基于熱紅外遙感數(shù)據(jù)的尕斯庫勒鹽湖溫度異常信息提取及成因探討

王俊虎，武鼎，郭幫杰

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

我國鹽湖數(shù)量眾多，蘊藏著極其豐富的鹽類資源，除石鹽、石膏、芒硝、天然堿、天青石等天然鹽礦物原料外，鹵水中的鋰、硼、鎂、鉀都具有單獨開采的價值，且溴、鍶、銣、銫等也具有綜合利用價值。開展鹽湖資源環(huán)境分析及評價十分必要［1］。但鹽湖區(qū)自然環(huán)境惡劣，交通不暢，鹽湖水體采樣和物化數(shù)據(jù)采集困難。采用人工測量方法獲取鹽湖水樣參數(shù)難度大、周期長，且成本高，不利于鹽湖資源環(huán)境分析與快速評價。遙感作為一種先進的探測技術(shù)，具有快速、動態(tài)、宏觀、綜合的優(yōu)勢，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、土地資源調(diào)查與監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)警與評估等領(lǐng)域，均可作為一種新的技術(shù)手段發(fā)揮作用［2］。隨著遙感數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜分辨率的不斷提高及相應(yīng)信息提取技術(shù)的進步，應(yīng)用遙感技術(shù)開展鹽湖的形成與演化研究、礦化度估測、鹵水變化監(jiān)測、礦產(chǎn)資源評價等均取得了良好的效果，并受到越來越多鹽湖學(xué)者的關(guān)注［3-7］。

熱紅外遙感與傳統(tǒng)光學(xué)遙感相比，因其全天候數(shù)據(jù)應(yīng)用優(yōu)勢和每種地物可供識別的獨特紅外輻射特性，受到相關(guān)研究學(xué)者的廣泛青睞。在農(nóng)情監(jiān)測、地熱資源探測、礦產(chǎn)資源調(diào)查等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用［8-12］，但在鹽湖領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報道。本文基于熱紅外遙感數(shù)據(jù)，對青海省尕斯庫勒鹽湖進行了溫度異常信息提取及其成因探討，旨在為開展不同年份、不同水域鹽湖湖表水溫調(diào)查和異常分析提供一種新的技術(shù)手段。

1 研究區(qū)概況及其遙感影像特征

尕斯庫勒鹽湖位于青海省西部海西州花土溝鎮(zhèn)，發(fā)育于柴達木盆地西南部茫崖坳陷之尕斯庫勒凹陷中。除湖區(qū)南部及西南部分布著殘丘狀的新近系上新統(tǒng)泥巖和粉砂巖外，區(qū)內(nèi)均為第四系沉積。該鹽湖為鹵水湖類別，是柴達木盆地演化至晚更新世水體變淺、湖盆收縮、變?yōu)榇笮〔坏取⒒ゲ幌噙B、散布各地的37 個鹽湖及半咸水湖之一。鹽湖形態(tài)呈北西向展布，西北、東北、西南面分別被阿爾金山、油砂山和祁漫塔格山環(huán)繞，東南面與東柴山相隔，處于相對封閉的積水洼地中。阿爾金山和祁漫塔格山主峰海拔均在4 000 m以上，終年積雪，為鹽湖淡水補給的主要水源區(qū)。鹽湖海拔高度約為2 800 m，湖水區(qū)面積為103 km2，水深一般為0.5～0.8 m，平均水深為0.65 m，湖中南部最深，可達1.3 m。鹽湖水源主要依賴南部祁漫塔格山、西部泉集河（鐵木里克河、卡里木塔河、賽斯克雅河、托斯克雅河）和西北部阿哈堤山地表徑流滲透補給?？ɡ锬舅印㈣F木里克河、賽斯克雅河為季節(jié)性河流，托斯克雅河為常年性河流。該湖東部水域平均礦化度為305 g/L，湖水西部受河流補給影響礦化度降低。湖區(qū)全年多風干燥、降雨稀少、蒸發(fā)強烈，為典型的內(nèi)陸干旱氣候［13-14］。

