鐵路工程地質遙感調查中的圖像解譯質量分析

高 山

(1.中國地質大學(武漢)研究生院, 湖北武漢 430074； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

鐵路工程地質遙感調查是通過各種手段和方法,對圖像進行分析,查明鐵路工程沿線地貌、地層巖性、地質構造、不良地質、水文地質等地質現象的過程[1]。尤其適用于地形地質條件復雜、不良地質現象發(fā)育、現場地質測繪困難地區(qū),為鐵路工程地質勘察提供準確可靠、現勢性強的可視化地質資料。遙感解譯的目的主要是為了從遙感圖像上取得地物組成部分和存在于其他地物的內涵信息,解譯質量受到傳感器分辨率、地物光譜特征、大氣條件、季節(jié)天氣、地理位置、地質特征、圖像處理方法、解譯人員認知水平等諸多因素制約。需要找出影響遙感圖像解譯質量的主要因素和提高解譯質量的有效辦法,保證遙感解譯資料的可靠性和準確性。

1 遙感解譯環(huán)境

遙感圖像解譯主要是對遙感影像的色和形信息進行分析。色：色調、顏色、陰影、反差；形：形狀、大小、空間分布、紋理等。遙感圖像中地物信息傳遞受到多種因素影響,包括地物信息獲取的目的、圖像處理人員的知識和經驗、數據獲取和圖像處理的方法、地質解譯人員知識和經驗、地質信息處理方法和手段。遙感圖像實質上是由傳感器代替人有計劃、有目的、有選擇地直接觀測地學環(huán)境,運用相關的專業(yè)知識和技能確定實物、現象與圖像信息之間的關系。遙感信息獲取過程中,會在傳輸中消耗能量、噪聲介入,并且地物光譜特征具有不確定性,所以實物、現象與遙感圖像之間關系的確定是一個困難的過程。因此,遙感圖像信息所反映的工程地質環(huán)境的綜合性和復雜性,以及遙感信息本身的綜合特點,決定了工程地質遙感信息具有不確定性和多解性[2]。

通過有選擇性地觀測地學環(huán)境,解譯人員可以得到反映工程地質地學環(huán)境的數據。但遙感提供的是一種綜合的信息,是由相互關聯的自然及社會現象所構成的,是不同空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率的遙感信息綜合。原始圖像經圖像處理、符號表示、語義生成等,逐步轉化為更有次序和用途的信息,而數據量則隨著過程的進行而逐步壓縮。經過圖像信息的組織和管理建立圖像數據庫,解譯人員由圖像的集合和輻射信息得到工程地質現象的幾何位置、屬性、數量指標等信息。

解譯過程中由于同物異譜、異物同譜現象存在,使解譯成果具有不確定性。同一地質現象在不同區(qū)域表現形式不一,如花崗巖類侵入巖裂隙有的呈放射狀,有的呈網格狀,有的呈環(huán)形；而表現形式相同的,也未必是同一地質現象,如白堊紀紅色盆地中斷層與地層界線常都表現為平直的線形。因此必須在識別地質現象時,把它與區(qū)域地質背景聯系起來,進行綜合分析,探索工程地質條件影響因素以及研究地學環(huán)境條件,從而揭示工程地質現象的發(fā)生、發(fā)展和空間分布規(guī)律,找出事物的內在聯系。

2 遙感圖像分辨率與成圖比例尺關系

在選擇遙感影像的空間分辨率時需要考慮兩個因素,一是遙感解譯圖比例尺,二是最小地物的大小。遙感解譯精度主要體現在解譯對象的性質、位置準確性和解譯圖的空間尺度。鐵路工程地質勘察規(guī)范規(guī)定的成圖比例尺有1∶200 000、1∶50 000、1∶10 000、1∶2 000[3],相應地遙感圖像解譯精度在空間尺度上也應符合相應要求。

2.1 遙感空間分辨率與解譯要素關系

衛(wèi)星影像(或航片)是平面幾何精度與地物類別精度的統(tǒng)一,圖像空間分辨率是決定影像精度的一個重要指標,影像精度要滿足相應成圖比例尺對于影像識別能力的要求。冗余的分辨率會增加影像購買成本和加重內業(yè)處理的負擔；而若分辨率達不到一定要求,細小的地物就無法判讀、影像控制點精度得不到保證,滿足不了成圖精度[4]。

