山克強，潘 明，林 宇

(中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004)

無人機航空遙感地質解譯在巖石地層單元識別中的應用
——以1∶50000西南巖溶區(qū)填圖試點為例

山克強，潘 明，林 宇

(中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004)

不同基巖組合形成的微地貌形態(tài)特征的獲取是大比例尺遙感解譯巖石地層單元的基礎，關鍵是提高遙感影像及地形數據的空間分辨率。在西南巖溶區(qū)填圖試點項目中，通過無人機航空遙感平臺(UAV)獲取了工作區(qū)0.2 m分辨率的高精度遙感影像、高密度的點云數據以及 0.5m 分辨率的數字高程模型(DEM)，影像與DEM疊加建立工作區(qū)三維地表模型，實現(xiàn)了區(qū)內微地貌形態(tài)的高清晰度真三維再現(xiàn)，真實客觀地描述了區(qū)域地表微地貌特征，促進了不同基巖上形成的微地貌特征的精細化研究，提高了遙感數據的解譯程度。解譯過程中結合已有地質資料，建立工作區(qū)不同巖石地層單元的微地貌、顏色及植被等方面的解譯標志，基于三維地表模型實現(xiàn)了對工作區(qū)巖石地層單元的識別。

無人機；遙感；DEM；地表三維模型；微地貌；巖石地層單元

0 引言

遙感地質解譯技術是區(qū)域基礎地質調查的重要工作手段。遙感影像可以對大范圍區(qū)域構造、地貌、地質災害等進行觀測解譯，多光譜數據可以有效提取巖石、礦化信息，指導區(qū)域地質填圖工作[1～2]。目前，衛(wèi)星遙感地質解譯技術主要用于解譯大型線形構造、環(huán)形構造以及巖石地層分區(qū)、巖石大類分區(qū)、地貌分區(qū)、礦化提取等方面[3～4]，但限于其較低的空間分辨率，且缺乏與之相匹配的地形數據(基于1∶50000地形圖制作的DEM不能反映洼地、陡坎等微地貌變化特征，而這些特征對特定巖石組合的解譯具有重要意義)，解譯手段一直停留在小比例尺二維平面空間中，難以準確地識別具體的組、段等基本巖石地層單元。

隨著1∶50000區(qū)域地質調查的推進，對遙感地質解譯的精度、經濟成本及時效性有了更高的要求。目前在云貴、青藏等高山峽谷地區(qū)開展了大量填圖工作，這些地區(qū)地形條件復雜，有大量難以通行的區(qū)域，即使可獲得高分辨率的衛(wèi)星遙感影像(如Worldview3衛(wèi)星遙感數據的分辨率可達0.3 m)，但在上述區(qū)域，衛(wèi)星影像數據受云霧影響強烈，解譯效果和精度也難以有效提高。航空遙感數據具有精度高、可立體成像的特點，但由于其時間及經濟成本較高，立體成像解譯過程視線單一，不能多角度對地表實體進行觀測，難以在常規(guī)區(qū)域地質調查項目中普及。

不同基巖組合形成的微地貌形態(tài)特征的獲取是大比例尺遙感解譯巖石地層單元的基礎，重點是提高遙感影像及地形數據的空間分辨率，低空、高分辨率三維遙感地質解譯是目前發(fā)展的方向。近年來，隨著無人機航空遙感技術的普及和成熟，在地質災害調查及災害評估方面獲得了廣泛的運用[5]。無人機航空遙感集成了無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通訊技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術等，平臺機動性強、適應性高，對天氣條件要求較低，基本不受云霧影響，可以對峽谷深切、交通不便地區(qū)實施航拍作業(yè)；地面分辨率高，能夠快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，提供目標區(qū)域超大比例尺遙感影像(分辨率0.2 m)，并可采集點云數據，制作高精度數字地形模型(DEM，分辨率0.5 m)，與目前常用的DEM，如ASTER DEM 數據及基于1∶50000地形圖制作的DEM數據相比，分辨率提高了1～2個數量級，DEM疊加遙感影像可建立目標區(qū)三維地表模型，在計算機中真實地還原目標區(qū)域的地形地貌特征，其優(yōu)點是對地形凹凸細小差異的高精度描述和真三維成像[6]，因此比光學影像數據的解譯更為有效，提高了遙感數據的可解譯程度[7～9]。

