“高分二號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)在遙感地質(zhì)調(diào)查中的初步應(yīng)用評(píng)價(jià)

梁樹(shù)能 魏紅艷 甘甫平 陳玲 肖晨超

（1 中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

（2 國(guó)土資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

“高分二號(hào)”（GF-2）衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，是我國(guó)第一顆目標(biāo)定位精度要求達(dá)到50m、壽命要求達(dá)到5～8年的低軌遙感衛(wèi)星。GF-2衛(wèi)星的空間分辨率優(yōu)于1m，同時(shí)還具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力等特點(diǎn)，標(biāo)志著我國(guó)民用遙感衛(wèi)星進(jìn)入亞米級(jí)的“高分時(shí)代”。

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]，其具有大面積、高精度、低成本、快速客觀和易于綜合比對(duì)分析地質(zhì)體的綜合信息等優(yōu)勢(shì)，在遙感地質(zhì)解譯及填圖[3]、蝕變信息提取[4-5]、礦物填圖[6]等遙感地質(zhì)工作中能發(fā)揮極大的效益優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著我國(guó)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的不斷增加，數(shù)據(jù)的空間分辨率以及光譜分辨率的不斷提高，使得衛(wèi)星遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查工作中的應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛，是新形勢(shì)下找礦戰(zhàn)略中開(kāi)展大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、實(shí)現(xiàn)礦集區(qū)有效預(yù)選以及圈定成礦有利地段的一種有效方法[7]。

基于此，在GF-2衛(wèi)星在軌測(cè)試期間，為了更好地了解GF-2衛(wèi)星在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中的可應(yīng)用性及適宜性，本文以新疆哈密遙感地質(zhì)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)為研究區(qū)，從 GF-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)特征及數(shù)據(jù)處理著手，對(duì)利用 GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造信息解釋、巖性信息的提取以及對(duì)遙感影像地質(zhì)單元的可識(shí)別精度等應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期能更好地發(fā)揮和利用GF-2衛(wèi)星在地質(zhì)礦產(chǎn)工作中的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地質(zhì)領(lǐng)域中大區(qū)域、業(yè)務(wù)化的推廣及應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆東天山哈密黃山地區(qū)，屬于低山–丘陵地區(qū)，總體地勢(shì)由西部向東南逐漸升高。干旱少雨，晝夜溫差較大，植被稀少，非常適宜運(yùn)用遙感技術(shù)開(kāi)展區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作。

研究區(qū)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及其板塊構(gòu)造意義上地處哈薩克斯坦–準(zhǔn)噶爾板塊中的準(zhǔn)噶爾地塊，屬于塔里木板塊北部陸緣活動(dòng)帶二級(jí)構(gòu)造單元[8]。該區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，尤其是斷裂構(gòu)造，與區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的多期性和復(fù)雜性有關(guān)，深斷裂、大斷裂和一般斷裂構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)，并以此分割具有不同地質(zhì)建造特征的大地構(gòu)造單元體系。研究區(qū)所涉及的地層單元主要有長(zhǎng)城系星星峽巖群中深變質(zhì)巖；下石炭統(tǒng)干墩組次深海相陸源碎屑淺變質(zhì)巖、中酸性火山碎屑巖、石炭統(tǒng)苦水巖組以及第四系和第三系等地層。區(qū)域礦產(chǎn)以銅、鎳、鉛、鋅、鐵、金為主，隸屬于康古爾塔格銅、鎳、金、鉬、稀有成礦帶的一部分。研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本次應(yīng)用評(píng)價(jià)主要是基于高空間分辨率的GF-2衛(wèi)星L1A級(jí)數(shù)據(jù)。GF-2衛(wèi)星能夠提供優(yōu)于1m分辨率的全色圖像和優(yōu)于4m分辨率的4個(gè)波段的多光譜圖像，多光譜波段范圍為：0.45～0.52μm、0.52～0.59μm、0.63～0.69μm和0.77～0.89μm。其星下點(diǎn)幅寬優(yōu)于45km，重訪周期優(yōu)于5天，影像空間分辨率可達(dá)0.8m[9]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of study area

