1、：基基于于 和和 的的矿矿区区地地表表温温度度及及形形变变研研究究殷宗敏，殷宗奇，刘学浩（中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉；东北林业大学，黑龙江 哈尔滨）摘要地表温度和地表形变监测，在生态环境和地质灾害中应用广泛，本文使用大气校正法获取地表温度，利用 是获取地表形变，并探寻矿区内两者的关联。本文以湖北宜昌作为研究区域，分别统计矿区范围内地表温度和地表形变，进行对比分析。实验结果表明，建筑用花岗岩矿的地表温度高，对于太阳辐射吸收强，磷矿的地表温度低，对于太阳辐射吸收弱；铁矿的地表形变大，玻璃用石英岩和建筑用花岗岩的地表形变小，应加强铁矿区域地表形变监测；露天开采矿区地表温度远高于地下开
2、采，地下开采矿区的形变程度远强于露天开采，研究区内分布的地表温度越低的矿区，其地表形变反而越大。关键词地表温度；地表形变；大气校正法；矿区中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目国家自然科学基金：“基于钻孔的地下水环境垂直结构分层探测与地层信息快速提取技术”（），（）作者简介殷宗敏（），男，江西九江人，工程师，主要从事遥感地质及地质灾害方面工作。，（oo ，oo，；o o，o，）：oo oo oo o oo ，o oo o o o ，o o oo o o o ，o o oo o o o oo ，oo o o o o；o o o o，oo o o o ；oo o o o ，oo o
3、 o o oo ，oo o oo o o o ；o o o o，oo o o o o o ：；oo；o oo o；引言地表温度作为一个重要的生态指标，其在自然资源调查、生态环境保护方面具有重要的应用，当某区域存在复杂的下垫面时，该区域的地温变化呈现出更加复杂的多层次、多属性变化特征。矿区开采使得地表覆盖呈现较大程度的变化，其内部的土地景观格局改变，从而导致地表的温度的差异性变化，将给生态环境造成影响。矿业开采活动产生的大量热量，以及矿业开采过程中引起的地表下垫面覆被类型变化都会导致地表温度发生改变。通过遥感影像对矿区地表温度进行反演，定量研究矿区因开采导致的地表温度变化以及变化的差异特征，分析
4、其内在规律，有益于矿区的生态环境保护。矿产资源的大规模开发，导致矿区地表形变、塌陷和其他潜在灾害时有发生，中国地质环境监测院调查结果显示，年末，中国矿山因地下开采形成的采空区体积达 亿，随之时间推移，该趋势呈现增强的趋势，其引发的多种地质灾害导致了大量财产损失，合成孔径雷达差分干涉测量（o，）利用微波波段对地表覆盖进行监测，其通过极坐标的形式记录地表的介电系数，从而得到地表的特征，鉴于微波的特性，因此 技术具有穿云透雾、覆盖面积大、时空分辨率高的特点，大量应用案例表明，其能够用于对 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.矿区的长期缓慢形变监测。地表温度能够反应矿区位置和下垫面状态，地表形变能够
5、识别矿区地表及内部的缓慢形变过程，本文创新将矿区地表温度和地表形变进行对比分析，探寻两者在矿区开采中呈现的规律趋势，更好的指导矿区的开采和生态环境保护。研究区和数据据来源研究区主体位于湖北宜昌，其所在区域纬度范围为 ，经度范围为 ，位于鄂西武陵山脉和秦巴山脉向江汉平原的过渡地带，地表为山地丘陵为主。研究区内岩性主要以多种岩浆岩为主，并伴有变质岩系发育。研究区内主要分布的矿种为煤炭及磷矿，矿区的位置及分布如图 所示。图 研究区域及矿区分布图 卫星有可见光和热红外两个传感器，可见光传感器的空间分辨率为 ，其中全色波段的分辨率为 ，用于监 测 地 表 温 度 的 热 红 外 传 感 器 的 分 辨
