國產高分衛星數據在高海拔地區地質調查中的應用潛力分析

陳玲， 梁樹能， 周艷， 甘甫平， 魏紅艷

(1.國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室,北京 100083；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.中國地質博物館，北京 100034)

國產高分衛星數據在高海拔地區地質調查中的應用潛力分析

陳玲1,2， 梁樹能1,2， 周艷3， 甘甫平1,2， 魏紅艷1,2

(1.國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室,北京 100083；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.中國地質博物館，北京 100034)

隨著國產高分衛星的陸續發射，高分衛星數據在區域地質調查中的應用能力顯得越來越突出。采用資源一號02C(ZY-1 02C)和高分一號(GF-1)衛星數據，在對原始數據質量進行評價的基礎上，開展其在高海拔地區地質調查應用中的潛力分析。研究結果表明： ZY-1 02C和GF-1衛星數據已基本滿足大比例尺地質制圖的要求；在區域構造解譯和巖性信息提取方面已達到同等空間分辨率國外衛星數據的水平，在高海拔地區地質調查中有很大的應用潛力。

國產高分數據；地質調查；高海拔地區；應用潛力

0 引言

隨著我國高分衛星數據獲取技術的不斷發展，國產衛星數據的空間分辨率已經達到m級，如資源一號02C星(以下簡稱ZY-1 02C)全色數據的空間分辨率已達到2.36 m、高分一號衛星(以下簡稱GF-1)全色數據的空間分辨率已達到2 m。ZY-1 02C是根據國土資源部主體業務需求定制的國產高分辨率業務衛星，是2011年12月22日由“長征四號乙”運載火箭成功發射升空，其提供的原始圖像包括2臺高分辨率相機(high resolution，HR)拼接的空間分辨率2.36 m的全色圖像，以及全色多光譜(panchromatic and multispectral，PMS)相機拍攝的5 m全色圖像和10 m多光譜圖像[1-2]。GF-1是我國高分系列衛星中首顆考核壽命要求超過5 a的民用低軌遙感衛星，于2013年4月26日由“長征二號丁”運載火箭成功發射升空，配置有2臺空間分辨率為2 m全色/8 m 多光譜的高分辨率相機和4臺空間分辨率為16 m的多光譜中分辨率寬幅相機。6臺相機相互配合，使GF-1具有“高分辨率與大視場相結合，多載荷圖像拼接融合應用”的特點[3]。胡鳳偉等[4]研究了ZY-1 02C星PMS數據的處理方法；文雄飛等[2]研究了PMS數據在水利方面的應用。但目前采用這些數據在高海拔地區開展區域地質調查研究的報道還較少。

本文在對ZY-1 02C和GF-1數據質量進行評價的基礎上開展其在高海拔地區地質調查應用中的潛力分析，為在全國范圍內廣泛應用國產高分數據積累經驗和技術方法，促進國產高分衛星數據在區域地質調查中的規模化和產業化應用。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

研究區位于青藏高原北部的西昆侖—喀喇昆侖一帶，屬高原高山區。氣候以干燥寒冷、溫差大(晝夜溫差>15℃)、降水稀少為特征，屬典型的高原季風氣候。由于植被覆蓋率較低，山體大多裸露。區內地勢西高東低，海拔高度平均4 500 m，地形切割強烈，相對高差達1 500～4 000 m。構造上處于古亞洲和特提斯2大構造域的結合部位，連接塔里木、華南2大板塊[5]。本研究主要集中在喀喇昆侖構造帶。該構造帶以塔阿西斷裂為界，西南側為明鐵蓋陸塊，北東側為塔什庫爾干陸塊。區內構造主要為北西向線性構造，次為北東向線性構造，北西向與北東向線性構造交匯部位常常是成礦的有利位置[6-7]。出露巖石和松散堆積物主要有下志留統溫泉溝組的粉砂質泥(板)巖、石英砂巖及結晶灰巖等，上石炭統恰提爾群的泥晶灰巖、含生物屑泥晶灰巖、亮晶生物屑灰巖、含生物屑鮞粒灰巖及含砂屑鮞粒灰巖等，未分的二疊系的中-細粒長石石英砂巖、巖屑長石砂巖、鈣質長石粉砂巖、凝灰巖等以及分布在葉爾羌河及其溝谷兩側的第四系沖洪積物[8]。