人的視覺分辨率是指人眼明視距離(25 cm)能分辨的空間兩點之間最短距離。為了保持地表細節(jié)的清晰度,比例尺越大,要求影像的空間分辨率也就越高。對于一個固定空間分辨率的遙感影像來說,若空間分辨率過高則存在信息和數據的冗余,解譯工作量大大增加；空間分辨率過低,則不能滿足勘察精度?？臻g分辨率以及比例尺的選擇也要考慮影像所包含的地物內容和紋理特征,如：制作預可研階段鐵路工程1/20萬～1/50萬遙感地質圖,解譯內容是以區(qū)域構造、深大斷裂、地貌分區(qū)、巖性分類為主,可以選擇空間分辨率較低的TM或ETM+衛(wèi)星影像。圖像空間分辨率、成圖比例尺、工程地質解譯要素對應關系見表1。

表1 圖像空間分辨率、成圖比例尺、工程地質解譯要素對應關系

2.2 最小地物與空間分辨率

R={(L×M)/2～Rmin}

(1)

式中L——人的視覺分辨率0.2 mm；

M——成圖比例尺；

Rmin——最小地物尺寸。

依據鐵路工程地質不同勘察階段[3],可按公式(1)計算出相應階段遙感圖像空間分辨率(見表2)。

2.3 遙感圖像空間分辨率的選擇

遙感地質解譯欲選用最佳空間分辨率的遙感影像,需要考慮以下兩點:

(1)遙感圖像的三個分辨率是制圖的基礎。圖像的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率是遙感圖像信息的基本屬性。其中空間分辨率的選擇是關鍵。

表2 成圖比例尺與遙感圖像空間分辨率

(2)結合工作任務的比例尺要求,可適當放寬對遙感影像空間分辨率的要求。一是考慮可判的最小地物尺寸；二是對地物的識別可以從研究對象的地學特性、生態(tài)特性及綜合特性分析,地物的空間信息和屬性信息在不同尺度上的特點和需求是不同的。如鐵路選線可研階段要求高空間分辨率的遙感圖像,而在預可研選線階段分辨率要求相對較低。

2.4 遙感圖像和地形圖配準

衛(wèi)星遙感圖像空間分辨率R(單位為m)與可制作的合理成圖比例尺M,以及圖件要求的誤差范圍L(單位為mm)存在以下關系[6]

L×10-3×1/M=C×R

(2)

式中C——影像幾何校正系數,以像元為單位；

L——人的視覺分辨率,通常采用0.2 mm。

式(2)左邊是一般圖件允許的實地誤差(以m為單位),而右邊是遙感影像校正后存在的實地誤差,這兩個誤差在遙感解譯圖中應當相等。幾何校正系數C是一個待定變量。以RTK GPS測量值作為真值,求出精校正遙感影像與真值的誤差,計算得到誤差的均方根差,就可以求出精糾正遙感影像均方根差的像元個數,即C的值。C值確定后,可以計算出此遙感影像可以制作的合理成圖比例尺。遙感影像空間分辨率越低,幾何校正系數C就應設置越大,這是因為空間分辨率越低,影像邊緣幾何變形就越大,幾何校正的效果就越差。

將地形圖進行掃描,然后選擇控制點,根據所選控制點的坐標與掃描地形圖圖像的像元坐標擬合多項式。遙感影像采用地形圖為標準坐標空間,采取同名點對遙感影像進行幾何精校正,選擇地形圖上不變的明顯地物標志(如線狀地物交叉點)作為控制點,首先在遙感影像的四個角選取控制點,然后均勻加密,以確保均方根差小于1個像元,每標準分幅選取25個左右的控制點,然后采用二元二次多項式進行空間幾何位置變換,最后采用三次卷積方法對原始影像進行灰度重采樣,得到帶有標準地理坐標的遙感影像。

3 遙感圖像分辨率與解譯精度關系

遙感圖像分辨率不同表現為解譯精度不同,鐵路工程不同勘察階段就需要提供不同精度及內容的工程地質遙感信息。預可研階段常采用Landsat7 ETM+衛(wèi)星15 m空間分辨率遙感圖像,進行區(qū)域性大地構造、地貌單元、深大斷裂、工程地質分區(qū),宏觀上評價各方案工程地質條件；加深地質階段常采用SPOT5衛(wèi)星5 m空間分辨率遙感圖像,進行中大規(guī)模的不良地質、斷裂構造、褶皺構造、工程地質巖組、節(jié)理密集帶調查,進一步方案比選和優(yōu)化；可研階段采用中大比例尺航片(11萬～12.5萬)或Quick bird衛(wèi)星0.61 m空間分辨率遙感圖像,對控制線路方案的不良地質體、長大隧道、特大橋、高邊坡工點進行高精度工程地質條件分析。

