興安盟區域斷裂帶與地表溫度場變化特征研究＊

包寶小 席文雅 王志勇 李騰宇 王 慧 賈寶金

（內蒙古自治區地震局烏蘭浩特地震監測中心站， 內蒙古興安盟 137400）

0 引言

研究地表溫度變化對地震監測及地球資源監測具有重要意義[1]。前人研究表明，斷裂構造附近區域一般流體溫度及地表溫度會有一定變化[2]。在地震孕育、斷裂帶破裂過程中，地下深部物質、巖石破裂以及氣體的釋放都有可能會引起地表溫度的上升[3-4]。地震活動性監測已經在多個地區獲得了斷裂構造與溫度異常相關的事例[5-7]。在長白山地區，張福坤等[8]使用Landsat遙感影像進行了地表溫度隨斷裂構造變化的研究，結果表明地表溫度場與斷裂帶構造之間表現出一定的相關性。在山東地區，馬俊飛等[9]使用MODIS地表溫度數據，研究了山東地區的地表溫度與活動斷裂之間的相關性變異系數空間分布，結果表明斷裂構造區域地表溫度變化明顯且高于其他地區，從而得出地表溫度與地震具有一定的相關性。在地表溫度反演方面，王玉渲等[10]使用Landsat 8 OLI數據，利用單窗算法反演了石家莊區域地表溫度數據。王艷芳等[11]使用Landsat 8 TIRS數據利用輻射傳輸方程算法反演了臨汾市堯都區地表溫度數據。晁江琴[12]使用Landsat 8 TIRS數據在富民盆地利用輻射傳輸方程算法、單窗算法、單通道算法、劈窗算法反演了該區域地表溫度，結果表明輻射傳輸方程算法及單窗算法反演的可靠性更強。

基于前人的研究，本文針對興安盟區域大尺度地表溫度反演精度低的問題，采用Landsat 8 TIRS遙感影像數據及斷裂帶矢量數據，使用輻射傳輸方程算法，最終實現興安盟區域斷裂帶地表溫度的高效反演。針對興安盟區域斷裂帶地表溫度場變化及其特征不明晰的問題，使用等間距劃分及均值統計方法，采用疊加斷裂帶與地表溫度圖層的形式及繪制相關性曲線方式，剖析興安盟區域主要斷裂帶地表溫度場的變化特征。

1 研究區域及數據

烏蘭浩特地震監測中心站位于內蒙古自治區興安盟境內，本文以內蒙古興安盟區域為主要研究對象。該區域構造簡單，可劃分為EW向構造及NS向構造[13]。境內有2條主要斷裂帶，即為嫩江斷裂帶及洮兒河斷裂帶（紅色線）（圖1）。

圖1 興安盟區域斷裂分布圖Fig.1 Distribution map of regional faults in Xing’an League

本文主要使用2019年9月和2020年9月的Landsat 8 OLI/TIRS數據，此時段云量較少，符合使用需求。經過輻射定標、大氣校正預處理后，使用烏蘭浩特矢量圖進行了矢量拼接及裁剪處理。為了提高提取地表溫度的可靠性，使用最大似然分類算法對影像進行了6種地表物的分類。

2 基本原理

本文地表溫度反演使用了輻射傳輸方程方法。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由3部分組成：大氣向上輻射亮度L↑、地面真實輻射亮度經過大氣層之后到達衛星傳感器的能量、大氣向下輻射到達地面后反射的能量。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達式可表示為（輻射傳輸方程）：

式中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實溫度，B（TS）為通過反應物體溫度和輻射強度之間關系的普特朗克公式推算所得的溫度T相對應的黑體輻射亮度值，τ為大氣在熱紅外波段的透射率，L↑和L↓是大氣向上和向下輻射亮度。由此可得黑體在熱紅外波段的輻射亮度B（TS）公式如下：

式中，L↑和L↓可通過影像中心緯度與成像時間在網上（http://atmcorr.gsfc.nasa.gov）獲取。

運用普朗克公式的反函數，可推導出亮度溫度TR：

式中，K1與K2值可在影像MLT.txt文件中獲得。

地表比輻射率ε是指在同一溫度下地表發射的輻射量與黑體發射的輻射量的比值，地表比輻射率是熱紅外遙感獲取地表溫度必不可少的參數。針對Landsat影像的Band10熱紅外波段，使用Sobrino提出的NDVI閾值法計算地表比輻射率：

式中，PV是植被覆蓋度，用以下公式計算：

式中，NDVI為歸一化植被指數，NDVIS為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，NDVIV為完全植被覆蓋像元的NDVI值，一般取經驗值NDVIV=0.70，NDVIS=0.05。

為了提高地表溫度反演的準確性，使用最大似然分類方法對影像進行地表物的分類。假定各類分布函數為正態分布，并選擇訓練區，計算各待分類樣區的歸屬概率。

P21對HoxB4的調控機制及其影響造血干細胞增殖初步研究 … ……………… 李雪華，等(6):636

假設B1，B2，……互斥且構成一個完全時間，A伴隨他們出現，已知他們分別發生的先驗概率P(Bi)，i=1，2，……及A的條件概率P(A|Bi)，則可以得到事件A的后驗概率P(Bi|A)。