尕斯庫勒鹽湖湖水水化學(xué)類型為硫酸鎂亞型，是一個以芒硝、石鹽沉積為主的鹽湖。2010—2012 年，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院王志明項目團隊對該鹽湖開展了含鈾性評價，湖表鹵水鈾含量平均值為212 μg/L，得出了該湖為含鈾鹽湖的結(jié)論［15］。為了較好突出尕斯庫勒鹽湖-蝕源區(qū)的地形、地貌及補給-徑流-排泄特征，本文采用了對地質(zhì)要素、水體信息反映較好的ETM＋741 進行彩色合成，與DEM 數(shù)據(jù)疊加生成三維影像圖，解譯出湖區(qū)的補給-徑流-排泄方式，鹽湖淡水補給主要來源于西北部、西部和南部，鹽湖東部因無地表淡水補給，蒸發(fā)量遠大于補給量，形成了大面積的干鹽灘（圖1）。

圖1 尕斯庫勒鹽湖補給-徑流-排泄ETM＋741 三維解譯圖Fig.1 3D ETM＋（741）image showing the interpreted recharge-runoff-discharge zones in Gasikule Salt Lake

2 基于熱紅外遙感數(shù)據(jù)的鹽湖溫度信息提取

2.1 實驗數(shù)據(jù)選擇

為從不同時相和不同數(shù)據(jù)源類型兩方面充分對比提取的鹽湖溫度信息，本文獲取了2000 年11 月3 日12∶00 采集的Landsat7 ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)，光譜波段范圍為10.40～12.50 μm，空間分辨率為60 m，數(shù)據(jù)絕對輻射精度為5%，地理定位精度為250 m。購買了2006 年10 月2 日12∶00 采集的ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理級別為Level1B 級（表1）。兩類熱紅外數(shù)據(jù)清晰無云，信噪比高，且均已經(jīng)過幾何校正，精度滿足本文研究需求。

表1 ASTER 熱紅外子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameters of ASTER thermal infrared bands

本文使用的與熱紅外數(shù)據(jù)同期的氣象數(shù)據(jù)（如溫度、濕度等）來源于天氣記錄網(wǎng)，研究過程中主要用到的遙感軟件為ENVI 4.8。

2.2 基于ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)的鹽湖溫度信息提取

基于ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)反演地表溫度信息，比較成熟且應(yīng)用廣泛的算法為單窗算法［16］。該算法主要基于大氣輻射傳輸方程和對普朗克方程的線性化估計模型來推導(dǎo)反演模型，反演模型算法相對簡單，反演誤差對比輻射率不敏感，只需確定等效大氣平均溫度、大氣透射率和比輻射率即可，且反演精度較高。因此，本文基于ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)，采用單窗反演算法對鹽湖進行了溫度提?。?/p>

式中：TS—地表溫度（K）；a、b—常量，a＝-67.355 351，b＝0.458 606；T6—ETM＋第六波段熱紅外數(shù)據(jù)像元亮度溫度（K）；Ta—大氣平均作用溫度（K）；C、D—中間變量，C＝ετ，D＝（1-τ）［1＋（1-ε）τ］，其中，ε為比輻射率，τ 為大氣透射率。

因本文主要關(guān)注鹽湖不同水域水體溫度的相對值而非絕對值，因此，部分參數(shù)的選取和測算上進行了近似模擬，具體的提取過程如下：

2.2.1 ETM＋熱紅外波段輻射定標

本文獲取的ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)值為亮度值，依據(jù)輻射定標原理，將ETM＋熱紅外波段亮度值定標為衛(wèi)星上遙感器所探測的光譜輻射亮度值：

式中：Retm＋—ETM＋熱紅外波段光譜輻射亮度（W/（m2·sr·μm）），DNetm＋—ETM＋熱紅外波段像元的亮度值（0≤DNetm＋＜255）。

2.2.2 星上亮度溫度測算

亮度溫度是遙感器在衛(wèi)星高度所獲取的熱輻射強度相對應(yīng)的溫度，在輻射定標的基礎(chǔ)上根據(jù)普朗克函數(shù)便可以計算星上輻亮度值。由于普朗克函數(shù)計算復(fù)雜，為了簡化計算過程，本文采用近似算法計算：

式中：Tetm＋—ETM＋熱紅外波段像元亮度溫度值（K）；k1、k2—衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)先設(shè)定的常量，對于ETM ＋熱紅外波段數(shù)據(jù)，k1＝666.09 m·W·cm-2·sr-1·μm-1，k2＝1 282.71 K；Retm＋—ETM＋熱紅外波段光譜輻射亮度（W/（m2·sr·μm））。

