基于ASTER數(shù)據(jù)在1∶5萬地質(zhì)填圖中的應(yīng)用研究
——以新疆托斯特地區(qū)為例

王寧，趙新生，陳川

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，烏魯木齊 830049；2.新疆大學新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預(yù)測重點實驗室，烏魯木齊 830049)

1 引 言

遙感技術(shù)因其具有區(qū)域性、經(jīng)濟性和快速性的特點，在地質(zhì)工作中起到越來越重要的作用，隨著地質(zhì)工作的深入發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，我國地質(zhì)填圖工作也在越來越普遍地使用遙感方法和技術(shù)。

遙感圖像具有視域廣闊、信息豐富、地貌形態(tài)逼真、地質(zhì)概括力強等特點，利用它進行地質(zhì)解釋，能夠快速、準確、全面的提供超前編圖信息。同時遙感影像的比例尺較大，因而可以反映出更豐富的地質(zhì)信息，能夠極大減少工作量，縮短工期，起到事半功倍的作用。同時，遙感技術(shù)的應(yīng)用受到客觀因素的限制，如遙感圖像受氣候及植被等自然條件影響，造成解譯準確度降低[1]。

因此如何提高遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率成為關(guān)鍵問題。由于ASTER數(shù)據(jù)的光譜和空間分辨率均具有一定優(yōu)勢，適合于中等比例尺的地質(zhì)填圖，因此本文以ASTER數(shù)據(jù)在新疆吉木乃縣托斯特鄉(xiāng)附近1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查為例，綜合說明遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用效率在地質(zhì)填圖工作中的優(yōu)勢。

2 區(qū)域地質(zhì)背景及研究方法評述

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于吉木乃縣托斯特盆地北部，烏倫古湖以西，福海盆地西部的山間凹陷，是在古生代基底上發(fā)育起來的由齋桑泊南-烏倫古湖斷裂和莫合爾臺南斷裂夾持的新生代斷陷盆地[2]。區(qū)域大地構(gòu)造位置為準噶爾古板塊薩吾爾晚古生代島弧區(qū)中西段。區(qū)內(nèi)石炭系、二疊系、新近系及第四系地層均有發(fā)育，出露較好且分布廣泛；該地區(qū)巖漿活動頻繁，侵入巖種類多，分布范圍廣，形成于后造山運動和活動大陸邊緣弧；區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，褶皺、斷裂較發(fā)育，斷裂以北東向壓性、壓扭性為主，這些斷裂主要形成于華力西中晚期和燕山一喜馬拉雅期；巖石類型包括超基性巖、基性巖、中性巖、酸性巖和堿性巖等，如正長花崗巖、花崗斑巖、閃長巖、輝長巖等。

2.2 ASTER數(shù)據(jù)來源

ASTER是搭載在美國NASA Terra衛(wèi)星上的一種高級光學傳感器，可以采集從可見光到熱紅外共3個通道的14個波段的遙感數(shù)據(jù)[3]，可見光-近紅外光譜域(0.52um～0.86um)內(nèi)設(shè)有3個波段(空間分辨率為為15m)，短波紅外譜域(1.60um～2.43um)內(nèi)有6個波段(空間分辨率為30m)，熱紅外譜域范圍(8.125um～11.65um)內(nèi)設(shè)有5個波段(空間分辨率為90m)，本研究中只利用了可見光-近紅外、短波紅外共9個波段(空間分辨率為15m)，沒有采用熱紅外波段[4]。

與ETM+數(shù)據(jù)相比，ASTER 數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率都有一定程度的提高，刈幅面積為60km×60km，適宜進行制作1∶5萬～1∶10萬比例尺的遙感影像圖，這也為本文選擇ASTER數(shù)據(jù)進行研究區(qū)的1∶5萬遙感地質(zhì)填圖提供了一定依據(jù)。

2.3 遙感地質(zhì)填圖方法及應(yīng)用

本文所選擇的1∶5萬遙感地質(zhì)填圖的方法包括影像單元法，影像巖石單元法和單元-剖面法等方法技術(shù)，這些方法技術(shù)貫穿于整個遙感填圖過程[5]。

