哈密遙感地質資源評價綜合應用野外試驗場建設進展

梁樹能， 甘甫平， 魏紅艷， 肖晨超， 張振華， 魏丹丹

(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重點實驗室，北京 100083)

哈密遙感地質資源評價綜合應用野外試驗場建設進展

梁樹能1，2， 甘甫平1，2， 魏紅艷1， 肖晨超1， 張振華1，2， 魏丹丹1

(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重點實驗室，北京 100083)

遙感地質試驗場是實現遙感地質資源評價綜合應用的一個重要的基礎平臺，其建立是為了更好地適應國土資源遙感地質應用需要，滿足遙感地質應用技術自身的發(fā)展以及遙感技術與其他技術方法協(xié)同發(fā)展的需求，提高地質調查的遙感地學定量化水平，避免遙感數據應用與推廣的盲目性。為此，在中國地質調查局的領導和支持下，開展了我國遙感地質試驗場的建設和研究工作。經過幾年的不懈努力，目前哈密遙感地質試驗場的野外試驗場(簡稱試驗場)已基本建立，初步具備了對外提供應用服務的能力。這里主要介紹了試驗場的構成、功能和性能，以及試驗場所能提供的服務方式及服務能力，以便廣大的遙感地質工作者了解試驗場的建設進展情況，并利用試驗場開展遙感技術方法及基礎理論等研究工作，群策群力共同推進試驗場的建設和發(fā)展。

遙感地質試驗場；綜合應用；建設進展

0 引言

綜觀遙感技術發(fā)展的各階段歷程，每一次遙感技術的飛躍進步都離不開遙感地質綜合應用試驗場。例如美國這樣的航天大國，從MSS到TM，ETM+和航天高光譜Hyperion以及航空高光譜AVIRIS等傳感器的推廣應用之前，都主要在Cuprite遙感試驗場和死谷試驗場開展了針對具體遙感數據特征的技術方法開發(fā)與應用評價等研究[1]，不僅提出了有關載荷指標設置的優(yōu)化和后續(xù)發(fā)展的建議，也保證了遙感數據獲取之后能很快地投入到應用中，加速了遙感數據的業(yè)務應用運行進程。

在地質礦產資源領域，遙感技術是基礎地質調查、礦產資源勘查、地質災害和地質環(huán)境調查與評價等的重要支撐技術之一[2]。但如何發(fā)揮好遙感技術在地質礦產資源和環(huán)境評價綜合應用中的作用和定量化水平、避免遙感數據應用與推廣的盲目性是亟待解決的重要問題之一。遙感地質試驗場是實現遙感地質資源評價綜合應用的一個重要的基礎平臺，可以更好地適應國土資源遙感地質應用的需要、滿足遙感地質應用技術自身發(fā)展以及遙感技術與其他技術方法協(xié)同發(fā)展的需求。為此，在中國地質調查局的領導和支持下，自2008年起啟動了我國遙感地質試驗場的建設和研究工作，其目的是服務于遙感地質勘查新理論、新技術以及新方法的開發(fā)，載荷指標的設置與優(yōu)化和遙感真實性檢驗與比對評價，進而提高遙感地質的定量化水平。

本文主要簡述了目前哈密遙感地質試驗場的野外試驗場(簡稱試驗場)建設所取得的主要進展，包括其基本構成、功能和性能，服務系統(tǒng)的集成性、服務能力和服務方式，以便于廣大的遙感地質工作者了解試驗場建設進展情況，并能夠利用試驗場開展遙感技術方法及基礎理論等研究工作，群策群力共同推進試驗場建設和發(fā)展。

1 遙感地質試驗場構成

遙感地質試驗場主要由野外試驗場和室內試驗場2大部分組成。野外試驗場主要用于開展野外試驗場地建設及示范應用工作，包括野外場地建設、試驗場基礎本底數據測試及收集、試驗場本底數據庫建設以及遙感地質資源綜合評價的示范應用，以提供翔實可靠的試驗場基礎本底數據和場地應用服務。室內試驗場主要基于遙感地質應用開展半實物仿真系統(tǒng)研建，以實現高光譜遙感的成像和非成像仿真，以及具備不同照明條件、不同觀測角度下遙感觀測的模擬能力。本文重點介紹野外試驗場的建設進展情況。