1.2 數據源及其預處理

由于研究區地處高海拔地區，本研究采用的2013年9月29日ZY-1 02C星HR和PMS數據，以及同季節的GF-1 PMS數據都有少量積雪覆蓋。ZY-1 02C星的多光譜假彩色合成圖像如圖1所示。

ZY-1 02C星和GF-1星數據的有效載荷技術指標見表1。

表1 ZY-1 02C和GF-1衛星有效載荷技術指標[9]Tab.1 Technical index of the payload for ZY-1 02C and GF-1 satellites[9]

對獲取的數據進行質量評價后，再對其進行預處理，包括輻射校正、幾何糾正、圖像配準及波段融合等。

2 質量評價

從遙感區域地質調查應用需求出發，本研究主要采用目視判讀與定量評價相結合的方法對ZY-1 02C 的HR，PMS和GF-1 衛星的PMS數據從影像信息量、清晰度及波段相關系數進行質量分析。

2.1 信息量和清晰度

影像信息量越大、清晰度越高則能提取的地質信息將越多。ZY-1 02C星的多光譜數據和全色數據融合后，空間分辨率為5 m，在目視效果上圖像紋理信息較差，影像邊緣較為模糊，但光譜信息比較豐富，可分辨目標較多。而PMS多光譜數據和HR數據融合后，空間分辨率為2.36 m，目視效果較多光譜影像清晰很多，地物邊界明顯，紋理信息、層次較豐富且不同巖性地區具有不同的色調和紋理(圖2)。

(a) 多光譜圖像 (b) 全色和多光譜融合圖像 (c) HR和多光譜融合圖像

圖2 ZY-1 02C星B1(R)B3(G)B2(B)假彩色合成圖像對比

Fig.2 Comparison of false color images composed of B1(R)B3(G)B2(B)of ZY-1 02C satellite

GF-1多光譜數據分辨率為8 m，與全色數據融合后，空間分辨率為2 m，影像層次感豐富，紋理邊緣較為清晰，目視可分辨目標物較多，具有和ZY-1 02C的PMS-HR融合圖像相當的效果。

2.2 相關系數

相關系數反映了不同波段間的相關程度，分析圖像各個波段間的相關系數對波段選擇和減少數據冗余有很大作用[10-11]。本文對2種衛星數據不同波段間的相關系數進行了統計，其結果如表2所示。

表2 研究區ZY-1 02C和GF-1數據波段間相關系數對比Tab.2 Comparison between the correlation coefficients among waveb and sof ZY-1 02C data and GF-1 data in the research area

從表2可以看出，盡管ZY-1 02C數據的3個多光譜波段的相關系數差別很小，但從結果仍可看出第3波段與其他2個波段間的相關系數要更小些，表明ZY-1 02C星多光譜數據第3波段的獨立性略好于另外2個波段。GF-1衛星數據第4波段比其他3個波段間的相關系數小，說明第4波段的數據獨立性好于另外3個波段，因此在用于提取地質信息的波段組合方案的研究中必選該波段。

3 區域地質調查應用潛力分析

3.1 成圖比例尺

遙感影像的最佳成圖比例尺對于區域地質調查具有重要意義[12]。一般認為遙感數據的空間分辨率在很大程度上決定了影像成圖的比例尺。一般圖件允許的實地誤差10-3en與遙感影像糾正后存在的實地誤差CR在遙感制圖中應該相等,即[13]

10-3en=CR,

(1)

式中：e為人眼的分辨率；n為可制作的合理成圖比例尺的分母；R為遙感圖像的空間分辨率，m；C為圖形幾何糾正系數, 即經幾何糾正后最差的像元位置的均方根差(root mean square,RMS), 以像元為單位，是一個待定變量。通常以實時動態GPS測量值作為真值,求出精糾正遙感圖像與真值的誤差,計算得到誤差的均方根差,就可以求出精糾正遙感圖像均方根差的像元個數,即C。在一般研究中，無法準確獲得C，多光譜影像只能在糾正中盡量提高控制點選擇的精度，降低均方根殘差。在大多數研究中將C取為1。