6、率 为 。引入红外光子检测技术，增强 对热红外波段的敏感性，对地表温度、热空间分布进行精确分析更加适合。本文使用的 影像通过美国地质调查局网站下载，云量低于 ，影像获取时间为 年 月 日，使用的波段有、，其分别对应的波段信息如表 所示。表 计算地表温度所用波段波段类型波长 空间分辨率 波段 红波段 波段 近红外波段 波段 热红外 波段的长波长及强穿透性在植被覆盖茂盛、地表起伏较大、气候潮湿的地区具有更大的优势，更容易形成干涉像对。由日本研制并于 年 月 日成功发射的 卫星为 波段卫星，其搭载的 传感器，能精确地感知地表的变化。本文使用的 影像从官网购买并下载，使用的两景影像参数如表 所示。表
7、影像数据参数主影像 日期辅影像 日期轨道时间基线 垂直基线 极化方式 研究方法 地表温度获取本文获取地表温度的方法为大气校正法，其原理是从影像获取的热辐射总量中减去估算的大气对地表热辐射的影响部分，得到单一的地表热辐射强度，再通过热辐射强度计算对应的地表温度。一般热红外辐射亮度值 由 部分组成：经大气层反射吸收后的辐射亮度到达传感器时的能量，大气向下辐射，大气向上辐射亮度。辐射传输方程为：（）（）（）式中：为传感器接收到的热红外辐射亮度值；为地表比辐射率；为地表真实温度；（）为黑体热辐射亮度；为热红外波段透过率。由（）式推出，当黑体温度为 时，其在热红外波段辐射亮度（）为：（）（）（）（）地表
8、真实温度 可以用普朗克公式的函数获取，表达式为：（）（）对于 影 像 的 而 言，其 中 （），。技术 技术在空间基线较小的情况下，通过重复观测可获取地表微小形变，该技术又称差分干涉测量技术。两轨法进行地表形变计算时，将两幅 影像进行复共轭相乘，所得相位值定义为，其由 部分组成，即：oo oo o o（）式中：oo表示地表形变相位；oo表示地形起伏相位；表示参考椭球体平地相位；o表示大气延迟相位；o表示噪声相位。去除干扰相位后便获得单一的地表形变相位 oo。获取的单一地形形变相位取值范围为（，），此状态称为缠绕状态，需将其从缠绕相位解缠为绝对相位。将绝对相位转化成视线方向形变信息的计算公式为：
9、oo（）式中：oo表示解缠后的绝对形变相位。结果与分析 数据处理与结果通过上述研究方法在 中计算处理得到 年 月 日研究区的地表温度反演图，如图 所示。卫星遥感影像为下午 时左右获取，区域地温范围为 ，平均地温为。在沟谷平坦及人类活动区地表温度明显较高，大致分布于影像中轴线两侧，由于矿区远离城镇区域，热岛效应不明显，因此矿区相比于城区温度较低。由于缺乏实地观测地表温度数据，本研究无法计算反演结果精度，主要对于得到的研究区地表温度进行温度趋势性分析。图 研究区地表温度图第 卷第 期地下水 年 月利用 软件对 年 月 日和 月 日的 数据做差分干涉测量。以 年 月 日 影像为主影像，年 月 日的
10、影像为辅影像，进行影像配准；分别通过干涉、滤波、解缠、地理编码等处理方式，生成 年 月 日 月 日间研究区域地表形变图，结果如图 所示，统计（）中区域内干涉的相干系数统计直方图中偏态分布呈现负偏态，即峰值对应横坐标大于中值 ，说明区域内整体相干系数高于 ，干涉效果较可靠，城区部分干涉图呈灰白，干涉效果较好；统计（）中地表形变图的统计直方图基本呈现正态分布，且绝大多数形变值分布于 左右，说明研究区整体地表形变稳定，少部分区域存在较大形变，研究区左侧中间位置及右下角区域呈现明显的沉降，为潜在危害发生区域。图 研究区干涉相干系数及形变图 矿区温度与形变分析鉴于磷矿、煤矿的矿藏分布方式，我国的磷矿、煤
11、矿开采分为露天和地下开采两种，其中磷矿露天开采约占磷矿开采总量的 ；煤炭露天开采仅占煤炭开采总量的 。统计研究区内矿种类型和对应的矿产个数，统计结果如图 所示，可以看出研究区煤矿和磷矿为主要矿种，占比达 以上，从类别数看，建筑用矿石类别最多，该类型主要以露天开采为主。图 研究区矿种类别统计分别统计不同矿种类别的地表温度和地表形变值，所得结果如 图所示，从（）中可以看出，建筑用料灰岩、砖瓦用页岩、建筑用花岗岩的地表温度较高，其开采区域地表较裸露，吸收的太阳辐射强于其他矿区，且建筑用花岗岩矿区的地表温度最高，对于太阳辐射吸收最强，磷矿的地表温度最低，对于太阳辐射的吸收最弱。从（）中可以看出，磷矿和