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次選用了兩景GF-2衛(wèi)星 L1A級(jí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)相分別為2014年10月31日和2014年11月15日。在進(jìn)行遙感地質(zhì)要素識(shí)別之前，以研究區(qū)WorldView-2衛(wèi)星正射影像為底圖，對(duì)GF-2衛(wèi)星L1A級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正[10]，幾何校正精度優(yōu)于一個(gè)像元，可滿足遙感地質(zhì)解譯應(yīng)用的需求；并采用 Pan Sharpening方法對(duì)GF-2衛(wèi)星全色和多光譜影像進(jìn)行融合，融合影像既提高了多光譜影像的空間分辨率，又保留了其多光譜特征，極大地提高了地層、巖體、巖脈及斷裂構(gòu)造等遙感地質(zhì)要素間的差異，提高了其可解性。GF-2衛(wèi)星 4m多光譜及融合影像增強(qiáng)對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 GF-2衛(wèi)星4m多光譜及融合影像增強(qiáng)對(duì)比Fig.2 Comparison between multispectral and fused GF-2 4m image

3 遙感地質(zhì)解譯應(yīng)用評(píng)價(jià)

本文對(duì)無(wú)植被覆蓋的裸露地區(qū)，通過(guò)影像信息增強(qiáng)處理，擴(kuò)大影像中各地質(zhì)要素間的差異，提高遙感影像地質(zhì)單元解譯標(biāo)志的判別能力，對(duì)GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在構(gòu)造、地層、巖體/巖脈等地質(zhì)要素的幾何形態(tài)、紋理特征，以及各要素之間的空間關(guān)系等的判別能力及可識(shí)別精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造信息解譯

在斷裂構(gòu)造的識(shí)別、構(gòu)造位置的空間展布等構(gòu)造信息的判識(shí)上，GF-2衛(wèi)星融合影像數(shù)據(jù)在斷裂空間展布、形態(tài)等方面具有較好的應(yīng)用效果，還能識(shí)別出花崗巖體中的辟理等微構(gòu)造信息以及區(qū)域褶皺、韌性剪切帶等。

3.1.1 斷裂構(gòu)造解譯

研究區(qū)域發(fā)育有多期次斷裂構(gòu)造，在 GF-2衛(wèi)星影像上影紋及色調(diào)特征非常明顯，主要呈東西向、東北向及西北向展布，呈現(xiàn)出明顯的線狀影像特征，尤其是第四系沉積物和地層、基巖地區(qū)存在直線型分界，顏色和色調(diào)分界呈直線型，如圖3所示，圖中紅線所示即為深大斷裂。同時(shí)，從色調(diào)、紋理亦可判斷由斷裂所構(gòu)成的地層、巖性邊界，如圖4所示。

圖3 研究區(qū)深大斷裂GF-2衛(wèi)星遙感影像特征Fig.3 GF-2 image features of deep faults in study area

圖4 研究區(qū)東北向逆斷層影像特征Fig.4 NE reverse faults image characteristics in study area

3.1.2 褶皺構(gòu)造解譯

研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造演化復(fù)雜，局部地區(qū)擠壓變形嚴(yán)重，致使褶皺構(gòu)造發(fā)育，影像特征非常明顯。在 GF-2衛(wèi)星多光譜融合影像中，可清晰識(shí)別出褶曲構(gòu)造、地層角度不整合、侵入體、異常地體的接觸變質(zhì)現(xiàn)象。研究區(qū)褶皺構(gòu)造影像特征，見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)褶皺構(gòu)造影像特征Fig.5 Fold structure image features in study area

3.1.3 環(huán)形構(gòu)造解譯

研究區(qū)環(huán)形構(gòu)造發(fā)育，影像上呈圓形、橢圓形及次橢圓形，與周圍其它地質(zhì)體界線清晰，主要是由巖體及地貌特征所引起。研究區(qū)環(huán)形構(gòu)造影像特征，見(jiàn)圖6。

