陳玲， 梁樹能， 周艷， 甘甫平， 魏紅艷

(1.國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室,北京 100083；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.中國地質博物館，北京 100034)

國產高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在高海拔地區(qū)地質調查中的應用潛力分析

陳玲1,2， 梁樹能1,2， 周艷3， 甘甫平1,2， 魏紅艷1,2

(1.國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室,北京 100083；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.中國地質博物館，北京 100034)

隨著國產高分衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射，高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在區(qū)域地質調查中的應用能力顯得越來越突出。采用資源一號02C(ZY-1 02C)和高分一號(GF-1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在對原始數(shù)據(jù)質量進行評價的基礎上，開展其在高海拔地區(qū)地質調查應用中的潛力分析。研究結果表明： ZY-1 02C和GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)已基本滿足大比例尺地質制圖的要求；在區(qū)域構造解譯和巖性信息提取方面已達到同等空間分辨率國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水平，在高海拔地區(qū)地質調查中有很大的應用潛力。

國產高分數(shù)據(jù)；地質調查；高海拔地區(qū)；應用潛力

0 引言

隨著我國高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取技術的不斷發(fā)展，國產衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率已經達到m級，如資源一號02C星(以下簡稱ZY-1 02C)全色數(shù)據(jù)的空間分辨率已達到2.36 m、高分一號衛(wèi)星(以下簡稱GF-1)全色數(shù)據(jù)的空間分辨率已達到2 m。ZY-1 02C是根據(jù)國土資源部主體業(yè)務需求定制的國產高分辨率業(yè)務衛(wèi)星，是2011年12月22日由“長征四號乙”運載火箭成功發(fā)射升空，其提供的原始圖像包括2臺高分辨率相機(high resolution，HR)拼接的空間分辨率2.36 m的全色圖像，以及全色多光譜(panchromatic and multispectral，PMS)相機拍攝的5 m全色圖像和10 m多光譜圖像[1-2]。GF-1是我國高分系列衛(wèi)星中首顆考核壽命要求超過5 a的民用低軌遙感衛(wèi)星，于2013年4月26日由“長征二號丁”運載火箭成功發(fā)射升空，配置有2臺空間分辨率為2 m全色/8 m 多光譜的高分辨率相機和4臺空間分辨率為16 m的多光譜中分辨率寬幅相機。6臺相機相互配合，使GF-1具有“高分辨率與大視場相結合，多載荷圖像拼接融合應用”的特點[3]。胡鳳偉等[4]研究了ZY-1 02C星PMS數(shù)據(jù)的處理方法；文雄飛等[2]研究了PMS數(shù)據(jù)在水利方面的應用。但目前采用這些數(shù)據(jù)在高海拔地區(qū)開展區(qū)域地質調查研究的報道還較少。

本文在對ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)質量進行評價的基礎上開展其在高海拔地區(qū)地質調查應用中的潛力分析，為在全國范圍內廣泛應用國產高分數(shù)據(jù)積累經驗和技術方法，促進國產高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在區(qū)域地質調查中的規(guī)?；彤a業(yè)化應用。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原北部的西昆侖—喀喇昆侖一帶，屬高原高山區(qū)。氣候以干燥寒冷、溫差大(晝夜溫差>15℃)、降水稀少為特征，屬典型的高原季風氣候。由于植被覆蓋率較低，山體大多裸露。區(qū)內地勢西高東低，海拔高度平均4 500 m，地形切割強烈，相對高差達1 500～4 000 m。構造上處于古亞洲和特提斯2大構造域的結合部位，連接塔里木、華南2大板塊[5]。本研究主要集中在喀喇昆侖構造帶。該構造帶以塔阿西斷裂為界，西南側為明鐵蓋陸塊，北東側為塔什庫爾干陸塊。區(qū)內構造主要為北西向線性構造，次為北東向線性構造，北西向與北東向線性構造交匯部位常常是成礦的有利位置[6-7]。出露巖石和松散堆積物主要有下志留統(tǒng)溫泉溝組的粉砂質泥(板)巖、石英砂巖及結晶灰?guī)r等，上石炭統(tǒng)恰提爾群的泥晶灰?guī)r、含生物屑泥晶灰?guī)r、亮晶生物屑灰?guī)r、含生物屑鮞粒灰?guī)r及含砂屑鮞?；?guī)r等，未分的二疊系的中-細粒長石石英砂巖、巖屑長石砂巖、鈣質長石粉砂巖、凝灰?guī)r等以及分布在葉爾羌河及其溝谷兩側的第四系沖洪積物[8]。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預處理

