戈壁荒漠区地面温度分布特征及其控制因素的多光谱遥感研究以新疆鄯善地区为例.docx
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戈壁荒漠区地面温度分布特征及其控制因素的多光谱遥感研究以新疆鄯善地区为例
第一章绪论1
1.1选题依据1
1.2地面温度反演方法的研究现状与发展趋势2
1.2.1研究现状2
1.2.2发展趋势2
第二章研究区概况3
2.1自然地理概况3
2.2.1地理位置3
2.2.2地形3
2.2.3气候4
2.2.4植被4
2.2.5矿产4
2.2区域地质概况5
2.2.1大地构造位置5
2.2.2地层5
2.2.3岩浆岩7
2.2.4构造7
2.2.5第四纪沉积物10
第三章遥感数据及其处理方法13
3.1数据13
3.2遥感数据处理方法14
3.2.1地面温度反演方法14
3.2.2图像处理方法15
第四章戈壁荒漠区地面温度分布特征及控制因素18
4.1地面温度分布特征18
4.1.1基本情况18
4.1.2温度负异常带18
4.2地面温度控制因素21
4.2.1海拔高度21
4.2.2地貌单元及地表沉积物种类23
4.2.3隐伏断裂构造23
第五章结论24
5.1主要认识24
5.2存在问题24
参考文献26
摘要
野外地面温度可能影响各种地表工程的施工；不仅如此，地面温度还常可以指示地物种类或地质情况，在遥感地质、资源调查中具有重要意义。
气象站点一般比较稀疏，其观测到的地面温度往往不能代表远离站点处的地面温度；其它人工接触式测量方法往往工作量很大、成本很高。
遥感技术使得大区域同步测温成为可能。
本论文利用ENVI、ArcGIS等软件和不同时相的6景Landsat8OLI-TIRS遥感影像数据，结合野外踏勘所得的第一手资料，以新疆鄯善地区为例，分析讨论了戈壁荒漠区地面温度分布特征及其控制因素。
主要获得以下认识：
（1）研究区地面温度变化于-10℃至60℃之间；整体来说地面温度与季节有关，同时也有随地面标高升高而降低的趋势；局部来说地面温度与地貌单元及地表沉积物类型有关。
沙漠、基岩出露区、砾质戈壁区、干涸河谷、盐渍土区表现了不同的地面温度，反映地貌和地表物质属性对地面温度的影响。
（2）研究区内发现3条相交的地面温度负异常带，一条为近东西向，另两条为北北东向；它们延伸方向与区域构造线方向有一定相关性；它们在不同时相的影像上重复出现，表明有稳定性；它们形状平直或呈串珠状，延伸较远，有的延入基岩出露区与沟谷相连。
初步认为这些温度负异常是由隐伏断裂构造控制的。
关键词：
地面温度；热红外遥感；多光谱遥感
图清单
图2-1研究区交通位置图3
图2-2研究区数字高程模型4
图2-3吐哈盆地构造位置与内部构造单元划分方案之一5
图2-4含黑色条带泥岩6
图2-5片理化黑色页岩6
图2-6含砾粉砂质泥岩夹石灰岩6
图2-7泥灰岩6
图2-8断裂带7
图2-9东西向小断层8
图2-10小断层8
图2-11东西向顺层断层8
图2-12角度不整合9
图2-13节理9
图2-14错位的炭质页岩9
图2-15正交节理9
图2-16含砾状粉砂质泥岩10
图2-17河流相冲，洪积物10
图2-18戈壁滩剖面与大小不一的砾石11
图2-19戈壁滩上的坡积物11
图2-20残，坡积物11
图2-21山坡上的坡积物12
图3-1基于大气校正法的地面温度反演流程图15
图3-2研究区于2014年4月20日的地面温度图像16
图3-3经线性拉伸后的图像17
图4-1研究区于2014年6月23日的地面温度图像19
图4-2研究区于2014年10月13日的地面温度图像19
图4-3研究区于2017年4月15日的地面温度图像20
图4-4研究区于2014年6月15日的地面温度图像20
图4-5研究区于2017年10月16日的地面温度图像21
