雙極化SAR聯(lián)合光學(xué)遙感影像在南方強(qiáng)風(fēng)化區(qū)填圖中的試驗(yàn)研究

裴媛媛，鄧 飛

(1.安徽建筑大學(xué)，合肥 230601；2.廣東省佛山地質(zhì)局，廣東 佛山 528000)

雙極化SAR聯(lián)合光學(xué)遙感影像在南方強(qiáng)風(fēng)化區(qū)填圖中的試驗(yàn)研究

裴媛媛1，鄧 飛2

(1.安徽建筑大學(xué)，合肥 230601；2.廣東省佛山地質(zhì)局，廣東 佛山 528000)

中國(guó)南方地區(qū)氣候溫暖濕潤(rùn)，多數(shù)地質(zhì)體覆蓋有厚度不等的風(fēng)化層，植被茂密，光學(xué)遙感圖像上反映的大部分是植被覆蓋層的光譜信息，對(duì)地質(zhì)解譯填圖造成了困難。以粵西羅定地區(qū)為例，在植被茂密的南方強(qiáng)風(fēng)化地區(qū)利用ALOS-PALSAR雙極化合成孔徑雷達(dá)影像與Landsat 8 OLI多光譜影像進(jìn)行聯(lián)合解譯，結(jié)果表明，聯(lián)合解譯能夠有效提升可識(shí)別巖性的種類，可以在南方強(qiáng)風(fēng)化區(qū)填圖中進(jìn)行推廣。

雙極化；合成孔徑雷達(dá)；地質(zhì)填圖；強(qiáng)風(fēng)化

0 引言

光學(xué)遙感地質(zhì)填圖主要是基于地表的波譜輻射特征及其形態(tài)特征。由于地層單位所處的大地構(gòu)造背景和區(qū)域地質(zhì)背景的不同，以及風(fēng)化程度、覆蓋程度的差異，使得其波譜特征和形態(tài)特征有較大的變化，增加了光學(xué)遙感解譯的難度。因此，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于遙感地質(zhì)填圖的研究和應(yīng)用主要集中在植被稀少、巖石裸露率高的地區(qū)[1～4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在巖石露頭良好、植被稀少的西北干旱地區(qū)開展了大量遙感巖性識(shí)別方面的研究，并在該地區(qū)探索出了較成熟的多光譜和高光譜巖性信息提取方法[3～4]。而中國(guó)南方大部分地區(qū)氣候溫暖濕潤(rùn)，巖石上部覆蓋著較厚的土壤和茂密的植被，在光學(xué)影像上表現(xiàn)的通常是土壤和植被的信息，巖性信息很弱，給遙感地質(zhì)填圖帶來(lái)了很大的困難。目前在南方地區(qū)開展的相關(guān)分析研究較少，尚無(wú)成熟的方法可循。

本文使用了雙極化合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)聯(lián)合光學(xué)影像提高遙感數(shù)據(jù)解譯的能力。極化SAR影像能提供十分豐富的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、隱伏地質(zhì)體等地質(zhì)信息，長(zhǎng)波SAR更是對(duì)植被和土壤有較強(qiáng)的穿透能力，在一定程度上能夠獲取其覆蓋之下的信息[5]。同時(shí)，相較光學(xué)數(shù)據(jù)和單極化SAR而言，極化SAR在每個(gè)分辨單元以不同極化組合狀態(tài)記錄了的地物后向散射信息，利用極化信息能夠提高對(duì)巖性的區(qū)分能力[6～7]。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣東省羅定市和郁南縣與廣西壯族自治區(qū)岑溪市交界處，地理坐標(biāo)為：北緯22°40′—23°00′，東經(jīng)111°15′—111°45′(見圖1)。此區(qū)域地處北回歸線南側(cè)，屬副熱帶季風(fēng)氣候，夏長(zhǎng)無(wú)嚴(yán)冬，氣溫偏高，春秋暖和。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育丘陵、盆地、山地、平原等4種地貌。西部和北部主要為丘陵和低山山地，東部和南部為廣闊的羅定盆地，西江支流南江在區(qū)內(nèi)形成規(guī)模不大的沖積平原。試驗(yàn)區(qū)濕潤(rùn)多雨的氣候造成區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化程度總體非常強(qiáng)烈，除第四紀(jì)沖積物發(fā)育區(qū)外，所有地質(zhì)體均有厚度不等的強(qiáng)烈風(fēng)化層覆蓋，并且植被茂密，對(duì)光譜識(shí)別地層單位造成了很大的困難。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the experiment area