2 野外試驗場環(huán)境

2.1 自然地理概況

哈密遙感地質試驗場的野外試驗場(簡稱試驗場區(qū))位于新疆東天山哈密市東南，距離哈密市區(qū)約160 km，面積約1 600 km2。區(qū)內交通較為方便，312國道從試驗場區(qū)西南部貫穿，與蘭新鐵路煙墩站、尾亞站有簡易公路相連，試驗場區(qū)內還有多條礦區(qū)柏油路貫穿，哈密機場位于試驗場區(qū)西北角約130 km處。這都為試驗場區(qū)的建設和發(fā)展提供了較為便利的交通條件(圖1)。

試驗場區(qū)位于荒漠戈壁地區(qū)，總體地勢南高北低，一般海拔950～1 200 m，相對高程20～50 m；屬大陸性氣候區(qū)，干旱少雨，平均年降雨量僅80.2～109.5 mm，且多集中于6—7月；晝夜與季節(jié)溫差大，夏季炎熱，氣溫高達35～40℃；冬季嚴寒，最低氣溫在-25℃以下；水系不發(fā)育，無常年流水；植被非常稀少，僅有少量的梭梭、紅柳和芨芨草等生長在溝谷、洼地附近。區(qū)內無永久性居民點；礦業(yè)開發(fā)較為發(fā)達，礦山較多，在黃山東銅鎳礦等地已建成大型或較大型的礦業(yè)基地。

2.2 區(qū)域地質概況

試驗場區(qū)在構造地質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。區(qū)域構造發(fā)育，尤其是斷裂構造發(fā)育，這與區(qū)內構造運動的多期性、復雜性有關；深斷裂、大斷裂和一般斷裂構成了錯綜復雜的斷裂系統(tǒng)，并以此分割具有不同地質建造特征的大地構造單元。沿斷裂線分布的巖石破碎，褐鐵礦化、黃鉀鐵礬化和泥化等蝕變強烈。

試驗場區(qū)內所出露的地層單元主要有長城系星星峽群中深變質巖，主要巖性為長英質角巖、黑云母石英片巖、二云母石英片巖、變粒巖和淺粒巖等；下石炭統(tǒng)干墩組次深海相陸源碎屑淺變質巖和中酸性火山碎屑巖，該組地層的綠泥石化、綠簾石化蝕變普遍比較強烈；下石炭統(tǒng)雅滿蘇組陸源碎屑沉積巖、火山碎屑巖和中-基性火山巖；下石炭統(tǒng)梧桐窩子組中酸性熔巖夾火山碎屑巖；下二疊統(tǒng)阿其克布拉克組陸相碎屑巖；以及古近系、新近系和第四系等。

伴隨大洋板塊俯沖、大陸板塊碰撞及后碰撞走滑和伸展等作用，該區(qū)發(fā)生過強烈的巖漿活動及火山爆發(fā)，因而區(qū)內侵入巖及脈巖非常發(fā)育，從超基性-基性巖到中酸性巖均有分布。由于受內生及表生地質作用的影響較大，區(qū)內的侵入巖普遍蝕變較強，其中基性巖和超基性巖的褐鐵礦化、綠泥石化、綠簾石化或蛇紋石化等較發(fā)育，而中酸性巖體的白云母化、絹云母化、綠泥石化、高齡化化和黃鐵礦化等也較發(fā)育。

試驗場區(qū)礦產資源非常豐富，礦種較多，已發(fā)現的礦產種類有銅、鎳、鉛、鋅、鐵、金和煤、水晶及石材等。上述礦種有的單獨出現，有的則2種或3種共生，組成多礦種的礦床(點)。