图4-6研究区全区影像图22
图4-7标高与地面温度的关系22
图4-8不同地貌单元的地面温度23
第一章绪论
1.1选题依据
现代遥感技术为短时间内获取大区域的宏观数据提供了可能。
地质、矿产、农业、林业、牧、生态环境、自然灾害等许多领域的调查研究往往需要对几千至几十万平方公里范围的区域进行观测，将遥感技术运用到这些工作中，可以提高工作效率、节省人力、物力、财力。
对地遥感不仅能观测地表，也可以为研究地下地质情况提供线索。
例如在第四纪松散沉积物覆盖地区，可以根据遥感地面温度的分布识别隐伏地质构造。
地面温度是表征地表过程变化的重要特征物理量，是反映地球表面能量流和物质流时空变化的一个敏感的综合指标[1]。
在地质调查，尤其是调查隐伏地质体或构造现象时，区域地面温度分布具有重要的参考价值。
传统的地面温度测量方法为玻璃液体温度计、铂电阻温度传感器等地面站点接触式测量，由于地面温度的动态变化性强，地面站点观测法测得的地面温度区域代表性有限，无法快速同步获取大面积区域地面温度。
现在，许多航天遥感传感器有热红外波段，可以测量物体在某温度下发射出的辐射通量，再利用其它数据将其转换为地面温度。
热红外遥感反演地面温度与传统测温方法的区别在于，其属于非接触式测温，测量过程不受下垫面材料影响，且测量速度快、范围广。
本论文重点利用Landsat8遥感影像数据，研究了新疆鄯善地区的地面温度分布情况。
该地区是吐哈盆地的一部分，地下有较丰富的矿产资源（煤、油气、铀、盐类等），但该地区是戈壁覆盖区，地面地质调查十分困难。
本论文的研究目的是探讨地面温度分布特征及其影响因素,特别是地面温度与地表沉积物种类及可能存在的地质构造的关系。
本论文的研究工作将会为该区及类似地区的地质调查提供有用信息。
1.2地面温度反演方法的研究现状与发展趋势
1.2.1研究现状
现阶段主要有3类较成熟的方法：
单通道算法、双通道算法和多通道算法。
单通道算法是为只具有一个热红外波段的传感器设计，只使用一个热红外通道（通常选在大气窗口内）的遥感数据反演地面温度的方法。
双通道算法是针对NOAA/AVHRR的4和5通道设计，专门为反演海面温度而开发的算法，后也被用来反演地面温度。
多通道算法实现了温度和地物比射率的同步反演，现阶段主要有MODIS昼／夜法和ASTER温度发射率分离法两种算法[2]。
1.2.2发展趋势
长时间以来，已有许多研究工作都是以提高温度反演精确度为目的。
这方面未来发展趋势表现如下：
（1）直接测量地物比辐射率。
现阶段反演地面温度一般假设的地表比辐射率已知。
未来会直接测量地物的比辐射率光谱,并逐渐建立地物比辐射率数据库[3]。
（2）通过综合多角度、多光谱、多时相遥感，达成多种信息源综合分析，进而提高地面温度反演精度。
除上述外，热红外激光雷达的应用、非同温像元或组分象元温度反演等也是很有发展潜力的研究方向。
第二章研究区概况
2.1自然地理概况
2.2.1地理位置
本论文选定了新疆维吾尔自治区吐鲁番市鄯善县以北60公里，以南40公里，以东100公里的100公里乘100公里地区作为研究区。
研究区交通便利，兰新铁路、兰新高铁、连霍高速贯穿全区，其交通位置如图2-1所示。
图2-1研究区交通位置图
2.2.2地形
研究区整体地势平缓，走势为北高南低。
研究区北部为火焰山，中部为城镇，南部为库木塔格沙漠。
研究区海拔163-3589m，除北部小部分山区海拔达到3000m外，整体海拔约200m。
如图2-2所示。
图2-2研究区数字高程模型
2.2.3气候
研究区地处中纬度地区，属典型的温带大陆干旱性气候，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大，日照充足，无霜期长，年均气温11.3℃，年均降水25毫米。
2.2.4植被
