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熱紅外遙感技術(shù)在地?zé)豳Y源調(diào)查中的應(yīng)用與潛力

  0  前言
 
  航空熱紅外遙感技術(shù)是一種快速檢測地面溫度的新技術(shù), 它能在瞬間或比較短的時(shí)間內(nèi)獲取大面積地面溫度場信息, 它具有連續(xù)采樣(面掃描)、信息量大、檢測精度高(0.2 ～ 0.5 ℃)、一致性好、直觀形象、速度快、成本低和不受地面通行條件限制等優(yōu)點(diǎn)。因此, 它一問世立即引起地?zé)?/a>工作者的極大興趣, 并將這一新技術(shù)用來進(jìn)行地?zé)豳Y源調(diào)查, 取得了許多成功經(jīng)驗(yàn), 同時(shí)在理論探討方面也在逐步深化, 展現(xiàn)出它的應(yīng)用前景。
 
  1  熱紅外遙感技術(shù)在地?zé)豳Y源調(diào)查中的應(yīng)用概況與進(jìn)展將熱紅外遙感技術(shù)最早應(yīng)用于地?zé)?/a>調(diào)查中的是美國。1961 年美國“陸軍寒冷區(qū)域調(diào)查和工程試驗(yàn)室”和密執(zhí)安大學(xué), 開始使用熱紅外掃描成像技術(shù)對美國著名的國家黃石公園中的地?zé)?/a>進(jìn)行了地?zé)?/a>調(diào)查試驗(yàn), 成功地探測到了溫泉出露點(diǎn)和近地表的地?zé)岙惓！Ｆ浜?a href="http://kaichele.cn/t/美國.html" >美國一些研究單位和科研人員又在黃石公園進(jìn)行了多次重復(fù)測量與研究工作, 對地?zé)釁^(qū)的類型、地?zé)釡囟?/a>的動(dòng)態(tài)變化范圍及該技術(shù)可探測的深度進(jìn)行了比較深入的研究。St rangw ay 和Holmar(1966)在新墨西哥州的Lordsbulg 區(qū)應(yīng)用熱紅外遙感方法也探測出了一個(gè)相當(dāng)于600 HFU 的地?zé)岙惓！?/div>
 
  Hochstel 和Diekinson(1970)在新西蘭的懷拉基區(qū)也發(fā)現(xiàn)了熱流值相當(dāng)于150 HFU(夜間)地?zé)岙惓? 并對影響圖像的外界因素, 如太陽輻射、風(fēng)、霧與冷凝作用及輻射系數(shù)等進(jìn)行了有意義的總結(jié)。
 
  Palmason 等人(1970)對冰島首都雷克雅未克及克維爾克弗焦耳等地區(qū), 應(yīng)用熱紅外圖像和航空像片對該地區(qū)冰川覆蓋下的地?zé)徇M(jìn)行了成功的探測。
 
  Gomezvelle 等人(1970)在墨西哥米卻肯地區(qū)應(yīng)用熱紅外圖像和彩色紅外像片解譯方法和常規(guī)的電阻率法、熱流測量、水文學(xué)和地球化學(xué)方法相結(jié)合對地?zé)徇M(jìn)行了較深入的研究工作。
 
  1971 年聯(lián)合國承包單位(U .N .Scbcontraetor)在埃塞俄比亞進(jìn)行了熱紅外成像調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)了105 個(gè)至少為10 ℃的地?zé)岙惓?。?a href="http://kaichele.cn/t/肯尼亞.html" >肯尼亞使用地物分辨率更高的熱紅外掃描成像方法, 也發(fā)現(xiàn)了類似的地?zé)岙惓 1] 。
 
  日本從1965 年開始熱紅外應(yīng)用研究。1973 年4 月至1974 年3 月期間, 選擇了20 個(gè)有明顯地?zé)岜憩F(xiàn)的地?zé)釁^(qū)進(jìn)行了包括遙感、電法、地?zé)岷椭亓Φ确椒ㄔ趦?nèi)的綜合調(diào)查研究工作, 其中選擇了5 個(gè)地區(qū)(包括7 個(gè)地?zé)釁^(qū)的一部分)進(jìn)行了航空熱紅外遙感調(diào)查, 對第四紀(jì)火山機(jī)構(gòu)與地?zé)岬年P(guān)系進(jìn)行了研究, 調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了一些新的地?zé)狳c(diǎn), 并繪制了地?zé)岙惓｜c(diǎn)分布圖[ 2] 。
 