3 野外試驗場建設

3.1 基礎地理和地質資料本底

根據野外試驗場區(qū)的區(qū)域地理和地質特征，對試驗場區(qū)的基礎地理數據和基礎地質資料進行了詳細的收集和整理，夯實了區(qū)域地理、地質資料的基礎，為試驗場的建設及后續(xù)示范應用中的地理、地質分析奠定了基礎數據本底(表1)。

表1 哈密試驗場基礎資料Tab.1 Basic data of Hami test field

續(xù)表

根據試驗場區(qū)建設對幾何定位精度的要求，以試驗場區(qū)1∶5萬黑山口圖幅(覆蓋面積約400 km2)為基礎，開展了1∶5萬比例尺的幾何控制點建立及測量工作，為試驗場區(qū)衛(wèi)星圖像幾何精度評價及幾何糾正等提供了可靠的基礎地理定位基準。

在試驗場區(qū)按4 km×4 km網格共布設實測控制點42個，盡可能將控制點布設在遙感影像中易于判讀的明顯地物點上，且在所控制的區(qū)域內均勻分布。其中永久性標識點5個(10 m×10 m)(圖2)，分布在測區(qū)的4角和中央，均布設在微觀地勢平坦、相對地勢較高、周邊無遮擋的開闊地帶；普通標識點16個(12 cm(上)×20 cm(下)×40 cm(高))，布設在影像清晰、特征明顯、易于判讀、地面土質密度較大的影像特征點上；以及普通測量控制點21個，布設在特征明顯的地物點上。

(a) 遙感影像中永久性幾何標識點 (b) 野外實際標識點

圖2 試驗場永久性幾何標識點

Fig.2 Permanent geometry identification point in test field

3.2 巖礦光譜本底

根據試驗場的區(qū)域地理和地質特征，在整個試驗場區(qū)內部署野外光譜測量剖面69條和零散光譜控制點300個，共測量野外巖礦光譜11 837條、室內巖礦光譜2 578條、單礦物光譜47條。上述巖礦光譜數據有效地控制住了試驗場區(qū)域內各種出露地層、巖體及巖脈的巖石類型及其對應的巖礦光譜特征，為開展區(qū)域多/高光譜圖像光譜特征分析及蝕變信息提取研究提供了翔實可靠的地質體基礎光譜數據。

3.3 遙感圖像本底

按照“詳盡和準確”的原則，系統(tǒng)地獲取了覆蓋試驗場區(qū)的從低分辨率到高分辨率、多光譜數據到高光譜數據以及雷達數據等多種遙感圖像本底數據(表2)，為開展試驗場示范應用及遙感地質應用新技術、新方法研究提供多源的基礎圖像本底數據。

表2 覆蓋哈密試驗場的遙感數據

Tab.2 Remote sensing data covering Hami test field(km2)

遙感圖像覆蓋面積苦水幅黃山幅黑山口幅白干湖幅總計ETM4004004004001600ASTER4004004004001600CBERS02B4004004004001600ZY-102C4004004004001600SPOT5400400400-1200GeoEye-1--400-400QuickBird-360--360WorldView24004004004001600Radarsat2-400--400

3.4 野外重要地質現象點

結合野外地質調查和對實測巖礦光譜數據的綜合分析處理以及對遙感圖像的蝕變信息提取處理，在試驗場區(qū)內選擇了10處重要的地質現象點，主要包括礦物蝕變點及礦物組合蝕變點、地質構造特征點、巖相接觸變化及蝕變點等野外重要的地質現象點，并在野外樹立了相應的標示(圖3)。

(a) 綠泥石化蝕變帶 (b) 綠泥石化標示點

圖3 試驗場野外重要地質現象標示點

Fig.3 Marking point of important geological phenomenon in test field

4 服務系統(tǒng)建設

試驗場服務系統(tǒng)由試驗場本底數據庫、數字仿真平臺和物理仿真實驗室等3部分集成(圖4)，以此為窗口，用戶通過注冊用戶名并通過試驗場系統(tǒng)管理人員的審核確定后，即可通過Internet網絡訪問試驗場服務系統(tǒng)，查詢試驗場相關本底數據及建設成果；并可對所感興趣的相關數據提交數據訂單，訂單通過審核后即可下載數據。

