關(guān)于新疆準(zhǔn)東露天煤礦區(qū)地表溫度反演及時(shí)空變化特征的研究
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作者；張毅
近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展及人類對(duì)全球變暖現(xiàn)象的關(guān)注，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)城市熱環(huán)境的研究，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)對(duì)城市熱場(chǎng)進(jìn)行了研究，但很少將干旱區(qū)煤田作為研究區(qū)進(jìn)行討論。由于煤炭開(kāi)采和工業(yè)耗能會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體和嚴(yán)重的地表塌陷，改變了原來(lái)的大氣組分和下墊面性質(zhì)，地表溫度也發(fā)生了很大變化。遙感技術(shù)能重復(fù)大范圍地獲取同一地區(qū)的數(shù)據(jù)信息，具有綜合、宏觀、快速、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，可以及時(shí)有效地掌握地表溫度的變化特征，所以運(yùn)用衛(wèi)星熱紅外遙感影像獲取煤區(qū)地表熱狀況信息是一種非常重要的手段。
2006年9月，神華集團(tuán)在新疆五彩灣進(jìn)行煤炭資源勘探開(kāi)發(fā)，在之后的數(shù)年里又有幾家大型企業(yè)進(jìn)駐各大準(zhǔn)東工業(yè)園。作為迄今世界最大的露天煤礦，在開(kāi)采前后該地區(qū)的每個(gè)環(huán)境因子和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)生了很大變化，從下墊面的人為改造和破壞到氣候時(shí)間尺度的變化，準(zhǔn)東煤礦正面臨環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)利益擇取兩難的處境。作為氣候變化因素中的溫度因素，具有重要的研究意義。
本文以新疆典型露天煤礦——準(zhǔn)東礦區(qū)為研究區(qū)，基于Landsat7／ETM-I-數(shù)據(jù)，運(yùn)用單窗算法和Weng算法反演研究區(qū)的地表溫度，并利用紅外輻射計(jì)測(cè)量得到的地面溫度對(duì)遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。比較不同的地表溫度遙感反演算法并選取最優(yōu)結(jié)果，以便更為準(zhǔn)確地反映準(zhǔn)東煤田區(qū)開(kāi)采前后地表溫度的變化情況。分析在煤炭開(kāi)采等工業(yè)化發(fā)展下的準(zhǔn)東地區(qū)溫度變化情況和在不同地物類型區(qū)域的溫度分布情況，為今后關(guān)注該地區(qū)的溫度變化和氣候環(huán)境影響評(píng)估提供相對(duì)精確的熱力學(xué)指標(biāo)，也將對(duì)其日后礦區(qū)建設(shè)提供一個(gè)可靠的參考。
1 研究區(qū)概況
準(zhǔn)東礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，吉木薩爾縣境內(nèi)，喀拉麥里山的山前地帶，煤田面積l3000kn2。地貌為戈壁灘平原，地形平坦開(kāi)闊，其工業(yè)基地范圍內(nèi)平均海拔在500～700m之間，總體地勢(shì)北高南地。該地區(qū)屬于大陸暖溫帶干旱氣候，年平均蒸發(fā)量2090. 4mm，年平均降水量159. Imm。年平均相對(duì)濕度為57%，年平均日照時(shí)間為2861. th。土壤類型主要為灰棕模土、石膏灰棕模土、荒漠風(fēng)沙土、和荒漠堿土，表層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%以下。
2 數(shù)據(jù)與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及影像預(yù)處理