  我國也曾于1979 年至1981 年間, 先后在天津、福建和遼南地區(qū)開展過地?zé)嵴{(diào)查工作, 其中遼南地區(qū)地?zé)嵴{(diào)查試驗(yàn)取得了明顯的應(yīng)用效果, 在技術(shù)方法的應(yīng)用條件中取得了比較成功的經(jīng)驗(yàn)。
 
  2  熱紅外遙感技術(shù)探測地?zé)岬脑砼c物理前提自然界中所有物質(zhì), 不論白天或夜間都以一定波長向外輻射能量, 其輻射能量大小與其自身的溫度和輻射率成正比(Fλ = εδT4 )。受大氣窗口的限制, 目前紅外探測器所使用的電磁波段, 主要有3 ～ 5 μm 和8 ～ 14 μm 兩個(gè)波段, 對地表常溫物體的探測通常使用8 ～ 14 μm 波段。
 
  當(dāng)前最常用的熱紅外探測器有兩類:①紅外輻射溫度計(jì)。它是一種定量測量輻射溫度的非成像裝置, 它可以進(jìn)行剖面線測量;②紅外掃描儀。它可以對地面輻射溫度進(jìn)行掃描成像,并能以模擬方式或定量方式給出地面輻射溫度圖像, 目前這些探測器的溫度分辨率一般都可達(dá)到0.2 ～ 0.5 ℃, 或者更高。因此, 能探測出地面微小的溫度變化。
 
  地球表面溫度的產(chǎn)生主要來自于太陽能的輻射加溫作用, 其次是來源于地球深部熱源。
 
  前者以電磁波輻射形式進(jìn)行熱傳遞, 它對地球表面的增熱起主導(dǎo)作用, 而且存在于地球表面的所有地方。后者則以傳導(dǎo)和對流方式進(jìn)行熱傳遞, 它主要受地質(zhì)構(gòu)造控制和地層巖石的物理性質(zhì)影響, 屬于局部增溫現(xiàn)象, 只有這種熱傳遞在地面形成的熱異常才對尋找地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源有實(shí)際意義。
 
  由噴氣孔和熱泉點(diǎn)所表現(xiàn)出的地?zé)岙惓? 一般反映了淺部地?zé)岬拇嬖诤涂責(zé)針?gòu)造。埋藏比較深的地下熱水, 通常是通過垂直裂隙系統(tǒng)以滲透或?qū)α鞯姆绞絺鬟f到地表, 并形成比地面背景溫度高的地?zé)岙惓！Ｉ鲜鲞@些熱異常很容易被熱紅外探測器檢測出來。航空熱紅外遙感技術(shù)可以精確地提供溫泉點(diǎn)的位置和熱異常的分布特征。因此, 可為查清導(dǎo)熱、控?zé)針?gòu)造提供有利線索, 以指導(dǎo)地?zé)峥碧?/a>工作。此外, 在某些受巖層和第四系松散層掩蓋的所謂“盲熱”區(qū),亦可通過航空熱紅外遙感方法, 填繪淺部熱含水層來幫助發(fā)現(xiàn)深部地?zé)豳Y源。有關(guān)資料表明,干燥土壤區(qū), 日出前地表溫度與2 m 深處的溫度極為相關(guān), 并且在地表表現(xiàn)出比周圍高出1 ～3 ℃的熱異常。鉆探結(jié)果說明熱流是從深部溫度大于200 ℃的熱儲(chǔ)滲出的, 它們沿著深度不大的斷層向上遷移, 又沿滲透性巖石發(fā)生側(cè)向流動(dòng), 并與淺層地下水混合后形成地?zé)岙惓 3] 。
 
  應(yīng)用熱紅外遙感方法進(jìn)行地?zé)嵴{(diào)查能否取得成功, 其前提條件可以歸納如下:
 
  (1)首先地表必須有熱異常存在, 這種異?？梢允侵苯映雎队诘乇淼?a href="http://kaichele.cn/t/溫泉.html" >溫泉點(diǎn)或熱噴氣孔,也可以是通過熱對流或熱擴(kuò)散方式在地表形成的高溫熱異常。因?yàn)闊峒t外遙感圖像所記錄的僅是地表面溫度;
 
  (2)受地?zé)嵊绊懸鸬牡孛嫖矬w熱變化在圖像上有顯示。如泥火山、泥噴泉的出現(xiàn), 植被生態(tài)發(fā)生變化, 耐高溫植物的出現(xiàn), 受地?zé)嵊绊懕┚植咳诨? 都可以間接地指示出地?zé)岙惓５拇嬖?
 