筆者參與的西南巖溶區(qū)填圖試點項目位于貴州赫章縣西北部，區(qū)內地層出露較為齊全，巖性組合主要為碳酸鹽巖、砂巖、粉砂巖、粉砂巖-碳酸鹽巖互層及玄武巖5類，不同巖性組合在形成的地形、地貌、顏色等方面具有明顯的差異。針對區(qū)域地質地貌特征，本項目首次采用無人機航空遙感地質解譯技術識別區(qū)內巖石地層單元組合?；跓o人機航空遙感技術建立三維地表模型，結合不同巖石組合的微地貌特征開展遙感地質解譯，其工作周期短、成本低、精度高，可有效提高地質填圖的精度并減少野外路線調查工作，為區(qū)域地質調查提供了新的觀測手段。

1 地質背景

工作區(qū)位于上揚子地臺西南緣滇東—黔中隆起西部，屬揚子地層區(qū)，區(qū)內石炭系零星出露，缺失早石炭世地層，黔桂運動上升成陸之后，中二疊世早期為濱海及湖沼黏土巖、砂巖夾薄層煤及菱鐵礦沉積。棲霞至茅口階早期為開闊—半局限臺地相含燧石團塊灰?guī)r、少量黏土巖及白云質灰?guī)r沉積，茅口階中晚期沉積有燧石灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、硅質巖及黏土巖等，中二疊世末至晚二疊世初的東吳運動使全區(qū)上升成陸，發(fā)生大陸溢流玄武巖噴發(fā)。東吳運動后曾經廣泛夷平，晚二疊世海侵自東南向西北，海水進退頻繁，主要為濱岸、潮坪—澙湖相砂巖、粉砂巖、黏土巖沉積，夾多層可采煤及薄層菱鐵礦。早三疊世早期為潮坪—澙湖環(huán)境，沉積飛仙關組雜色(以紫紅為主)砂、泥巖夾灰?guī)r，早三疊世晚期至中三疊世初主要為局限臺地相灰?guī)r、白云巖夾少量黏土巖沉積，晚三疊為自流井組河流相砂巖沉積(見圖1)。受新構造運動影響，地殼以自西而東掀斜隆升為主，形成西高東低的地勢，發(fā)育單斜地貌，水土流失嚴重。

圖1 工作區(qū)位置及地質構造簡圖[10](虛線框為無人機航拍工作區(qū))Fig.1 Location and regional geological map of the study area

2 無人機航拍數據采集及預處理

無人機遙感數據采集主要由區(qū)域規(guī)劃、野外航測、數據處理3個階段組成。區(qū)域規(guī)劃是針對填圖目標任務，選擇具有代表性的區(qū)域進行解譯工作。

測區(qū)圖幅西南角六曲溝鎮(zhèn)蘇家地一帶，地層巖石出露齊全，可建立測區(qū)完整的遙感解譯標志，且地形條件復雜、河谷深切，采用無人機遙感解譯輔助填圖，能對野外實際填圖中路線難以穿越的區(qū)域進行控制。在確定航拍區(qū)域后，即可開展野外數據采集工作。由于作業(yè)區(qū)域為山區(qū)，地形起伏大，能有效采集數據的時間窗口短(上午10時—下午1時)，因此選擇電動輕型無人機實施作業(yè)，在地形開闊的位置，設定飛行參數、拍攝參數及飛行航線(見表1)后開始工作。野外數據采集作業(yè)累計飛行5架次，飛行里程52 km，獲取航拍照片1207張，有效覆蓋面積10 km2。數據處理為室內作業(yè)，采用航測處理軟件對航片數據進行處理，獲取單張正射影像圖(分辨率0.2 m)，并采用ENVI遙感圖像處理軟件對正射影像進行拼接，在ArcGIS軟件中，基于1∶50000地形圖對處理好的航拍影像進行空間校準。通過無人機的航片處理軟件獲取高密度的點云數據和DEM數據(分辨率0.5 m)，采用ArcGIS三維建模工具，將航拍影像圖投影到DEM數據之上，建立地表三維模型(見圖2)。