試驗(yàn)區(qū)隸屬華南地層大區(qū)中的東南地層區(qū)，屬云開地層分區(qū)的羅定小區(qū)。區(qū)內(nèi)地層廣泛分布，出露的層位有薊縣—青白口系、南華系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、白堊系和第四系，具體為：云開巖群第一巖組(Pt2-3Y1)、云開巖群第二巖組(Pt2-3Y2)、大紺山組(Nh1d)、高灘組(C-3g)、水石組(C-4s)、羅洪組(O1l)、羅東組(O2l)、東沖組(O2d)、蘭甕組(O3lw)、大崗頂組(S1d)、古墓組(S1g)、連灘組(S1-2l)、信都組(D2x)、東崗嶺組(D2d)、連縣組(C1l)、石磴子組(C1s)、羅定組(K1l)、三丫江組(K1-2sy)、銅鼓嶺組(K2t)以及沖積層(Qhal)。區(qū)內(nèi)侵入巖主要分布于羅定盆地北西側(cè)山區(qū)，為印支期和燕山期構(gòu)造巖漿活動(dòng)產(chǎn)物，主要巖性有花崗斑巖、二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖。

2 SAR聯(lián)合光學(xué)影像解譯

2.1 數(shù)據(jù)源介紹

本文使用的數(shù)據(jù)包括SAR和光學(xué)遙感數(shù)據(jù)?？紤]到試驗(yàn)區(qū)植被覆蓋茂密、風(fēng)化強(qiáng)烈，故選用L波段(中心頻率1.270 GHz)的ALOS-PALSAR雷達(dá)影像，對(duì)植被和風(fēng)化層有較強(qiáng)的穿透能力，同時(shí)所選擇影像的獲取時(shí)間盡量接近冬季，以減小植被的影響。ALOS-PALSAR是日本宇航局開發(fā)的星載陸地觀測(cè)雷達(dá)，用于全球范圍的陸地覆蓋觀測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和資源勘察。所使用的ALOS-PALSAR影像空間分辨率為3.2 m×8.3 m，有HH和HV兩個(gè)極化通道，共使用了3幅影像以覆蓋整個(gè)試驗(yàn)區(qū)，其中2幅影像的獲取時(shí)間為2010年10月24日，另一幅為同年11月10日。

使用的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat 8 OLI多光譜影像。OLI是裝載在Landsat8衛(wèi)星上的多光譜成像儀，共有9個(gè)波段，其中5個(gè)可見光—近紅外波段(0.43～0.45 μm，0.45～0.51 μm，0.53～0.59 μm，0.64～0.67 μm，0.85～0.88 μm)，2個(gè)短波紅外波段(1.57～1.65 μm，2.11～2.29 μm)，1個(gè)卷云波段(1.36～1.38 μm)，空間分辨率為30 m；1個(gè)全色波段(0.50～0.68 μm)，空間分辨率為15 m。使用的Landsat 8 OLI影像的獲取時(shí)間為2014年1月23日，在冬季成像，且云量極少，有利于解譯工作。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

極化SAR不僅以矩陣的形式記錄了各類地物的后向散射矩陣，同時(shí)還記錄了散射的極化信息。地物的散射場(chǎng)極化性質(zhì)不僅取決于入射場(chǎng)的極化信息，還由目標(biāo)形狀、結(jié)構(gòu)、取向或入射場(chǎng)頻率等因素決定，因此能夠反演更多的地物目標(biāo)屬性信息。按照不同的極化方式進(jìn)行散射特征的極化分解，使得巖性之間的后向散射強(qiáng)度差異增大，最終的分類效果則得以優(yōu)化。對(duì)試驗(yàn)區(qū)的ALOS-PALSAR雙極化數(shù)據(jù)而言，其對(duì)應(yīng)的相干矩陣為：

(1)

式中：SHH和SHV分別表示2個(gè)極化通道對(duì)應(yīng)的散射復(fù)數(shù)值，代表HH與HV這4個(gè)線性極化狀態(tài)的散射信息，表示散射復(fù)數(shù)值的空間統(tǒng)計(jì)平均。T矩陣為Hermitian矩陣，它可以分解為：

(2)