由于研究區(qū)地處高海拔地區(qū)，本研究采用的2013年9月29日ZY-1 02C星HR和PMS數(shù)據(jù)，以及同季節(jié)的GF-1 PMS數(shù)據(jù)都有少量積雪覆蓋。ZY-1 02C星的多光譜假彩色合成圖像如圖1所示。

ZY-1 02C星和GF-1星數(shù)據(jù)的有效載荷技術指標見表1。

表1 ZY-1 02C和GF-1衛(wèi)星有效載荷技術指標[9]Tab.1 Technical index of the payload for ZY-1 02C and GF-1 satellites[9]

對獲取的數(shù)據(jù)進行質量評價后，再對其進行預處理，包括輻射校正、幾何糾正、圖像配準及波段融合等。

2 質量評價

從遙感區(qū)域地質調查應用需求出發(fā)，本研究主要采用目視判讀與定量評價相結合的方法對ZY-1 02C 的HR，PMS和GF-1 衛(wèi)星的PMS數(shù)據(jù)從影像信息量、清晰度及波段相關系數(shù)進行質量分析。

2.1 信息量和清晰度

影像信息量越大、清晰度越高則能提取的地質信息將越多。ZY-1 02C星的多光譜數(shù)據(jù)和全色數(shù)據(jù)融合后，空間分辨率為5 m，在目視效果上圖像紋理信息較差，影像邊緣較為模糊，但光譜信息比較豐富，可分辨目標較多。而PMS多光譜數(shù)據(jù)和HR數(shù)據(jù)融合后，空間分辨率為2.36 m，目視效果較多光譜影像清晰很多，地物邊界明顯，紋理信息、層次較豐富且不同巖性地區(qū)具有不同的色調和紋理(圖2)。

(a) 多光譜圖像 (b) 全色和多光譜融合圖像 (c) HR和多光譜融合圖像

圖2 ZY-1 02C星B1(R)B3(G)B2(B)假彩色合成圖像對比

Fig.2 Comparison of false color images composed of B1(R)B3(G)B2(B)of ZY-1 02C satellite

GF-1多光譜數(shù)據(jù)分辨率為8 m，與全色數(shù)據(jù)融合后，空間分辨率為2 m，影像層次感豐富，紋理邊緣較為清晰，目視可分辨目標物較多，具有和ZY-1 02C的PMS-HR融合圖像相當?shù)男Ч?/p>

2.2 相關系數(shù)

相關系數(shù)反映了不同波段間的相關程度，分析圖像各個波段間的相關系數(shù)對波段選擇和減少數(shù)據(jù)冗余有很大作用[10-11]。本文對2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)不同波段間的相關系數(shù)進行了統(tǒng)計，其結果如表2所示。

表2 研究區(qū)ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)波段間相關系數(shù)對比Tab.2 Comparison between the correlation coefficients among waveb and sof ZY-1 02C data and GF-1 data in the research area

從表2可以看出，盡管ZY-1 02C數(shù)據(jù)的3個多光譜波段的相關系數(shù)差別很小，但從結果仍可看出第3波段與其他2個波段間的相關系數(shù)要更小些，表明ZY-1 02C星多光譜數(shù)據(jù)第3波段的獨立性略好于另外2個波段。GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)第4波段比其他3個波段間的相關系數(shù)小，說明第4波段的數(shù)據(jù)獨立性好于另外3個波段，因此在用于提取地質信息的波段組合方案的研究中必選該波段。

3 區(qū)域地質調查應用潛力分析

3.1 成圖比例尺

遙感影像的最佳成圖比例尺對于區(qū)域地質調查具有重要意義[12]。一般認為遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率在很大程度上決定了影像成圖的比例尺。一般圖件允許的實地誤差10-3en與遙感影像糾正后存在的實地誤差CR在遙感制圖中應該相等,即[13]

10-3en=CR,

(1)

式中：e為人眼的分辨率；n為可制作的合理成圖比例尺的分母；R為遙感圖像的空間分辨率，m；C為圖形幾何糾正系數(shù), 即經幾何糾正后最差的像元位置的均方根差(root mean square,RMS), 以像元為單位，是一個待定變量。通常以實時動態(tài)GPS測量值作為真值,求出精糾正遙感圖像與真值的誤差,計算得到誤差的均方根差,就可以求出精糾正遙感圖像均方根差的像元個數(shù),即C。在一般研究中，無法準確獲得C，多光譜影像只能在糾正中盡量提高控制點選擇的精度，降低均方根殘差。在大多數(shù)研究中將C取為1。