根據人眼目視分辨率通常為0.1 mm和ZY-1 02C和GF-1數據的空間分辨率可推算出ZY-1 02C星的HR圖像、全色-多光譜融合圖像、GF-1 星的多光譜圖像及全色-多光譜融合圖像的最佳成圖比例尺分別為1∶23 600，1∶50 000,1∶80 000及1∶20 000。根據人眼分辨率可達0.25～0.3 mm，推算出ZY-1 02C星的HR圖像、全色-多光譜融合圖像、GF-1 星的多光譜及全色-多光譜融合圖像的成圖比例尺范圍分別為1∶5 900～1∶7 900，1∶15 000～1∶20 000，1∶32 000～1∶26 000，1∶8 000～1∶6 700。

但是，最大成圖能力不僅與像元分辨率有關，還與影像的幾何糾正、鑲嵌精度(接邊限差)及數據配準等有關。綜合分析誤差結果和鑲嵌結果，本研究認為高原山區ZY-1 02C星的HR數據糾正精度達到5 m左右，成圖比例尺在1∶50 000左右，ZY-1 02C 全色與多光譜融合圖像糾正精度達到8 m左右，成圖比例尺應在1∶80 000左右，GF-1 全色與多光譜融合數據校正精度達到4 m左右，成圖比例尺在1∶40 000左右，基本上能滿足該類地區目前相應比例尺地質制圖的要求[14-15](表3)。

表3 ZY-1 02C和GF-1數據空間分辨率與成圖比例尺關系Tab.3 Relationship between spatial resolution and mapping scale for ZY-1 02C and GF-1 data

3.2 區域構造解譯

研究區內最大的斷裂構造是塔什庫爾干斷裂。該斷裂實際上是一條非常重要的活動斷裂帶，沿塔什庫爾干河谷展布，且沿河谷兩側有多條活動斷裂存在，斷層泉(溫泉)發育。如著名的塔合曼溫泉就位于河谷西側活動斷裂上。在遙感圖像上，該斷裂構造具有明顯的線性影像特征，第四系和基巖區色調分界呈直線型，河流整體上呈直線型展布。同時，從色調、紋理亦可判斷由斷裂所構成的地層、巖性邊界(圖3)。總體來說， ZY-1 02C和GF-1數據在斷裂空間展布、形態等方面具有較好的應用效果，已經達到同等分辨率國外衛星數據的水平。

(a) ZY-1 02C B1(R)B3(G)B2(B)合成圖像 (b) GF-1 B1(R)B2(G)B3(B)合成圖像

圖3 研究區遙感影像圖

Fig.3 Remote sensing images of study area

3.3 巖性信息提取

巖性信息提取主要采用ZY-1 02C以及GF-1融合后的2.36 m和2 m的遙感數據。在建立遙感地質解譯標志的基礎上，以人機交互解譯為主，利用大比例尺遙感圖像，開展巖性信息提取工作。由于研究區內缺少侵入巖，本文只進行沉積巖和變質巖的信息提取。結果表明,ZY-1 02C和GF-1數據能夠較好地區分沉積巖和變質巖,如圖4所示。

(a) 石炭紀灰巖與二疊紀凝灰巖 (b) 二疊紀凝灰巖與細粒石英砂巖

圖4 ZY-1 02C星B1(R)B3(G)B2(B)假彩色合成圖像

Fig.4 False color images composed of B1(R)B3(G)B2(B)of ZY-1 02C satellite

由圖4可以看出，石炭紀灰巖在ZY-1 02C圖像上呈灰白色調，紋理粗糙，呈團塊狀，邊界不規則，溝谷不發育；泥晶灰巖夾生物碎屑灰巖色調稍深，呈灰褐色色調，紋理粗糙，呈斑塊狀。二疊紀凝灰巖在圖像上呈灰黑色色調，紋理光滑；細粒石英砂巖在圖像上呈灰白色色調，紋理較凝灰巖光滑，溝谷發育。研究區的第四系分布廣泛，以沖積物為主，其次為砂土和礫石，構成了三級河流階地，與周圍地層影像差異較明顯。GF-1遙感數據顯示第四紀沉積物一般色調較淺，紋理較光滑(圖5)。