受地理位置、地形和气候等条件的影响,研究区植物种类稀少,覆盖度低,类型结构简单。
研究区北部为山地，生长有灌木；中部为城镇，绿洲与耕地呈分散条带状分布；南部为戈壁荒漠区，无植被覆盖。
2.2.5矿产
虽然研究区所在的鄯善县储有丰富的矿产资源（已探明的矿种有40多个，包括石油、天然气、煤炭、铁、铜、铅锌、金、钠硝石、花岗岩、大理石等）。
研究区内主要有煤和钠硝石矿产。
2.3区域地质概况
2.3.1大地构造位置
本论文研究区的经纬度范围为90。
15，E-91。
30，E、42。
30，N-43。
30，N，位于吐哈盆地内部。
吐哈盆地处于塔里木板块、哈萨克斯坦板块以及西伯利亚板块3个板块的交会处，四面环山，北靠博格达山，南临觉罗塔格山，西端与东端分别为喀拉乌成山和喀尔力克山[4]。
根据杨克绳等人对于吐哈盆地内部构造单元的划分方案，本论文的研究区地跨吐鲁番坳陷、了墩隆起等两个Ⅰ级构造单元，塔克泉凸起、台北凹陷、台南凹陷等三个Ⅱ级构造单元，如图2-3所示。
图2-3吐哈盆地构造位置与内部构造单元划分方案之一（据参考文献[5]）
2.3.2地层
吐哈盆地地层发育完整，自早古生界至新生界地层均有分布。
研究区内出现的地层主要有石炭系、侏罗系、白垩系、第三系以及第四系。
（1）石炭纪地层全部出露于研究区北部，区内可见晚石炭石炭世柳树沟组。
柳树沟组[6]为灰紫色安山质火山角砾岩、凝灰角砾岩、中酸性凝灰岩夹安山玢岩、玄武玢岩、英安斑岩、霏细岩，柳树沟组与上伏地层为整合或不整合接触，厚度约2000m。
（2）侏罗纪地层主要出露与研究区北部和中部，区内可见八道湾组与三工河组。
八道湾组为细砂岩夹灰绿黄绿色砾岩、灰绿色砂质泥岩、深灰色泥岩，上与三工河组整合接触，厚度约200m；三工河组为褐色页岩、炭质页岩夹薄煤层、灰色细砂岩，厚度约100m。
晚侏罗纪泥岩。
黄褐色；泥状结构，块状构造；主要成分为黏土矿物；其中均匀分布黑色条带，黑色条带质软且染手，推测为碳质，可能是沥青等物质。
推测其中穿插的灰绿色复杂成分为凝灰岩。
如图2-4所示。
黑色页岩。
黑色；成分复杂，含较多的有机质及细分散黄铁矿，不污手；泥状结构，具页状或薄片状层理，此处发生片理化，变质程度较低；用硬物击打易裂成碎片。
如图2-5所示。
（3）白垩纪地层主要出露与研究区北部，区内可见三十里大墩组。
三十里大墩组为灰色、褐红色细砂岩、砂质泥岩夹绿色、黄绿色砂质泥岩、粉砂岩、砂砾岩，厚度约150m。
图2-4含黑色条带泥岩（镜头方向S-N）图2-5片理化黑色页岩（镜头方向S-N）
白垩纪含砾粉砂质泥岩夹石灰岩。
风化色土黄色，原生色灰白色；泥状结构，块状构造；成分中粘土含量约为70%，粉砂含量约为25%，砾石含量约为5％，粒径约0.7cm，砾石分选差，磨圆差，呈棱角状，推测搬运距离短，为陆相洪积物。
如图2-6所示。
泥灰岩。
黄褐色；微粒状结构，块状构造；滴盐酸产生气泡且气泡处有暗色物质出现。
如图2-7所示。
图2-6含砾粉砂质泥岩夹石灰岩（镜头方向S-N）图2-7泥灰岩（镜头方向SE-NW）
（4）第三纪地层主要出露于研究区南部，区内可见桃树园组和葡萄沟组。
桃树园组为灰色、深灰色细砂岩，细粒砂状结构，以石英为主；葡萄沟组为黄灰色、土黄色黄土及砾石层。
（5）第四纪地层主要出录用研究区中部，区内更新世和全新世均有分布。
2.3.3岩浆岩
天山及邻区古生代岩浆侵入活动非常强烈,尤其晚古生代是新疆地史上岩浆活动最为活跃的一个时期[7]。
研究区以华力西期岩体为主。
研究区南部可见二叠系花岗岩、流纹斑岩、石炭系二长花岗岩。
北部石炭纪岩浆岩为中基性火山岩和火山碎屑岩。
无论是下石炭统还是上石炭统,总体具有近构造带附近火山岩发育。
可见闪长岩和辉绿岩及凝灰岩。
2.3.4构造
近年来，越来越多学者认为吐哈盆地为一张性或伸展性盆地,但在后期遭受挤压而发生了构造反转，一些学者将吐哈盆地的构造带单元分为两类：
