遙感技術(shù)在境外電力勘測(cè)工程的應(yīng)用

呂建升

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

1 概述

遙感影像具有現(xiàn)勢(shì)性、歷史性和宏觀性等特點(diǎn)。運(yùn)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)遙感解譯，在輔助輸電線路路徑優(yōu)化、大型建設(shè)項(xiàng)目勘察選址、線狀工程地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等方面取得了顯著的效果。

已有的研究大多傾向于通過(guò)遙感影像地圖的制作來(lái)改善電力工程勘測(cè)工作，但沒(méi)有對(duì)地層以及線性構(gòu)造的解譯，沒(méi)有考慮巖性、斷層等因素。本文提出了采用遙感技術(shù)輔助境外電力工程勘測(cè)工作的方法，通過(guò)對(duì)遙感影像的校正、增強(qiáng)等處理，制作正射影像圖，并以小比例尺的地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類并對(duì)地層及構(gòu)造信息進(jìn)行目視解譯，制作較大比例尺的地質(zhì)圖。本文還對(duì)解譯出的地質(zhì)圖結(jié)合DEM進(jìn)行了三維地表展示，使工程人員在工作的前期不需要到達(dá)研究區(qū)，僅通過(guò)遙感影像就對(duì)工作區(qū)的地形、地貌、地層以及構(gòu)造等情況有所了解，提高工作效率。

2 本研究使用的遙感數(shù)據(jù)

目前在國(guó)內(nèi)電力領(lǐng)域多用SPOT全色(10 m、5 m)、TM彩 色(30 m)或ETM(15 m)影像融合而成的影像。其中，美國(guó)陸地衛(wèi)星7號(hào)(LANDSAT—7)ETM+增加了分辨率為15 m的全色波段；法國(guó)SPOT全色分辨率為10 m、5 m，多光譜影像地面分辨率為10 m。多光譜圖像含有豐富的光譜信息，而全色圖像有很高的空間分辨率。通過(guò)將多光譜圖像和全色圖像進(jìn)行像素級(jí)的融合，可以提高圖像可視效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。根據(jù)工程情況和需要，可采用不同分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

使用的數(shù)據(jù)主要有：Landsat 5 TM數(shù)據(jù)以及Landsat 7 ETM+ 數(shù)據(jù)，另外還有覆蓋研究區(qū)的正式出版的(1995年)1∶250000地質(zhì)圖以及數(shù)字地形圖。

3 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南非Griqualand West盆地西南部，面積約180km2。在研究區(qū)內(nèi)最古老的花崗巖基底上不整合覆蓋著Ventersdorp超組的玄武巖和安山巖。Transvaal超組整合于Ventersdorp超組之上，主要是晚太古代到早元古代的石英巖、頁(yè)巖、碳酸巖和兩個(gè)系列的條帶狀鐵礦(Kuruman BIF和 Griquatown BIF)。地層中夾雜著元古代侵入的輝綠巖巖床。中元古代和晚元古代并沒(méi)有在研究區(qū)留下任何痕跡。研究區(qū)地表被第三紀(jì)或者更年輕的河流沖積物覆蓋。研究區(qū)地層在>2.5 Ga和1.1 Ga之間發(fā)生過(guò)幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，對(duì)地層及其厚度產(chǎn)生了較大的影響。最近的一次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了NW—SE 向的Doringberg斷層。

4 研究方法

本研究主要是使用遙感影像和DEM生成正射影像，同時(shí)對(duì)遙感影像增強(qiáng)處理后進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(監(jiān)督分類)和解譯，得到研究區(qū)的巖性圖及地質(zhì)構(gòu)造圖。研究流程見(jiàn)圖1。

圖1 研究流程圖

4.1 遙感影像的處理

4.1.1 影像預(yù)處理

遙感影像的預(yù)處理主要是影像幾何校正。ETM+數(shù)據(jù)雖然質(zhì)量不好，但具有空間參考(WGS84)，以此影像為基準(zhǔn)，在影像上選取均勻分布的14個(gè)同名點(diǎn)對(duì)TM影像進(jìn)行幾何校正，校正結(jié)果保證RMS誤差在一個(gè)像元以內(nèi)。

4.1.2 影像增強(qiáng)

影像增強(qiáng)通常選擇線性、非線性拉伸，直方圖均衡化等；在地質(zhì)領(lǐng)域多采用比值分析、主成分分析。

比值分析：使用波段3/1增強(qiáng)鐵的氧化物的顯示效果；波段5/7增強(qiáng)含OH—的礦物以及巖石的顯示效果；波段5/4可增強(qiáng)二價(jià)鐵氧化物的顯示效果。