圖6 研究區(qū)環(huán)形構(gòu)造影像特征Fig.6 Ring structure image features in study area

3.1.4 辟理或節(jié)理等微構(gòu)造信息識(shí)別

辟理或節(jié)理多發(fā)育在巖體中，影像上往往表現(xiàn)為細(xì)小、密集的平行格網(wǎng)狀、細(xì)脈狀延伸，是由巖體被密集剪切節(jié)理切割所成的巖片。GF-2衛(wèi)星融合影像能有效識(shí)別出巖體上西北向和北北東向的辟理等微構(gòu)造，巖體片理化影像特征，見(jiàn)圖7。

文本類檔案是目前最廣泛的一種檔案類型，包括各種會(huì)議文件、電報(bào)、領(lǐng)導(dǎo)人講話、合同、協(xié)議、出版物原稿等。根據(jù)數(shù)據(jù)類型可以分為兩類，一類是電子版的文本類型檔案，這類檔案隨著計(jì)算機(jī)辦公的普及近年來(lái)數(shù)據(jù)顯著增加，是數(shù)字化檔案管理的主流類型；另一類是多媒體格式的文本檔案，這類檔案雖然信息屬于文本類，數(shù)據(jù)格式卻不限于文本類型，例如影印版文稿數(shù)據(jù)類型為圖片類型、會(huì)議記錄錄音屬于音頻類型，多媒體文本檔案需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，例如影印版文稿需要通過(guò)OCR文字識(shí)別技術(shù)將圖片轉(zhuǎn)換為文字，會(huì)議記錄錄音需要通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)將聲音轉(zhuǎn)換為文字。多媒體類型文字檔案通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后再按照文本類檔案進(jìn)行特征提取。

圖7 巖體片理化影像特征Fig.7 Image features of rock schistosity

3.2 地層巖性信息的提取

3.2.1 地層信息解譯

下石炭統(tǒng)干墩組地層為一套次深海相陸源碎屑沉積巖、火山巖和碳酸鹽巖組合，在研究區(qū)內(nèi)出露面積最大，影像特征明顯，顏色成灰黑色、灰黃色以及淺灰白色，影紋粗糙，與周圍地層及巖體分界清楚。其第二巖段中的凝灰?guī)r和巖屑砂巖呈互層出露，在 GF-2衛(wèi)星融合影像上可以明顯地區(qū)分，凝灰?guī)r呈灰黑色色調(diào)，光滑片狀影紋，溝谷比較發(fā)育，巖屑砂巖呈灰白色色調(diào)，影紋粗糙，且可見(jiàn)明顯的層理。干墩組巖石類型影像特征，見(jiàn)圖8。

圖8 干墩組巖石類型影像特征Fig.8 Rock types image features of gandun stratum

圖9 第四系地層影像特征Fig.9 Image features of quaternary stratum

3.2.2 巖體信息解譯

研究區(qū)侵入巖發(fā)育，主要有花崗巖、閃長(zhǎng)巖及基性－超基性巖，各巖體類型影像特征明顯，不同期次侵入巖接觸特征明顯。在 GF-2衛(wèi)星遙感影像上海西中期的黑云母花崗巖（γβ42b）呈灰白色色調(diào)，影紋粗糙，呈團(tuán)塊狀，邊界不規(guī)則，溝谷相對(duì)來(lái)說(shuō)比較發(fā)育。海西中期花崗閃長(zhǎng)巖（γδ42a）呈灰黑色色調(diào)，影紋粗糙，支離破碎，溝谷比較發(fā)育，影像上可以看到兩者呈明顯的侵入接觸關(guān)系，且花崗閃長(zhǎng)巖侵入到黑云母花崗巖中?；◢忛W長(zhǎng)巖與黑云母花崗巖呈明顯的侵入接觸關(guān)系，見(jiàn)圖10。

圖10 花崗閃長(zhǎng)巖與黑云母花崗巖呈明顯的侵入接觸關(guān)系Fig.10 Intrusive contact relationship between granodiorite and biotite granite

研究區(qū)脈巖發(fā)育，主要有花崗巖脈、石英巖脈和基性巖脈，影紋特征明顯，一般呈細(xì)條帶狀分布。在GF-2衛(wèi)星影像上基性巖脈多呈灰黑色，見(jiàn)圖11?；◢弾r脈、石英巖脈多呈灰白色、灰黃色，與周圍地層及巖體界線清晰，見(jiàn)圖12。