坳陷/隆起-凹陷/凸起型；构造带型，两者在形成时期、构造形态、动力学性质，特别是在构造属性方面均显著不同[8]。
坳陷/隆起-凹陷/凸起型表现为盆地内发育同生正断层，这些正断层构成凹陷边界从而控制盆地内的沉积建造，此类构造单元反映并代表了盆地形成时期的伸展性结构与构造；构造带基本由褶皱和（逆）断层所组成，此类构造单元反映了使盆地隆升的压型、压扭性构造运动及应力应变特征。
在实地考查过程中直接观察到一些小型断裂构造：
（1）发育于中侏罗统黑色页岩中的挤压破碎带，形成宽数米的片理化带，成条带状分布，产状与地层产状接近，排列紊乱，延伸短，变质程度轻。
如图2-8所示。
图2-8
（1）断裂带（镜头方向S-N）图2-8
（2）黑色页岩片理化（镜头方向E-W）
（2）东西向小断层，受南北向挤压，断层面产状为353°∠68°，走向80°，内有擦痕。
如图2-9所示。
图2-9
（1）东西向小断层（镜头方向E-W）图2-9
（2）断层面上的擦痕（镜头方向E-W）
（3）小断层，断层面产状未有记录，南北向近治理擦痕清晰可见，推测为正断层。
如图2-10所示。
（4）东西向顺层断层，断层面产状为160°∠80°，走向340°。
如图2-11所示。
（5）地层角度不整合，上伏地层近水平，下伏地层产状未有记录。
如图2-12所示。
（6）一组南北向节理，如图2-13所示。
（7）错位的炭质页岩及其附近山沟，错位方向及山沟延伸方向均为近南北向，怀疑为近南北向正断层（西盘上升）或左行断层（西盘后撤）。
如图2-14所示。
（8）两组正交节理。
一条走向77°，另一条走向170°。
如图2-15所示。
图2-10
（1）正断层（镜头方向N-S）图2-10
（2）擦痕（镜头方向N-S）
图2-11
（1）断层（镜头方向S-N）图2-11
（2）小断层细节图（镜头方向S-N）
图2-12角度不整合（镜头方向S-N）图2-13节理（镜头方向S-N）
图2-14
（1）近南北向延伸的山沟（镜头方向S-N）
图2-14
（2）错位的炭质页岩（镜头方向垂直于地面）
图2-15
（1）正交节理（镜头方向N-S）图2-15
（2）正交节理（镜头方向E-W）
2.3.5第四纪沉积物概述
研究区中南部大部分被第四系的地层覆盖，更新统（Qp1-3）呈条带状分布于研究区中部，成因以冲积（Qpal）、洪积（Qppl）、坡积（Qpdl）以及它们的组合产物为主。
全新统（Qh）主要分布于研究区西南部，面积较大，主要为风积物（Qheol）。
（1）冲积物（Qpal）：
流水动能减少后搬运能力减弱，河流搬运的碎屑物质经沉积后形成冲积物。
冲积物具有分选好、磨圆好、成层性好等特点，常具有韵律性二元结构，波痕、交错层理等构造。
（2）洪积物（Qppl）：
由洪水堆积的物质为洪积物。
洪积物于沟口附近堆积多，厚度大，颗粒粗大，逐渐向外减薄。
洪积物分选差，磨圆差，可见交错层理。
在实地考察过程中记录了一些冲，洪积物影像：
研究区某处含砾粉砂质泥岩，其中砾石粒径0.5-1cm，含量约1-5％，分选差，磨圆差，呈棱角状，推测搬运距离短，为陆相洪积物。
如图2-16所示。
研究区某处Qp3X地层，发现此处砾岩磨圆较好，呈近圆形，粒径1-2cm，含量约30％，推测为河流相冲，洪积物，如图2-17所示。
研究区某处Qp3X地层，干河谷与戈壁滩剖面衔接处，可见粒度呈粗-细-粗韵律变化的砂砾岩，砾石有棱角也有磨圆，推测为戈壁滩沉积产生的冲，洪积物，反映了地层升降与气候变化。
如图2-18所示。
图2-16含砾状粉砂质泥岩（镜头方向S-N）图2-17河流相冲，洪积物（镜头方向S-N）
（坐标90°34'40＂E,42°58'56＂N）（坐标90°8'51＂E,42°56'57＂N）
图2-18