2.2.3 大氣平均作用溫度（Ta）測算

Ta 主要取決于大氣狀態(tài)和大氣剖面氣溫分布，因衛(wèi)星飛過鹽湖區(qū)上空時間很短，很難實時開展大氣狀態(tài)和大氣剖面數(shù)據(jù)的直接測量。因此，本文根據(jù)Karnieli 等人的研究進行測算［17］：

式中：Ta—大氣平均作用溫度（K）；T0—地面氣溫（K）。該式表明，在天空晴朗、無渦旋作用等標準大氣狀態(tài)下，Ta 是T0的線性函數(shù)。因此，在無法實時獲取大氣探測資料的情況下，亦可用式（4）近似測算Ta。根據(jù)天氣記錄網(wǎng)提供的鹽湖區(qū)溫度數(shù)據(jù)T0，測算出Ta 為275.312 K。

2.2.4 大氣透射率（τ）測算

覃志豪（2003）在對夏季和冬季的大氣氣溫、天頂視角、CO2等大氣參數(shù)模擬的基礎(chǔ)上得出了ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)大氣透射率估計方程的經(jīng)驗公式：

式中：w—水氣含量，τ—大氣透射率［17］。本文根據(jù)天氣記錄網(wǎng)提供的鹽湖區(qū)相對濕度數(shù)據(jù)，測算出為0.89。

2.2.5 比輻射率（ε）確定

比輻射率（ε）是地物向外輻射電磁波的能力，其不僅依賴于地物本身的組成成分，而且與物體的表面狀態(tài)（粗糙度等）及物理性質(zhì)（介電常數(shù)、含水量、溫度等）有關(guān)，并隨著所測定輻射能的波長、觀測角度等條件的變化而變化。由于水體在熱紅外譜帶的比輻射率很高，接近于黑體（ε＝1）。因此，比輻射率無法按照常規(guī)地物的計算公式（如以植被指數(shù)定義的經(jīng)驗公式）來測算［18］。Lillesand Thomas M 等人經(jīng)過大量實驗，測算出了清水的平均比輻射率為0.98～0.99［19］。鹽湖水體與清水相比，礦化度高、水體渾濁。因此，鹽湖水體比輻射率取清水比輻射率的最低值0.98。

2.2.6 鹽湖溫度信息提取

在獲取上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)式（1）提取了尕斯庫勒鹽湖湖表水體的溫度信息，對其進行彩色密度分割，獲取了鹽湖水域的ETM＋溫度信息圖（圖2a）。

2.3 基于ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)的鹽湖溫度信息提取

2.3.1 ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)輻射定標

本文獲取的研究區(qū)ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)值為亮度值，因此，需把亮度值定標為光譜輻射亮度值，定標公式見式（6）［20］：

式中：Rad—傳感器入瞳處輻亮度（W/（m2·sr·μm））；os—傳感器本身的偏差；Gn—傳感器本身的增益；DN—ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)的亮度值。

基于ASTER 熱紅外波段輻射定標公式，對ASTER 熱紅外譜帶的第10～14 波段分別進行輻射定標處理，獲取了ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)的輻亮度值，為下一步進行大氣校正奠定了基礎(chǔ)（表2）。

2.3.2 ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)大氣校正

基于ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)提取鹽湖水體溫度信息時，大氣上行輻射和透射率會對溫度提取精度產(chǎn)生重要影響，若不進行大氣校正，則提取溫度的誤差將可能很大。因此，本次采用In-Scene 大氣補償算法［21］，基于遙感處理軟件Envi4.8 對ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)進行大氣校正。該算法假設(shè)地物上空的大氣均一，并將地物表面近似為黑體，具體計算過程為從ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)中估計出每個像元的表面溫度，然后使用普朗克公式（假定發(fā)射率為1）來估算亮度溫度，繪制亮度溫度與輻射率的散點圖，從而確定一條曲線，從曲線的傾斜和偏移得出大氣上行輻射和透射率的值［21］。因水體在熱紅外譜帶的比輻射率近似于黑體，與In-Scene 大氣補償算法將地物表面近似為黑體的假設(shè)一致。因此，該算法尤為適用于水體熱紅外數(shù)據(jù)的大氣校正。