12、铁矿的地表形变强于其他矿区，说明该两种矿区更容易引起地表不稳定，引发地面沉降灾害，其中铁矿的地表形变最大，玻璃用石英岩和建筑用花岗岩的地表形变最小，应加强铁矿开采区域的地表形变监测。在比较露天开采和地下开采的稳定性时，前人做过相应的研究，当开采方式由露天转为地下开采时，露天边坡除受到自身重力作用外，还受到地下开采形成的空腔影响，当边坡受到两者共同作用后，边坡的稳定性将更差。地下开采随着开采的不断推进，会对露天边坡和坑底矿柱产生应力集中效应，当拉应力大于岩体抗压能力后，将产生露天边坡的破坏。因此说明地下开采导致的地表缓慢且持续形变强于露天开采。图 研究区矿种地表温度和形变统计图分别统计不同开采方
13、式下，地表温度和地表形变均值，如图 所示，露天开采区域地表温度远高于地下开采区域，原因可能在于露天开采区域植被较少，导致地表温度较高，地下开采区域存在地表覆盖物，导致温度相对较低。地下开采的形变程度远强于露天开采，一部分原因可能在于露天开采存在较大地表形变，使用 技术进行测量时存在失相干情况，从而这部分形变不能被探测，另一方面原因可能在于，技术只能探测缓慢且持续形变，地下开采直接导致地下中空，更容易产生漏斗形的持续缓慢形变。因此对于地下开采矿区应加强其形变监测，保障其安全性。同时图中也可以看出，地表温度越低，地表形变越大。图 不同开采类别矿区地表温度和形变统计图分别统计不同矿区的地表温度和地表
14、形变，所得结果按照地表温度降序排序，绘制地表温度和地表形变的折现图，并绘制趋势线，所得结果如图 所示，可以看出，地表温度和地表形变都呈现下降的趋势，说明研究区内分布的地表温度越低的矿区，其地表形变越大。温度越低的矿区趋向于地下开采，印证地下开采导致的地表缓慢且持续形变强于露天开采。图 各矿区地表温度与地表形变统计图结语本文利用 和 数据获取（下转第 页）第 卷第 期地下水 年 月反应达到了平衡的状态；在加入 溶液的样品中，与加入超纯水样品组的趋势有些相同，但在反应的后期，第 时，反应并没有达到平衡的一种状态，反而呈下降的趋势，没有达到稳定，且生成 的浓度小于加入超纯水样品的浓度，也小于加入 溶
15、液样品的浓度。因此，可以得出在加入不同浓度含锌化合物时，铅锌矿中的锌元素对 存在一定的影响，锌元素含量高时，会减小反应速率；当锌元素含量低时，反应速率会增大。图 样品在锌化合物含量不同条件下浓度与实验时间的关系结语本文以广西灵川县境内的含硫铅锌矿区为研究背景，开展室内实验模拟野外环境的基本条件，在实验室内对铅锌矿中的锌元素对 影响关系进行了实验并进行对比分析。实验结果表明：山顶水样中本身就含有一定量的，且水样中含有其他阳离子，共同相互作用使其加剧反应，使铅锌矿在山顶水样中反应生成 的浓度是超纯水中的 倍。同时，矿区中灰岩和角砾岩共同作用时，岩石溶蚀的速率加快，溶液中 的浓度大幅度上升。不改变外
16、界条件时，溶液中含有 ，使反应生成 的浓度明显降低。铅锌矿中的锌元素会对地质碳汇（）产生影响，锌离子能够抑制铅锌矿的溶解，使产生地质碳汇（）的量减少，故本实验对于提高碳汇转化速率具有一定意义。参考文献，o，oo o o o o （）：，o，o，o o o o o o （）：oo，（）o o o （）：，o ，o o o o：o oo o o oo，o oo o o （）：，oo o o o ，：蒋忠诚，覃小群，曹建华，等 论岩溶作用对全球碳循环的意义与碳汇效应兼对对 中国岩溶作用产生的大气 碳汇分区估算一文的商榷的答复 中国岩溶 （）：蒲俊兵，蒋忠诚，袁道先，等 岩石风化碳汇研究进展：基于 第五次气候变化评估报告的分析 地球科学进展 （）：张力，王树 浅谈金属矿山土壤重金属污染及其修复 有色金属 （）：李亮，曹建华，黄芬等 铅锌矿开采对河流水环境及地质碳汇的影响 矿业研究与开发 （）：（上接第 页）地表温度和地表形变数据，基于研究区矿区范围，将基于大气校正法获取地表温度与基于 获取的地表形变数据进行对比分析，所得结论有：（）沟谷平坦区及人类活动区地表温度明显较高，矿区远离城镇区域，热岛