張志敏，江利明，柳　林，汪漢勝

(1. 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049； 3. 華中科技大學(xué)物理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

地下煤火指自然條件下，賦存于地下的煤體與空氣接觸后發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從氧化自燃到劇烈燃燒后形成一定規(guī)模，并對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生一定影響的煤自燃現(xiàn)象[1]。地下煤火的燃燒不僅浪費(fèi)大量的優(yōu)勢(shì)煤炭資源，破壞地表植被覆蓋，引發(fā)地表大面積塌陷，損壞房屋和道路交通設(shè)施，而且釋放大量的有毒有害氣體，嚴(yán)重影響周邊居民的身體健康[2-5]。因而，識(shí)別和圈定地下煤火的分布范圍，可為煤田火災(zāi)防治和煤火碳排放量估算提供重要的科學(xué)依據(jù)。

相比于傳統(tǒng)的煤火監(jiān)測(cè)手段，遙感技術(shù)以其快速有效、經(jīng)濟(jì)便捷、可獲取多時(shí)相、多波段、多尺度數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，從20世紀(jì)60年代即開始用于大范圍地下煤火的監(jiān)測(cè)[6]。烏達(dá)煤田作為我國(guó)北方地下煤火比較典型和嚴(yán)重的區(qū)域，一直以來都備受國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。Gangopadhyay等以ASTER數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用溫度/比輻射率分離算法提取了烏達(dá)煤田的熱異常信息[7]。Kuenzer等使用全色QuickBird影像分析了烏達(dá)煤田2005—2012年礦業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、地物覆蓋和煤火的空間變化趨勢(shì)[8]。蔣衛(wèi)國(guó)等[9]以烏達(dá)煤田火區(qū)為例，探索了利用不同季節(jié)夜間ASTER熱紅外光譜進(jìn)行地下煤火的監(jiān)測(cè)方法。譚琨等[10]利用TM/ETM+遙感影像，采用3種不同溫度反演算法計(jì)算烏達(dá)煤田火區(qū)地表溫度，并對(duì)比了2005—2012年火區(qū)的時(shí)空變化。然而，2013年Landsat-8衛(wèi)星發(fā)射以后，用于研究煤火區(qū)燃燒范圍和空間演變態(tài)勢(shì)的研究相對(duì)較少。

本文以內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田為研究區(qū)，基于Landsat系列熱紅外遙感數(shù)據(jù)圈定2002年、2007年和2013年火區(qū)燃燒范圍，分析和探討熱紅外遙感在地下煤火時(shí)空變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用潛力，并且為火區(qū)治理和碳排放估算提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1　研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1　研究區(qū)概況

烏達(dá)煤田(106°34′41″—106°38′41″E，39°27′00″—39°34′04″N)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)，形似人耳，南北長(zhǎng)約10 km，東西寬3～5 km，總面積約35 km2。礦區(qū)平均海拔1150～1300 m，為低山丘陵地貌，年降水量少，蒸發(fā)量大，是典型的內(nèi)陸干旱沙漠氣候。烏達(dá)煤田從1958年開始進(jìn)行較大規(guī)模的煤炭開發(fā)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的焦煤生產(chǎn)基地。典型的自然氣候條件、煤層特征及小煤窯的亂采濫挖是煤田大規(guī)模自燃的誘因。烏達(dá)煤田煤火主要分布在煤層淺部的煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)，呈多煤層復(fù)合燃燒的特點(diǎn)，地表裂隙、有害氣體和局部燃燒現(xiàn)象顯著，是我國(guó)近年來發(fā)展最快的火區(qū)[1]。

1.2　研究數(shù)據(jù)