(a) 志留紀石英片巖與鈣質板巖 (b) 第四紀沖積物

圖5 GF-1星B2(R)B4(G)B3(B)假彩色合成圖像

Fig.5 False color images composed of B2(R)B4(G)B3(B)of GF-1 satellite

4 結論

本文通過目視判讀與定量評價相結合的方法對ZY-1 02C星和GF-1星HR和PMS傳感器全色、多光譜數據的信息量和清晰度進行評價，通過對各個波段進行統計分析，計算波段間的相關系數，最后利用ZY-1 02C和GF-1數據進行了研究區區域地質調查應用潛力評價。研究認為，利用ZY-1 02C和GF-1星數據在高海拔地區開展區域地質調查前景廣泛，得出如下結論︰

1)ZY-1 02C多光譜數據第3波段與其他2個波段間的相關系數相對較小，即其獨立性好于另外2個波段；GF-1多光譜數據第4波段與其他3個波段的相關系數也較小，即其獨立性好于另外3個波段。在使用比值等信息增強方法和合成圖像時可優先選用。

2)ZY-1 02C以及GF-1融合后的遙感數據影像清晰，紋理信息較豐富，適用于高原地區的區域地質調查。

3)根據影像分辨率和成圖比例尺的關系，本研究認為高原山區ZY-1 02C HR數據糾正精度達到5 m左右，成圖比例尺在1∶50 000左右，全色與多光譜融合影像糾正精度達到8 m左右，成圖比例尺應在1∶80 000左右，GF-1 全色與多光譜融合數據校正精度達到4 m左右，成圖比例尺在1∶40 000左右,能滿足相應比例尺地質制圖的要求。

4)現有研究認為，國產高分遙感數據在區域地質找礦工作中具有較好的應用前景，在構造和巖性信息提取方面具有較好的效果，但由于受波段設置和光譜分辨率的影響，其在遙感蝕變異常信息提取方面的應用還有待進一步研究。

[1] 馬熹肇.資源一號“02C”衛星數據在軌測試分析[D].長春:吉林大學,2012. Ma X Z.Data Analysis on In-orbit Testing of Ziyuan 1-02C Satellite[D].Changchun:Jilin University,2012.

[2] 文雄飛,陳蓓青,申邵洪,等.資源一號02C衛星P/MS傳感器數據質量評價及其在水利行業中的應用潛力分析[J].長江科學院院報,2012,29(10):118-121. Wen X F,Chen B Q,Shen Z H,et al.Image quality evaluation for ZY-102C satellite P/MS sensors and the potential of its application in water conservancy[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2012,29(10):118-121.

[3] 邱學雷.高分一號衛星工程首批影像圖發布將為國土、環境、農業等領域提供精準服務[J].國防科技工業,2013(6):14-16. Qiu X L.Gaofen-1 satellite first released image map which will peovide accurate service to land resources,environment and agriculture[J].Defence Science and Technology Industry,2013(6):14-16.

[4] 胡鳳偉,胡龍華,李濤.資源一號02C衛星PMS數據處理方法研究[J].華北科技學院學報,2012,9(4):40-44. Hu F W,Hu L H,Li T.The discussion of processing method of ZY-102C PMS remote sensing image data[J].Journal of North China Institute of Science and Technology,2012,9(4):40-44.

[5] 褚少雄.西昆侖及其鄰區成礦地質背景及成礦規律探討[D].北京:中國地質大學(北京),2008. Chu S X.Preliminary Study on Regional Metallogenic Background and Metallogenic Regularity of West Kunlun and Its Adjacent Area[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2008.

[6] 李寶強,楊萬志,趙樹銘,等.西昆侖成礦帶成礦特征及勘查遠景[J].西北地質,2006,39(2):128-142. Li B Q,Yang W Z,Zhao S M,et al.Metallogenic characteristics and prospecting areas in the western Kunlun metallogenic Belt[J].Northwestern Geology,2006,39(2):128-142.

[7] 肖序常,王軍.西昆侖—喀喇昆侖及其鄰區巖石圈結構、演化中幾個問題的探討[J].地質論評,2004,50(3):285-294. Xiao X C,Wang J.Discussion on the lithospheric structure and evolution of the west Kunlun mountains-Karakorum Mountains and their adjacent areas[J].Geological Review,2004,50(3):285-294.

[8] 燕長海,陳曹軍,曹新志,等.新疆塔什庫爾干地區“帕米爾式”鐵礦床的發現及其地質意義[J].地質通報,2012,31(4):549-557. Yan C H,Chen C J,Cao X Z,et al.The discovery of the“Pamir-type”iron deposits in Taxkorgan area of Xinjiang and its geological significance[J].Geological Bulletin of China,2012,31(4):549-557.