  (3)具有溫度分辨率很高的熱紅外探測器和比較容易出現(xiàn)地?zé)岙惓５暮线m的成像季節(jié)、時(shí)間和良好的天氣條件。
 
  上述條件非常復(fù)雜, 地?zé)岙惓Ｊ?a href="http://kaichele.cn/t/地質(zhì)構(gòu)造.html" >地質(zhì)構(gòu)造、地層、巖性、地理、地貌等各種物理因素影響。
 
  成像條件的選擇則受人為主觀認(rèn)識和自然條件變化的影響。因此, 有時(shí)因這些條件不一定同時(shí)具備而影響監(jiān)測效果, 或因缺少某些前提條件使調(diào)查工作失敗。
 
  3  熱紅外遙感在地?zé)嵴{(diào)查中的應(yīng)用實(shí)例
 
  1981 年我們在遼南地區(qū)開展了地?zé)嵴{(diào)查試驗(yàn), 取得了很好的應(yīng)用效果。
 
  該區(qū)位于遼東半島的南半部, 包括營口、蓋縣、復(fù)縣、新金等縣的部分地區(qū)。區(qū)內(nèi)出露地層以前震旦系城子坦組片麻巖為主, 有少量震旦系地層。區(qū)內(nèi)巖漿巖分布廣泛, 以燕山期花崗巖為主, 地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。地貌特征屬于中低山和丘陵地形, 基巖多為裸露和半裸露, 第四系蓋層多分布于山間盆地或丘陵低地之間, 厚度一般在10 ～ 40 m 左右。遼南地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源豐富, 開發(fā)利用較早, 例如:比較著名的湯崗子、安波、龍門湯、儉湯等溫泉均出露于測區(qū)內(nèi)。因此, 是個(gè)良好的地?zé)嵴{(diào)查試驗(yàn)區(qū), 也是一個(gè)非常好的地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)。
 
  這次熱紅外遙感地?zé)嵴{(diào)查, 飛行時(shí)間是在10 月25 日夜間21 :00 ～ 23 :00 進(jìn)行的, 使用的傳感器是DS —1230 定量雙通道紅外掃描儀, 成像波段分別為8 ～ 14 μm 和3 ～ 5 μm , 飛機(jī)飛行高度為1 350 m , 地物分辨率為3.38 m , 儀器溫度分辨率為0.2 ℃?？罩袙呙璩上駮r(shí)進(jìn)行了溫度定標(biāo)選擇, 溫度記錄范圍為-1 ～ 9 ℃, 經(jīng)過溫度細(xì)分處理后圖像的溫度分辨率為1.5 ℃。局部地段做了數(shù)字化彩色圖像處理和計(jì)算機(jī)圖像處理。在這次試驗(yàn)中還同時(shí)進(jìn)行了彩色紅外攝影, 為圖像對比分析提供了很大方便。
 
  在圖像解譯過程中共發(fā)現(xiàn)熱異常點(diǎn)43 處, 野外工作期間對這些異常點(diǎn)進(jìn)行了全面檢查驗(yàn)證, 其中6 個(gè)已知地?zé)狳c(diǎn)(湯崗子、安波、儉湯、思拉堡、龍門湯、湯河沿)在圖像上都有明顯的熱異常顯示, 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了吉來溝和石朋子兩處為前人所不知的新地?zé)狳c(diǎn), 其它35 處均為人工高溫?zé)嵩?/a>點(diǎn)(如磚瓦窯、石灰窯、工廠煙囪等), 與地?zé)釤o關(guān)。這里僅擇其中3 例說明熱紅外遙感在探測地?zé)嶂械膽?yīng)用效果。
  3 .1  思拉堡地?zé)岙惓?/div>
 
  該異常出現(xiàn)在中低山區(qū)山間河谷平原的邊緣部位, 異常區(qū)為第四系覆蓋區(qū), 有兩處地下熱水以溫泉形式出露于沙河北岸的階地上, 階地上面農(nóng)田廣布, 有水田和旱田。從夜間熱紅外圖像上可以清楚的看出有一橢圓形熱異常呈NE 向展布, 其長軸方向長約1 300 m , 短軸方向?qū)捈s90 m , 該異常從圖像上分析以中心部位最亮(溫度較高), 逐漸向外變暗(溫度較低), 顯示了熱擴(kuò)散暈的影像特征。從數(shù)字化彩色圖像分析中可以看出異常中心部位溫度比邊緣部分溫度高出5 ～ 6 ℃。經(jīng)檢查驗(yàn)證, 野外現(xiàn)場挖出的熱水坑水溫高達(dá)48 ℃以上。不難推測, 該地?zé)岙惓Ｊ躈E 向斷裂構(gòu)造控制, 地下熱水沿導(dǎo)熱構(gòu)造上升, 進(jìn)入第四系松散層與淺層地下水混合后產(chǎn)生滲透擴(kuò)散作用, 形成暈狀熱異常(圖略)。
 