選取Landsat7／ETM+于2005年7月22日和2013年6月10日過(guò)境的新疆準(zhǔn)東煤田礦區(qū)的遙感影像，下載于USGS Global Visualization Viewer網(wǎng)站( http：／／glovis. usgs. gov／)。進(jìn)行圖像預(yù)處理：由于2003年5月31日，Landsat7／ETM+機(jī)載掃描行校正器(SLC)故障，導(dǎo)致此后獲取的圖像出現(xiàn)了數(shù)據(jù)條帶丟失，所以先采用多影像局部自適應(yīng)回歸分析模型將影像去條帶校正，然后對(duì)遙感影像做輻射定標(biāo)和大氣校正，再將經(jīng)大氣校正后的TM第6波段的分辨率120m重采樣為ETM+第6波段的分辨率60m。作者通過(guò)吉木薩爾縣氣象網(wǎng)站查得該地區(qū)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，并運(yùn)用紅外輻射計(jì)實(shí)地測(cè)溫。
2.2單窗算法
覃志豪等( 2001)根據(jù)地表熱輻射傳導(dǎo)方程以及一系列假設(shè)，建立了一種使用Landsat/TM熱紅外波段( TM6)反演地表溫度的算法。之所以稱為單窗算法是因該方法適用于僅有一個(gè)熱紅外通道的遙感數(shù)據(jù)。其計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。
式中：Ts是地表溫度(K)；a和6是變量，分別為一67. 355351，0.458606；C和D是中間變量，C=εT，D=（1-T）[1+（1一￡）T]，其中￡是地表輻射率，Tsensor是星上亮度溫度(K)；T是大氣透射率；Ta是大氣平均作用溫度(K)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下（天空晴朗、沒(méi)有渦旋作用），大氣平均作用溫度(Ta)與地面附近（一般為2m處）氣溫(To)存在如表1所示線性關(guān)系（Ta與To的單位為K）。
2.2.1 大氣透射率
大氣透射率是地表輻射和反射透過(guò)大氣到達(dá)傳感器的能量與地表輻射能反射能的比值。它與大氣狀況、高度等因素有關(guān)。作為最重要的大氣變化指標(biāo)，水汽和大氣溫度的變化在熱紅外波段表現(xiàn)最顯著。天氣穩(wěn)定時(shí)，水汽含量是影響大氣透射率的主要因素。影響大氣透射率的因素較多，氣溫、氣壓、大氣水分含量、氣溶膠含量、03、CO、CO2、NH4等對(duì)熱輻射傳導(dǎo)均有不同程度的作用，從而使地表的熱輻射在大氣中的傳導(dǎo)產(chǎn)生衰減。根據(jù)大氣總水汽含量ω( g/cm2)可以估算出T(表2)。夏季如果ω落在0.4～1. 6g／cm2之間，則r-0. 974290-0. 08007ω如果（ω落在1.6～3．O g／cm2之間，則T=1.0 31412 -0.15536ω。
2.2.2地表比輻射率的計(jì)算
地表比輻射率不僅與地物本身組成、存在狀態(tài)等有關(guān)，還與地物的被觀測(cè)角度、觀測(cè)波長(zhǎng)等有重要關(guān)系，它的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到LST反演的精度。綜合前人的研究成果，本文首先對(duì)研究區(qū)進(jìn)行監(jiān)督分類，由于本研究區(qū)水體較少，故將遙感影像分為城鎮(zhèn)和自然表面兩種類型。城鎮(zhèn)和自然表面像元的比輻射率估算分別根據(jù)式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算。
式中：εbuilt-pu和εsurfacc分別代表城鎮(zhèn)像元和自然表面像元的比輻射率，Pv為植被覆蓋度，計(jì)算方法見(jiàn)式(4)。
式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)，取NDVIv=0.70和NDVIs=0．05，當(dāng)NDVI小于0．05時(shí)，Pv取值為0；當(dāng)某個(gè)像元的NDVI大于0.70時(shí)，Pv取值為1。
2.3 Weng算法
Qihao Weng等(2004)提出了基于Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)的LST反演算法。首先對(duì)Landsat TM影像熱紅外波段的DN值轉(zhuǎn)換成星上輻射亮度(Lsensor)，其次將星上輻射亮度進(jìn)一步反演成星上亮度溫度(Tsensor)。再將星上亮度溫度代入Artis.D．A等推導(dǎo)的絕對(duì)表面溫度計(jì)算模型中進(jìn)行地表溫度反演(式(5)、式(6))。