表1 無人機航測性能指標

圖2 地表三維模型制作流程Fig.2 Flow chart for production process of the digital surface and topgraphy model

3 數據應用

3.1 建立解譯標志

初步解譯重點參考已有的1∶200000區(qū)域地質資料，將原有資料中的地質界線點投影到三維地表模型之上，結合前期野外實際踏勘工作及實測剖面數據，分析不同巖石地層單元組合的地形地貌影像特征，以形態(tài)標志為主，以遙感圖中最明顯的地形、顏色、植被解譯為出發(fā)點，總結已有地質界線點處地形地貌特征，建立各巖石地層單元解譯標志(見表2)，最后進行系統(tǒng)解譯，盡可能解譯出區(qū)內主要地質單元。

表2 工作區(qū)地層巖石單元解譯特征

工作區(qū)內的主要巖石組合有碳酸鹽巖巖組(棲霞組、茅口組)、砂巖巖組(飛仙關組、須家河組)、粉砂巖巖組(宣威組)、火山巖巖組(峨眉山玄武巖)、粉砂巖-碳酸鹽巖互層巖組(嘉陵江組、關嶺組)5類。上述巖石組合在山體高度、形態(tài)、植被、形成土壤的能力等方面都存在差異，能夠直觀反映在三維地表模型中(見圖3)，是進行三維地表模型識別巖石組合的基礎。碳酸鹽巖巖組形成巖溶殘丘、巖溶峽谷地貌，與其余幾類巖石組合差異極大，可準確識別出碳酸鹽巖與碎屑巖、火山巖等的接觸界線；砂巖巖組形成中—高山剝蝕地貌；粉砂巖及玄武巖巖組形成丘陵緩坡地貌；碳酸鹽巖-碎屑巖互層巖組由于組內巖石抗風化能力強弱差異，碎屑巖易受風化剝蝕下凹，灰?guī)r不易風化破碎，突出地表，形成階梯狀地形(見表2)。

圖3 地表三維模型Fig.3 Digital surface model of the study area

3.2 巖石地層單元的識別

區(qū)內植被茂密，基巖出露較差，平面遙感影像難以提取出有價值的地質信息；而室內地表三維模型(見圖4a)真實還原了野外的地形地貌特征(見圖4b)，且工作區(qū)地層分布較為連續(xù)，結合地層層序律，通過對不同微地貌組合的區(qū)分可識別不同的巖石組合，并可獲取地層產狀(見圖4c)等地質信息。

圖4 野外調查實際地貌同三維地表模型影像對比圖Fig.4 Comparison of the 3D digital surface model and the real landscape image observed in the field

在遙感影像上，茅口組與峨眉山玄武巖主要依據其形成的地形地貌特征的差異進行區(qū)分。棲霞組-茅口組灰?guī)r產狀平緩，發(fā)育巖溶殘丘、峽谷地貌(見圖5a)，上覆植被較稀疏；與棲霞組-茅口組相鄰的峨眉山組玄武巖則形成緩坡、丘陵地貌(見圖5c)，在斜坡上發(fā)育流水剝蝕地貌，且植被較為發(fā)育，二者在地形地貌、植被上差異明顯，可以準確勾繪出灰?guī)r與火山巖的界線(見圖5b)。而棲霞組、茅口組均為厚層泥晶生物屑灰?guī)r組合，具有相似的光譜、顏色及地形地貌特征，難以準確解譯二者間的界線，對以碳酸鹽巖為主的地層應以常規(guī)路線地質調查為主。

圖5 工作區(qū)巖石地層地形特征及其遙感影像特征Fig.5 Features of topographic structure and remote sensing images of lithostratigraphic units of different ages distributed in study area

