“高分二號”衛星數據在遙感地質調查中的初步應用評價

梁樹能 魏紅艷 甘甫平 陳玲 肖晨超

（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）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛星于2014年8月19日成功發射，是我國第一顆目標定位精度要求達到50m、壽命要求達到5～8年的低軌遙感衛星。GF-2衛星的空間分辨率優于1m，同時還具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態機動能力等特點，標志著我國民用遙感衛星進入亞米級的“高分時代”。

隨著我國航空航天技術的飛速發展，衛星遙感技術在區域地質調查工作中的應用越來越廣泛[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分析地質體的綜合信息等優勢，在遙感地質解譯及填圖[3]、蝕變信息提取[4-5]、礦物填圖[6]等遙感地質工作中能發揮極大的效益優勢。同時，隨著我國高分衛星數據源的不斷增加，數據的空間分辨率以及光譜分辨率的不斷提高，使得衛星遙感技術在地質調查工作中的應用前景越來越廣泛，是新形勢下找礦戰略中開展大面積區域地質調查、實現礦集區有效預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衛星在軌測試期間，為了更好地了解GF-2衛星在地質礦產調查工作中的可應用性及適宜性，本文以新疆哈密遙感地質試驗場區為研究區，從 GF-2衛星遙感數據特征及數據處理著手，對利用 GF-2衛星數據進行地質構造信息解釋、巖性信息的提取以及對遙感影像地質單元的可識別精度等應用進行了評價，以期能更好地發揮和利用GF-2衛星在地質礦產工作中的優勢，促進GF-2衛星數據在地質領域中大區域、業務化的推廣及應用。

1 研究區概況

研究區位于新疆東天山哈密黃山地區，屬于低山–丘陵地區，總體地勢由西部向東南逐漸升高。干旱少雨，晝夜溫差較大，植被稀少，非常適宜運用遙感技術開展區域地質調查工作。

研究區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[8]。該區域構造發育，尤其是斷裂構造，與區內構造運動的多期性和復雜性有關，深斷裂、大斷裂和一般斷裂構成錯綜復雜的斷裂系統，并以此分割具有不同地質建造特征的大地構造單元體系。研究區所涉及的地層單元主要有長城系星星峽巖群中深變質巖；下石炭統干墩組次深海相陸源碎屑淺變質巖、中酸性火山碎屑巖、石炭統苦水巖組以及第四系和第三系等地層。區域礦產以銅、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。研究區地質簡圖見圖1。

2 研究區數據源及預處理

2.1 數據源

本次應用評價主要是基于高空間分辨率的GF-2衛星L1A級數據。GF-2衛星能夠提供優于1m分辨率的全色圖像和優于4m分辨率的4個波段的多光譜圖像，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。其星下點幅寬優于45km，重訪周期優于5天，影像空間分辨率可達0.8m[9]。

圖1 研究區地質簡圖Fig.1 Geological sketch of study area

2.2 數據處理

本次選用了兩景GF-2衛星 L1A級數據，數據時相分別為2014年10月31日和2014年11月15日。在進行遙感地質要素識別之前，以研究區WorldView-2衛星正射影像為底圖，對GF-2衛星L1A級數據進行了幾何校正[10]，幾何校正精度優于一個像元，可滿足遙感地質解譯應用的需求；并采用 Pan Sharpening方法對GF-2衛星全色和多光譜影像進行融合，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、巖脈及斷裂構造等遙感地質要素間的差異，提高了其可解性。GF-2衛星 4m多光譜及融合影像增強對比，見圖2。

圖2 GF-2衛星4m多光譜及融合影像增強對比Fig.2 Comparison between multispectral and fused GF-2 4m image

3 遙感地質解譯應用評價

本文對無植被覆蓋的裸露地區，通過影像信息增強處理，擴大影像中各地質要素間的差異，提高遙感影像地質單元解譯標志的判別能力，對GF-2衛星數據在構造、地層、巖體/巖脈等地質要素的幾何形態、紋理特征，以及各要素之間的空間關系等的判別能力及可識別精度進行評價。

3.1 地質構造信息解譯

在斷裂構造的識別、構造位置的空間展布等構造信息的判識上，GF-2衛星融合影像數據在斷裂空間展布、形態等方面具有較好的應用效果，還能識別出花崗巖體中的辟理等微構造信息以及區域褶皺、韌性剪切帶等。

3.1.1 斷裂構造解譯

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

圖3 研究區深大斷裂GF-2衛星遙感影像特征Fig.3 GF-2 image features of deep faults in study area

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

3.1.2 褶皺構造解譯

研究區構造發育，構造演化復雜，局部地區擠壓變形嚴重，致使褶皺構造發育，影像特征非常明顯。在 GF-2衛星多光譜融合影像中，可清晰識別出褶曲構造、地層角度不整合、侵入體、異常地體的接觸變質現象。研究區褶皺構造影像特征，見圖5。