式中：λ1,λ2是T矩陣的實(shí)數(shù)特征值，滿足λ1>λ2，U是酉矩陣(H表示共軛轉(zhuǎn)置)，由特征向量u1，u2組成。

對(duì)雙極化而言，λ1的值表示奇次散射，或偶極子散射，或奇次散射與偶極子散射共同作用3類散射機(jī)制的強(qiáng)度，λ2的值則表示多次散射的強(qiáng)度。故根據(jù)上述極化分解結(jié)果，可將地物總的后向散射系數(shù)分解為多次散射和其他散射2個(gè)部分。為了更好地將地表極化特性表現(xiàn)出來(lái)，通過極化分解獲取的特征值λ可合成偽彩色圖，相對(duì)于后向散射灰度圖而言，可提高對(duì)地層巖性的辨識(shí)度。本文將特征值λ1-λ2、λ1、λ2分別作為R、G、B三個(gè)通道合成偽彩圖(見圖2)。

圖2 巖性解譯結(jié)果Fig.2 Results of lithologic interpretation by using ALOS-PALSAR polarization image and Landsat8 OLI multi spectral image

由于SAR是一種主動(dòng)式微波傳感器，相干波成像，成像機(jī)理復(fù)雜，有特殊的輻射和幾何畸變。因此，還需要經(jīng)過輻射定標(biāo)、濾波與多視處理，以消除輻射畸變和相干斑噪聲；與此同時(shí)，為了與Landsat 8 OLI多光譜影像在空間上配準(zhǔn)對(duì)齊，還必須經(jīng)過地理編碼，將其投影到地理坐標(biāo)系下，消除幾何畸變。

Landsat8 OLI多光譜影像可用于解譯的波段有7個(gè)(除去全色和卷云波段)。波段數(shù)增多增加了分析問題的難度和復(fù)雜度，并且多個(gè)波段之間具有一定的相關(guān)性。因此，需要對(duì)各個(gè)光譜波段圖像每個(gè)像元的灰度值進(jìn)行變換，分析并找出包含主要信息的波段組合用于解譯。本文利用主成分變換對(duì)5個(gè)可見光—近紅外波段和2個(gè)短波紅外波段進(jìn)行分析，結(jié)果表明近紅外、短波紅外1和2這3個(gè)波段占圖像總信息量的比重最大，達(dá)80%以上，故使用短波紅外—近紅外的偽彩合成圖(R：短波紅外2，G：短波紅外1，B：近紅外)進(jìn)行光學(xué)影像解譯。另外，在解譯之前，Landsat8 OLI多光譜影像經(jīng)過了輻射定標(biāo)、大氣校正和紋理增強(qiáng)等預(yù)處理，以消除成像誤差，提高解譯精度。

2.3 聯(lián)合解譯

本文微波與光學(xué)遙感聯(lián)合解譯過程是：將ALOS-PALSAR的極化偽彩合成圖、Landsat8 OLI光譜增強(qiáng)后的多光譜偽彩合成圖與地形數(shù)據(jù)(數(shù)字高程模型)相互配準(zhǔn)疊加之后，參考實(shí)地勘察點(diǎn)的巖性以及地質(zhì)草圖，在雷達(dá)和光學(xué)影像上尋找?guī)r性的判讀解譯特征，并對(duì)二者的特征進(jìn)行綜合，互補(bǔ)有無(wú)。

解譯特征的建立主要依據(jù)影像上地物的色調(diào)、色彩[極化偽彩合成]、紋理、幾何形態(tài)等。對(duì)本文的ALOS-PALSAR極化偽彩合成圖而言，①色調(diào)是雷達(dá)影像上后向散射回波強(qiáng)弱的表現(xiàn)，巖體、辟理發(fā)育的山脊多呈淺色調(diào)，第四系的洪積礫石和沙等多成灰色調(diào)；②色彩是雷達(dá)影像極化偽彩色合成圖的顏色表現(xiàn)，本文中紅色表示奇次散射(或偶極子散射)與多次散射的差異，綠色表示奇次散射或偶極子散射，藍(lán)色表示多次散射，三個(gè)通道合成后色彩的變化反應(yīng)了地表散射機(jī)制的變化，同時(shí)與地層巖性相對(duì)應(yīng)，與色調(diào)結(jié)合能提高可判讀性；③紋理可以宏觀地反映大面積出露的某種地物，根據(jù)紋理差別可區(qū)分不同的巖體；④幾何形態(tài)是地物輪廓在影像上的構(gòu)像，大多數(shù)巖漿巖體常成圓、橢圓、脈狀等，出露規(guī)模較大的侵入體，常具有環(huán)狀、放射狀等特征。