根據(jù)人眼目視分辨率通常為0.1 mm和ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)的空間分辨率可推算出ZY-1 02C星的HR圖像、全色-多光譜融合圖像、GF-1 星的多光譜圖像及全色-多光譜融合圖像的最佳成圖比例尺分別為1∶23 600，1∶50 000,1∶80 000及1∶20 000。根據(jù)人眼分辨率可達0.25～0.3 mm，推算出ZY-1 02C星的HR圖像、全色-多光譜融合圖像、GF-1 星的多光譜及全色-多光譜融合圖像的成圖比例尺范圍分別為1∶5 900～1∶7 900，1∶15 000～1∶20 000，1∶32 000～1∶26 000，1∶8 000～1∶6 700。

但是，最大成圖能力不僅與像元分辨率有關，還與影像的幾何糾正、鑲嵌精度(接邊限差)及數(shù)據(jù)配準等有關。綜合分析誤差結果和鑲嵌結果，本研究認為高原山區(qū)ZY-1 02C星的HR數(shù)據(jù)糾正精度達到5 m左右，成圖比例尺在1∶50 000左右，ZY-1 02C 全色與多光譜融合圖像糾正精度達到8 m左右，成圖比例尺應在1∶80 000左右，GF-1 全色與多光譜融合數(shù)據(jù)校正精度達到4 m左右，成圖比例尺在1∶40 000左右，基本上能滿足該類地區(qū)目前相應比例尺地質制圖的要求[14-15](表3)。

表3 ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)空間分辨率與成圖比例尺關系Tab.3 Relationship between spatial resolution and mapping scale for ZY-1 02C and GF-1 data

3.2 區(qū)域構造解譯

研究區(qū)內最大的斷裂構造是塔什庫爾干斷裂。該斷裂實際上是一條非常重要的活動斷裂帶，沿塔什庫爾干河谷展布，且沿河谷兩側有多條活動斷裂存在，斷層泉(溫泉)發(fā)育。如著名的塔合曼溫泉就位于河谷西側活動斷裂上。在遙感圖像上，該斷裂構造具有明顯的線性影像特征，第四系和基巖區(qū)色調分界呈直線型，河流整體上呈直線型展布。同時，從色調、紋理亦可判斷由斷裂所構成的地層、巖性邊界(圖3)。總體來說， ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)在斷裂空間展布、形態(tài)等方面具有較好的應用效果，已經達到同等分辨率國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水平。

(a) ZY-1 02C B1(R)B3(G)B2(B)合成圖像 (b) GF-1 B1(R)B2(G)B3(B)合成圖像

圖3 研究區(qū)遙感影像圖

Fig.3 Remote sensing images of study area

3.3 巖性信息提取

巖性信息提取主要采用ZY-1 02C以及GF-1融合后的2.36 m和2 m的遙感數(shù)據(jù)。在建立遙感地質解譯標志的基礎上，以人機交互解譯為主，利用大比例尺遙感圖像，開展巖性信息提取工作。由于研究區(qū)內缺少侵入巖，本文只進行沉積巖和變質巖的信息提取。結果表明,ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)能夠較好地區(qū)分沉積巖和變質巖,如圖4所示。

(a) 石炭紀灰?guī)r與二疊紀凝灰?guī)r (b) 二疊紀凝灰?guī)r與細粒石英砂巖

圖4 ZY-1 02C星B1(R)B3(G)B2(B)假彩色合成圖像

Fig.4 False color images composed of B1(R)B3(G)B2(B)of ZY-1 02C satellite

由圖4可以看出，石炭紀灰?guī)r在ZY-1 02C圖像上呈灰白色調，紋理粗糙，呈團塊狀，邊界不規(guī)則，溝谷不發(fā)育；泥晶灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r色調稍深，呈灰褐色色調，紋理粗糙，呈斑塊狀。二疊紀凝灰?guī)r在圖像上呈灰黑色色調，紋理光滑；細粒石英砂巖在圖像上呈灰白色色調，紋理較凝灰?guī)r光滑，溝谷發(fā)育。研究區(qū)的第四系分布廣泛，以沖積物為主，其次為砂土和礫石，構成了三級河流階地，與周圍地層影像差異較明顯。GF-1遙感數(shù)據(jù)顯示第四紀沉積物一般色調較淺，紋理較光滑(圖5)。