峨眉山玄武巖與宣威組巖石組合差異極大，但在野外露頭上二者均易受風化剝蝕，形成緩坡地貌，在二維平面遙感解譯中基本無法辨識。而在三維地表模型中，二者有著明顯的差異：宣威組的厚度小，風化破碎強烈，頂部夾有煤層，差異風化導致巖體不穩(wěn)定，僅發(fā)育緩坡地貌，呈灰黃色；峨眉山玄武巖厚度大，沿河溝谷局部形成陡崖，在斜坡上則形成明顯的流水侵蝕地貌，沿層面沖蝕形成三角面，呈暗褐色，植被較為稀疏，頂部發(fā)育紫紅色薄層狀漿屑凝灰?guī)r，與相鄰宣威組灰黃色砂頁巖有較明顯差別。依據上述特征可以準確填繪玄武巖與粉砂巖的界線(見圖5b，5d)。

飛仙關組巖石組合主要為細砂巖、巖屑砂巖，以大范圍紫紅色基巖及風化層為典型特征，植被較為茂密，砂巖抗風化能力要強于下伏宣威組粉砂巖煤層，砂巖與粉砂巖在地形坡度上有明顯差異，可以依據三維地表模型中地形坡折線的位置及顏色的變化勾繪二者的界線(見圖5c，5d)。嘉陵江組下部為厚層白云巖，形成陡坎，植被稀疏，呈灰白色斑塊狀，依據顏色變化及地形坡折線的出現(xiàn)，可填繪砂巖與白云巖的地層界線(見圖5e)。

嘉陵江組上部為厚層狀灰?guī)r、白云巖，發(fā)育巖溶峽谷、巖溶殘丘地貌，白云巖上下均為砂巖地層，形成的巖溶地貌呈長條狀延展，上部與砂巖、粉砂巖接觸位置形成陡崖，植被較為稀疏；關嶺組下部為碳酸鹽巖-粉砂巖互層巖組，差異風化形成階梯狀地形，與下部嘉陵江組陡崖地形區(qū)別(見圖5e，5f)，可填繪白云巖與砂巖-粉砂巖的界線。關嶺組上部厚層灰?guī)r形成巖溶殘丘地貌，山頂呈半圓渾狀，灰?guī)r厚度小，形成的巖溶地貌呈長條狀延展，植被稀疏，上覆須家河組主體巖性為巖屑長石石英砂巖，易受風化剝蝕，表層形成風化土層，植被發(fā)育茂密，地貌圓緩。關嶺組白云巖與須家河組砂巖接觸位置處發(fā)育陡坎陡崖(見圖5h)，陡崖底部為砂巖與白云巖的地層界線(見圖5g，5h)。

通過遙感解譯，超前提供測區(qū)遙感地質信息，增強了地表工作的目的性和有效性，提高填圖質量和研究成果的可信度。解譯中將三維地表模型、野外微地貌調查與地質資料結合起來，密切配合野外地表調查。工作區(qū)碎屑巖與火山巖區(qū)多被殘坡積物覆蓋，基巖露頭一般，且人工林和灌木叢茂密，但沒有對基于三維地表模型的解譯產生較大的影響，解譯界線與實際填圖所確定的界線基本重合，遙感數據真實反映了目標區(qū)不同巖石組合的微地形、地貌特征，較為成功地反演了不同的巖石組合，具有較高的可信度，可以彌補難以通行區(qū)域的地質調查資料。

3.3 無人機航空遙感地質解譯的效果及應用前景

通過對無人機航空遙感數據的地質解譯，結合已有地質資料，建立了工作區(qū)不同巖石地層單元的微地貌、顏色及植被等方面的解譯標志，基于三維地表模型實現(xiàn)了對工作區(qū)巖石地層單元的識別。但由于無人機航空遙感在地質解譯方面還處在初級階段，數據采集傳感器單一，控制面積有限，數據積累量小，遙感平臺及相應的地質解譯技術方法還有待進一步發(fā)展。