(1)影像單元法

影像單元法是根據(jù)遙感圖像的信息進行解譯，分類命名，最后形成遙感影像單元解譯圖的一種方法。影像單元可劃分為定性類影像單元，半定性類影像單元和非定性類影像單元，分類以影像單元建立劃分為基礎(chǔ)而實施，其將影像單元特征的表現(xiàn)形式和地質(zhì)屬性分析判斷的粗略作為依據(jù)。

定性類影像單元是指通過已建立的影像單元直接實現(xiàn)地質(zhì)體屬性的定性判斷。在本文中主要為斷裂構(gòu)造。

半定性類影像單元是指通過影像特征分析、對比，可基本判斷單元地質(zhì)屬性的一類影像單元。可劃分為環(huán)形影像單元，層型影像單元和非層型影像單元。本研究為了增強解譯效果，對圖像進行了增強和濾波處理，更清晰地表現(xiàn)影像特征，達到定性的目的。

非定性類影像單元是指根據(jù)影像單元特征難以實現(xiàn)地質(zhì)屬性歸類的影像單元。在本研究中，經(jīng)過影像處理之后，基本達到半定性目的，提高解譯精度。

(2)影像巖石單元法

影像巖石單元法是以影像巖石單元為基本填圖單位，進行地質(zhì)圖初步解譯，遙感地質(zhì)填圖制圖的方法。為了更好的解譯巖性，本研究在一些典型地區(qū)進行野外采樣，增強可靠度。

(3)單元-剖面法

單元-剖面法是以影像單元為調(diào)查單位，實施野外踏勘剖面選擇、測制和踏勘路線布置和調(diào)查的一種方法。在野外地質(zhì)調(diào)查過程中，實測主干剖面的布置以影像單元齊全，構(gòu)造簡單，地層發(fā)育齊全地區(qū)為原則，通過全面分析研究區(qū)的地質(zhì)特征，在研究區(qū)布置了2條剖面(Ⅰ剖面和Ⅱ剖面)，基本上控制研究區(qū)內(nèi)所有的巖性類型。重點調(diào)查巖石類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖石類型組合特征和影像單元界線性質(zhì)等特征，從而研究影像單元與火山巖，沉積巖體之間的對應(yīng)關(guān)系。

3 巖性(地層)遙感解譯

3.1 圖像預(yù)處理

首先對研究區(qū)遙感影像圖進行大氣校正、幾何精校正、圖像裁剪和波段融合等圖像預(yù)處理，預(yù)處理之后則要進行波段組合選擇，波段組合的選擇是多波段遙感影像合成中十分重要的過程。本文所選擇的ASTER遙感數(shù)據(jù)共14個波段，除了熱紅外波段不參與波段組合外，從其余9個波段中選取3個波段進行組合，來更好的表達圖像信息，本文根據(jù)協(xié)方差矩陣，對每個波段進行分析，選擇最佳波段組合。

因為協(xié)方差既反映了不同變量之間的相關(guān)程度，又反映了各個分量各自取值的離散程度，因此選擇波段的主要要求是該波段的協(xié)方差應(yīng)盡可能大。為了提高彩色合成圖像的視覺效果以及地物之間的可辨程度，現(xiàn)從研究區(qū)ASTER遙感數(shù)據(jù)9個波段之間的協(xié)方差(表 1)的8波段與VNIR(可見光-熱紅外)的4波段和1波段進行假彩色合成(圖1)，相比其他波段合成，其圖像在空間分辨率及色彩豐富程度方面優(yōu)勢顯著。

表1 協(xié)方差矩陣

圖1 研究區(qū)遙感影像圖(ASTER數(shù)據(jù)8、4、1波段假彩色合成)

3.2 圖像增強處理和圖像分類

3.2.1 圖像增強處理

研究區(qū)遙感影像主要運用主成分分析(PCA)去除波段之間多余信息，將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個轉(zhuǎn)換波段，去相關(guān)拉伸消除ASTER數(shù)據(jù)中波段間的高度相關(guān)性，以期達到圖像增強的目的[6-7]。

