梁樹能 魏紅艷 甘甫平 陳玲 肖晨超

（1 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

（2 國土資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點實驗室，北京 100083）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，是我國第一顆目標定位精度要求達到50m、壽命要求達到5～8年的低軌遙感衛(wèi)星。GF-2衛(wèi)星的空間分辨率優(yōu)于1m，同時還具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態(tài)機動能力等特點，標志著我國民用遙感衛(wèi)星進入亞米級的“高分時代”。

隨著我國航空航天技術的飛速發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中的應用越來越廣泛[1-2]，其具有大面積、高精度、低成本、快速客觀和易于綜合比對分析地質(zhì)體的綜合信息等優(yōu)勢，在遙感地質(zhì)解譯及填圖[3]、蝕變信息提取[4-5]、礦物填圖[6]等遙感地質(zhì)工作中能發(fā)揮極大的效益優(yōu)勢。同時，隨著我國高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的不斷增加，數(shù)據(jù)的空間分辨率以及光譜分辨率的不斷提高，使得衛(wèi)星遙感技術在地質(zhì)調(diào)查工作中的應用前景越來越廣泛，是新形勢下找礦戰(zhàn)略中開展大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、實現(xiàn)礦集區(qū)有效預選以及圈定成礦有利地段的一種有效方法[7]。

基于此，在GF-2衛(wèi)星在軌測試期間，為了更好地了解GF-2衛(wèi)星在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中的可應用性及適宜性，本文以新疆哈密遙感地質(zhì)試驗場區(qū)為研究區(qū)，從 GF-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)特征及數(shù)據(jù)處理著手，對利用 GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行地質(zhì)構造信息解釋、巖性信息的提取以及對遙感影像地質(zhì)單元的可識別精度等應用進行了評價，以期能更好地發(fā)揮和利用GF-2衛(wèi)星在地質(zhì)礦產(chǎn)工作中的優(yōu)勢，促進GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地質(zhì)領域中大區(qū)域、業(yè)務化的推廣及應用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆東天山哈密黃山地區(qū)，屬于低山–丘陵地區(qū)，總體地勢由西部向東南逐漸升高。干旱少雨，晝夜溫差較大，植被稀少，非常適宜運用遙感技術開展區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作。

研究區(qū)在構造地質(zhì)學及其板塊構造意義上地處哈薩克斯坦–準噶爾板塊中的準噶爾地塊，屬于塔里木板塊北部陸緣活動帶二級構造單元[8]。該區(qū)域構造發(fā)育，尤其是斷裂構造，與區(qū)內(nèi)構造運動的多期性和復雜性有關，深斷裂、大斷裂和一般斷裂構成錯綜復雜的斷裂系統(tǒng)，并以此分割具有不同地質(zhì)建造特征的大地構造單元體系。研究區(qū)所涉及的地層單元主要有長城系星星峽巖群中深變質(zhì)巖；下石炭統(tǒng)干墩組次深海相陸源碎屑淺變質(zhì)巖、中酸性火山碎屑巖、石炭統(tǒng)苦水巖組以及第四系和第三系等地層。區(qū)域礦產(chǎn)以銅、鎳、鉛、鋅、鐵、金為主，隸屬于康古爾塔格銅、鎳、金、鉬、稀有成礦帶的一部分。研究區(qū)地質(zhì)簡圖見圖1。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)源及預處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本次應用評價主要是基于高空間分辨率的GF-2衛(wèi)星L1A級數(shù)據(jù)。GF-2衛(wèi)星能夠提供優(yōu)于1m分辨率的全色圖像和優(yōu)于4m分辨率的4個波段的多光譜圖像，多光譜波段范圍為：0.45～0.52μm、0.52～0.59μm、0.63～0.69μm和0.77～0.89μm。其星下點幅寬優(yōu)于45km，重訪周期優(yōu)于5天，影像空間分辨率可達0.8m[9]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of study area

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次選用了兩景GF-2衛(wèi)星 L1A級數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時相分別為2014年10月31日和2014年11月15日。在進行遙感地質(zhì)要素識別之前，以研究區(qū)WorldView-2衛(wèi)星正射影像為底圖，對GF-2衛(wèi)星L1A級數(shù)據(jù)進行了幾何校正[10]，幾何校正精度優(yōu)于一個像元，可滿足遙感地質(zhì)解譯應用的需求；并采用 Pan Sharpening方法對GF-2衛(wèi)星全色和多光譜影像進行融合，融合影像既提高了多光譜影像的空間分辨率，又保留了其多光譜特征，極大地提高了地層、巖體、巖脈及斷裂構造等遙感地質(zhì)要素間的差異，提高了其可解性。GF-2衛(wèi)星 4m多光譜及融合影像增強對比，見圖2。

圖2 GF-2衛(wèi)星4m多光譜及融合影像增強對比Fig.2 Comparison between multispectral and fused GF-2 4m image

