Question

光谱信息分析

Answer 1

岩石、植被和土壤等环境物质在高温的作用下，会引起这些物质物理、化学性质的改变，形成与煤层自燃有关的一些特殊光谱特征。煤层自燃改变了原岩的物理和化学成分，形成的烧变岩在物质组分方面发生很大变化，特别是不同烧变程度的烧变岩中氧化铁的富集程度不一样，燃烧程度大的烧变岩呈灰白到白色，燃烧程度小或正处于燃烧阶段的烧变岩则表现为红色或红褐色。

土壤。土壤的可见光、近红外光谱特性与土壤的质地、有机质含量和含水性等有关。煤层自燃的热作用导致周围的土壤含水性降低，致使土壤的光谱反射率升高。正常地区的土壤，其湿度不变，反射率较低。煤层自燃的作用还使土壤中有机质含量减少，颜色发生变化，这样会引起土壤光谱特性的变化，反射率相对增加。

植被。煤层自燃高温作用对植被的生长和发育产生一系列直接或间接的影响，改变了植被的环境条件，影响局部小气候、土壤、水分含量，致使土壤结构、湿度发生变化，间接影响植物生长，导致区内植被发育不正常和分布不均匀。此外，植被受温度异常影响，产生“升温”和“毒化”作用，煤层燃烧后产生的芒硝、硫磺等析出物的毒害也使植被的色素物质改变，从而影响植被的光谱分布特征。

（一）煤火区高光谱特征分析

根据乌达煤火区野外调查，对燃烧区内处于不同燃烧程度下的岩石和土壤以及围岩标本进行了采集和室内光谱测试，主要按围岩、烧变岩和土壤三种类型进行分类和归纳。

1.白色沉积物覆盖岩石与围岩

在裂隙烟气喷出口孔壁的红色砂岩（原岩）经过烟气烘烤后，表面覆盖一层白霜状物质，喷口有大量白色沉积物。裂隙部位温度在100～300℃之间，烘烤岩石温度在60～70℃之间，地表温度在10～13℃之间。图2⁃2⁃1为乌达火区内典型的白色沉积物烧变岩和原岩的反射光谱曲线。光谱曲线特征差异为：红色砂岩（原岩）在0.879μm处可见到宽而吸收强的Fe³⁺离子谱带，在0.671μm处的 Fe³⁺离子谱带较弱，反映出较强的褐铁矿吸收特征（0.5μm和0.9μm附近的吸收）。岩石烘烤表面覆盖一层白霜状物质后，以上光谱特征消失。红色砂岩在1.417μm、1.933μm、2.214μm附近存在着强的吸收光谱；而覆盖一层白霜状物质后，以2.077μm和2.209μm的吸收谱带明显。红色砂岩在0.48～1.353μm间反射率从15%陡升到48%；在2.157～2.50μm之间吸收特征多而明显，反射率从46%下降到34%；受燃烧影响的岩石面的反射率曲线在0.48～1.353μm上升平缓，从15%陡升到30%，只有在2.214μm吸收特征清晰，尖而强。这是两者的最明显差异。

图2-2-1 处于燃烧喷气口部位岩石与未受烘烤岩石的光谱曲线比较图

2.烧变砂岩

煤层燃烧使得上覆的砂岩、页岩等受热变质，形成黑红色、红褐色和灰黑色烧变岩，地表呈塌陷乱石堆；周围未烧变砂岩总体呈青灰色，这种现象主要出现在煤层自燃的死火阶段。烧变岩分布很杂乱，颜色基本呈现红褐色和灰黑色，温度与地表周围温度变化不大。燃烧程度大的烧变岩呈灰白到白色，燃烧程度小或正处于燃烧阶段的烧变岩则表现为红色或红褐色。

