖,解譯結(jié)果對區(qū)內(nèi)的大部分的斷裂構(gòu)造都有很好地反映,但也存在不一致的斷裂,具體表現(xiàn)在:

(1)解譯出的一些斷層雖然能在地質(zhì)圖上找到與其相對應(yīng)斷裂,但斷層延伸長度不一致。這種規(guī)模的不一致表現(xiàn)在兩方面:解譯出的斷層較地質(zhì)圖上的斷層延伸更遠;另一種則是相反的情況,即解譯出的斷層構(gòu)造規(guī)模偏小,這種情況比較多,有的整條沒有明顯的目視解譯標志,有的僅僅是局部缺少解譯標志。一些延伸較遠的可先解譯有明顯影響特征的部分,在其穿過的地段,再結(jié)合高分辨率影像上的微地形特征地貌能夠?qū)⒏鞑糠诌B起來(如斷層F3)。

(2)解譯出許多大大小小的斷裂構(gòu)造在地質(zhì)圖上并沒有顯示,但野外證實其存在。這些斷裂多為規(guī)模1～2 km的次級構(gòu)造,走向北東(NE)、北西(NW),且相互切割,推測為主斷裂伴生的節(jié)理、裂隙在長期風化侵蝕過程中形成的線性體,野外基本都有相應(yīng)斷層顯示標志。

(3)部分地質(zhì)圖上的斷裂在構(gòu)造解譯結(jié)果圖上沒有反映出來,這些斷裂目視解譯標志不明顯,TVDI圖上也沒有在表現(xiàn)出明顯異常。可能的原因有:人類活動改變了自然景觀,破壞和模糊了解譯標志;斷裂埋藏較深,地表證據(jù)十分匱乏等。