2.3.3 鹽湖溫度信息提取

鑒于ASTER 熱紅外譜帶具有5 個波段，本文采用了適用于多波段遙感數(shù)據(jù)的發(fā)射率歸一化法（NEM——Normalization Emissition Method）來提取鹽湖溫度信息。NEM 法原理即用固定的發(fā)射率值計算每一個波段和像元的溫度值，每個像元的最高溫度代入普朗克公式來計算發(fā)射率值［22］。不考慮環(huán)境輻射時，計算公式為：

式中：Tλ—每個波長對應(yīng)的溫度；εmax—最大發(fā)射率；λ—不同波長；L（λ）—傳感器不同的波段獲取的輻亮度值—最大發(fā)射率一定時不同波長計算得出的黑體溫度；c1、c2—普朗克公式常量，c1＝1.19×10-16W·m2，c2＝14 388 μm·K。通過計算獲取所有波段中最高的黑體溫度，假設(shè)該溫度即是目標真實溫度的情況下，按照式（8）計算所有波段的發(fā)射率（ε（λ））：

式中：L（λ）—傳感器不同的波段獲取的輻亮度值；B（λ，T）—黑體輻亮度值。

NEM 算法計算過程并不復(fù)雜，算法原理也較合理，更適用于在熱紅外譜帶比輻射率近似于黑體的水體溫度信息提取。上文中已設(shè)定鹽湖水體平均比輻射率ε 為0.98，與其對應(yīng)，在NEM 算法中設(shè)定鹽湖水體最大發(fā)射率εmax為0.99。本文基于ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)，采用NEM 算法提取了鹽湖溫度信息，并對得到的溫度數(shù)據(jù)進行彩色密度分割，獲取了鹽湖水域的ASTER 溫度信息圖（圖2b）。

表2 ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)輻射定標系數(shù)表Table 1 The radiometric calibration coefficients of ASTER thermal infrared bands

圖2 基于ETM＋熱紅外數(shù)據(jù)（a）和ASTER 熱紅外數(shù)據(jù)（b）鹽湖溫度提取疊加解譯隱伏斷裂圖Fig.2 Temperature extraction and hidden fault identification map of the salt lake based on the ETM＋thermal infrared data（a）and the ASTER thermal infrared data（b）.

3 鹽湖溫度異常信息分析及成因探討

3.1 鹽湖溫度異常信息分析

由圖2a 可見，因ETM＋遙感影像的成像時間是2000 年11 月3 日12 時整，平靜的鹽湖水面受到太陽光照射溫度較高，在溫度影像上大部分水域呈現(xiàn)的溫度范圍在276～290 K之間。但鹽湖西南部由于受到地表淡水補給，溫度較低的流動淡水注入鹽湖，造成了鹽湖西南部水域溫度降低，溫度提取圖顯示的溫度范圍在273～276 K 之間，并形象的顯示出低溫淡水注入湖體時，水流沖擊所產(chǎn)生的云朵狀影像特征。而緊鄰干鹽灘的鹽湖東部水域因蒸發(fā)量遠大于補給量，且水深較淺，在正午陽光照射下溫度應(yīng)最高。但在圖上卻出現(xiàn)了一個低溫環(huán)狀異常區(qū)（圖2a 綠黃色），是何種原因造成了該湖東部水域的低溫異常？

由圖2b 可見，因ASTER 影像的成像時間為2006 年10 月2 日12 時整，湖水在陽光照射下溫度較高，在溫度影像上呈現(xiàn)的溫度范圍在281～290 K 之間。與ETM＋溫度提取影像不同的是，此時期湖水的淡水補給主要來源于西北部河流，且河流流量較小。因此，溫度影像上呈現(xiàn)鹽湖西北部水域溫度范圍在279～281 K 之間的低溫條帶狀影像特征（圖2b 藍色）。同理，在緊鄰干鹽灘的鹽湖東部水域因蒸發(fā)量遠大于補給量，本應(yīng)以高溫顯示而同樣出現(xiàn)了一個低溫環(huán)狀異常區(qū)（圖2b 藍綠色）。而且經(jīng)測算，ETM＋溫度信息提取圖和ASTER 溫度信息提取圖中低溫異常區(qū)中心線的絕對位置基本一致。

