基于資源三號和ETM+影像的斷裂構(gòu)造解譯

楊韞瀾，韓 玲，韓曉勇

（1. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 61363部隊，陜西 西安 710054）

基于資源三號和ETM+影像的斷裂構(gòu)造解譯

楊韞瀾1,2，韓 玲1，韓曉勇1

（1. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 61363部隊，陜西 西安 710054）

以資源三號影像、ETM+影像為數(shù)據(jù)源，在分析斷裂構(gòu)造遙感影像特征基礎(chǔ)上，研究斷裂構(gòu)造解譯中的遙感圖像處理方法，運用灰度拉伸、圖像融合、定向濾波等方法進(jìn)行增強(qiáng)處理，依據(jù)解譯標(biāo)志進(jìn)行人機(jī)交互解譯。對鄂爾多斯盆地的斷裂構(gòu)造進(jìn)行了綜合分析，證明高空間分辨率的資源三號影像與多光譜分辨率的ETM+影像相結(jié)合的遙感技術(shù)在斷裂構(gòu)造解譯方面具有可行性。

資源三號；ETM+；圖像增強(qiáng)；斷裂構(gòu)造

遙感圖像對線性要素有很好的表現(xiàn)力，因此在遙感圖像的地質(zhì)解譯中，斷裂構(gòu)造解譯具有突出的效果。陳明等[1]利用ETM+影像，提取了西藏羥基和鐵染礦化蝕變信息；顏蕊等[2]利用TM影像和SAR數(shù)據(jù)，進(jìn)行了鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)構(gòu)造信息提??；劉澤東等[3]利用SPOT5和ETM+影像，對珠海及外圍地區(qū)的斷裂構(gòu)造分布進(jìn)行遙感調(diào)查；張永庭等[4]以ETM+影像為數(shù)據(jù)源，提取寧夏地質(zhì)構(gòu)造與圍巖蝕變信息；王耿明等[5]基于SPOT5影像，對廣州市進(jìn)行了地質(zhì)構(gòu)造遙感解譯。本文以“資源三號”衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，并結(jié)合ETM+影像，對鄂爾多斯盆地的斷裂構(gòu)造進(jìn)行調(diào)查研究。

1 數(shù)據(jù)源及研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 遙感數(shù)據(jù)源簡介

資源三號衛(wèi)星[6]影像包括2.1 m分辨率的全色正視波段、3.6 m分辨率的全色前后視波段和4個5.8 m分辨率的多光譜波段，其中全色正視和多光譜波段構(gòu)成了資源調(diào)查觀測模式，適合獲取微地貌和地物細(xì)節(jié)信息，可以精細(xì)反映小型次級斷裂構(gòu)造的線性影像特征[6]。

ETM+影像具有6個30 m分辨率的多光譜波段、1個60 m分辨率的熱紅外波段和15 m分辨率的全色波段。光譜信息較豐富，特別是B7波段，地質(zhì)信息豐富，不但對水分敏感，而且還包含黏土化蝕變帶吸收谷及碳酸鹽化蝕變礦物吸收谷，對巖石礦物反映敏感，可用于區(qū)分巖石類型、分析巖石的水熱蝕變特征，適合從宏觀上提取地表、地貌信息，反映中等尺度斷裂構(gòu)造的線性影像特征[7]。

本實驗所用資源三號衛(wèi)星影像成像時間為2012-03-17，ETM+影像成像時間為2000-05-19。研究區(qū)主要為山區(qū)，兩個時間點地物地貌幾乎無變化，兩種影像配合使用不影響構(gòu)造信息的準(zhǔn)確提取，且在功能上可以取長補(bǔ)短，滿足不同尺度信息提取的需要。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地，北起陰山，南到秦嶺，東自呂梁山，西至賀蘭山、六盤山一線，覆蓋華亭縣、靈臺縣、香泉鎮(zhèn)和鳳翔縣。研究區(qū)構(gòu)造活動和構(gòu)造變形十分強(qiáng)烈，多處見巖漿侵入，堪稱中國北方東西部的地層、構(gòu)造和地貌分界線。構(gòu)造運動多期，形變樣式復(fù)雜多樣。該帶主干逆沖斷裂雖然數(shù)量不少，但無一條縱貫全區(qū)的斷裂，主要由三五成束、近SN向延伸的逆斷層和數(shù)條同向大型正斷層，及一些近EW走向的大型平移斷層組成構(gòu)造骨架。不同方向的構(gòu)造應(yīng)力時強(qiáng)時弱，并相互干擾，相互遷就。