在上述雷達(dá)解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上，聯(lián)合Landsat8 OLI多光譜影像對(duì)調(diào)查區(qū)巖性的目視解譯結(jié)果如圖2a所示，僅使用Landsat8 OLI多光譜影像解譯的相應(yīng)結(jié)果如圖2b所示。對(duì)比二者可見，解譯結(jié)果在空間上的分布趨勢(shì)大致相符，但聯(lián)合解譯識(shí)別的巖性種類要明顯多于單使用光學(xué)解譯，由15類增加至22類。其中，聯(lián)合解譯對(duì)花崗巖識(shí)別的提升最為明顯，主要分布在調(diào)查區(qū)西部和北部的低山山地地區(qū)。圖3給出了西北局部區(qū)域的放大對(duì)比，呈斑塊狀分布的侵入巖γπK與ηγJ3在光學(xué)影像中受強(qiáng)風(fēng)化層的影響無(wú)法識(shí)別，而在結(jié)合雷達(dá)影像后，L波段電磁波一定的穿透能力使之能夠判讀識(shí)別。另外，調(diào)查區(qū)東北和東南區(qū)域巖性識(shí)別的提升亦較為明顯，圖4給出了東南局部區(qū)域的放大對(duì)比，從中可看出C1s在光學(xué)影像中有部分區(qū)域邊界難以區(qū)分，與雷達(dá)聯(lián)合判讀后得以識(shí)別，而且Qhal的邊界更為清晰合理。

圖3 試驗(yàn)區(qū)西北局部放大對(duì)比圖Fig.3 Contrast of magnified map between joint interpretation and optics interpretation in the northwestern area

表1列出了調(diào)查區(qū)巖性解譯結(jié)果在使用聯(lián)合解譯前后的部分變化情況，表2列出了表1對(duì)應(yīng)的Landsat8 OLI和ALOS-PALSAR偽彩影像巖性解譯特征。

由表1可見，聯(lián)合解譯對(duì)風(fēng)化條件下侵入巖(例如：γπK和ηγJ3)以及同地質(zhì)時(shí)代相似地層單位(例如：C-3g和C-4s)的識(shí)別能力有一定的提升。

從表2中可見，S1g與S1d在Landsat 8 OLI光學(xué)影像上色調(diào)和紋理幾乎沒有區(qū)別；而在ALOS-PALSAR微波影像上，其紋理有一定區(qū)分度；C-4s與C-3g也是相似的情況。在侵入巖方面，γπK與ηγJ3在光學(xué)影像上都容易與K2t和O3lw混疊，而加入微波影像之后，在K2t和O3lw區(qū)域會(huì)發(fā)現(xiàn)γπK與ηγJ3的紋理差異特征?？偨Y(jié)這些解譯特征亦可見，微波影像由于其工作頻率和觀測(cè)幾何與光學(xué)影像差異巨大，反映的地物紋理與后者有較大差異；而在色彩和色調(diào)方面，由于僅有2個(gè)極化通道，則顯得較為單調(diào)，此時(shí)可與多光譜結(jié)合提高解譯能力。

圖4 試驗(yàn)區(qū)東南局部對(duì)比圖Fig.4 Contrast of magnified map between joint interpretation and optics interpretation in the southeast area

序號(hào)光學(xué)解譯聯(lián)合解譯備注1 K2t γπK調(diào)查區(qū)西北角,γπK呈斑塊狀分布2 O ηγJ3調(diào)查區(qū)西北角,ηγJ3呈斑塊狀分布3 C- C-3g,C-4s調(diào)查區(qū)西北部,呈條狀分布,區(qū)分水石組和高灘組4 K2t O3lw,K2t調(diào)查區(qū)東北部,區(qū)分蘭翁組和銅鼓嶺組5 S1g-S1d S1g,S1d調(diào)查區(qū)東北角,區(qū)分古墓組和大崗頂組6 C1s-C1l C1s調(diào)查區(qū)東南角,區(qū)分石凳子組和連縣組