式中：Ts為陸地表面溫度(K)；Tsensor為星上亮度溫度(K)；ε為地表比輻射率（同2.2.2節(jié)）；波爾茲曼常數(shù)d為1. 38×10-23J/K;光速c為2.998×l08 m/s；普朗克常數(shù)h為6. 626×l0-34Js;TM6熱紅外波段中心波長(zhǎng)λ為11.457μm。
3 結(jié)果與分析
3.1 溫度反演與精度驗(yàn)證
基于上述兩期影像和兩種方法對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)進(jìn)行地表溫度反演得到四幅溫度分布圖（圖1）。由圖1看出，在不同算法下所反演的同一年地表溫度分布形式大致相同，但溫度數(shù)值差異較明顯，其中單窗算法下2005年反演結(jié)果中反映出的最高溫度為42.6℃，最低溫度為7.9℃(由于零星云朵遮蓋，在圖l(a)和圖l(b)上方呈深色鱗片狀部分，故而影響到最低溫度的精確反演），2013年的最高溫度為49.1℃，最低溫度為11.8℃；同樣在Weng算法下2005年反演結(jié)果中反映出的最高溫度為36.8℃，最低溫度為7.8℃，2013年的最高溫度為43.7℃，最低溫度為11.2℃。
利用紅外輻射計(jì)測(cè)量得到的地面溫度與研究區(qū)反演的地表溫度平均值進(jìn)行了驗(yàn)證，見(jiàn)表4。在單窗算法下2005年和2013年溫度反演結(jié)果的精確度分別為92. 8%和93. 4%，在Weng算法下2005年和2013年溫度反演結(jié)果的精確度分別為82.0%和86. 2%，說(shuō)明兩種方法均能較好地反演地表溫度，并且采用單窗算法反演的地表溫度相比Weng算法精度較高并與姬洪亮等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致（表3）。
3.2兩期溫度分布對(duì)比
經(jīng)精度驗(yàn)證后，選用在單窗算法下反演地表溫度的結(jié)果作進(jìn)一步分析得出：將溫度分布特征進(jìn)行監(jiān)督分類，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)溫度閾值內(nèi)所覆蓋研究區(qū)的面積，得出研究區(qū)總面積為9639km2，其中2005年高溫亮白色區(qū)域溫度閾值在35～42℃之間的面積為1727km2，次高溫淺灰色區(qū)域溫度閾值在28～35℃之間的面積為3834km2，中溫灰色區(qū)域溫度閾值在21～28℃之間的面積為2628km2，次低溫深灰色和低溫黑色區(qū)域的面積為560km2和853km2，以及得出云及其陰影面積之和為37km2。同樣得到2013年的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，將這兩期數(shù)據(jù)匯成表4。
此外，中低溫區(qū)面積增大和高溫區(qū)的面積減少不能說(shuō)明整體溫度的降低，然而整體溫度呈現(xiàn)升高態(tài)勢(shì)。因?yàn)榉謪^(qū)是在各期影像測(cè)得的溫度為前提進(jìn)行的，如2013年的五個(gè)溫區(qū)溫度均高于2005年，所以中低溫區(qū)的增加和高溫區(qū)的減少正好能說(shuō)明溫度的升高（圖2）。由于全球溫度上升具有一致性，干旱區(qū)的升溫現(xiàn)象又高于我國(guó)東部和全球上升溫度的平均值，因此，從2005～2013年的8年間，準(zhǔn)東地表溫度發(fā)生了巨大變化。
3.3 典型地物類型分析
根據(jù)研究區(qū)土地覆蓋特點(diǎn)選取典型地物覆蓋類型（圖3）。如圖3所示，該區(qū)域分布較多不同地物類型包含荒漠稀疏草原、露天礦坑、戈壁巖石裸地和荒漠裸土。計(jì)算出以上地物類型所對(duì)應(yīng)的溫度DN值均值得到荒漠稀疏草原溫度為25.8℃，礦坑為47.5℃，巖石裸地與荒漠裸土分別為38.3℃和32.1℃。由于荒漠稀疏草原有一定的植被覆蓋，無(wú)論從植被遮擋地面產(chǎn)生的陰影還是植被本身，都導(dǎo)致地表溫度偏低。而礦坑因煤礦開(kāi)采裸露在地表，由遙感數(shù)據(jù)所測(cè)溫度實(shí)際為煤礦表層溫度，煤礦為深黑色，熱紅外發(fā)射率高，因此得到的溫度也偏高。戈壁巖石溫度相對(duì)偏高有兩方面原因：①巖石與煤的導(dǎo)熱機(jī)理相似，在煤和巖石中熱能的傳導(dǎo)是通過(guò)晶體點(diǎn)陣或晶格的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，巖石溫度也和煤田一樣偏高；②巖石表面附著厚度不均的煤粉以及大氣沉降下來(lái)的煙塵，使得巖石表面的熱紅外反射率和發(fā)射率變化從而導(dǎo)致溫度升高。圖中荒漠裸土為巖石裸地與荒漠植被覆蓋區(qū)的過(guò)渡帶，溫度受左右地貌因素影響也呈現(xiàn)過(guò)度帶狀。