[9] 中國資源衛星中心.資源一號02C星用戶指南[S].北京:中國資源衛星中心,2012. China Centre for Resources Satellite Data and Application.ZY-1 02C Science Data Users Handbook[S].Beijing:China Centre for Resources Satellite Data and Application,2012.

[10]胡紫豪,唐菊興,張廷斌,等.西藏多不雜斑巖銅礦ASTER遙感蝕變異常特征[J].國土資源遙感,2012,24(1):150-154. Hu Z H,Tang J X,Zhang T B,et al.Characteristics of remote sensing alternation anomalies from ASTER in the Duobuza Porphyry Copper Deposit[J].Remote Sensing for Land and Resources,2012,24(1):150-154.

[11]王培忠,嚴衛東,邊輝,等.提取蝕變信息時TM影像的最佳波段組合研究[J].地球科學與環境學報,2010,32(2):173-175. Wang P Z,Yan W D,Bian H,et al.Study on optimal bands composite of TM image while extracting alteration information[J].Journal of Earth Sciences and Environment,2010,32(2):173-175.

[12]張明洋,馬維峰,唐湘丹,等.地質災害三維遙感解譯成果的自動制圖方法[J].國土資源遙感,2013,25(2):164-167. Zhang M Y,Ma W F,Tang X D,et al.Automatic mapping of the results of 3D remote sensing interpretation of geological disasters[J].Remote Sensing for Land and Resources,2013,25(2):164-167.

[13]潘家文,朱德海,嚴泰來,等.遙感影像空間分辨率與成圖比例尺的關系應用研究[J].農業工程學報,2005,21(9):124-128. Pan J W,Zhu D H,Yan T L,et al.Application of the relationship between spatial resolution of RS image and mapping scale[J].Transactions of the CSAE,2005,21(9):124-128.

[14]姚銳,莊大方,戴塔根,等.淺談GIS在地質制圖中的應用[J].地質與勘探,2001,37(6):55-57. Yao R,Zhuang D F,Dai T G,et al.The applications of GIS in geo-mapping[J].Geology and Prospecting,2001,37(6):55-57.

[15]李軍,高光大,王芳,等.基于ArcGIS平臺的地質制圖的實現[J].地質通報,2009,28(1):150-154. Li J,Gao G D,Wang F,et al.Design and implementation of geological cartography using ArcGIS[J].Geological Bulletin of China,2009,28(1):150-154.

(責任編輯： 邢宇)

Potential of applying domestic high-resolution remote sensing data to geological survey in high altitudes

CHEN Ling1,2， LIANG Shuneng1,2， ZHOU Yan3， GAN Fuping1,2， WEI Hongyan1,2

(1.KeyLaboratoryofAirborneGeophysicsandRemoteSensingGeology,MinistryofLandandResources，Beijing100083,China；2.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China;3.GeologicalMuseumofChina,Beijing100034,China)

With the launch of domestic high-resolution satellites, the application of them to regional geological survey has become an urgent task. Based on the evaluation of original image, the authors employed ZY-1 02C and GF-1 images to explore the application potential of geological survey in West Kunlun high altitudes. The research indicates that ZY-1 02C and GF-1 images can not only satisfy the requirements of large-scale geological mapping but also present good application effect in tectonic interpretation and lithological information extraction, thus showing great potential in geological survey.

domestic high-resolution remote sensing data; geological survey; high altitudes area; application potential

2013-03-10；

2013-05-13

國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室航遙青年創新基金項目(編號： 2013YFL08)、國土資源部公益性行業科研專項項目(編號： 201311036)和東昆侖成礦帶礦產資源遙感綜合調查項目(編號： 12120113045300)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.22

陳玲，梁樹能，周艷，等.國產高分衛星數據在高海拔地區地質調查中的應用潛力分析[J].國土資源遙感，2015，27(1)：140-145.(Chen L，Liang S N,Zhou Y，et al.Potential of applying domestic high-resolution remote sensing data to geological survey in high altitudes[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：140-145.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0140-06

陳玲(1982-)，女，博士，主要從事遙感地質、礦產等理論和應用研究。Email: chenling010@126.com。

甘甫平(1971-)，男，研究員，主要從事遙感地質領域遙感技術方法及應用研究。Email: fpgan@aliyun.com。