(a) 志留紀石英片巖與鈣質板巖 (b) 第四紀沖積物

圖5 GF-1星B2(R)B4(G)B3(B)假彩色合成圖像

Fig.5 False color images composed of B2(R)B4(G)B3(B)of GF-1 satellite

4 結論

本文通過目視判讀與定量評價相結合的方法對ZY-1 02C星和GF-1星HR和PMS傳感器全色、多光譜數(shù)據(jù)的信息量和清晰度進行評價，通過對各個波段進行統(tǒng)計分析，計算波段間的相關系數(shù)，最后利用ZY-1 02C和GF-1數(shù)據(jù)進行了研究區(qū)區(qū)域地質調查應用潛力評價。研究認為，利用ZY-1 02C和GF-1星數(shù)據(jù)在高海拔地區(qū)開展區(qū)域地質調查前景廣泛，得出如下結論︰

1)ZY-1 02C多光譜數(shù)據(jù)第3波段與其他2個波段間的相關系數(shù)相對較小，即其獨立性好于另外2個波段；GF-1多光譜數(shù)據(jù)第4波段與其他3個波段的相關系數(shù)也較小，即其獨立性好于另外3個波段。在使用比值等信息增強方法和合成圖像時可優(yōu)先選用。

2)ZY-1 02C以及GF-1融合后的遙感數(shù)據(jù)影像清晰，紋理信息較豐富，適用于高原地區(qū)的區(qū)域地質調查。

3)根據(jù)影像分辨率和成圖比例尺的關系，本研究認為高原山區(qū)ZY-1 02C HR數(shù)據(jù)糾正精度達到5 m左右，成圖比例尺在1∶50 000左右，全色與多光譜融合影像糾正精度達到8 m左右，成圖比例尺應在1∶80 000左右，GF-1 全色與多光譜融合數(shù)據(jù)校正精度達到4 m左右，成圖比例尺在1∶40 000左右,能滿足相應比例尺地質制圖的要求。

4)現(xiàn)有研究認為，國產高分遙感數(shù)據(jù)在區(qū)域地質找礦工作中具有較好的應用前景，在構造和巖性信息提取方面具有較好的效果，但由于受波段設置和光譜分辨率的影響，其在遙感蝕變異常信息提取方面的應用還有待進一步研究。

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(責任編輯： 邢宇)

Potential of applying domestic high-resolution remote sensing data to geological survey in high altitudes

CHEN Ling1,2， LIANG Shuneng1,2， ZHOU Yan3， GAN Fuping1,2， WEI Hongyan1,2

(1.KeyLaboratoryofAirborneGeophysicsandRemoteSensingGeology,MinistryofLandandResources，Beijing100083,China；2.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China;3.GeologicalMuseumofChina,Beijing100034,China)

With the launch of domestic high-resolution satellites, the application of them to regional geological survey has become an urgent task. Based on the evaluation of original image, the authors employed ZY-1 02C and GF-1 images to explore the application potential of geological survey in West Kunlun high altitudes. The research indicates that ZY-1 02C and GF-1 images can not only satisfy the requirements of large-scale geological mapping but also present good application effect in tectonic interpretation and lithological information extraction, thus showing great potential in geological survey.

domestic high-resolution remote sensing data; geological survey; high altitudes area; application potential

2013-03-10；

2013-05-13

國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室航遙青年創(chuàng)新基金項目(編號： 2013YFL08)、國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目(編號： 201311036)和東昆侖成礦帶礦產資源遙感綜合調查項目(編號： 12120113045300)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.22

陳玲，梁樹能，周艷，等.國產高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在高海拔地區(qū)地質調查中的應用潛力分析[J].國土資源遙感，2015，27(1)：140-145.(Chen L，Liang S N,Zhou Y，et al.Potential of applying domestic high-resolution remote sensing data to geological survey in high altitudes[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：140-145.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0140-06

陳玲(1982-)，女，博士，主要從事遙感地質、礦產等理論和應用研究。Email: chenling010@126.com。

甘甫平(1971-)，男，研究員，主要從事遙感地質領域遙感技術方法及應用研究。Email: fpgan@aliyun.com。