2013年2月11日美國(guó)加州發(fā)射的Landsat-8衛(wèi)星上搭載兩個(gè)傳感器：陸地成像儀(operational land imager：OLI)和熱紅外傳感器(thermal infrared sensor：TIRS)，使一度中斷的Landsat對(duì)地觀測(cè)得以繼續(xù)。除具備Landsat-7衛(wèi)星的所有光譜波段外，Landsat-8還新增深藍(lán)和卷云波段、收窄波譜范圍、提高光譜輻射分辨率，并且將原來的熱紅外波譜范圍一分為二，設(shè)置為兩個(gè)熱紅外波段。但是，由于雜散光的影響，TIRS-2的絕對(duì)定標(biāo)誤差遠(yuǎn)大于TIRS-1[11]，為減少遙感數(shù)據(jù)本身的誤差，本文在煤火區(qū)地表溫度反演過程中只使用了Landsat-8 TIRS-1。

本研究以Landsat系列衛(wèi)星(TM/ETM+/OLI)為主要數(shù)據(jù)源，分別使用2002年、2007年和2013年的熱紅外和多光譜數(shù)據(jù)提取和分析烏達(dá)礦區(qū)煤火信息。2002年9月21日的ETM+多光譜數(shù)據(jù)被用來計(jì)算2002年9月28日的地表比輻射率，并且選擇與Landsat熱紅外數(shù)據(jù)過境時(shí)間相近的MODIS水汽產(chǎn)品MOD05/MYD05估算大氣水汽含量。最后，結(jié)合神華(北京)遙感勘察有限責(zé)任公司2003年和2007年的煤火區(qū)地面勘察資料，對(duì)不同年份下圈定的煤火區(qū)范圍進(jìn)行精度驗(yàn)證。文中使用的所有數(shù)據(jù)見表1。

表1　研究中使用的數(shù)據(jù)

2　研究方法

2.1　地表溫度反演

地表溫度是地球-大氣間物質(zhì)和能量交換的一個(gè)重要物理參數(shù)，在地球表面能量平衡研究領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[12-13]。本文以Landsat熱紅外數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Jiménez-Muoz等提出的普適性單通道算法(generalized single-channel algorithm)[14]反演地表溫度，并且根據(jù)反演結(jié)果分析了烏達(dá)地下煤火的動(dòng)態(tài)演變態(tài)勢(shì)。該算法具有簡(jiǎn)單易行、實(shí)用性強(qiáng)、可適用于不同熱紅外傳感器[14]等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于已知的熱紅外波段，僅需大氣水汽含量和地表比輻射率兩個(gè)輸入?yún)?shù)，地表溫度Ts的具體計(jì)算過程如下

Ts=γ[ε-1(ψ1Lsensor+ψ2)+ψ3]+δ

(1)

(2)

δ=Tsensor-γLsensor

(3)

式中，ε為地表比輻射率；C1、C2為普朗克函數(shù)常量，其中C1=1.191 04×108W·μm4/(sr·m2)，C2=1.438 8×104μm·K；Lsensor和Tsensor分別表示傳感器入瞳處的輻亮度和亮度溫度；λ為熱紅外波段的有效波長(zhǎng)，TM有效波長(zhǎng)為11.457 μm，ETM+為11.269 μm，TIRS-1為10.904 μm；ψ1、ψ2、ψ3為大氣狀態(tài)參數(shù)，可用大氣水汽含量ω表示為

最后，根據(jù)不同熱紅外波段的波譜響應(yīng)函數(shù)和有效波長(zhǎng)確定系數(shù)C。

2.2　地表比輻射率計(jì)算

比輻射率是地表溫度反演過程中的一個(gè)重要參數(shù)，它受地物的組成成分、表面狀態(tài)、入射電磁波的波長(zhǎng)及大氣傳輸特性等因素的影響。本文采用覃志豪等[15]提出的改進(jìn)的NDVI(normalized difference vegetation index)方法計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率。由于烏達(dá)礦區(qū)范圍較小，地物類型主要包括自然表面(植被和裸土)和城鎮(zhèn)(植被和建筑物)，因而地表比輻射率可以表示為