鑒于研究區(qū)地理條件，以及地物的最佳觀測尺度和光譜響應(yīng)范圍，本文以資源三號影像和ETM+影像為基礎(chǔ)，通過圖像增強(qiáng)處理、圖像分析、地質(zhì)解譯和實地查證，進(jìn)行斷裂構(gòu)造信息的解譯。

2 影像處理

影像處理包括幾何精校正、圖像鑲嵌、裁剪、圖像增強(qiáng)等步驟。幾何精校正用以消除影像的幾何變形，統(tǒng)一多源遙感數(shù)據(jù)的參考坐標(biāo)系。本試驗利用經(jīng)過地理參考校正過的研究區(qū)1︰5萬地形圖進(jìn)行校正。研究區(qū)跨多景數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行圖像鑲嵌，然后裁出所需的區(qū)域。

進(jìn)行遙感地質(zhì)解譯，需要信息量豐富、層次分明、色彩飽和度適中，且含有目標(biāo)地物特征信息的彩色影像作為基礎(chǔ)圖像。獲取的資源三號影像和ETM+影像，色調(diào)對比度不大，灰度級較集中，所以先對原始圖像進(jìn)行灰度拉伸，以便能更好地滿足識別地質(zhì)信息的需要。處理前后效果對比圖及對應(yīng)的直方圖如圖1。

圖1 影像反差增強(qiáng)前后效果對比

斷裂構(gòu)造具有較強(qiáng)的方向性，采用定向濾波技術(shù)有選擇地對某一方向的邊緣信息進(jìn)行增強(qiáng)，可以準(zhǔn)確提取斷裂構(gòu)造信息。參考地質(zhì)圖，根據(jù)研究區(qū)斷裂構(gòu)造方位，分別設(shè)計了北西向、近東西向、北東向等多組方向的定向濾波核，對經(jīng)過反差增強(qiáng)的全色影像進(jìn)行處理，提取影像線性信息，圖2為對北東向進(jìn)行定向濾波前后的結(jié)果。

圖2 對北東向進(jìn)行定向濾波前后的結(jié)果

圖像的光譜特征和統(tǒng)計特征是波段組合的選擇依據(jù)。對ETM+影像而言，第一、第二、第三波段均屬可見光波段，主要反映亮度信息，其相關(guān)性較大，為一組；第四波段屬于近紅外波段，對植被、地質(zhì)構(gòu)造信息較敏感，為一組；第五、第七波段均屬于短波紅外波段，對土壤和植被水分較為敏感，能有效提取構(gòu)造、蝕變等信息，對識別巖性土壤類型有很好作用，其相關(guān)性較大，為一組；第六波段屬于熱紅外波段，主要反映熱度，為一組。本次實驗主要進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯，第六波段不符合要求，需要從第一、第二、第三波段，第四波段和第五、第七波段三組中各取一個波段進(jìn)行波段組合。在上述分析基礎(chǔ)上，根據(jù)以往工作經(jīng)驗，我們選擇ETM+7、ETM+4、ETM+3分別賦予紅、綠、藍(lán)進(jìn)行假彩色合成，制作的影像色調(diào)接近于自然色，反差適中、圖像清晰，可以作為全區(qū)遙感解譯的基礎(chǔ)圖像（如圖3）。對于資源三號影像數(shù)據(jù)，選取4、3、2三個波段組合（如圖4）。兩者配合使用，效果較好。

圖3 ETM+影像

圖4 資源三號影像

3 地質(zhì)構(gòu)造解譯

3.1 建立解譯標(biāo)志

斷裂構(gòu)造在遙感影像上常表現(xiàn)為平直或略有彎曲的線性特征，當(dāng)斷裂構(gòu)造沿走向出現(xiàn)急劇轉(zhuǎn)彎時，除少數(shù)可能屬于弧形斷裂外，通常都是由幾個不同方向的斷層連接起來的，或者是由于地形切割以及中心投影所引起的畸變[8]。利用遙感影像進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯，主要是根據(jù)影像的色調(diào)與形態(tài)、線性特征的錯斷、特殊的地質(zhì)體影像組合、水系格局及其演變，以及活動特征點的線狀展布，按照解譯標(biāo)志進(jìn)行斷裂解譯。經(jīng)過實地調(diào)查及對遙感影像進(jìn)行分析，得到本研究區(qū)的斷裂構(gòu)造解譯標(biāo)志，如表1所示。