3.2.2 圖像分類

圖像分類的目的是將圖像中每個像元根據(jù)其在不同波段的光譜亮度、空間結(jié)構(gòu)特征或者其他信息，按照某種規(guī)則或算法劃分為不同的類別[8]，是遙感圖像處理的重要部分。遙感圖像分類一般方法包括監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類是通過選擇訓練區(qū)樣本對整個圖像所有像元進行分類的方法；非監(jiān)督分類是在沒有先驗類別知識的情況下，根據(jù)圖像本身的統(tǒng)計特征及自然點群的分布情況來劃分地物類別的分類處理[9]。鑒于二者的區(qū)別，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，本文主要運用ENVI軟件中的監(jiān)督分類方法對圖像進行處理。

(1)定義訓練樣本

定義訓練樣本一般用目視解譯，洪積層在遙感圖像RGB(8，4，1)上顯示淡紫色色調(diào)。沖積層分布于山麓帶，河流出口處，呈灰色色調(diào)，扇形形態(tài)，灰色均勻影紋圖案，部分有植被覆蓋，為綠色色調(diào)，且本研究區(qū)有呈辮狀的河流穿過沖積層；火山碎屑巖類則為略顯凹凸的紫灰色色調(diào)，其上有輕微植被覆蓋；凝灰礫巖與火山碎屑巖色調(diào)較像，只是顏色上略顯深色；石英砂巖在影像上顯示為亮白色色調(diào)，易于區(qū)分；花崗巖邊界明顯，在影像上部分顯團塊狀，有少量植被覆蓋；粗砂巖在影像上凹凸明顯，深暗灰色；泥質(zhì)巖附近有斷裂發(fā)育，呈條帶狀分布；湖泊在影像上最好區(qū)分，且邊界明顯。

為了保證定義訓練樣本的真實性，本文以遙感影像單元為調(diào)查單位，以研究現(xiàn)有資料為參考，實施野外踏勘布置剖面(圖2)，剖面Ⅰ位于研究區(qū)東部，剖面方向為近南北向，全長9.3km，剖面Ⅱ位于研究區(qū)西部，剖面方向為北東南西方向，全長5km；主要巖性單元特征總結(jié)見表2。

圖2 Ⅰ、Ⅱ為在研究區(qū)的兩條實測剖面圖

表2 實測剖面所涉及的地層巖性單元及其特征

(2)執(zhí)行監(jiān)督分類

以校園建筑設(shè)計風格為依據(jù)，校園文化景觀建設(shè)風格定位為現(xiàn)代簡約。以基地的地址特征、城市文脈、建筑肌理為基本依據(jù)，盡量采用原生材料及植物，硬化廣場景觀與自然生態(tài)景觀相結(jié)合，微地形成的多層次景觀與相應(yīng)軟景塑造相結(jié)合。通過現(xiàn)代簡約景觀設(shè)計手法組織相應(yīng)的景觀設(shè)計元素，賦予整體景觀設(shè)計故事性和藝術(shù)性，運用對構(gòu)、障景等手法，營造景觀焦點，結(jié)合自然的草坡、溝渠小路，原生水體等豐富景觀層次，凸顯現(xiàn)代校園與自然生態(tài)完美結(jié)合的綠色生態(tài)校園景觀。

執(zhí)行監(jiān)督分類，需要進行一定的計算。監(jiān)督分類的算法一般分為平行六面體分類法、馬氏距離分類法、最小距離分類法、最大似然法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、Parallelpipe等，經(jīng)對效果圖的對比分析，本文采取最大似然法。

最大似然法分類也稱為貝葉斯(Bayes)分類，是基于圖像統(tǒng)計的監(jiān)督分類法，是典型的和應(yīng)用最廣的監(jiān)督分類方法。它建立在Bayes準則的基礎(chǔ)上，偏重于集群分布的統(tǒng)計特性，并假定訓練樣本數(shù)據(jù)在光譜空間服從高斯正態(tài)分布，利用遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，計算給定像元屬于某一訓練樣本的似然度，像元最終被歸并到似然度最大的一類當中，最終實現(xiàn)像元的分類，由于其分類精度較高，受到廣泛關(guān)注。