  該地?zé)岙惓Ｒ延?a href="http://kaichele.cn/t/遼寧.html" >遼寧第二水文地質(zhì)大隊(duì)于1981 —1982 年進(jìn)行了地面普查鉆探驗(yàn)證, 先后布置了34 個(gè)鉆孔, 孔深一般在47 ～ 250 m 之間, 井下水溫30 ～ 99 ℃不等。鉆探網(wǎng)基本上控制了地?zé)岙惓７秶? 從鉆孔資料得知該區(qū)第四系蓋層厚度一般在10 ～ 35 m 左右, 根據(jù)鉆探過程中井底測溫資料編繪的基巖表面溫度等值線圖(圖略)與地?zé)岙惓D像上的平面形狀非常相似,NE 方向的控?zé)針?gòu)造也為鉆探出的構(gòu)造破碎帶所證實(shí)。該地?zé)岙惓儆诮陙硇掳l(fā)現(xiàn)的地?zé)狳c(diǎn), 具有較大的潛在開發(fā)利用價(jià)值。
 
  3 .2  龍門湯地?zé)岙惓?/div>
 
  該異常位于山間谷地, 溫泉點(diǎn)出露于溝谷南岸, 溫泉水沿河溝形成條帶狀熱異常, 在夜間熱紅外圖像上清晰可見。同時(shí)在溝谷北岸的階地上出現(xiàn)一條長達(dá)300 m 的平直的線形隱伏熱異常, 異常走向呈NW300°方向延伸, 熱異常比背景溫度高3 ～ 4 ℃左右。野外驗(yàn)證結(jié)果表明溝谷南岸直接出露的泉點(diǎn)水溫在40 ℃左右, 北岸階地上的熱異常未見熱水直接出露于地表, 屬于“盲地?zé)帷?, 但是在該異常的西端一人工養(yǎng)魚池的東岸則被人工揭露出一熱水點(diǎn), 實(shí)測水溫高達(dá)45 ℃左右。另在異常中心部位經(jīng)過簡單的人工剝露, 在砂層10 cm 以下測得地溫超過50 ℃。該異常呈NW300°方向直線延伸, 與根據(jù)航片解譯的一組NW 向構(gòu)造一致, 由于該區(qū)第四系蓋層很薄, 且淺層地下水不發(fā)育。因此, 地?zé)釘U(kuò)散滲透作用不明顯, 未形成面狀熱異常。
 
  3 .3  儉湯地?zé)岙惓?/div>
 
  儉湯為一已知地?zé)狳c(diǎn), 近年來已被鄉(xiāng)辦繅絲廠開發(fā)利用。該異常位于山區(qū)—山間谷地北側(cè)坡地上, 屬于半裸露基巖區(qū), 地表層多為花崗巖風(fēng)化形成的坡積、殘積物。熱異常呈帶狀向NNE 向延伸, 長約340 m , 寬約40 ～ 50 m , 在圖像上顯示非常清楚。根據(jù)圖像分析, 異常溫度比背景溫度高出4 ～ 5 ℃。異常中心部位的殘坡積層經(jīng)簡單剝露測得熱水溫度高達(dá)40 ℃左右。
 
  從構(gòu)造上分析, 該異常受NNE 向構(gòu)造控制, 該斷層?xùn)|西兩端均被NE 向斷層所截, 因而異常未能延伸更遠(yuǎn)。同樣因蓋層極薄和淺層地下水不發(fā)育未能形成熱擴(kuò)散。
 
  以上幾例充分說明了航空熱紅外遙感技術(shù)在遼南地?zé)嵴{(diào)查中的應(yīng)用是成功的, 并顯示了它的技術(shù)潛力和應(yīng)用前景。當(dāng)然這些地?zé)岙惓１粰z測出來除了證實(shí)這種技術(shù)的潛力外, 該區(qū)地?zé)崧癫販\, 第四系蓋層薄, 構(gòu)造控制作用強(qiáng), 導(dǎo)熱通道好, 人為干擾因素少也是有利條件。但是也要注意, 在地?zé)嵴{(diào)查中不能忽視成像條件選擇這一技術(shù)關(guān)鍵問題。
 