表1 研究區(qū)斷裂構(gòu)造解譯標(biāo)志

3.2 人機(jī)交互綜合解譯

根據(jù)對比度拉伸圖像和彩色合成圖像的紋理、色彩、色調(diào)差異和定向濾波提取的線性特征，按照解譯標(biāo)志分析研究區(qū)主要構(gòu)造帶的類型和組合規(guī)律，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料，初步掌握了研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征和組合規(guī)律。對宏觀大型構(gòu)造進(jìn)行辨別,可以利用ETM+數(shù)據(jù)；對于小型構(gòu)造，利用高空間分辨率的資源三號影像較為方便。最后將ETM+7、4、3波段和資源三號全色波段進(jìn)行融合，作為底圖進(jìn)行人機(jī)交互解譯。根據(jù)構(gòu)造信息的標(biāo)志，如構(gòu)造兩邊的地層巖性差異、水系分布異常、地貌形態(tài)變化等，逐一對定向濾波提取的線性特征進(jìn)行分析，詳細(xì)提取研究區(qū)斷裂構(gòu)造信息。根據(jù)影像的色調(diào)、地貌、水系、影紋、植被等斷裂構(gòu)造解譯標(biāo)志，研究區(qū)內(nèi)重點解譯出了十余條主要斷裂構(gòu)造，大型構(gòu)造如天山構(gòu)造帶、渭北構(gòu)造帶等，還有一些小型斷裂構(gòu)造（如圖5虛線所示），其影像特征可歸納為如下幾種情況：大部分?jǐn)嗔褬?gòu)造，其線性特征較為清晰，多呈白色亮帶；在山區(qū)，斷裂多呈直線、弧線切割山脊、溝谷、水系；在山區(qū)與平原或盆地接觸部位，山前沖積扇形態(tài)清晰，頂點呈線狀排列；大部分大斷裂在影像上是由多條相近方向的小斷層平行、斜列復(fù)合而成。根據(jù)研究區(qū)已有地質(zhì)資料，加之野外勘測驗證，解譯正確率達(dá)到90%以上。

圖5 研究區(qū)構(gòu)造解譯

[1] 陳明,張延斌,別小娟,等.朱諾斑巖型銅礦床外圍遙感找礦預(yù)測[J].地理空間信息,2013, 11(1):73-75

[2] 顏蕊,張景發(fā),姜文亮,等.多源遙感數(shù)據(jù)綜合解譯鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造[J].國土資源遙感,2008,76(2):88-91

[3] 劉澤東,吳虹,邱桔.基于SPOT5& ETM+遙感的珠海市斷裂構(gòu)造解譯和地表穩(wěn)定性評價[J].桂林工學(xué)院學(xué)報,2008,28(1):20-24

[4] 張永庭,張曉東,劉自增,等.寧夏區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與圍巖蝕變遙感信息提取[J].國土資源遙感,2012,92(1): 132-136

[5] 王耿明,王利花,邢宇.基于SPOT數(shù)據(jù)的廣州市遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯分析[J].海洋地質(zhì)動態(tài),2010,26(1): 21-24

[6] 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京: 科學(xué)出版社,2003

[7] 陳華慧.遙感地質(zhì)學(xué)[M].北京: 地質(zhì)出版社, 1984

Fracture Structure Interpretation Based on ZY-3 and ETM+

byYANG Yunlan

Based on the analysis of fracture structure characteristics on ZY-3 and ETM+remote sensing images, digital image processing methods to interpret fracture structure were studied, and the methods of gray level stretch, image fusion and directional filtering were adopted. According to the man-machine interactive interpretation by interpretation signs, fracture structure of Ordos Basin were analyzed.Proved the combination of high spatial resolution image ZY-3 and multispectral image ETM+to extract the fault information is feasibility.

ZY-3, ETM+, image enhancement, fracture structure

P237.9

B

1672-4623（2014）05-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.006

2013-10-11。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2011BAB01B05）。

楊韞瀾，博士，工程師，研究方向為資源與環(huán)境遙感。