此外水體應(yīng)屬于低溫區(qū)，然而本研究區(qū)水體面積稀少，水資源匱乏，故水體溫度的變化對(duì)本項(xiàng)研究影響不大。
4結(jié) 論
準(zhǔn)東煤礦開(kāi)采項(xiàng)目自2006年9月開(kāi)始實(shí)施至今已經(jīng)度過(guò)了八年，無(wú)論從地形地貌特征到各個(gè)氣象因子都發(fā)生了相當(dāng)大的變化，本文從地表溫度著手，在單窗算法和Weng算法下運(yùn)用Landsat7／ETM+數(shù)據(jù)反演其開(kāi)礦前后地表溫度分布并驗(yàn)證出單窗算法的精度更高。經(jīng)過(guò)對(duì)溫度分布特征的分析得出如下結(jié)論。①時(shí)間尺度上，由于煤炭資源的開(kāi)采和能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展加之全球大背景下的增溫，準(zhǔn)東礦區(qū)溫度升高明顯，由開(kāi)采前的最高溫42.7℃上升至49.2℃，最低溫提高了4．0℃。2013年地表溫度平均值為35.1℃高于2005年的30.8℃。2013年高溫區(qū)與次高溫區(qū)面積相比2005年直觀上有所減少，但由于溫度的整體升高，中溫、次低溫、低溫區(qū)升溫空間大，溫度上升明顯，從而面積大幅增加。②空間尺度上，礦區(qū)地形獨(dú)特，北方為喀拉麥里山，南方為天山綠洲帶，兩山包裹呈現(xiàn)典型的“熱島”效應(yīng)。從2013年溫度分布圖可以看出明顯的溫度變化梯度，由外到內(nèi)依次是荒漠草原、荒漠裸土、巖石裸地以及煤田工業(yè)園，地表溫度呈現(xiàn)依次升高。
隨著資源不斷被開(kāi)采，能源被大量消耗以及人類干預(yù)的不斷加大，準(zhǔn)東地區(qū)每年都在發(fā)生明顯變化。在央企神華能源的帶領(lǐng)下，全國(guó)各地企業(yè)涌入準(zhǔn)東開(kāi)發(fā)建設(shè)，在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)，工業(yè)污染對(duì)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，包括溫度在內(nèi)的各個(gè)氣候因子都發(fā)生著潛移默化的改變。希望本文能對(duì)地方的決策者規(guī)劃建設(shè)礦區(qū)提供一項(xiàng)參考指標(biāo)。
由于煤礦區(qū)地表溫度影響因素較多，各因素之間相互關(guān)系復(fù)雜，不易判斷溫度升高或是降低的主要原因，但煤礦開(kāi)采和燃燒一定影響溫度變化。本文在升溫的主導(dǎo)因素方面有待深入的研究，需要繼續(xù)加深對(duì)各因素的分析，做出更加精準(zhǔn)的判定。
5摘 要：使用Landsat7／ETM+于2005年7月22日和2013年6月10日過(guò)境的新疆準(zhǔn)東煤田礦區(qū)的影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用單窗算法以及Weng算法反演準(zhǔn)東煤礦開(kāi)采前后的地表溫度。通過(guò)反演結(jié)果與熱紅外輻射計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比證明在本研究區(qū)運(yùn)用單窗算法反演地表溫度較Weng算法精度更高。在此基礎(chǔ)上，分析了不同時(shí)期準(zhǔn)東礦區(qū)地表溫度分布格局得出：①時(shí)間尺度上，由開(kāi)采前的最高溫42. 70C上升至49.2 0C，最低溫保持在11～12℃。2013年地表溫度平均值為35.1℃高于2005年的30.8℃；②空間尺度上，礦區(qū)地形獨(dú)特，北方為喀拉麥里山，南方為天山綠洲帶，兩山包裹呈現(xiàn)典型的“熱島”效應(yīng)。從2013年溫度分布圖可以看出明顯的溫度變化梯度，由外到內(nèi)依次是荒漠草原、荒漠裸土、巖石裸地以及露天礦坑，地表溫度呈現(xiàn)依次升高�？傊�，單窗算法反演精度高，適合干旱區(qū)露天煤礦地表溫度反演。