圖5 研究區褶皺構造影像特征Fig.5 Fold structure image features in study area

3.1.3 環形構造解譯

研究區環形構造發育，影像上呈圓形、橢圓形及次橢圓形，與周圍其它地質體界線清晰，主要是由巖體及地貌特征所引起。研究區環形構造影像特征，見圖6。

圖6 研究區環形構造影像特征Fig.6 Ring structure image features in study area

3.1.4 辟理或節理等微構造信息識別

辟理或節理多發育在巖體中，影像上往往表現為細小、密集的平行格網狀、細脈狀延伸，是由巖體被密集剪切節理切割所成的巖片。GF-2衛星融合影像能有效識別出巖體上西北向和北北東向的辟理等微構造，巖體片理化影像特征，見圖7。

文本類檔案是目前最廣泛的一種檔案類型，包括各種會議文件、電報、領導人講話、合同、協議、出版物原稿等。根據數據類型可以分為兩類，一類是電子版的文本類型檔案，這類檔案隨著計算機辦公的普及近年來數據顯著增加，是數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，數據格式卻不限于文本類型，例如影印版文稿數據類型為圖片類型、會議記錄錄音屬于音頻類型，多媒體文本檔案需要先進行數據預處理，例如影印版文稿需要通過OCR文字識別技術將圖片轉換為文字，會議記錄錄音需要通過語音識別技術將聲音轉換為文字。多媒體類型文字檔案通過數據預處理之后再按照文本類檔案進行特征提取。

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，在研究區內出露面積最大，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巖和巖屑砂巖呈互層出露，在 GF-2衛星融合影像上可以明顯地區分，凝灰巖呈灰黑色色調，光滑片狀影紋，溝谷比較發育，巖屑砂巖呈灰白色色調，影紋粗糙，且可見明顯的層理。干墩組巖石類型影像特征，見圖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

研究區侵入巖發育，主要有花崗巖、閃長巖及基性－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衛星遙感影像上海西中期的黑云母花崗巖（γβ42b）呈灰白色色調，影紋粗糙，呈團塊狀，邊界不規則，溝谷相對來說比較發育。海西中期花崗閃長巖（γδ42a）呈灰黑色色調，影紋粗糙，支離破碎，溝谷比較發育，影像上可以看到兩者呈明顯的侵入接觸關系，且花崗閃長巖侵入到黑云母花崗巖中。花崗閃長巖與黑云母花崗巖呈明顯的侵入接觸關系，見圖10。

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

研究區脈巖發育，主要有花崗巖脈、石英巖脈和基性巖脈，影紋特征明顯，一般呈細條帶狀分布。在GF-2衛星影像上基性巖脈多呈灰黑色，見圖11。花崗巖脈、石英巖脈多呈灰白色、灰黃色，與周圍地層及巖體界線清晰，見圖12。

圖11 細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 遙感影像地質單元的可識別精度潛力評價

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，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]。根據人眼的目視分辨率（通常為0.1mm）和GF-2衛星數據的空間分辨率，可推算出GF-2衛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。

根據人眼最高分辨率（點狀0.25～0.30mm，線狀0.025mm），可推算出GF-2衛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。對比同等或相近分辨率的衛星數據，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（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，可以認為GF-2衛星融合影像最大成圖比例尺應為1∶2 500～1∶5 000，最佳成圖比例尺為1∶8 000～1∶10 000。

3.3.2 可識別地質體精度評價

GF-2衛星數據在分辨率上具有較大的優勢，能夠區分更細小的地物。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、各地質體間邊界紋理清晰，在遙感影像上對閉合地質體、塊狀地質體、線狀地物、環形構造、脈巖寬度等要素的可識別精度進行實際測量和統計分析，通過大量實測數據的統計表明GF-2衛星融合影像數據能有效地識別直徑大于15m的閉合地質體；寬度大于5m、長度大于15m的塊狀地質體；長度大于20m、或寬大于10m的線狀地物（斷裂、脈巖等）。

參照1∶50 000礦產資源遙感調查技術要求，在1∶50 000遙感解譯中，地質體解譯最小上圖精度要求分別為直徑大于100m的閉合地質體，寬度大于50m、長度大于250m的塊狀地質體，線狀地物（斷裂）長度≥500m[13]；并結合實測統計數據的分析，初步認為 GF-2衛星融合影像數據能夠滿足優于1∶25 000尺度的遙感地質解譯應用的需求。

4 結束語

本文利用GF-2衛星0.8m全色和3.2m多光譜融合影像數據，對地層、構造和巖體等地質要素的判別及可識別精度進行了應用評價。結果表明，高分辨率的 GF-2衛星融合影像可對地質體及地質單元的形態、紋理以及各地質體間的空間關系等進行較精細的識別，能較好地區分巖漿巖、沉積巖和變質巖等巖性信息；在良好的巖體出露條件下，對巖體的節理、層理、斷層及其產狀特征反映清晰，可用于開展1∶10 000～1∶25 000尺度的遙感地質解譯工作，可為地質礦產資源調查及評價提供強有力的高分辨率數據支撐。