圖4 試驗場服務系統(tǒng)總體架構Fig.4 Overall architecture of test field service system

4.1 本底數據庫

本底數據庫主要用于實現對試驗場基礎本底數據的有效關聯管理以及網絡信息發(fā)布，由基于C/S結構的數據管理子系統(tǒng)和基于B/S結構的網絡信息服務子系統(tǒng)組成。

4.1.1 數據管理子系統(tǒng)

數據管理子系統(tǒng)基于Oracle數據庫平臺，采用C/S架構，主要用于實現把原始的本底數據導入到本底數據庫中，完成數據預處理及發(fā)布、數據下載權限設定等基本的數據管理及系統(tǒng)維護工作(圖5)。

圖5 數據管理子系統(tǒng)功能結構圖Fig.5 Function structure chart of data

4.1.2 網絡信息服務子系統(tǒng)

信息服務子系統(tǒng)網絡拓撲圖見圖6。

圖6 信息服務子系統(tǒng)網絡拓撲圖Fig.6 Network topology diagram of information

如圖6所示，網絡信息服務子系統(tǒng)采用典型網絡應用程序的3層結構：數據層、服務層和客戶層。數據層由數據庫管理系統(tǒng)和部分文件數據組成，為服務層提供數據支持；服務層包括Web服務、文件服務和地圖服務，響應客戶端的請求，從數據層讀取數據并進行處理，最后將數據發(fā)送給客戶端；客戶層由運行在終端用戶計算機瀏覽器上的應用程序組成。

該系統(tǒng)采用B/S架構，是遙感地質實驗場數據庫的服務窗口。用戶可以通過瀏覽器進行試驗場基礎地質信息和巖礦光譜信息的瀏覽、查詢與分析和數據下載。可實現信息發(fā)布、信息查詢、用戶注冊及登錄、用戶生成數據訂單及訂單下載，同時實現用戶管理、用戶權限管理、用戶訂單管理及審批等工作。

4.2 數字仿真平臺

數字仿真平臺是一套基于一級物理原理的地物、大氣、平臺和傳感器一體化仿真系統(tǒng)(圖7)。

圖7 數字仿真平臺示意圖Fig.7 Schematic diagram of digital simulation platform

目前集成到試驗場服務系統(tǒng)中的功能主要有：①在線模式的光譜曲線模擬。用哈密試驗場本底數據庫中的地面光譜數據模擬其他多光譜/高光譜儀器(波段位置、半高寬等)對應的反射率數據；②離線模式的圖像數據模擬。針對用戶指定的觀測區(qū)域，根據高分辨率圖像、DEM數據和地面光譜數據等，模擬用戶指定的多光譜/高光譜傳感器獲取的遙感圖像，離線提供可訂制的數據模擬服務。

4.3 物理仿真實驗室

物理仿真實驗室是一套室內的“物理仿真+數字仿真”半實物光學遙感成像仿真系統(tǒng)，可提供網絡預約服務(圖8)。目前物理仿真實驗室只是初步提供離線預約服務，可實現模擬不同巖礦狀態(tài)、不同光照條件、不同觀測儀器獲取的遙感數據，用于分析巖石反射特性的形成機理與變化規(guī)律(礦物成分、粒徑結構、風化蝕變、儀器性能等對巖石反射光譜的影響)；探索地面單點光譜與遙感像元光譜之間的對應關系(光譜隨像元尺度、觀測方向、光照條件、大氣狀況等的變化規(guī)律)；與野外試驗場相結合，服務于面向礦產資源勘查的遙感系統(tǒng)性能指標需求分析、工作模式設計優(yōu)化、遙感數據誤差分析和數據處理模型優(yōu)化等。