图2⁃2⁃2为乌达煤火区部分烧变岩和原岩的反射光谱曲线。板状灰黑色烧变岩的反射率较高，而红褐色致密块状烧变砂岩的反射率最低。在吸收特征方面，红褐色烧变砂岩的铁离子光谱吸收特征最明显，在0.664μm和0.866μm附近出现宽而深的典型褐铁矿波谱特征，在0.900μm的强吸收随波长增加反射率急剧上升，至1.400μm附近达最高值。除在1.400μm和1.940μm都存在明显的水汽吸收谱带外，在2.209μm附近未烧变原岩的吸收强烈；而烧变岩吸收变化很大，红褐色致密块状烧变砂岩的吸收不明显，而红褐色板状细砾烧变砂岩与原岩的吸收一致。此外，部分烧变岩在2.324μm和2.452μm出现吸收特征，可能与粘土矿物的吸收有关。

3.烧变土壤

正在燃烧区的土壤受喷出口白色热气蒸烤（受灭火注水的影响），土壤湿度较高，呈灰黑色泥状物，泥土中含有火星；而未被烟汽烘烤的土壤呈黄色和灰白色，土壤呈板结状，湿度低。喷出口温度在70～1600℃之间。图2⁃2⁃3为乌达煤火区正在烘烤土壤和未烘烤土壤的反射光谱曲线对比图。

处于燃烧区上方通过裂隙冒出的烟雾烘烤的土壤，其反射率曲线低缓平直，反射率值低。0.48～1.353μm间反射率曲线从3%缓慢升到6%；在短波红外波段，由4%下降到3%。地表正常土壤的反射率最小值为11%，最大反射率为15%。在吸收特征方面，两者都表现出无明显的吸收谱带现象，即没有出现强的吸收特征；受烘烤的土壤在1.949μm出现强的水汽吸收谱带。两者的差异主要体现在反射率大小上。

图2-2-2 燃烧烧变岩石与未烧变岩石的光谱曲线比较图

图2-2-3 燃烧区烟气烘烤土壤与未烘烤土壤的光谱曲线比较图

在部分已处于燃烧熄灭阶段的土壤区，冒汽孔部位的土壤表层覆盖一层白色沉积物，喷出口温度在50～600℃。图2⁃2⁃4为乌达煤田火区含白色沉积物土壤和不含白色沉积物土壤的反射光谱曲线对比图。

燃烧区周围白色物质覆盖土壤与未受影响土壤（原土壤）的光谱特征差异明显。以波长0.60μm为分界线，波长小于0.60μm，白色混合状的土壤的反射率值大于原土壤的反射率值；波长大于0.60μm，正好相反。白色土壤的反射率变化在19%～31%之间，原土壤的反射率变化在17%～38%之间。二者在1.417μm、1.950μm和2.220μm处都存在强的吸收特征。

图2-2-4 燃烧区烟气烘烤土壤与未烘烤土壤的光谱曲线比较图

4.地表析出的芒硝和硫磺矿物

图2⁃2⁃5为从USGS（2004）矿物光谱数据库中提取的芒硝和硫磺矿物光谱曲线。

芒硝的反射率曲线非常典型，曲线形态起伏大，可见光—近红外反射率值较高，可达90%。在短波红外波段存在多个非常明显的光谱吸收特征。硫磺在0.45～0.5μm内反射率曲线陡升，由5%快速升高到80%；在0.5～2.5μm内曲线几乎水平，反射率值在80%左右，没有很明显的吸收特征。

表2⁃2⁃5是根据上述典型岩石矿物、土壤与围岩的反射光谱数据的吸收特征与煤火区燃烧状态的对应关系，总结分析得到的燃烧区高光谱探测特征参数。

（二）煤火区多光谱特征分析

对于TM和ASTER多波段图像，不同的波段对岩石、植被、土壤和水分的识别敏感度差异较大。为了对比分析具有一定规模的不同类型的煤火区烧变岩、土壤、植被和非燃烧区地物的图像多光谱特征，对TM遥感图像按不同燃烧区的岩石、土壤、植被和积雪等大类进行采样；对ASTER遥感图像按不同烧变岩类型进行采样。利用这些采样统计数据做出各地物的图像光谱曲线图，分析这些地物在煤火区与非煤火区的光谱差异。

