基于Landsat 8的開采全周期礦區地表溫度反演

畢京銳,張 坤,張 震,付 俊

(安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232000)

長期以來，煤礦開采都是中國工業大力發展的重要支撐力量。然而，長時間、大規模、高強度、粗放式的煤礦開采勢必會給生態環境造成不可逆轉的損害[1-2]。與傳統非充填開采方式相比，充填開采利用充填漿液在離層空間內沉淀壓實后對上覆巖層起到支撐作用，從而減緩覆巖移動變形向地表傳播，進而達到減少地表下沉的目的。地表沉陷直接影響著礦區土壤、植被、水等關鍵生態要素的時空演變。地表溫度作為區域和全球尺度上陸地表面溫度物理變化過程的一個關鍵參數，綜合了所有地氣相互作用和能量交換的結果[3]。地表溫度(Land Surface Temperature,LST)是反映地球表面自然生態環境優劣的重要物理指標[4-5]，在一定程度上可以反映并預測土地質量和生態環境的變化。為定量研究充填開采與非充填開采對礦區地表溫度的影響以及影響的差異性，通過遙感影像對地表溫度進行反演，分析其規律。

黃元等[6]將Landsat多光譜數據與實測地表溫度進行相關性分析，綜合光譜特征選取最優波段作為輸入參量，利用3種常用的數據同化方法對研究區地表溫度進行演變模擬。邱文瑋等[7]以徐州九里礦區1995、2000、2004、2010年的Landsat TM影像為數據源，研究礦區生態擾動對地表溫度的影響效應。劉英等[8]以神東礦區為基礎，從礦井尺度分析神東礦區9個主要礦井采區和非采區地表溫度的季節差異性。廖東等[9]基于Landsat 8影像，利用監督分類與非監督分類對遙感影像進行處理，并比較二者應用于地物分類的精度，結果表明監督分類的效果更好。劉悅[10]通過目視解譯，從土地利用類型結構、變化速度和轉化關系等方面分析陳寨2003—2015年土地利用變化情況及其驅動力因素。

基于此，文中將溫度反演與監督分類相結合，分析開采全周期內兩個區域地表溫度變化規律。

1 研究區概況及數據選取

1.1 礦井位置及基本概況

袁店二井煤礦位于安徽省濉溪縣和渦陽縣交界處，坐落在曹市鎮高長營新村，地理坐標為東經116°27′56″，北緯33°31′96″。研究區內地形平坦，地面標高為+28～+31 m，平均為+29.5 m。研究區為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，光照充足，氣候溫和，雨量適中，四季分明，無霜期較長。年平均氣溫為15.1 ℃，年平均降雨量810 mm，降雨多集中在7、8月份。

1.1.1 83采區位置

83采區為非充填開采區域，位于袁店二礦西南部3.5～4.0 km處，南起82煤層露頭線，北至F14斷層，與礦井81、87采區相接，礦井大致開采傾向為南北方向[11]。其中，7234工作面于2018年6月開始回采，同年10月回采結束。其主要下沉量集中于7232工作面地表，下沉活躍狀態持續至2019年6月，最大下沉值增至3 099 mm。

1.1.2 82采區位置

82采區為充填開采區域，位于礦井中南部，南起82煤層露頭及高長營孜斷層上盤斷煤交線，北至F高-7斷層下盤和礦井工廣保護煤柱線；東以采礦權登記邊界作為采區邊界；西至DF2斷層下盤斷煤交線與81采區和83采區相鄰。東西寬600～1 600 m，南北長約2 400 m，面積約2.3 km2。其中，1025工作面回采時間為2018年6月17日，2019年1月10日收作。

1.2 數據來源

文中研究區范圍內包含充填開采采區及其擾動影響范圍、非充填開采采區及其擾動影響范圍。區域位置如圖1所示。

圖1 研究區域位置

充填開采采區及其擾動影響范圍為袁店二井82采區1025工作面及其擾動范圍；非充填開采采區及其擾動影響范圍為袁店二井83采區7234工作面及其擾動影響范圍；未開采區域位于82采區內部1025工作面東部。由于7234工作面回采時間為2018年6月至10月，1025工作面回采時間為2018年6月至2019年1月，為更好地比較非充填與充填兩種礦區開采方式對地表溫度的影響，選取兩個礦區共同開采時間段的影像作為研究對象。

2 研究方法

文中主要以Landsat 8 TIRS數據為基礎，通過輻射傳導方程法(大氣校正法)[12-13]對82、83以及未開采采區開采全周期的地表溫度進行定量反演，將3個采區的地表溫度進行對比，分析地表溫度的變化規律。

雖然近年來很多國內外學者在溫度反演算法比較上多有研究，且各種算法精度存在差異，但針對不同區域、不同數據源等方面，其算法精度優劣性各有不同。由于文中的研究重點為礦區開采全周期地表溫度變化及規律，因此，只要確保使用同一種算法對所有影像數據進行地表溫度反演即可控制算法精度對規律研究的干擾。

2.1 輻射傳導方程法(大氣校正法)