3 遙感地質(zhì)解譯應用評價

本文對無植被覆蓋的裸露地區(qū)，通過影像信息增強處理，擴大影像中各地質(zhì)要素間的差異，提高遙感影像地質(zhì)單元解譯標志的判別能力，對GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在構造、地層、巖體/巖脈等地質(zhì)要素的幾何形態(tài)、紋理特征，以及各要素之間的空間關系等的判別能力及可識別精度進行評價。

3.1 地質(zhì)構造信息解譯

在斷裂構造的識別、構造位置的空間展布等構造信息的判識上，GF-2衛(wèi)星融合影像數(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，還能識別出花崗巖體中的辟理等微構造信息以及區(qū)域褶皺、韌性剪切帶等。

3.1.1 斷裂構造解譯

研究區(qū)域發(fā)育有多期次斷裂構造，在 GF-2衛(wèi)星影像上影紋及色調(diào)特征非常明顯，主要呈東西向、東北向及西北向展布，呈現(xiàn)出明顯的線狀影像特征，尤其是第四系沉積物和地層、基巖地區(qū)存在直線型分界，顏色和色調(diào)分界呈直線型，如圖3所示，圖中紅線所示即為深大斷裂。同時，從色調(diào)、紋理亦可判斷由斷裂所構成的地層、巖性邊界，如圖4所示。

圖3 研究區(qū)深大斷裂GF-2衛(wèi)星遙感影像特征Fig.3 GF-2 image features of deep faults in study area

圖4 研究區(qū)東北向逆斷層影像特征Fig.4 NE reverse faults image characteristics in study area

3.1.2 褶皺構造解譯

研究區(qū)構造發(fā)育，構造演化復雜，局部地區(qū)擠壓變形嚴重，致使褶皺構造發(fā)育，影像特征非常明顯。在 GF-2衛(wèi)星多光譜融合影像中，可清晰識別出褶曲構造、地層角度不整合、侵入體、異常地體的接觸變質(zhì)現(xiàn)象。研究區(qū)褶皺構造影像特征，見圖5。

圖5 研究區(qū)褶皺構造影像特征Fig.5 Fold structure image features in study area

3.1.3 環(huán)形構造解譯

研究區(qū)環(huán)形構造發(fā)育，影像上呈圓形、橢圓形及次橢圓形，與周圍其它地質(zhì)體界線清晰，主要是由巖體及地貌特征所引起。研究區(qū)環(huán)形構造影像特征，見圖6。

圖6 研究區(qū)環(huán)形構造影像特征Fig.6 Ring structure image features in study area

3.1.4 辟理或節(jié)理等微構造信息識別

辟理或節(jié)理多發(fā)育在巖體中，影像上往往表現(xiàn)為細小、密集的平行格網(wǎng)狀、細脈狀延伸，是由巖體被密集剪切節(jié)理切割所成的巖片。GF-2衛(wèi)星融合影像能有效識別出巖體上西北向和北北東向的辟理等微構造，巖體片理化影像特征，見圖7。

文本類檔案是目前最廣泛的一種檔案類型，包括各種會議文件、電報、領導人講話、合同、協(xié)議、出版物原稿等。根據(jù)數(shù)據(jù)類型可以分為兩類，一類是電子版的文本類型檔案，這類檔案隨著計算機辦公的普及近年來數(shù)據(jù)顯著增加，是數(shù)字化檔案管理的主流類型；另一類是多媒體格式的文本檔案，這類檔案雖然信息屬于文本類，數(shù)據(jù)格式卻不限于文本類型，例如影印版文稿數(shù)據(jù)類型為圖片類型、會議記錄錄音屬于音頻類型，多媒體文本檔案需要先進行數(shù)據(jù)預處理，例如影印版文稿需要通過OCR文字識別技術將圖片轉(zhuǎn)換為文字，會議記錄錄音需要通過語音識別技術將聲音轉(zhuǎn)換為文字。多媒體類型文字檔案通過數(shù)據(jù)預處理之后再按照文本類檔案進行特征提取。

圖7 巖體片理化影像特征Fig.7 Image features of rock schistosity

3.2 地層巖性信息的提取

3.2.1 地層信息解譯

下石炭統(tǒng)干墩組地層為一套次深海相陸源碎屑沉積巖、火山巖和碳酸鹽巖組合，在研究區(qū)內(nèi)出露面積最大，影像特征明顯，顏色成灰黑色、灰黃色以及淺灰白色，影紋粗糙，與周圍地層及巖體分界清楚。其第二巖段中的凝灰?guī)r和巖屑砂巖呈互層出露，在 GF-2衛(wèi)星融合影像上可以明顯地區(qū)分，凝灰?guī)r呈灰黑色色調(diào)，光滑片狀影紋，溝谷比較發(fā)育，巖屑砂巖呈灰白色色調(diào)，影紋粗糙，且可見明顯的層理。干墩組巖石類型影像特征，見圖8。