1.TM图像光谱特征

根据汝箕沟具有一定规模煤火区（大于3个像元）的岩石、土壤、植被和积雪等典型地物的分布信息，提取这些地物剖面的图像光谱信息，主要变化特征如下。

图2-2-5 硫磺和芒硝的光谱曲线比较图

表2-2-5 地下煤层自燃高光谱探测参数特征

（1）煤火燃烧区光谱剖面特征。煤火区的反射光谱剖面曲线见图2⁃2⁃6（a）、（b）。总体表现为5、7波段急剧升高，波段间图像亮度值的基本变化模式为：TM5＞TM7＞TM1＞TM3＞TM2＞TM4。

图2-2-6 汝箕沟煤火区剖面图像亮度值变化曲线

在乌兰矿和大岭明火区，7波段图像亮度值急剧升高，烧变岩和明火区的波段比值TM7/TM4呈现出强烈的异常特征；围岩区波段间图像亮度值基本变化模式为TM1＞TM2＞TM3＞TM4＞TM5＞TM7。

（2）煤火燃烧区植被的光谱剖面特征。选取一块稳定均匀且有植被分布的煤火区，其剖面亮度值变化曲线见图2⁃2⁃7（a）。光谱变化特征为：TM5＞TM4＞TM7＞TM1＞TM3＞TM2。非煤火区的植被特点是TM2和TM3之间有部分相交点，亮度值在20～60之间变化。

（3）煤火燃烧区积雪的光谱剖面特征。煤火燃烧区积雪的光谱剖面曲线见图2⁃2⁃7（b），变化趋势是：TM3＞TM5＞TM7＞TM4＞TM1＞TM2。非煤火区：TM3＞TM1＞TM2＞TM4＞TM5＞TM7，TM5值较高，差异较大。

（4）烧变土壤区的光谱剖面特征。非烧变区与烧变沙地光谱剖面曲线见图2⁃2⁃7（c）、（d）。光谱特征有两种模式：正在燃烧的烧变土壤TM5＞TM7＞TM3＞TM1＞TM2＞TM4，过火区的土壤TM5＞TM3＞TM7＞TM1＞TM2＞TM4。非烧变区土壤的光谱特征为：TM5＞TM7＞TM3＞TM4＞TM2＞TM1，各波段曲线相互平行，无交叉现象。

2.ASTER图像光谱特征

ASTER卫星遥感数据的独特之处是增加了短波红外和热波段的数目，结合地面调查地理坐标信息和地下煤火灾害实况，对一些包含特殊燃烧目标的像元图像光谱信息进行提取和分析。图2⁃2⁃8 至图2⁃2⁃9是汝箕沟和乌达煤火区不同典型烧变岩区图像光谱特征曲线，光谱特征变化如下。

（1）汝箕沟火区烧变岩石的图像光谱特征：正在燃烧区的烧变砂岩在B1和B2波段值大于非燃烧区的烧变砂岩，B3和B4波段亮度值变化出现不规律变化。在SWIR谱段，燃烧区上部岩石短波红外波段波形特征明显。燃烧区的炭质砂岩和烧变岩区的B9亮度值比B8有明显升高趋势，变化幅度可能与地表的燃烧温度有关。采样点显示短波红外波段亮度值大小和波形变化特征可能与岩性和燃烧程度有关。

（2）在乌达煤田，地表采样点显示VNIR谱段波形变化与汝箕沟地区地表采样点的波形变化相反。短波红外波形变化特征形式多样，彼此间差异变化很大。围岩的短波红外波段亮度值明显高于烧变岩区的波段亮度值，B3、B4和B5波段亮度值变化特征比较明显。由于乌达煤田地形起伏小，岩石类型基本以砂岩和含煤系地层为主，在SWIR谱段的变化主要反映的是火区岩石的烧变信息，砂岩、煤层及其岩性等的混合分布信息。

图2-2-7 汝箕沟煤火区典型地物剖面图像亮度值变化曲线