主成份分析：將TM圖像的六個(gè)波段(1—5,7)作為輸入分量，在7個(gè)輸出分量中選擇第2、3、4分量賦予藍(lán)、綠、紅色。

4.2 遙感影像圖的制作

遙感影像圖是遙感地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)圖件。TM影像有6個(gè)波段，要制作影像地圖，需要選擇3個(gè)波段。研究區(qū)屬于干旱裸露地區(qū)，選擇波段7、4、1組合；這是因?yàn)檫@三個(gè)波段之間相關(guān)性最小，能夠擁有最大的信息量，對(duì)解譯大的構(gòu)造信息有利。將波段7、4、1分別賦予紅色、綠色、藍(lán)色，然后對(duì)影像圖進(jìn)行整飾，增加圖廓、注記等。生成的正射影像圖見(jiàn)圖2。

4.3 遙感影像信息提取

圖2 南非普瑞斯卡地區(qū)正射影像圖

影像信息提取主要包括三個(gè)方面：一是對(duì)預(yù)處理后影像進(jìn)行監(jiān)督分類，形成分類后的巖性圖；二是對(duì)影像進(jìn)行濾波處理后，提取線性構(gòu)造；三是對(duì)增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行解譯，以已有的1∶250000地質(zhì)圖為參照，解譯1∶100000的地質(zhì)圖，包含構(gòu)造信息。

4.3.1 監(jiān)督分類

基于光譜的影像分類分為監(jiān)督與非監(jiān)督分類，監(jiān)督分類方法適合于中低分辨率的數(shù)據(jù)，例如本次研究使用的TM以及ETM+數(shù)據(jù)。根據(jù)已有地質(zhì)圖，在影像上選擇57個(gè)訓(xùn)練樣本區(qū)(包括1542個(gè)像元)，使用最大似然分類器將影像上的地物分成14類。

4.3.2 線性構(gòu)造提取

線性構(gòu)造(lineament)由霍布斯在1944年提出，泛指航空照片和衛(wèi)星照片上呈現(xiàn)的線形影像。部分線性影像是諸如斷層、火山鏈、巖墻群和區(qū)域裂隙帶等構(gòu)造形跡的直接反映。

通過(guò)主成分變換，濾波等手段提取影像上的線性構(gòu)造，步驟如下：將TM影像的6個(gè)波段(1—5,7)作為輸入分量坐主成分變換，在6個(gè)輸出分量中，第一主分量(PC1)亮度最大，第三主分量(PC3)主要反映了線性構(gòu)造信息；對(duì)上一步中得到的第三主分量作5*5的高通濾波，來(lái)增強(qiáng)小規(guī)模的線性構(gòu)造，然后再進(jìn)行3*3的低通濾波，來(lái)增強(qiáng)大規(guī)模的線性構(gòu)造；將上述得到的PC3、PC1以及TM的第5波段分別賦予紅、綠、藍(lán)色，得到的彩色影像能突出現(xiàn)實(shí)線性構(gòu)造信息。

值得注意的是，有些線性影像并不具有地質(zhì)含義，它們可能是地貌、植物分布或地下水位變化在圖像上的直觀表現(xiàn)，要注意將這些線性體和線性構(gòu)造區(qū)分開。

4.3.3 影像解譯

以4.2中得到的遙感影像圖為依據(jù)，參照小比例尺地質(zhì)圖，進(jìn)行地質(zhì)解譯，進(jìn)一步勾畫出地層以及構(gòu)造。

本研究區(qū)的影像上，呈西北—東南走向的大塊巖石為Kuruman條帶狀鐵礦(K—BIF)，其紋理較光滑且均勻，受到其中磁鐵礦、燧石以及SiO2的影響，K—BIF顏色以棕色為主，某些區(qū)域顯示為黃色、黃綠色或者淡藍(lán)色。影像上呈紅色顯示且分布較為破碎的為Griquatown條帶狀鐵礦(G—BIF)。與K—BIF相比，G—BIF較年輕，硬度小且顆粒較大，容易受到風(fēng)化剝蝕作用的影響。由于亞鐵類礦物和巖石在TM的5、7波段的高反射率和在1、4波段的低反射率使得G—BIF在影像上呈現(xiàn)明顯的紅色。由于石英對(duì)電磁波強(qiáng)烈的反射特性，石英巖(Q)在影像上顯示為較亮的淡藍(lán)色。碳酸巖(C)由于其相當(dāng)?shù)氖⒑?，顏色與K—BIF很近似，但是受到風(fēng)化剝蝕及構(gòu)造作用的影響，其表現(xiàn)出西北—東南走向的紋理特征。侵入的輝綠巖巖墻(D)顯示為橙色。另外，沿著河流方向分布于兩岸的沖積砂(含SiO2)與碳酸巖表現(xiàn)出很相似的光譜特征。