輻射傳導方程法，也稱為大氣校正法(Radiative Transfer Equation Algorithm，RTEA)。此算法對地表溫度的反演是通過一些大氣輻射傳輸模型，如MODTRAN系列、LOWTRAN系列、ATCOR或6S，根據實時的大氣探空數據或標準大氣廓線數據，估計大氣對地表熱輻射的影響，并從遙感器所觀測到的熱輻射總量中剔除這部分大氣影響，從而得到真實的地表輻射強度，最后把真實的地表輻射強度轉化為相應的地表溫度。

輻射傳導方程算法反演的地表溫度在總體趨勢上和亮度溫度比較接近[14]，在一定誤差允許范圍內可以保證反演結果的準確性。

2.2 歸一化地表溫度

由于遙感影像存在時相差異性，不能用反演地表溫度直接做比較，所以需將地表溫度進行歸一化處理[8]，將地表溫度分布范圍統一在0～1之間，公式為

(1)

式中：N為地表溫度歸一化結果；T為輻射傳導方程法反演的地表溫度，℃；Tmin和Tmax分別為T累計統計1%和99%的值。

2.3 地表溫度反演精度對比與可行性分析

通過天氣網查詢的遙感影像當天的氣溫如表1所示。

表1 遙感影像當天氣溫

氣溫是指大氣中的溫度，太陽的光輻射熱能被地面吸收后，地面再通過輻射、傳導和對流把熱能傳給大氣，這是地球大氣中產生熱量的主要來源，通常來講，地表溫度會明顯高于大氣溫度[15]。因此，本次反演的地表溫度具有客觀真實性，可用于研究充填與非充填開采采動影響范圍的地表溫度差異。

3 結果與分析

研究區附近除居民地之外主要土地利用類型為耕地，該地區主要種植小麥和大豆兩種作物。6月初為春季小麥的收割時間，9月底為大豆的收割時間，10月下旬開始種植春小麥。地表覆蓋度發生明顯變化時會對地表溫度造成影響[16]。開采地表塌陷會對建筑物產生影響，破壞建筑物的形狀，更有甚者會導致建筑物塌陷傾斜[17]，但建筑區的溫度變化主要是由其構成成分影響，受充填和開采的影響較小，因此，不對建筑物方面加以分析。

文中主要分析兩種開采方式及其擾動范圍內的地表溫度差異，而地表溫度的變化規律與地物類型息息相關，因此，對研究區區域分別進行監督分類[18]及地表溫度反演，通過地物類型分布與地表溫度相結合，分析相同時間、相同地物類型、不同區域的地表溫度分布規律以及開采過程中不同時間、同一區域、同一地物類型的地表溫度變化規律，旨在間接反映不同開采方式對地物類型的影響。

3.1 不同地物地表溫度分布規律

3.1.1 2018年9月8日不同地物地表溫度分布規律

2018年9月8日的地物分類結果與地表溫度反演結果如圖2、圖3所示。

圖2 2018年9月8日地物類型

圖3 2018年9月8日溫度反演

經分區統計計算得出不同區域不同地物類型的地表溫度如表2所示，分區統計結果分布規律如圖4所示。

表2 2018年9月8日地表溫度分布 ℃

圖4 2018年9月8日地表溫度分布

1)水體。非充填開采擾動區域地表溫度低于充填開采擾動區域；非充填開采采區地表溫度低于充填開采采區，即非充填開采及擾動區域均低于充填開采及擾動區域。采煤沉陷使地表變形，形成地表移動盆地，產生地裂縫和塌陷坑，破壞了原有的地表形態，當沉陷深度超過該區地表潛水位時，土地受淹而常年積水，導致溫度下降。

2)植被。植被覆蓋度與地表溫度成反比，該時期植被區域地表溫度與水體呈現相同規律，即非充填開采及擾動區域均低于充填開采擾動區域。礦區開采對植被的影響呈現多樣化，地表塌陷會影響植物的生長發育，甚至造成綠色植物的大幅度減少，從而引起地表溫度下降，充填開采可以有效減少地表下沉，但數據表明，開采初期，其對上覆巖層起到支撐作用的充填漿液卻對植被生長造成了更大地破壞，導致地表溫度升高。

3)裸地。該時期裸地與植被、水體均體現出相同的變化規律。裸地地表溫度主要受地表塌陷的影響，地表塌陷導致地下潛水位上升，土壤含水量上升，甚至出現積水形成沼澤地區[19]，土壤含水量增多導致地表溫度下降。非充填開采及其擾動區域下沉量高于充填開采，因此，非充填區域的溫度低于充填開采。

3.1.2 2018年9月24日不同地物地表溫度分布規律

2018年9月24日的地物分類結果與地表溫度反演結果如圖5、圖6所示。

圖5 2018年9月24日地物類型

圖6 2018年9月24日溫度反演

經分區統計計算得出不同區域不同地物類型的地表溫度如表3所示，分區統計結果分布規律如圖7所示。

表3 2018年9月24日地表溫度分布 ℃

圖7 2018年9月24日地表溫度分布

1)水體。非充填開采采區及其擾動區域地表溫度低于充填開采。同樣是因為非充填開采相較于充填開采使地表潛水位上升更多導致的。

2)植被。非充填開采及其擾動區域較充填開采及其擾動區域溫差縮小。開采中后期，隨著采空區面積的不斷擴大，移動盆地的面積和最大下沉值也不斷增大[20]，對植物生長造成的破壞更加明顯，使植物覆蓋度降低，溫度升高。