圖8 干墩組巖石類型影像特征Fig.8 Rock types image features of gandun stratum

圖9 第四系地層影像特征Fig.9 Image features of quaternary stratum

3.2.2 巖體信息解譯

研究區(qū)侵入巖發(fā)育，主要有花崗巖、閃長巖及基性－超基性巖，各巖體類型影像特征明顯，不同期次侵入巖接觸特征明顯。在 GF-2衛(wèi)星遙感影像上海西中期的黑云母花崗巖（γβ42b）呈灰白色色調(diào)，影紋粗糙，呈團塊狀，邊界不規(guī)則，溝谷相對來說比較發(fā)育。海西中期花崗閃長巖（γδ42a）呈灰黑色色調(diào)，影紋粗糙，支離破碎，溝谷比較發(fā)育，影像上可以看到兩者呈明顯的侵入接觸關系，且花崗閃長巖侵入到黑云母花崗巖中。花崗閃長巖與黑云母花崗巖呈明顯的侵入接觸關系，見圖10。

圖10 花崗閃長巖與黑云母花崗巖呈明顯的侵入接觸關系Fig.10 Intrusive contact relationship between granodiorite and biotite granite

研究區(qū)脈巖發(fā)育，主要有花崗巖脈、石英巖脈和基性巖脈，影紋特征明顯，一般呈細條帶狀分布。在GF-2衛(wèi)星影像上基性巖脈多呈灰黑色，見圖11?；◢弾r脈、石英巖脈多呈灰白色、灰黃色，與周圍地層及巖體界線清晰，見圖12。

圖11 細條帶狀基性巖脈影像特征Fig.11 Image features of thin banded mafic dikes

圖12 中酸性巖脈影像特征Fig.12 Image features of acidic dykes

3.3 遙感影像地質(zhì)單元的可識別精度潛力評價

遙感影像的最佳成圖比例尺對于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查具有重要意義，而遙感影像的空間分辨率在很大程度上決定了影像成圖的比例尺[11-12]。根據(jù)人眼的目視分辨率（通常為0.1mm）和GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率，可推算出GF-2衛(wèi)星全色影像最佳成圖比例尺為1∶8 000，多光譜影像最佳成圖比例尺為1∶32 000。

根據(jù)人眼最高分辨率（點狀0.25～0.30mm，線狀0.025mm），可推算出GF-2衛(wèi)星全色影像最大成圖比例尺為 1∶2 000，多光譜影像最大成圖比例尺為 1∶8 000。對比同等或相近分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，1m空間分辨率的伊科諾斯（IKONOS）遙感影像可以制作比例尺為1∶5 000的影像圖，0.61m空間分辨率的快鳥（QuickBird）遙感影像基本上可以制作比例尺為1∶2 500的影像圖，因此，可以認為GF-2衛(wèi)星融合影像最大成圖比例尺應為1∶2 500～1∶5 000，最佳成圖比例尺為1∶8 000～1∶10 000。

3.3.2 可識別地質(zhì)體精度評價

GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在分辨率上具有較大的優(yōu)勢，能夠區(qū)分更細小的地物。將融合影像放大到目視效果非常舒服的比例，要求在此比例尺度下影像清晰、地物邊界不模糊、各地質(zhì)體間邊界紋理清晰，在遙感影像上對閉合地質(zhì)體、塊狀地質(zhì)體、線狀地物、環(huán)形構造、脈巖寬度等要素的可識別精度進行實際測量和統(tǒng)計分析，通過大量實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明GF-2衛(wèi)星融合影像數(shù)據(jù)能有效地識別直徑大于15m的閉合地質(zhì)體；寬度大于5m、長度大于15m的塊狀地質(zhì)體；長度大于20m、或?qū)挻笥?0m的線狀地物（斷裂、脈巖等）。

參照1∶50 000礦產(chǎn)資源遙感調(diào)查技術要求，在1∶50 000遙感解譯中，地質(zhì)體解譯最小上圖精度要求分別為直徑大于100m的閉合地質(zhì)體，寬度大于50m、長度大于250m的塊狀地質(zhì)體，線狀地物（斷裂）長度≥500m[13]；并結合實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，初步認為 GF-2衛(wèi)星融合影像數(shù)據(jù)能夠滿足優(yōu)于1∶25 000尺度的遙感地質(zhì)解譯應用的需求。

4 結束語

本文利用GF-2衛(wèi)星0.8m全色和3.2m多光譜融合影像數(shù)據(jù)，對地層、構造和巖體等地質(zhì)要素的判別及可識別精度進行了應用評價。結果表明，高分辨率的 GF-2衛(wèi)星融合影像可對地質(zhì)體及地質(zhì)單元的形態(tài)、紋理以及各地質(zhì)體間的空間關系等進行較精細的識別，能較好地區(qū)分巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖等巖性信息；在良好的巖體出露條件下，對巖體的節(jié)理、層理、斷層及其產(chǎn)狀特征反映清晰，可用于開展1∶10 000～1∶25 000尺度的遙感地質(zhì)解譯工作，可為地質(zhì)礦產(chǎn)資源調(diào)查及評價提供強有力的高分辨率數(shù)據(jù)支撐。

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