研究區(qū)內(nèi)有部分碳酸巖其上覆蓋著鈣質(zhì)結(jié)礫巖和冰磧巖，鈣質(zhì)結(jié)礫巖是一種很硬的碳酸鈣沉積物，但是相比前寒武紀(jì)的碳酸巖(含Mg和Fe較多)，其碳酸鈣的含量更純一些，所以其反射率更高一些。在影像上，碳酸巖總體上呈現(xiàn)青色，部分區(qū)域紋理粗糙并由于含F(xiàn)e礦物而顯示粉紅色。冰磧巖在影響上顯示為深紫色，鈣質(zhì)結(jié)礫巖紋理交平滑并顯示為淺紫色。

4.4 GIS支持下的多元信息綜合分析

遙感數(shù)據(jù)及其分類、解譯結(jié)果應(yīng)用于電力行業(yè)的選址和選線，需結(jié)合其他相關(guān)數(shù)據(jù)，例如研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)、地形圖等。將這些數(shù)據(jù)與遙感影像結(jié)合起來(lái)，以支持專題信息提取。結(jié)合DEM數(shù)據(jù)生成的三維效果圖。

4.5 專題圖制作

專題圖件的制作在ArcGIS中進(jìn)行，圖面編輯主要有以下幾個(gè)部分：

(1)地理要素：公路、河流等，使用40 m間距的等高線數(shù)據(jù)。

(2)圖廓內(nèi)要素：圖廓內(nèi)除了地理要素之外的地層、斷裂、傾角、傾向等的表示和標(biāo)注。

(3)圖例：包括地理要素的圖例、地質(zhì)及構(gòu)造要素的圖例。

(4)圖名：放在合適的位置，設(shè)置大小。

(5)比例尺：包括數(shù)字比例尺和線段比例尺。

(6)編圖人員和單位：圖件編制人員和單位信息等。

最終生成的專題圖見(jiàn)圖4。

圖4 南非普瑞斯卡西北部地質(zhì)圖

5 結(jié)論

衛(wèi)星遙感影像具有宏觀性和直觀性的特點(diǎn)，為電力工程勘測(cè)提供豐富的信息源，它將工程環(huán)境直觀地呈現(xiàn)在勘測(cè)人員面前。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)作為一種成熟且實(shí)用的勘測(cè)技術(shù)手段應(yīng)用于境外電力工程勘察工作中具有廣闊的前景。

應(yīng)用遙感影像得到的正射影像圖、解譯地質(zhì)圖以及三維地表展示能為勘測(cè)工作人員的室內(nèi)選線提供第一手資料，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，工程人員可以確定沿線不同區(qū)域的地層情況，從而采取有針對(duì)性的勘探手段，避免因不了解勘測(cè)區(qū)域的情況而盲目工作，既提高工作效率，又可以獲得良好的工程技術(shù)效果，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。

但是本研究采用的TM影像的空間分辨率較低，在一定程度上影響了影像的分類和解譯。為獲得理想的勘察設(shè)計(jì)效果，可購(gòu)買高光譜影像以及空間分辨率較高的影像(如SPOT等)，另外衛(wèi)星遙感技術(shù)還應(yīng)與航空彩紅外圖像相結(jié)合，結(jié)合應(yīng)用GPS技術(shù)和GIS技術(shù)，完美呈現(xiàn)更直觀的工程效果，為電力工程的勘察設(shè)計(jì)工作提供科學(xué)決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

[1]張小諾，吳君帥．衛(wèi)星遙感技術(shù)在電力工程前期勘測(cè)中的應(yīng)用分析[J]．中州建設(shè)，2007，(5)．

[2]楊洪志，等．遙感影像地圖在境外電力工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，7(3)．

[3]陳功，等．遙感影像地圖的制作及其在電力勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2008，(4)．

[4]杜全維，王全心．基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電力選線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．科技咨詢，2009，(28)．

[5]趙順陽(yáng)，劉厚健，陳亞明．高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在某發(fā)電廠周邊環(huán)境分析中的應(yīng)用[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2008，(1)．