基于國產衛星的境外遙感地質調查方法

彭 璽，張 焜，彭 瑜

(1. 青海省地質調查院，青海 西寧 810012；2. 青海省第五地質礦產勘查院，青海 西寧 810028； 3. 青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，青海 西寧 810012)

基于國產衛星的境外遙感地質調查方法

彭 璽1,3，張 焜1,3，彭 瑜2

(1. 青海省地質調查院，青海 西寧 810012；2. 青海省第五地質礦產勘查院，青海 西寧 810028； 3. 青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，青海 西寧 810012)

針對境外遙感地質調查中基礎地質資料難以獲取、解譯標志不確定、野外實地驗證不易實現等難點，開展了國產衛星在境外遙感地質調查及應用研究。通過資料梳理、圖像處理、區域解譯、高分解譯、異常提取等技術手段建立了境外遙感調查方法流程。在巖性、構造、成控礦要素解譯的基礎上，結合同步提取的遙感異常進行成礦與控礦信息篩選，并疊加多種地學信息進行成礦預測。通過國產遙感數據分析，新圈定找礦遠景區一處，減少了投資盲目性，降低了投資風險。

國產衛星；解譯標志；遙感異常；遙感解譯

0 前 言

2015年3月28日，國家發改委、外交部和商務部聯合發布了《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》，宣告“一帶一路”進入了全面推進階段，這將大大促進我國與合作國礦產資源的勘查開發，并給地質工作帶來了無限的發展機遇。目前我國在境外遙感地質工作嚴重依賴TM/ETM+、ASTER、QUICKBIRD、WORLDVIEW-2等國外遙感數據源[1-4]，國際商業衛星在提供境外數據時有諸多限制，而傳統的地質礦產調查手段亦難以滿足實際工作需求，但國產衛星的迅猛發展為境外地質礦產調查工作提供了可靠的基礎數據，其中在軌運行并在地質領域應用較為廣泛的衛星主要有資源三號(ZY-3)、資源一號02C(ZY-102C)、高分一號(GF-1)、高分二號(GF-2)等衛星[5-9]，為我國“走出去”企業提供了可靠的遙感信息，為境外礦產資源勘查與評價中建立一套快速、有效的遙感地質調查方法技術系統，提供了常重要的理論和技術支持。

筆者在承擔“基于國產遙感衛星和北斗衛星的境外地質勘查技術研究”工作中，歸納了國產衛星境外遙感調查方法的總體結構，并利用ZY-102C、GF-1衛星圖像對塔吉克斯坦帕米爾地區進行巖性—構造的詳細解譯、遙感異常提取及找礦預測，在塔吉克斯坦東南部利用國產衛星進行遙感地質調查取得了較好的應用效果。

1 總體技術方案

圖1顯示了國產衛星境外遙感調查流程的總體結構。其基本工作包括了如下諸方面。

1)資料收集及梳理。系統收集調查區及鄰區公開發表和國際互聯網(Internet)上可以搜索的區域地質調查、資源評價和前人研究工作取得的成果資料、圖件，數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，TM/ETM+遙感圖像等。

2)國產衛星數據處理。在資料收集的基礎上，對圖像進行正射糾正、波段組合選擇、圖像配準、圖像融合、數據鑲嵌和圖像增強等預處理，為地質遙感解譯工作提供滿足要求的基礎圖像。

3)區域解譯。利用中等分辨率的國產衛星數據，通過分析現有地質礦產資料，建立初步地質解譯標志，確定研究區主構造位置，劃分區域構造單元、巖石地層單元，完成研究區1∶25萬或1∶10萬遙感地質礦產初步解譯，編制區域遙感地質解譯圖。