表2 與表1對(duì)應(yīng)的Landsat8 OLI和ALOS-PALSAR偽彩影像巖性解譯特征

續(xù)表2

3 結(jié)論

單一使用多光譜遙感影像在植被發(fā)育較多、巖石露頭少的中國(guó)南方地區(qū)進(jìn)行巖性識(shí)別解譯較為困難，采用多源遙感數(shù)據(jù)的組合進(jìn)行解譯是合乎邏輯的途徑。不同的遙感數(shù)據(jù)有著不同的特征，這些不同的特征在巖性識(shí)別時(shí)可以起到互補(bǔ)的作用。在本文中使用雙極化ALOS-PALSAR影像聯(lián)合Landsat 8 OLI多光譜影像提高了遙感解譯的能力，提升了可識(shí)別的巖性種類，尤其是巖性接近的地層單元和光譜與其他地層接近的侵入巖，可以在強(qiáng)烈風(fēng)化區(qū)地質(zhì)填圖工作中進(jìn)行推廣。

[1] Clark R N. Chapter 1∶ Spectroscopy of rocks and minerals, and principles of spectroscopy[C]//Rencz A N. Manual of Remote Sensing, Volume 3, Remote Sensing for the Earth Sciences. New York: John Wiley and Sons, 1999: 3～58.

[2] Rowan L C, Simpson C J, Mars J C. Hyperspectral analysis of the ultramafic complex and adjacent lithologies at Mordor, NT, Australia [J]. Remote Sensing of Environment, 2004, 91(3/4): 419～431.

[3] 甘甫平, 王潤(rùn)生. 遙感巖礦信息提取基礎(chǔ)與技術(shù)方法研究[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2004.

GAN Fu-ping, WANG Run-sheng. Technique and basis of extraction of remote sensing rock information[M]. Beijing: Geology Publishing House, 2004.

[4] 厙向陽(yáng), 薛惠鋒, 雷學(xué)武, 等.基于分類規(guī)則挖掘的遙感影像分類研究[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2006, 10(3): 332～338.

SHE Xiang-yang, XUE Hui-feng, LEI Xue-wu, et al. The remote sensing image classification research based on classification rules on the spatial database[J]. Journal of Remote Sensing, 2006, 10(3): 323～328.

[5] 陳立澤, 申旭輝, 田勤儉. 合成孔徑雷達(dá)(SAR)及其在地質(zhì)和地震研究中的應(yīng)用[J].地震,2003, 23(1): 29～35.

CHEN Li-ze, SHEN Xu-hui,TIAN Qin-jian, SAR technique and its application to geologic and seismic research[J]. Earthquake, 2003, 23(1): 29～35.

[6] 陳勁松,邵蕓,董慶,等. 全極化SAR數(shù)據(jù)信息提取研究[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2003, 18(3): 153～158.

CHEN Jin-song, SHAO Yun, DONG Qing, et al. Study on extraction of the ground information from Quad-polarization data[J]. Romote Sensing Technology and Application, 2013, 18(3): 153～158.

[7] 金亞秋, 徐豐. 極化散射與SAR遙感信息理論與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

JIN Ya-qiu, XU Feng, The theory and method of polarimetric scattering and SAR remote sensing information[M]. Beijing: Science Press, 2008.

JOINT INTERPRETATION OF DUAL POLARIZATION SAR AND MULTISPECTRAL OPTICAL IMAGES FOR GEOLOGICAL MAPPINT IN STRONGLY WEATHERED ZONE IN SOUTHERN CHINA

PEI Yuan-yuan1, DENG Fei2

(1.AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China;2.GuangdongFoshanGeologicalBureau,Foshan528000,China)

Most of the geological bodies are covered by different thickness of weathering layers and dense vegetation due to the warm and humid climate in South China. Therefore, most optical remote sensing images reflect the spectral information of the vegetation layer, and which resulted in the difficult for the geological interpretation and mapping. In this paper, the ALOS-PALSAR dual-polarized SAR images and the Landsat8 OLI multi-spectral images have been interpreted jointly in Luoding area, western Guangdong. The result showed that joint interpretation can effectively increases identifiable species of lithology, and could be popularized for the mapping in strongly weathered areas of south China.

dual polarization; synthetic aperture radar; geological mapping; strongly weathered

1006-6616(2016)04-0976-08

2016-08-15

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖試點(diǎn)”(DD20160060)；安徽建筑大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目

裴媛媛(1983-)，女，安徽省銅陵市人，講師，博士，攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，研究方向?yàn)槔走_(dá)遙感。E-mail：pei_yuany@163.com

P623;P627

A