由于遙感圖像的分類工作是按照圖像光譜特征，執(zhí)行監(jiān)督分類之后，根據(jù)目視解譯，去除干擾樣本，得到處理后的訓練區(qū)(圖3)。

(3)檢驗

當選取訓練樣本時，一般要求訓練區(qū)域具有典型性和代表性，這就要對所選樣本進行檢驗。因此，使用ROI可分離性工具來計算任意所選訓練樣本間的統(tǒng)計距離，對訓練樣本進行評價[10]。根據(jù)可分離性值的大小，從小到大列出感興趣區(qū)組合，如果兩個參數(shù)的可分離性小于1，考慮將兩類樣本合成一類樣本；小于1.8，需要重新選擇樣本；大于1.9說明樣本之間的可分離性好，屬于合格樣本[7]。本文研究中結(jié)合1∶20萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖及其本區(qū)遙感影像圖進行野外取樣，野外取得的樣本作為進行監(jiān)督分類的訓練樣本依據(jù)，經(jīng)分類處理，符合要求，樣本合格(表3)。

圖3 監(jiān)督分類(最大似然法)處理后的圖像

(4)分類后處理

監(jiān)督分類可以為遙感解譯提供一個可靠的依據(jù)，同時結(jié)合目視解譯，可更精確地解譯地層和巖性。

表3 本研究區(qū)訓練樣本可分離性計算報表

續(xù)表1

4 構(gòu)造特征遙感解譯

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，在遙感影像上比較明顯，易于解譯。其中，褶皺呈淺灰色環(huán)狀色調(diào)，橢圓形影像形態(tài)，橢圓環(huán)帶狀影紋圖案；斷層構(gòu)造地貌呈線狀淺灰色色調(diào)，沿斷裂帶部分發(fā)育斷層三角面。在ASTER數(shù)據(jù)的RGB(8，4，1)假彩色合成影像上以線性，弧形，直線狀溝谷等標志顯示，部分構(gòu)造兩側(cè)色調(diào)差異明顯。為了增強解譯效果，本文對圖像進行濾波處理，增強圖像構(gòu)造信息表達，在遙感圖上更容易解譯構(gòu)造。

遙感影像經(jīng)過濾波處理后，使所獲得的線性體能最佳地反映構(gòu)造形跡，然后通過目視解譯進行歸納整理，將遙感影像與1∶20萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖套合，結(jié)合野外調(diào)查資料，運用ArcGIS軟件進行解譯修正[12]，最終對主要線性體賦予地質(zhì)屬性，達到構(gòu)造解譯的目的(圖4)。

圖4 研究區(qū)構(gòu)造解譯圖

從研究區(qū)的解譯圖可以看出研究區(qū)的斷層以北東向、近東西向和北西向為主，與已有的地質(zhì)資料記錄基本相符。結(jié)合研究區(qū)的巖性和構(gòu)造解譯結(jié)果，以ArcGIS為平臺，經(jīng)過數(shù)據(jù)圖層的疊加處理，得到本區(qū)的遙感解譯圖(圖5)。通過對具有代表性的區(qū)域進行野外實地檢驗，基本滿足了1∶5萬地質(zhì)填圖的要求，確定了解譯精度的可靠性。

圖5 研究區(qū)遙感解譯地質(zhì)圖(1∶5萬)

5 結(jié)束語

以ASTER遙感圖像為數(shù)據(jù)源，ArcGIS和ENVI軟件為平臺，對吉木乃縣托斯特地區(qū)進行了1∶5萬的遙感區(qū)域地質(zhì)填圖，針對填圖結(jié)果，得出以下幾點結(jié)論：

①利用ASTER多光譜數(shù)據(jù)，進行假彩色合成變換，可增強目視解譯效果，在1∶5萬地質(zhì)填圖、室內(nèi)綜合研究和制圖工作中能收到事半功倍的效果。

②人工目視解譯和計算機監(jiān)督分類兩者結(jié)合，是一種提高分類精度的有效方法。充分利用現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，提高遙感數(shù)據(jù)分類精度，保證遙感解譯圖的質(zhì)量。

③利用遙感地質(zhì)解譯圖，可以對地質(zhì)填圖路線之間巖石地層單元和地質(zhì)構(gòu)造界線進行準確連接，可以對地質(zhì)路線穿越到的和沒有穿越到的地質(zhì)體進行圈定，避免工作中對地質(zhì)體的遺漏，特別是基巖出露地區(qū)以及第四紀沉積地層的邊界可以進行準確圈定，因此既節(jié)約填圖時間，又提高區(qū)域地質(zhì)填圖的精度和質(zhì)量，同時與常規(guī)填圖相比，利用遙感圖像連圖能減少人為因素帶來的誤差。

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