3)裸地。大豆收割時，儲存著大量銨素的大豆根瘤會留在土壤中，相當于土壤中的自然氮肥，土壤含水量降低，地表溫度升高。據實際考察發現，非開采區及其擾動范圍內主要種植大豆，因此，該區域溫度升高，但由于沉陷積水的影響，地表溫度與充填開采區差異較小。

4個區域在裸地部分地表溫度均明顯低于未開采區域。其中，充填開采采區低于充填開采擾動區域；非充填開采采區低于非充填開采擾動區域。非充填開采擾動區域地表溫度更加接近于未開采區域。

3.1.3 2018年10月26日不同地物地表溫度分布規律

該地區9月底為大豆的收割時間，10月下旬開始種植冬小麥，本期影像正是大豆收割結束且開始種植冬小麥的季節，因此，從監督分類結果來看，影像呈現大面積裸地區域。2018年10月26日地物分類結果與溫度反演如圖8、圖9所示。

圖8 2018年10月26日地物類型

圖9 2018年10月26日溫度反演

經分區統計計算得出不同區域不同地物類型的地表溫度如表4所示，分區統計結果分布規律如圖10所示。

表4 2018年10月26日地表溫度分布 ℃

圖10 2018年10月26日地表溫度分布

1)水體。非充填開采及其擾動區域地表溫度仍低于充填開采及其擾動區域地表溫度。水的比熱容較大，氣溫開始降低時，水的溫度下降緩慢，因此，相較于前兩期數據，非充填區較充填區溫差縮小。但地表下沉仍是主導因素，非充填區域地表溫度仍低于充填區。

2)植被。由于研究區內主要地物類型為耕地，植被的數量隨農作物收割與種植的變化而變化，該時期植被面積明顯縮小。但非開采區地表溫度仍低于開采區，仍由地表下沉、地下潛水位上升引起。

3)裸地。非充填與充填區域溫差明顯縮小。據實地考察得知，種植冬小麥的地方主要集中在充填開采及其擾動區域，因此，該區域溫度明顯下降，但由于地表沉陷地下潛水位上升的影響，非充填開采及其擾動區域地表溫度仍低于充填區域。

3.2 不同開采時間地表溫度分布規律

將各個開采區域、各個時間段的地表溫度進行歸一化處理后，地表溫度變化折線如圖11—14所示。

圖11 水體區域地表溫度

圖12 植被區域地表溫度

圖13 建筑物區域地表溫度

圖14 裸地區域地表溫度

9月至10月氣溫呈下降趨勢，因此，4種地物類型的地表溫度也呈下降趨勢。通過歸一化處理得到溫度變化趨勢曲線。

1)水體。如圖3—8所示，充填采區及擾動區域水體歸一化地表溫度呈上升趨勢，非充填采區及其擾動區域前期呈平緩上升趨勢，后期呈現下降趨勢，且4個區域地表溫度差異性逐漸增大。

2)植被。植被歸一化地表溫度呈現上升后趨于平緩趨勢，溫度差異性有上升的趨勢。此時農作物是影響該區域溫度變化的主要因素，9月底收割大豆，植被覆蓋面積明顯降低，因此，溫度升高；10月底播種小麥，植被覆蓋度無明顯變化。

3)建筑物。從變化曲線可以看出，建筑物部分的歸一化溫度無明顯規律，建筑物區域的地表溫度主要受其自身材質的影響，與礦區開采方式無明顯相關性。

4)裸地。裸地歸一化地表溫度整體呈現上升趨勢，前期溫度升高緩慢，后期溫度上升趨勢加快，且溫度差異性越來越小。

4 結束語

通過對比兩種開采方式下不同地物類型的地表溫度變化規律，得出以下結論：非充填采區在開采過程中引起明顯的地下潛水位上升、塌陷區積水等現象，導致水體溫度下降，且下降速率高于充填開采區域；在不考慮氣溫變化對地表溫度的影響時，非充填開采方式作用下引起的地表塌陷使裸地區域地表溫度整體呈現上升趨勢。

充填開采利用在離層空間內充填漿液對上覆巖層起到支撐作用，在該過程中，充填漿液的利用對不同地物類型產生不同程度的影響。開采過程中水體區域地表溫度始終高于非充填開采區域，對煤層開采塌陷積水現象起到有效的緩解作用；植被區域地表溫度始終高于非充填開采區域，除了農作物收割的影響之外，充填漿液對植被生長的影響是導致該現象的主要因素之一；同時，在該種開采影響下裸地歸一化地表溫度呈現上升趨勢，且始終高于非充填開采區域。

建筑物區域的地表溫度主要受其自身材質的影響，兩種開采方式對建筑物區域的地表溫度變化無顯著影響。