Ανίχνευση Γεωθερμικής Περιοχής με τη χρήση δεδομένων θερμικού υπέρυθρου LANDSAT ETM+ και μηχανιστικής ανάλυσης

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 22:02, 18 Φεβρουαρίου 2018

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ LANDSAT ETM+ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ – ΜΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΓΙΑ TENGCHONG, ΚΙΝΑ

Συγγραφείς: Qiming Qin, Ning Zhang, Peng Nan, Leilei Chai

Institute of Remote Sensing and GIS, Peking University, No. 5 Yiheyuan Road, Haidian District, Beijing 100871, China

Πηγή: [ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0303243411000304]

Περίληψη:

Η τηλεανίχνευση με θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία (TIR) είναι μια σημαντική τεχνική στην εξερεύνηση των γεωθερμικών πόρων. Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιείται γεωθερμική έρευνα στην περιοχή Tengchong στην Κίνα με δεδομένα TIR από τον αισθητήρα Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +). Εφαρμόζεται αλγόριθμος με αποδεκτή ακρίβεια για την ανάκτηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης (LST) της περιοχής μελέτης. Οι ανώμαλες περιοχές LST με θερμοκρασία περίπου 4-10 K υψηλότερες από την επιφάνεια του φόντου, ανακαλύπτονται. Προσδιορίζονται τέσσερεις γεωθερμικές περιοχές, με κατανομή σύμφωνη με την ανάπτυξη σφαλμάτων. Προκύπτει ότι η μέθοδος TIR είναι οικονομικά αποδοτική για την ανίχνευση ανωμαλιών. Συνδυασμός τηλεπισκόπησης TIR με γεωλογική ανάλυση και η κατανόηση του γεωθερμικού μηχανισμού είναι μια ακριβής και αποτελεσματική προσέγγιση της γεωθερμικής ενέργειας ανίχνευσης περιοχής.

1. Εισαγωγή

Η ανίχνευση θερμικού υπερύθρου (TIR) είναι μια αποτελεσματική τεχνική για τη λήψη της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης (LST). Τα θερμικά δεδομένα υπερύθρων για διαφορετικές χρονικές στιγμές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του βάθους των υπόγειων θερμικών πηγών για την ίδια περιοχή ανωμαλίας. Η ανωμαλία LST αποτελεί βασικό δείκτη γεωθερμικών περιοχών στο TIR σε απομακρυσμένες εικόνες. Ωστόσο, μπορεί να επηρεαστεί από πολλούς άλλους παράγοντες εκτός από τους γεωθερμικούς πόρους, όπως η ηλιακή ακτινοβολία, τις ομοιότητες και τους σεισμούς. Ως εκ τούτου, η γεωθερμική ανίχνευση χρησιμοποιώντας το TIR είναι ένα δύσκολο αλλά ενδιαφέρον θέμα, και ο μηχανισμός της γεωθερμικής ανωμαλίας αξίζει περαιτέρω εξερεύνηση για τη βελτίωση της ακρίβειας της γεωθερμικής ανίχνευσης.

2. Περιοχή μελέτης και δεδομένα

Η περιοχή μελέτης μας βρίσκεται 11 χιλιόμετρα νοτιοδυτικά του Tengchong στην επαρχία Yunnan της Κίνας. Η περιοχή Tengchong φημίζεται για τις ενεργές κινήσεις της, έντονες υδροθερμικές δραστηριότητες και υψηλό γεωθερμικό υπόβαθρο. Διαθέτει την υψηλότερη επίγεια θερμότητα (2,82 HFU) στην επαρχία Γιουνάν με μια μέση ετήσια θερμοκρασία στα 14,8 ° C. Περισσότερα από 70 διαφορετικά μεγέθη κρατήρων και περίπου 140 θερμές πηγές οι δραστηριότητες έχουν ανακαλυφθεί στο Tengchong. Το γεωθερμικό πεδίο Rehai είναι ένα από τα πιο χαρακτηριστικά γεωθερμικά πεδία στο Tengchong. Ως εκ τούτου, είναι μια προοπτική περιοχή για γεωθερμικούς πόρους και επίσης μια καλή περιοχή δοκιμών για τη γεωθερμική έρευνα χρησιμοποιώντας την τηλεανίχνευση TIR.