εnatural surface=PvRvεv+(1-Pv)Rsεs+dε

(4)

εtown=PvRvεv+(1-Pv)Rmεm+dε

(5)

式中，εnatural surface為自然表面的比輻射率；εtown為城鎮(zhèn)比輻射率；Pv為植被覆蓋度；Rv、Rs、Rm分別為植被、裸土和建筑物表面的溫度比率；εv、εs、εm分別為植被、裸土和建筑物的比輻射率，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)分別取值0.986、0.972和0.970。由于研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏小、地表相對(duì)平坦，因此地表比輻射率修正項(xiàng)dε忽略不計(jì)。

(6)

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(7)

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)；ρNIR和ρR分別為近紅外波段和紅波段的反射率；NDVImin和NDVImax分別表示裸土和植被的NDVI值，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際的地物組成，分別取值0.05和0.70。

2.3　煤火區(qū)提取流程

地下煤火的燃燒會(huì)導(dǎo)致地表溫度偏高，對(duì)應(yīng)在熱紅外影像上的高溫?zé)岙惓?，可作為煤火信息提取的主要依?jù)。為此，首先要對(duì)Landsat原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(包括大氣校正、幾何校正和研究區(qū)裁剪等)，然后根據(jù)定標(biāo)參數(shù)將熱紅外波段DN值轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星入瞳處的亮度溫度，對(duì)多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，用來計(jì)算研究區(qū)的地表比輻射率；MODIS水汽產(chǎn)品經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換、重采樣和幾何校正等處理后，用于估算大氣水汽含量。然后，分別將上述結(jié)果作為普適性單通道算法的輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算煤火區(qū)的地表溫度。

為了提取火區(qū)邊界，需要對(duì)煤火燃燒區(qū)和非煤火背景區(qū)進(jìn)行特征分析，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)地表溫度的平均值Tmean和標(biāo)準(zhǔn)偏差Tstdev，再根據(jù)不同季節(jié)地表溫度的差異確定火區(qū)提取閾值Tthreshold，最后利用野外實(shí)地勘測(cè)資料對(duì)火區(qū)劃分結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。具體的煤火區(qū)提取流程如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)處理流程

3　結(jié)果分析

3.1　地表溫度反演結(jié)果

按照上述算法流程，分別得到了2002年9月28日、2007年8月10日和2013年6月7日烏達(dá)礦區(qū)的地表溫度，圖2表示普適性單通道算法的反演結(jié)果。其中，白色區(qū)域表示高溫區(qū)，黑色區(qū)域表示低溫區(qū)。從圖中可以看出，整個(gè)礦區(qū)內(nèi)部溫度分布并不均勻，高溫區(qū)域主要分布在烏達(dá)礦區(qū)中部，而礦區(qū)四周溫度明顯偏低，這表明烏達(dá)礦區(qū)中部很可能存在零星分布的煤火區(qū)。

圖2　烏達(dá)礦區(qū)地表溫度反演結(jié)果

為了研究烏達(dá)礦區(qū)不同時(shí)間地表溫度結(jié)果的差異，分別對(duì)2002年、2007年和2013年烏達(dá)礦區(qū)的地表溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到最低溫度Tmin、最高溫度Tmax、平均溫度Tmean和標(biāo)準(zhǔn)偏差Tstdev。從表2中可以看出，2002年礦區(qū)內(nèi)夜間的最低和最高溫度較低，而2007年和2013年白天的最低和最高溫度較高，均超過了44℃和60℃，這表明在太陽輻射的影響下，白天的地表溫度比夜間普遍偏高。然而，2007年和2013年的Tstdev分別為4.23℃和2.76℃，均大于2002年的1.69℃，主要原因是煤火區(qū)的燃燒使地表比輻射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在太陽輻射的影響下，高溫煤火區(qū)比低溫背景區(qū)溫度升高得更快。

表2　烏達(dá)礦區(qū)地表溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果　(℃)