工程地質遙感解譯特征表現為點、線、面三種幾何圖形。點：泉眼、落水洞、坑口、礦洞等；線：水系、階地、沖溝、山脊、斷層構造、地裂縫、地質界線、節(jié)理、褶皺等；面：滑坡、泥石流、崩坍、堆積體、塌陷、溜坍、溶蝕洼地、采石場等。要判讀工程地質特征的最小目標,不但要求它具有光譜成像特征,而且要求它能構成保持其基本幾何特征的影像。通常認為3～4個像元的成像范圍就構成了幾何圖形的最小單元,如要識別規(guī)模為30 m×30 m小型滑坡,則要求圖像地面分辨率為10 m。但對于線狀特征目標,判讀的最小單元尺寸能夠達到圖像地面分辨率尺寸,則在影像上是可以判讀,大量遙感圖像判讀說明，線狀地物的地面分辨率高于點狀和面狀目標,線狀目標中,水系又高于道路等線狀目標。

不同類型傳感器獲取的遙感影像,其點狀特征解譯精度p與圖像地面分辨率RG大小相當,線狀特征解譯精度均小于圖像地貌分辨率,面狀目標解譯精度約為圖像地面分辨率3倍。根據以往遙感圖像判讀的結果分析,地面影像分辨率RG與圖像空間分辨率在地面的覆蓋寬度a、地面線狀地物分辨率P′、地面面狀地物的分辨率P″有以下近似關系

(3)

根據公式(3)，可確定遙感圖像空間分辨率、地面分辨率、工程地質特征解譯精度及成圖比例尺關系(見表3)。

表3 工程地質特征解譯精度

對于不同比例尺解譯圖而言,圖像地面分辨率雖是評價圖像質量的主要指標,但受到圖像獲取系統(tǒng)性能、地面目標光譜反射特性、攝影時刻大氣條件、地理位置和圖像處理等因素的影響。例如相對于邊坡崩塌圖像表現為灰白色,其相對亮度高,容易識別,但構像后尺寸比實際地物大些；而巖溶地區(qū)落水洞、陷穴按圖像地面分辨率分析可以顯示的,但實際顯示不良,造成判讀困難。因此,遙感解譯應在不同勘察階段采用多尺度、多時段、多平臺遙感影像資料,以及參考區(qū)域地質、水文地質、地震、礦產、物探等資料,運用GIS多源地學信息整合和空間分析方法方法,便于建立準確、穩(wěn)定的解譯標志,有利于解譯質量的提高。

4 結束語

綜上所述,鐵路工程地質遙感調查中由于地質現象的特殊性和解譯環(huán)境的復雜性,常造成工程地質特征信息多具不確定性和多解性,影響了遙感圖像解譯質量。通過研究遙感圖像解譯質量影響因素,分析圖像分辨率、成圖比例尺和解譯精度的相互關系。最終得出以下結論：在給定成圖比例尺可以計算出最適合分辨率的遙感圖像；圖像地面分辨率是評價圖像質量的關鍵指標,是定量分析工程地質特征解譯精度、成圖比例尺的可靠依據；采用多源遙感與地學空間數據整合方法,有利于解譯質量的提高。

[1] TB10041—2003 鐵路工程地質遙感技術規(guī)程[S]

[2] 澤 群,劉繼琳.遙感圖像解譯[M],武漢：武漢大學出版社,2007

[3] TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規(guī)范[S]

[4] 初艷鋒,李二森,等.衛(wèi)星影像空間分辨率與成圖比例尺的適應性分析[J].海洋測繪,2007，7(4)：47-50

[5] 龔明劼,張 鷹,張 蕓.衛(wèi)星遙感制圖最佳影像空間分辨率與地圖比例尺關系探討[J].測繪科學，2009，7(4)：222-223

[6] 潘家文,朱德海,嚴泰來,等.遙感影像空間分辨率與成圖比例尺的關系應用研究[J].農業(yè)工程學報,2005(9)：124-128

[7] 韓 玲,李 斌,顧俊凱,等.航空與航天攝影技術[M].武漢：武漢大學出版社,2008