Εικόνα 1: Χάρτης της περιοχής μελέτης

3.Ανάκτηση θερμοκρασίας εδάφους

Σύμφωνα με τη θεωρία του μέλανος σώματος, η εκπεμπόμενη ακτινοβολία από ένα αντικείμενο μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο ακτινοβολίας του Planck:

Β(λ,Τ)= c_1 λ^(-5)/π(exp(c_2/λΤ)-1)

Όταν η εκπεμπόμενη ακτινοβολία του εδάφους Β (λ, Τ) μετράται, γενικά με θερμικό αισθητήρα, η θερμοκρασία T μπορεί να υπολογιστεί αναστρέφοντας το νόμο ακτινοβολίας του Planck. Στην πραγματικότητα, το Τ είναι η "θερμοκρασία φωτεινότητας" και αποτελεί τον πιο ανεπτυγμένο αλγόριθμο καθώς και περαιτέρω προεπεξεργασία δεδομένων, όπως ραδιομετρικά η βαθμονόμηση και η ατμοσφαιρική διόρθωση απαιτούνται για τον υπολογισμό της πραγματικής θερμοκρασία επιφάνειας.

Εικόνα 2: Γεωλογικός χάρτης της περιοχής μελέτης

Η ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα είναι σε μεγάλο βαθμό αλλοιωμένη από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Έτσι, απαιτείται ατμοσφαιρική διόρθωση για να ανακτηθούν οι πραγματικές παράμετροι επιφάνειας αφαιρώντας τα ατμοσφαιρικά αποτελέσματα, όπως η απορρόφηση, η ανοδική εκπομπή και η διάσπαση της ακτινοβολίας από την επιφάνεια της γης. Η ευαισθησία είναι βασική μεταβλητή στην ανάκτηση LST. Υπάρχουν δύο τρόποι προσδιορισμού της ικανότητας εκπομπής: καταρχάς, μέθοδο αναζήτησης (LUT), στην οποία οι τιμές εκπομπής αποδίδονται σε κάθε κλάση που προέρχεται από συμβατικές ταξινομημένες εικόνες. Δεύτερον, η ευαισθησία στο επίπεδο των εικονοστοιχείων υπολογίζεται με χρήση δείκτη βλάστησης από την κανονική διαφοροποιημένη βλάστηση (NDVI). Ο δείκτης βλάστησης είναι το ποσοστό της κάθετης προβολής βλάστησης σε μία περιοχή.

4.Μηχανιστική ανάλυση γεωθερμικής ανωμαλίας

Η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης παράγεται κυρίως από την ηλιακή ακτινοβολία που αντιπροσωπεύει μια ολόκληρη θέρμανση της επιφάνειας της γης και την εσωτερική θερμότητα της Γης που είναι υπεύθυνη για μια τοπική θέρμανση. Η κατανόηση της ισορροπίας της επιφάνειας και της εσωτερικής ενέργειας θα συμβάλει στην αναγνώριση των γεωθερμικών περιοχές που προκαλούνται από τη θέρμανση του πλανήτη.

Εικόνα 3: Χάρτης με τη θερμοκρασία εδάφους

Το ενεργειακό ισοζύγιο προσδιορίζεται από τη σχέση Q_d=H+λΕ+G, όπου Qd είναι η καθαρή ακτινοβολία που λαμβάνεται από την επιφάνεια της γης, Η σημαίνει η λογική ροή θερμότητας μεταξύ της επιφάνειας της γης και της χαμηλότερης ατμόσφαιρας, Ε είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας στη μετάβαση φάσης του νερού μεταξύ της υποκείμενης επιφάνειας και της ατμόσφαιρας και G είναι η ροή θερμότητας του εδάφους που χαρακτηρίζει τις θερμικές ανταλλαγές μεταξύ διαφορετικών βαθών του εδάφους. Η εσωτερική θερμότητα μεταφέρεται στην επιφάνεια της γης μέσω της θερμικής αγωγιμότητας και της μεταφοράς, κατά τη διάρκεια της οποίας διεξάγονται οι μεταβολές της ροής θερμότητας του εδάφους που θραύουν την ισορροπία της επιφανειακής ενέργειας και προκαλούν γεωθερμικές ανωμαλίες. Ως εκ τούτου, η υπόγεια πηγή θερμότητας και τα διαθέσιμα θερμικά κανάλια είναι δύο κρίσιμοι παράγοντες για τον προσδιορισμό γεωθερμικών περιοχών.