航空及衛(wèi)星遙感數據具有覆蓋面廣、波段多的特點，有較好的數據積累，可提供不同時間段的遙感數據，相應的地質解譯技術也較為成熟。項目在開展無人機航空遙感解譯的區(qū)域，同時收集了SPOT(見圖6a)及Worldview3(見圖6b)兩類遙感數據并開展了相應的地質解譯工作。由于這兩類數據均缺乏對應的高程數據，解譯工作主要基于二維平面空間中色彩的組合特征提取地質信息。SPOT數據分辨率低(地面分辨率為10 m)，主要用于提取區(qū)域基本的地形地貌輪廓以及大的線型構造等特征；Worldview3數據地面分辨率較高(為0.3 m)，但仍低于無人機航拍數據的地面分辨率(見圖6c)，峽谷區(qū)域為云層覆蓋，解譯效果一般；基于Worldview3及1∶50000地形圖DEM數據建立了區(qū)域三維地表模型(見圖6d)，由于遙感影像與DEM難以完全匹配，在坡度較陡區(qū)域出現(xiàn)明顯的拉伸變形，沒有反映出微細地形地貌特征的變化，對微細地形的刻畫程度低于基于無人機航拍數據建立的三維地表模型(見圖6e)。因此，在大比例尺遙感地質解譯工作中，無人機航空遙感地質解譯更具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖6 不同數據源遙感影像特征Fig.6 Characteristics of different remote sensing images

4 結論

在1∶50000奎香等4幅巖溶區(qū)填圖試點中，基于無人機航空遙感平臺建立的三維地表模型，真實客觀反映了目標區(qū)不同巖石組合的微地形、地貌、顏色及植被特征，結合野外調查及已有地質資料，建立不同巖石地層單元的解譯標志，進行了大比例尺遙感地質解譯，較為成功地反演了不同的巖石組合及其地層單元，為地質調查工作提供了新的觀測手段。利用這樣大范圍和高分辨率的數據，可以實現(xiàn)1∶50000比例尺遙感地質填圖工作，巖石地層單位界線的位置和幾何展布可以精確到數米的誤差范圍，對區(qū)域地質調查，尤其是穩(wěn)定地臺區(qū)地質調查來說具有強大的潛力。隨著無人機在地質調查中的使用，海量和高清地形和影像數據快速增長，3D 顯示功能或虛擬現(xiàn)實技術將使地質調查工作獲得新的突破。

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APPLICATION OF UNMANNED AIR VEHICLE (UAV) REMOTE SENSING DATA IN THE RECOGNITION OF STRATIGRAPHIC UNITS: A CASE STUDY OF 1∶50000 PILOT GEOLOGICAL MAPPING OF KARST AREA IN SOUTHWESTERN CHINA

SHAN Ke-qiang, PAN Ming， LIN Yu

(InstituteofKarstGeology，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Guilin541004,China)

As microgeomorphologic characteristics formed by different units are the basis of the large scale interpretation remote sensing of lithostratigraphic units, it is very important to increase the resolution of remote sensing images and terrain data. During proceeding the project of the 1∶50000 mapping pilot of karst area of southwest China, we use the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) platform to obtain high resolution images (0.2 m), high density point cloud data and 0.5 m resolution DEM data of our working area. According to these data, it is easy to describe the microgeomorphologic characteristics of surface objectively by reproducing the high definition real 3D model of microgeomorphology in the working area, to advance the precise researches of microgeomorphologic characteristics of different kind rocks and to improve the interpretation degree of remote sensing data. Combing the existing geological data, interpretation indexes of different microreliefs, colors and vegetation of different stratigraphic unit are set up based on the surface 3D model.

UAV; remote Sensing; DEM; surface 3D Model; microgeomorphology; lithostratigraphic unit

1006-6616(2016)04-0933-10

2016-09-15

中國地質調查局地質調查項目(DD20160060)，(12120114042601)，(DD20160061)

山克強(1984-)，男，助理研究員，從事地層學研究及區(qū)域地質填圖工作。E-mail：shankeqiang@karst.ac.cn

P623.2；P627

A