References)

[1]張瑞絲, 陳建平, 曾敏. 基于 WorldView-2遙感影像的西藏改則地區斷裂構造解譯研究及應用[J]. 遙感技術與應用,2012, 27(2): 265-274.ZHANG Ruisi, CEHN Jianping, ZENG Min. The Study of Structural Interpretation Based on WorldView-2 Remote Sensing Image in Gaize, Tibet and Its Application[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2012, 27(2): 265-274. (in Chinese)

[2]方洪賓, 劉順喜, 楊清華, 等. CBERS-02星在軌測試數據國土資源應用評價[J]. 國土資源遙感, 2009, 79(1): 34-47.FANG Hongbin, LIU Shunxi, YANG Qinghua, etal. An Application Evaluation of the CBERS-02B Satellite On-orbit Image Data for Land and Resources[J]. Remote Sensing for Land amp; Resources, 2009, 79(1): 34-47. (in Chinese)

[3]Rowan L C, Mars J C, Simpson C J. Lithologic Mapping of the Mordor, NT, Australia Ultramafic Complex by Using the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer(ASTER)[J]. Remote Sensing of Environment, 2005,99(1-2): 105-126.

[4]代晶晶. 埃塞俄比亞西部巖漿熔離型鐵礦遙感找礦模型[J]. 遙感技術與應用, 2012. 27(3): 380-386.DAI Jingjing. Remote Sensing Model for Magma Tic Liquation Iron Deposit Prediction in Western Ethiopia[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2012, 27(3): 380-386. (in Chinese)

[5]耿新霞, 楊建民, 張玉君, 等. ASTER數據在淺覆蓋區蝕變遙感異常信息提取中的應用—以新疆西準格爾包古圖斑巖銅礦巖體為例[J]. 地質論評, 2008, 54(2): 184-190.GENG Xinxia, YANG Jianmin, ZHANG Yujun, etal. The Application of ASTER Remote Sensing Data for Extraction of Alteration Anomalies Information in Shallow over Burden Area-acase Study of the Baoguto Porphyry Copper Deposit Intrusion in Western Junggar, Xinjiang[J]. Geological Review, 2008, 54(2): 184-190. (in Chinese)

[6]王潤生, 甘甫平, 閆柏琨, 等. 高光譜礦物填圖技術與應用研究[J]. 國土資源遙感, 2010, 83(1): 1-13.WANG Runsheng, GAN Fuping, YAN Bokun, etal. Hyperspectral Mineral Mapping and Its Application[J]. Remote Sensing for Land amp; Resources, 2010, 83(1): 1-13. (in Chinese)

[7]丁建華, 肖克炎. 遙感技術在我國礦產資源預測評價中的應用[J]. 地球物理學進展, 2006, 21(2): 588-593.DING Jianhua, XIAO Keyan. The Application of Remote Sensing in Mineral Resource Assessment Area[J]. Progress in Geophysics, 2006, 21(2): 588-593. (in Chinese)

[8]丁建華. 新疆東天山銅、鎳、金礦資源潛力評價[D]. 北京: 中國地質科學院, 2007.DING Jianhua. The Prediction of Copper, Nickel and Gold in East Tianshanarea, Xinjiang Autonomous Region[D]. Beijing:Chinese Academy of Geological Science, 2007. (in Chinese)

[9]中國資源衛星應用中心. “高分二號”衛星介紹[EB/OL]. http//www. cresda. com/n16/n1130/n192766/192878. html,2015-03-09.China Centre for Resources Satellite Data and Application. The Introduction to GF-2 Satellite[EB/OL]. http//www. cresda.com/n16/n1130/n192766/192878. html, 2015-03-09. (in Chinese)

[10]甘甫平, 梁樹能, 魏紅艷, 等. “高分一號”衛星遙感影像幾何校正研究[J]. 航天器工程, 2014, 23(增刊): 114-117.GAN Fuping, LIANG Shuneng, WEI Hongyan, etal. Study on Geometric Correction of GF-1 Satellite Remote Sensing Image[J]. Spacecraft Engineering, 2014, 23(Supp.): 114-117. (in Chinese)

[11]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 Jiawen, ZHU Dehai, YAN Tailai, etal. Application of the Relationship Between Spatial Resolution of RS Image and Mapping Scale[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(9): 124-128. (in Chinese)

[12]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 Ling, LIANG Shuneng, ZHOU Yan, etal. 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. (in Chinese)

[13]楊金中, 趙福岳, 楊日紅, 等. DD2011-05礦產資源遙感調查技術要求[S]. 北京, 中國地質調查局, 2011: 10-12.YANG Jinzhong, ZHAO Fuyue, YANG Rihong, etal. DD2011-05 Mineral Resources Remote Sensing Investigation Technical Requirements[S]. Beijing: China Geological Survey, 2011: 10-12. (in Chinese)