Εικόνα 4: Σύγκριση μεταξύ τοπογραφικού χάρτη και χάρτη θερμοκρασίας εδάφους

Στην περιοχή μελέτης, τα τεκτονικά κινήματα μαζί με την εισβολή υλικών, άλλαξαν τις χημικές και φυσικές ιδιότητες των πετρωμάτων στην περιοχή Tengchong και επηρέασαν άμεσα στη θερμική αγωγιμότητα του βράχου. Σύμφωνα με τον μηχανισμό θερμικής αγωγιμότητας, η θερμική αγωγιμότητα χαρακτηρίζει την ταχύτητα μεταφοράς της θερμικής ενέργειας. Λαμβάνοντας υπόψη την υπόγεια θερμική πηγή, όσο υψηλότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα, τόσο πιο γρήγορα μεταφέρεται η θερμότητα στο ανώτερο στρώμα της Γης. Επίσης, τα γεωχημικά χαρακτηριστικά των γεωθερμικών υγρών δείχνουν ότι η γεωθερμική δεξαμενή στην περιοχή μελέτης είναι πολυστρωματικής δομής και υπόκειται στην ανάπτυξη ενεργών βλαβών. Με βάση την ανάλυση της πηγής θερμότητας και της γεωλογικής δομής, προκύπτει ότι ο υπόγειας μαγματισμός συνεισφέρει άφθονα στην θερμική πηγή για την περιοχή Tengchong. Η περιοχή μελέτης χρησιμεύει ως θερμικό κανάλι για μεταφορά θερμότητας. Η υπόγεια θερμότητα μεταφέρεται στη γήινη επιφάνεια και διαταράσσει το ισοζύγιο ενέργειας της επιφάνειας, το οποίο αναλαμβάνει επιφανειακές θερμικές ανωμαλίες. Επομένως, οι ανωμαλίες LST σε αυτή την έρευνα μπορεί να προσδιοριστούν ως γεωθερμικές περιοχές.

5.Συμπεράσματα

Σε αυτή την εργασία, πραγματοποιείται μια γεωθερμική ανίχνευση στο Tengchong της Κίνας. Η θερμοκρασία επιφάνειας ανασύρεται από τα δεδομένα ETM + TIR και οι τέσσερις γεωθερμικές περιοχές προσδιορίζονται με γεωθερμική μηχανιστική ανάλυση και περιφερειακή γεωλογική έρευνα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κατανομή των γεωθερμικών περιοχών συσχετίζονται στενά με την ανάπτυξη παραπλανητικών δομών. Ο μαγματισμός στην περιοχή μελέτης χρησιμεύει ως πηγή θερμότητας για τη γεωθερμία και οι ανωμαλίες και οι βλάβες που παρέχουν τα θερμικά κανάλια για τη θερμότητα μεταφορά που διαταράσσει την τοπική ισορροπία της επιφανειακής ενέργειας, προκαλούν θερμικές ανωμαλίες στην επιφάνεια της γης. Τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας υποδεικνύουν επίσης ότι η τηλεπισκόπηση TIR είναι σημαντική τεχνική για τη γεωθερμική εξερεύνηση με την υψηλή αποτελεσματικότητά της, την απλότητα και την ακρίβεια στην ανάκτηση της θερμοκρασίας. Ωστόσο, μπορεί να ανιχνεύσει μόνο την επιφανειακή θερμική ανωμαλία και είναι ευαίσθητη στους ρηχούς θαμμένους γεωθερμικούς πόρους. Ως εκ τούτου, η γεωλογική ανάλυση και ο μηχανισμός της γεωθερμικής ανωμαλίας πρέπει να βοηθήσει και να διευκολύνει την αναγνώριση των γεωθερμικών περιοχών με TIR τηλεανίχνευση. Με γνώση του γεωθερμικού μηχανισμού και το συμπλήρωμα από τη γεωλογική έρευνα και την ακρίβεια της γεωθερμικής ανίχνευσης χρησιμοποιώντας την τηλεανίχνευση TIR μπορεί να σημειωθεί μεγάλη βελτίωση.