  4  熱紅外遙感在地?zé)嵴{(diào)查中的技術(shù)潛力與局限性熱紅外遙感技術(shù)做為地面溫度的一種檢測方法, 無論從理論上還是實(shí)踐中都證明它是一種行之有效的新技術(shù)手段。它所取得的熱圖像資料具有直觀、形象、精度高、速度快、不受通行條件限制等許多優(yōu)點(diǎn), 使得溫度檢測技術(shù)產(chǎn)生突破性進(jìn)展, 因此它被廣泛應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域, 取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。來自地殼深部的熱源, 能使地表溫度發(fā)生變化, 產(chǎn)生地?zé)岙惓? 因此應(yīng)用熱紅外遙感方法進(jìn)行地?zé)豳Y源調(diào)查自然成了人們探索的對象。正象前面所介紹的那樣, 從60 年代初到現(xiàn)在, 專家們做了大量試驗(yàn)與研究工作, 取得了不少成果, 大致可以歸納如下幾點(diǎn):
 
  (1)航空熱紅外遙感技術(shù), 可以提供精確的地表溫度圖像, 且有足夠的溫度分辨率和地物分辨率(隨飛行高度而異)。因此, 可以區(qū)分地面微小溫度差異, 為探測地?zé)崽峁┝丝赡堋?/div>
 
  (2)航空熱紅外圖像可以清楚的顯示熱水出露點(diǎn), 它不僅可以做為尋找地?zé)針?biāo)志, 也可以通過地?zé)狳c(diǎn)的分布規(guī)律來研究控?zé)針?gòu)造, 指導(dǎo)地?zé)峥碧?/a>工作。
 
  (4)目前專家們正在理論上對地?zé)岙惓５某梢驒C(jī)理進(jìn)行探討, 有人正在建立熱模型, 對地表的溫度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究, 以指導(dǎo)地?zé)嵴{(diào)查中的最佳飛行時(shí)間和成像條件的選擇。
 
  航空熱紅外遙感技術(shù)在地?zé)嵴{(diào)查中的應(yīng)用已有近幾十年的歷史, 但是它只是做為地?zé)嵴{(diào)查中的一種技術(shù)手段加以使用, 并沒有取得突破性的進(jìn)展, 這就說明了它在地?zé)嵴{(diào)查中有很大的局限性。初步歸納如下幾點(diǎn):
 
  (1)熱紅外遙感方法只能取得地表溫度信息, 而開采利用價(jià)值比較大的地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源多埋藏在地下深部, 或被巨厚的沉積蓋層所掩蓋, 在沒有熱通道通向地表的條件下很難被發(fā)現(xiàn)。
 
  (2)來自地球內(nèi)部的熱源產(chǎn)生的地表溫度異常, 主要靠地層巖石的熱傳導(dǎo)和地下水的熱對流作用, 熱傳導(dǎo)率極低的巖石限制了這種異常的產(chǎn)生。
 
  (3)成像條件選擇至關(guān)重要。筆者認(rèn)為, 理想的成像條件應(yīng)包括:①成像季節(jié)。一般而言, 地表與大氣進(jìn)行熱交換處于平衡狀態(tài)時(shí), 有利于地?zé)岙惓５男纬?②成像時(shí)間, 應(yīng)該在夜間太陽輻射影響消失后, 地表與大氣呈現(xiàn)正向熱交換時(shí), 地?zé)岙惓２拍茱@示出來;③大氣對地表溫度產(chǎn)生干擾影響最小的時(shí)候, 如風(fēng)、云、雨、霧、氣溫高低等都可成為干擾因素;④成像時(shí)溫度定標(biāo)范圍的選擇, 可以確定最佳溫度范圍和最大限度的提高圖像的溫度分辨率。
 
  (4)熱紅外遙感方法只能做為地?zé)嵴{(diào)查中的一種技術(shù)手段使用, 它不能代替常規(guī)的地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/勘探.html" >勘探方法。該技術(shù)必須與其它技術(shù)方法相配合, 與專業(yè)知識相結(jié)合才能取得比較好的應(yīng)用效果。
 
  目前我國已擁有各種型號的紅外掃描儀和與之相適應(yīng)的技術(shù)隊(duì)伍, 并且在地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源調(diào)查中取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果, 相信只要領(lǐng)導(dǎo)和專家們重視, 積極組織試驗(yàn)研究工作, 航空熱紅外遙感技術(shù)一定會(huì)在地?zé)嵴{(diào)查中得到應(yīng)用和推廣。