概率乘法公式為：P(AB)=P(A)×P(B|A)=P(B)×P(A|B)，可導出貝葉斯定理公式：

設有s個類別，用ω1，ω2，......，ωs來表示，每個類別發生的概率（先驗概率）分別為P(ω1)，P(ω2)，······，P(ωs)。

設有未知類別的樣本X，其類條件概率分別為：

則根據貝葉斯定理可以得到樣本X出現的后驗概率為：

此時，以樣本X出現的后驗概率作為判別函數來確定樣本X的所屬類別，其分類準則為：

3 實驗過程

圖2 2019年及2020年地表溫度反演結果Fig.2 Inversion results of land surface temperature for 2019 and 2020

斷裂帶與地表溫度反演結果疊加在一幅圖層上，使用等距離切分方法，以研究區的兩條嫩江斷裂帶和洮兒河斷裂帶為中心，向各個方向同等范圍內延伸，將斷裂帶兩側的每側10 km區域劃分成40個部分，分別統計等分區域內的地表溫度平均值和平均距離，進而獲得斷裂帶與溫度場間的相關性（圖3）。

圖3 2019年和2020年各斷裂帶與溫度場的關系圖Fig.3 Relationship between fault zone and temperature field in 2019 and 2020

以已知的斷裂帶為中心線（紅色線），向兩側擴展，小方塊的顏色深度代表該小方塊所代表的區域內平均溫度的相對高低，圖像中的顏色深度代表地表平均溫度的高低，顏色越深，溫度越低，反之，顏色越淺，溫度越高。

為更直觀的顯示兩者的相關性，繪制了等分區域的平均溫度與平均距離的相關性曲線（圖4），進一步驗證了溫度場與主要斷裂帶構造之間的相關性。在圖中，虛線代表斷裂帶的中心位置，向兩側延伸表示與斷裂帶的相對位置，即正負值表示與斷裂帶的相對位置，曲線的方向與斷裂帶的方向垂直。

圖4 2019年及2020年斷裂帶平均地表溫度與平均距離相關性曲線Fig.4 Correlation curves of average land surface temperature and average distance of fault zone in 2019 and 2020

4 討論與結論

本文基于Landsat 8 TIRS影像，根據興安盟區域內的主要斷裂結構，使用輻射傳輸方程算法反演區域內主要斷裂帶所在位置的地表溫度。為了提高反演數據的準確性，反演前對影像進行了預處理，使用最大似然分類算法進行了地表物的分類。然后使用等間距劃分、分段均值統計方法，將繪制的地表溫度圖與斷裂帶構造圖疊加在一個圖層上，以繪制的兩條斷裂帶（嫩江斷裂帶及洮兒河斷裂帶）為中心線，向斷裂帶的兩側等同距離做等間距的劃分，對于兩條斷裂帶，我們可以計算出它們等分帶內的平均距離和平均地表溫度，將統計出的結果利用圖形的方式分析區域內兩條斷裂帶與地表溫度場變化的相關特征，并繪制相關性曲線，進一步描述斷裂帶與地表溫度場變化的特征。最后利用同月不同年份的遙感影像數據進行結果驗證。

通過以上實驗，觀察斷裂帶和溫度場的關系圖（圖3）可發現，2019年9月，區域內的兩條斷裂帶與地表溫度場的相關性十分顯著。研究區域內斷裂帶與地表溫度的相關特性相當鮮明且穩定，與斷裂帶分區的距離越遠，地表溫度的表現值越低。2020年9月的圖像驗證表明，地表溫度場隨著斷裂結構的變化而變化，與2019年9月地表溫度場與斷裂結構變化的趨勢非常相似。

為了提高實驗結果的精確度，本文進一步制作了興安盟區域斷裂帶（嫩江斷裂帶、洮兒河斷裂帶）兩側地表溫度和距離之間相關性的曲線。從圖4的2019年和2020年的斷裂帶地表平均溫度與平均距離相關性曲線圖可以看出，地表溫度場與斷裂構造的關系顯示出類似的相關性，在嫩江斷裂帶和洮兒河斷裂帶的分區范圍內，地表溫度的總體趨勢是距離斷裂帶越近，值越高。繪制的2019年和2020年的全局斷裂帶與地表溫度相關性特征曲線（圖5），也很好地證實了斷裂帶與地表溫度的相關性特征。

圖5 相關性綜合曲線Fig.5 Correlation synthesis curve

本文采用等間距分段平均值的方式，探討了興安盟主要斷裂帶和溫度場間的關聯性。數據處理結果顯示，在所研究區域內，嫩江斷裂帶和洮兒河斷裂帶與地表溫度場的相關性較為突出。分段內離斷裂帶越遠，地表溫度值越低，反之，離斷裂帶越近，溫度讀數越高。

溫度和斷裂帶是開展地震學相關研究的重要因素，本次研究的結果將為相關科學研究提供參考。本研究中采用的分段平均值分析法，不僅可用于分析興安盟地區地表溫度與斷裂構造間的關系，還可用于估測興安盟地區的斷裂構造對地表溫度場的大致影響范圍。這將為興安盟地區的斷裂構造活動特性分析，以及復雜地表溫度場與地質構造關系的研究提供科研參考。