3.2　煤火區(qū)提取與精度驗(yàn)證

沙地、裸地和建筑用地在白天的遙感影像中溫度偏高，很容易被誤認(rèn)為是煤火區(qū)[16]，因此，在圈定煤火區(qū)范圍之前先要根據(jù)地物分類結(jié)果將其剔除，再選定提取閾值Tthreshold進(jìn)行煤火區(qū)與背景區(qū)域的劃分?？紤]到熱紅外數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間(季節(jié)和白天/夜間)不同，地表所呈現(xiàn)的溫度分布也并不一致，因此試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際的地表溫度分布，分別選擇16.10℃、60.90℃和58.27℃作為2002年、2007年和2013年烏達(dá)礦區(qū)煤火區(qū)的提取閾值(見表2)。圖3表示烏達(dá)礦區(qū)2002年、2007年和2013年的煤火區(qū)分布范圍，淺色區(qū)域代表火區(qū)估算范圍，深色代表地面實(shí)測(cè)的火區(qū)范圍。

圖3　2002年、2007年和2013年烏達(dá)礦區(qū)煤火區(qū)分布

烏達(dá)礦區(qū)2002年、2007年和2013年實(shí)測(cè)和估算的煤火燃燒面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。從火區(qū)面積的變化上來看，2002至2007年，烏達(dá)煤田火區(qū)范圍擴(kuò)大近一倍，主要與這期間的大規(guī)模煤田開采活動(dòng)有關(guān)。而隨著2010年大范圍滅火工作的展開，烏達(dá)煤田的火區(qū)災(zāi)情得到了有效遏制，因此2013年烏達(dá)煤田火區(qū)范圍急劇減小。

表3　2002、2007和2013年火區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

實(shí)測(cè)和估算的火區(qū)面積結(jié)果表明，遙感技術(shù)圈定的火區(qū)范圍與真值之間的誤差約為5%～10%，造成這種情況的原因是多方面的：①沙地、裸地和建筑用地等在白天太陽輻射的影響下溫度升高很快，極易被誤認(rèn)為是煤火區(qū)，使煤火區(qū)虛檢率偏高；②熱紅外遙感僅能識(shí)別正在燃燒的露頭和淺層煤火區(qū)、裂隙裂縫，而對(duì)埋藏較深的隱蔽火區(qū)探測(cè)精度有限；③在煤火區(qū)地表溫度反演過程中，大氣對(duì)輻射的吸收和衰減及研究區(qū)內(nèi)復(fù)雜地物的比輻射率均難以被準(zhǔn)確估算。除此之外，遙感數(shù)據(jù)的定標(biāo)誤差、煤火區(qū)閾值的選取等都是制約煤火區(qū)范圍圈定和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要因素。

4　結(jié)　語

本文利用Landsat系列熱紅外遙感數(shù)據(jù)圈定了烏達(dá)煤田2002、2007和2013年地下煤火燃燒范圍。結(jié)果表明，2002年估算的火區(qū)面積為1.71 km2，到2007年猛增至3.62 km2，火區(qū)面積增加將近一倍，這主要與當(dāng)時(shí)大規(guī)模煤田開采活動(dòng)有關(guān)；隨著2010年大范圍滅火工作的展開，火區(qū)災(zāi)情到2013年得到了有效遏制，面積下降為1.17 km2。但在與實(shí)測(cè)火區(qū)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，由于沙地、裸地和建筑用地等在太陽輻射的影響下溫度升高很快，極易被誤認(rèn)為是煤火區(qū)，從而造成虛檢率偏高，因此，夜晚的熱紅外數(shù)據(jù)能更加有效地區(qū)分煤火區(qū)與背景區(qū)。該研究驗(yàn)證了Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)在火區(qū)邊界圈定和時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力，可為火災(zāi)防治和碳排放評(píng)估提供重要的科學(xué)依據(jù)。

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