圖8 物理仿真實驗室架構圖Fig.8 Architecture diagram of physicalsimulation laboratory

5 結論

1)按照真實可靠的原則，系統(tǒng)收集和采集了試驗場區(qū)的基礎本底數據，本底數據涵蓋了基礎地理幾何、物探、化探、遙感等基礎數據，為試驗場的建設和運用提供了翔實可靠的基礎資料。

2)通過前期的試驗場籌備工作，使得哈密試驗場具備了開展真實性檢驗、衛(wèi)星在軌測試評價、衛(wèi)星數據質量評價、衛(wèi)星影像產品幾何定位精度評價、輻射校正研究、基于地面實測光譜的影像產品光譜信息分析及蝕變信息提取研究、半實物物理仿真試驗等遙感地質礦產資源評價的綜合應用及服務能力。

3)隨著遙感技術的不斷發(fā)展以及遙感地質應用需求的不斷擴大，試驗場建設作為一項系統(tǒng)性的長期工作，需要進一步追蹤國內外新型衛(wèi)星的發(fā)展趨勢及數據特征，及時開展新型遙感數據的示范應用；在充分發(fā)揮試驗場作用的同時，不斷錘煉和擴展試驗場的功能。

4)遙感地質試驗場的建設及運用是一項系統(tǒng)性和長期性的工作，期望廣大的遙感地質工作者加入到試驗場建設中來，利用試驗場服務系統(tǒng)這一窗口平臺，開展遙感技術方法及模型開發(fā)、遙感地質調查和礦產勘查等研究工作，群策群力共同推進試驗場的逐步完善和不斷發(fā)展。

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(責任編輯：劉心季)

Progress in construction of remote sensing and geological test field for comprehensive application and resources evaluation in Hami,Xinjiang

LIANG Shuneng1,2， GAN Fuping1,2， WEI Hongyan1， XIAO Chenchao1， ZHANG Zhenhua1,2， WEI Dandan1

(1.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China；2.KeyLaboratoryofAirborneGeophysicsandRemoteSensingGeology,MinistryofLandandResources,Beijing100083,China)

The remote sensing geological test field is the most important basic platform for comprehensive application and evaluation of remote sensing and geological resources. The construction of the remote sensing geological test field is aimed at meeting the needs of the geological application for land and resources and satisfying the development requirement of remote sensing geological technology as well as the coordinated development of the remote sensing technology with other techniques. The remote sensing geological test field can improve the quantification level of remote sensing geological survey and avoid the blindness of remote sensing data application and promotion. Under the leadership and support of China Geological Survey,the construction and research work of the remote sensing geological test field was carried out. Now,the remote sensing geological test field has been basically established,which has the preliminary capability of providing application services. In this paper,the authors mainly describe the structure,function and performance of the remote sensing geological test field as well as the service mode and service capability that the remote sensing geological test field could provide,so as to make the people understand the development of the remote sensing geological test field and then carry out the research work on the remote sensing technical methodology and basic theory based on the remote sensing geological test field in the hope that the construction and development of the remote sensing geological test field can be accelerated.

remote sensing geological test field；comprehensive application；construction progress

2013-12-31；

2014-03-24

中國地質調查局地質礦產調查評價工作項目“資源能源勘探星載遙感超級試驗場研究”(編號：1212011087113)和國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目“資源一號02C星地質礦產與地質災害環(huán)境應用模式及關鍵技術研究”(編號：201311036)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.02

梁樹能，甘甫平，魏紅艷，等.哈密遙感地質資源評價綜合應用野外試驗場建設進展[J].國土資源遙感，2015，27(2)：8-14.(Liang S N，Gan F P，Wei H Y，et al.Progress in construction of remote sensing and geological test field for comprehensive application and resources evaluation in Hami,Xinjiang[J].Remote Sensing for Land and Resources，2015，27(2)：8-14.)

TP 79

A

1001-070X(2015)02-0008-07

梁樹能(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事高光譜遙感地質應用研究及遙感地質試驗場建設工作。Email: liangsn83@163.com。