（1）戈壁滩剖面（镜头方向E-W）图2-18
（2）大小不一的砾石（镜头方向E-W）
（坐标90°44'54＂E,42°52'15＂N）（坐标90°44'54＂E,42°52'15＂N）
（3）坡积物（Qpdl）：
片流搬运的物体在坡麓上堆积形成了坡积物。
坡积物主要为岩屑、矿屑、砂砾和矿质黏土，其成分由坡上基岩决定。
坡积物分选差，磨圆差。
在实地考察过程中记录了一些残，坡积物影像：
研究区某处Qp3X地层，砾石磨圆极差，大小分布不均，散落在戈壁滩上，推测为搬运距离较短的坡积物。
如图2-19。
研究区某处Qp2W地层，砾石磨圆较好，搬运距离短，为残，坡积物。
如图2-20。
研究区某处Qp3X地层，砾石磨圆差，有棱角，大小不一地分布在山坡上，搬运距离短，为坡积物。
如图2-21。
图2-19戈壁滩上的坡积物（镜头方向S-N）图2-20残，坡积物（镜头方向S-N）
（坐标90°32'12＂E，42°56'44＂N）（坐标90°43'6＂E，42°52'59＂N）
图2-21山坡上的坡积物（镜头方向W-E）
（坐标90°32'4＂E，42°56'51＂N）
（4）风积物（Qheol）：
由风力搬运后沉积下来的物质叫风积物，主要成分为细砂，分选好、磨圆好。
第三章遥感数据及其处理方法
3.1数据
为达到研究目的，本论文选用Landsat8OLI-TIRS遥感影像数据进行遥感制图。
Landsat8主要携带有2个载荷：
OLI和TIRS。
OLI全称为陆地成像仪，共有9个波段，TIRS全称为热红外传感器，含有2个单独的热红外波段。
详细信息见表3-1。
表3-1Landsat8数据波段参数
波段
波长范围（μm）
空间分辨率（m）
1-海岸波段
0.433–0.453
30
2-蓝波段
0.450–0.515
30
3-绿波段
0.525–0.600
30
4-红波段
0.630–0.680
30
5-近红外波段
0.845–0.885
30
6-短波红外1
1.560–1.660
30
7-短波红外2
2.100–2.300
30
8-全色波段
0.500–0.680
15
9-卷云波段
1.360–1.390
30
10-热红外1
10.60-11.19
100
11-热红外2
11.50-12.51
100
本论文研究内容需多组数据进行对照分析，因此选取了2017年4月、6月、9月和2014年4月、6月、10月六组遥感数据进行遥感制图，详细信息见表3-2。
表3-2Landsat8数据基本信息
数据标识
LC814003020
17105LGN00
LC814003020
17166LGN00
LC814003020
17289LGN00
LC814003020
14110LGN01
LC814003020
14174LGN00
LC814003020
14286LGN00
条带号
140
140
140
140
140
140
行编号
30
30
30
30
30
30
中心经度
91.36911
91.39285
91.40569
91.35499
91.40665
91.39456
中心纬度
43.18501
43.18475
43.18483
43.18481
43.18475
43.1846
获取日期
2017-04-15
2017-06-15
2017-10-16
2014-04-20
2014-06-23
2014-10-13
平均云量
3.27
0.79
1.04
2.7
0.78
5.36
除上述遥感数据外，本论文还收集了研究区的数字高程模型（DEM）。
本论文使用GDEMV230M分辨率数字高程数据，经纬度范围为90º15′E-91º30′E，
42º30′N-43º30′N。
选取了四组数据经镶嵌、裁剪后进行研究区数字高程模型绘制，详细信息见表3-3。