圖11 細(xì)條帶狀基性巖脈影像特征Fig.11 Image features of thin banded mafic dikes

圖12 中酸性巖脈影像特征Fig.12 Image features of acidic dykes

3.3 遙感影像地質(zhì)單元的可識(shí)別精度潛力評(píng)價(jià)

遙感影像的最佳成圖比例尺對(duì)于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查具有重要意義，而遙感影像的空間分辨率在很大程度上決定了影像成圖的比例尺[11-12]。根據(jù)人眼的目視分辨率（通常為0.1mm）和GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率，可推算出GF-2衛(wèi)星全色影像最佳成圖比例尺為1∶8 000，多光譜影像最佳成圖比例尺為1∶32 000。

根據(jù)人眼最高分辨率（點(diǎn)狀0.25～0.30mm，線狀0.025mm），可推算出GF-2衛(wèi)星全色影像最大成圖比例尺為 1∶2 000，多光譜影像最大成圖比例尺為 1∶8 000。對(duì)比同等或相近分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，1m空間分辨率的伊科諾斯（IKONOS）遙感影像可以制作比例尺為1∶5 000的影像圖，0.61m空間分辨率的快鳥(niǎo)（QuickBird）遙感影像基本上可以制作比例尺為1∶2 500的影像圖，因此，可以認(rèn)為GF-2衛(wèi)星融合影像最大成圖比例尺應(yīng)為1∶2 500～1∶5 000，最佳成圖比例尺為1∶8 000～1∶10 000。

3.3.2 可識(shí)別地質(zhì)體精度評(píng)價(jià)

GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在分辨率上具有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠區(qū)分更細(xì)小的地物。將融合影像放大到目視效果非常舒服的比例，要求在此比例尺度下影像清晰、地物邊界不模糊、各地質(zhì)體間邊界紋理清晰，在遙感影像上對(duì)閉合地質(zhì)體、塊狀地質(zhì)體、線狀地物、環(huán)形構(gòu)造、脈巖寬度等要素的可識(shí)別精度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明GF-2衛(wèi)星融合影像數(shù)據(jù)能有效地識(shí)別直徑大于15m的閉合地質(zhì)體；寬度大于5m、長(zhǎng)度大于15m的塊狀地質(zhì)體；長(zhǎng)度大于20m、或?qū)挻笥?0m的線狀地物（斷裂、脈巖等）。

參照1∶50 000礦產(chǎn)資源遙感調(diào)查技術(shù)要求，在1∶50 000遙感解譯中，地質(zhì)體解譯最小上圖精度要求分別為直徑大于100m的閉合地質(zhì)體，寬度大于50m、長(zhǎng)度大于250m的塊狀地質(zhì)體，線狀地物（斷裂）長(zhǎng)度≥500m[13]；并結(jié)合實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，初步認(rèn)為 GF-2衛(wèi)星融合影像數(shù)據(jù)能夠滿足優(yōu)于1∶25 000尺度的遙感地質(zhì)解譯應(yīng)用的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用GF-2衛(wèi)星0.8m全色和3.2m多光譜融合影像數(shù)據(jù)，對(duì)地層、構(gòu)造和巖體等地質(zhì)要素的判別及可識(shí)別精度進(jìn)行了應(yīng)用評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，高分辨率的 GF-2衛(wèi)星融合影像可對(duì)地質(zhì)體及地質(zhì)單元的形態(tài)、紋理以及各地質(zhì)體間的空間關(guān)系等進(jìn)行較精細(xì)的識(shí)別，能較好地區(qū)分巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖等巖性信息；在良好的巖體出露條件下，對(duì)巖體的節(jié)理、層理、斷層及其產(chǎn)狀特征反映清晰，可用于開(kāi)展1∶10 000～1∶25 000尺度的遙感地質(zhì)解譯工作，可為地質(zhì)礦產(chǎn)資源調(diào)查及評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的高分辨率數(shù)據(jù)支撐。

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