3.2 鹽湖溫度異常成因探討

基于不同時相（2000 年與2006 年成像）和不同數(shù)據(jù)源（ETM＋和ASTER）的鹽湖溫度提取圖，在緊鄰干鹽灘的鹽湖東部水域均出現(xiàn)了一條低溫環(huán)狀異常帶。經(jīng)過6 年的鹽湖演化，低溫環(huán)狀異常區(qū)并未消失，說明此低溫異常不是在某個時期存在，而是真實且長期存在的水溫異常。該鹽湖水源補給方式主要為西北部、西部和南部地表徑流、大氣降水和深部水補給，該湖東部水域無地表徑流補給，而大氣降水亦不能單獨對東部水域產(chǎn)生影響。因此，緊鄰干鹽灘的東部水域低溫異常產(chǎn)生的原因只能是深部水源補給所致，而深部水只能沿斷裂面這一通道由深部向上補給鹽湖。即低溫異常帶中心線下部的深層地下水沿斷裂面向上注入鹽湖，溫度較低的地下水涌入到溫度較高的湖水中，向兩側(cè)擴散，形成了鹽湖東部水域水溫由低到高的環(huán)帶異常。由此推斷鹽湖東部水域低溫環(huán)狀異常帶的中心線位置即為鹽湖水域中隱伏的斷裂構(gòu)造位置（圖2）。正是該斷裂的存在為深部水的上升補給提供了通道。

3.3 鹽湖溫度異常成因佐證

為進一步佐證基于鹽湖水溫異常推斷的東部水域隱伏斷裂存在的可能性，本文從尕斯庫勒鹽湖所處阿拉爾斷陷盆地的構(gòu)造形跡進行分析（圖3）。阿拉爾斷陷盆地褶皺和斷裂構(gòu)造普遍發(fā)育，特別是古近紀以來的構(gòu)造運動使區(qū)內(nèi)新生代地層發(fā)生褶皺，并伴隨產(chǎn)生斷裂，形成了北西向的構(gòu)造帶，如干柴溝、獅子溝、七個泉、油砂山等?，F(xiàn)已探明，在尕斯庫勒鹽湖周邊分布有北西或北北西向隱伏構(gòu)造，如湖西的阿拉爾一號、二號構(gòu)造、湖東的躍進一號、二號構(gòu)造［23］。其中，湖東干鹽灘上發(fā)育的躍進一號隱伏構(gòu)造亦是儲油構(gòu)造，正在大量的開采石油。因此，從區(qū)域構(gòu)造發(fā)育特征分析，鹽湖東部確實存在一系列北西或北北西向隱伏或出露的構(gòu)造。既然湖東干鹽灘上已探明有此類構(gòu)造，緊鄰干鹽灘的鹽湖東部水域也很可能存在該類隱伏構(gòu)造，正是這一系列北西向構(gòu)造的存在，控制了東部鹽湖以北西-南東走向的演化發(fā)育，甚至可能控制著深部高礦化度水和高稀散元素含量水的長期補給。

圖3 阿拉爾斷陷盆地構(gòu)造略圖（據(jù)趙世勤）Fig.3 Structural sketch of Alar fault basin

4 結(jié)論

1）在靠近鹽湖干鹽灘的東部水域呈現(xiàn)出了一條溫度由低到高的低溫環(huán)狀異常帶，兩種熱紅外數(shù)據(jù)提取的溫度信息圖中低溫異常帶中心線的絕對位置基本一致。

2）基于多源、多時相熱紅外遙感數(shù)據(jù)提取的尕斯庫勒鹽湖東部水域水溫異常，推斷出了隱伏該水域湖底的北西向斷裂構(gòu)造。結(jié)合鹽湖補給-徑流-排泄特征和所處阿拉爾斷陷盆地構(gòu)造形跡分析，佐證了該隱伏斷裂存在的可能性，為基于鹽湖湖表水溫異常識別隱伏斷裂提供了一條新思路。

3）研究表明，通過熱紅外遙感可以在鹽湖中發(fā)現(xiàn)常規(guī)地質(zhì)手段難以發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象，通過注入地質(zhì)知識進行分析和多角度論證，熱紅外遙感技術(shù)可在鹽湖地質(zhì)環(huán)境分析和資源評價中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮重要作用。