表3-3DEM数字高程数据基本信息
数据标识
ASTGTM2-N42E090
ASTGTM2-N43E090
ASTGTM2-N42E091
ASTGTM2-N43E091
条带号
90
90
91
91
行编号
42
43
42
43
中心经度
90.5
90.5
91.5
91.5
中心纬度
42.5
43.5
42.5
43.5
研究区Landsat8OLI-TIRS遥感影像数据与DEM数字高程数据均来源于地理空间数据云官网。
3.2遥感数据处理方法
由于所使用的数据都已经过了必要的预处理（大气较正、几何较正、辐射定标等），所以本论文涉及的数据处理主要包括两方面：
一是根据热红外波段的观测数据反演地面温度，二是根据各个波段的数据以及温度计算结果合成各种真、假彩色影像或灰度影像，并进行必要的图像增强。
以下针对这两方面分别进行说明。
3.2.1地面温度反演方法
本论文仅研究戈壁荒漠区地面温度的分布特征及控制因素，对地面温度测量精度要求不高，因此选取辐射传导方程法（大气校正法）反演地面温度。
（1）原理
该方法首先利用与卫星过空时间同步的实测大气探空数据来估计大气对地表热辐射的影响,然后把这部分大气影响从卫星高度上传感器所观测到的热辐射总量中减去,从而得到地表热辐射强度,再把这一热辐射强度转化为相应的地面温度[9]。
卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ的表达式可写为：
[10]
Lλ =[εB（TS）+（1-ε）L↓]τ+L↑
（1）
则温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B（TS）为：
B（TS）=[Lλ-L↑-τ（1-ε）L↓]/τε
（2）
Ts可以用普朗克公式的函数获取：
[11]
TS =K2/ln（K1/B（TS）+1）（3）
式中，ε为地表比辐射率，TS为地表真实温度（K），B（TS）为黑体热辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率，L↑为大气向上辐射亮度，L↓为大气向下辐射亮度。
对于TIRSBand10，K1=774.89W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1321.08K。
（2）计算方法
利用大气校正法反演地面温度的处理流程如图3-1所示。
前人经验表明，是否进行大气校正处理对反演地面温度的结果影响不是很大。
为了节省工作量、简化步骤，本论文在反演地面温度时将略过OLI大气校正这一步骤。
图3-1基于大气校正法的地面温度反演流程图（据参考文献[12]）
3.2.2图像处理方法
地理空间数据云中所下载的Landsat8OLI-TIRS遥感影像数据，各景空间范围都较大且不同，为了将这些图像数据统一到预定的研究区范围内，进行了图像裁剪。
裁剪是通过ENVI的裁剪工具完成的。
裁剪后研究区影像如图3-2所示。
图3-2研究区于2014年4月20日的地面温度图像
（1）图像的真、假彩色合成方法
选择波长与红、绿、蓝三原色相同或相近的波段进行彩色合成，得到的图像颜色与真彩色近似的合成方式为真彩色合成；选择多波段遥感图像的任意3个波段进行彩色合成的方式为假彩色合成，合成的彩色图像并不表示地物真实的颜色[13]。
在Landsat8OLI-TIRS遥感影像数据中，与红、绿、蓝波长相近的波段分别为4、3、2波段。
在ENVI5.3.1中打开待处理遥感数据的头文件，选择多光谱波段数据集中的4、3、2三个波段分别作为红绿蓝波段后，导入数据便可得到研究区真彩色合成图像。
（2）图像增强方法
初步制成的遥感图像，
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