4)高分解譯。利用國產衛星的較高分辨率數據，在區域解譯和解譯標志建立的基礎上進行巖性—構造解譯，編制1∶5萬巖性—構造遙感解譯圖。

5)遙感異常提取。根據鐵質蝕變礦物的波譜特性和國產衛星的波段設置，利用比值法和主成分分析方法提取出重點區鐵質礦物異常信息。

6)成礦預測。以遙感蝕變異常為主導，結合遙感高分解譯結果、已知礦床(點)分布特征等多種地學信息，通過相關信息的疊加分析，進行成礦預測。

圖1 國產衛星境外遙感調查流程

2 研究技術和方法

2.1資料收集及梳理

根據所能收集到的地質圖及相關文獻，詳細了解研究區內所出露的沉積巖、變質巖、侵入巖、火山巖、第四系、地質構造、礦化蝕變等，按照巖性(石)及其組合做出梳理，為后續的區域遙感解譯和高分遙感解譯提供基礎資料。本次研究區位于塔吉克斯坦東南部帕米爾高原地區，地處高加索—昆侖—秦嶺造山系(見圖2)，主體以古生界構造混雜巖為主，地層出露較為齊全，出露除中生界以外的元古宇至新生界各時期地層，另有大量以古生界為主的花崗巖類及基性—超基性巖類的巖體、巖帶貫穿其中[10-11]。

①底圖下載于網絡

2.2國產衛星數據處理

國產衛星普遍存在星地直接定位精度較低的現象，缺乏無地面控制的精確定位技術，導致數據處理效率不高，數據應用嚴重滯后；且國產衛星缺少地面標定數據，無法獲得全球穩定的標定結果[12]。因此，在境外利用國產衛星進行圖像處理時應盡可能運用國際互聯網上的資源，比如：來源于美國太空總署和國防部國家測繪局聯合開發的SRTM(航天飛機雷達地形測繪任務)。以資源一號02C(ZY-1 02C)衛星數據為例，圖像處理是在遙感專業處理軟件ERDAS中的LSP模塊下采用 “數字高程模型(DEM)+有理函數模型(RFM)+地面控制點(GCP)”的方法對全色和多光譜原始數據分別進行正射糾正。其中，讀取RPC.XML文件中的內、外定向參數作為ZY-1 02C的有理函數模型參數；選用數字高程模型數據作為正射糾正處理的輔助數據，該數據來源于SRTM，分辨率可達30 m。根據國產高分各波段計算最佳波段組合為3、2、1，再與全色波段進行融合處理，最后對融合后的影像進行不同的拉伸，選擇最有利于該區域的拉伸結果制作遙感正射的影像圖。

2.3區域遙感解譯

在充分理解境外研究區基本地質特征，并掌握研究區遙感影像特征的基礎上，確定中等分辨率數據遙感解譯標志，劃分區域構造格架，定向、定位、定性地提取地質構造形跡，區分巖漿巖、變質巖、沉積巖等的時空分布信息。遙感解譯結果主要沿用區域地質調查所使用的填圖單位，諸如巖石地層單位、巖漿巖填圖單位等。

巖石大類的邊界均具有易于識別的宏觀巖石標志，反映到遙感圖像中，這種邊界標志顯示為特殊的色調、紋形等宏觀影像標志。由于GF-1的2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機、ZY-1 02C 衛星P/MS相機等中等分辨率數據的幅寬達60 km以上，對這種宏觀影像單元有較清晰的反映，地物的對比度較強烈、色調差異更為明顯，易于建立研究區的構造格架、開展巖石大類解譯分區，從區域宏觀角度對地質情況進行分析，優勢突出。在實際應用過程中發現，GF-1衛星WFV數據可用于小比例尺調查、宏觀分析等工作；ZY-1 02C衛星PMS數據可用于中等比例尺調查工作中；GF-1衛星PMS數據、ZY-1 02C衛星HR數據、GF-2衛星數據等可用于高精度、大比例尺調查工作中，對巖性、構造的識別具較高的可靠性。

2.4高分遙感解譯

隨著遙感影像技術的發展， 高分辨率遙感影像對地物的反應呈現了大量的新特點， 如幾何、結構、紋理特征更加豐富，光譜特性更加精細化，地物目標多尺度化等[13]。同時，高空間分辨率遙感衛星的發展應用，既能發揮遙感宏觀、高效的優勢，又能進一步判別地質體巖性及礦化蝕變帶、節理、斷裂、韌性剪切帶、巖脈等信息，使遙感地質工作者從全新的角度去認識地質作用與成礦作用[14-15]。高分辨率遙感地質解譯(簡稱：高分解譯)是在區域遙感調查的基礎上，對巖石地層單元進一步詳細解譯，詳細劃分巖石類型，并對其空間展布規律、相互關系進行判讀，其基本編圖單位為巖性層(巖性組合層或單巖性層)、單巖性侵入體等[16]，并可對前期的區域解譯進行檢驗和查證。

由于境外高分辨率遙感地質調查工作不同于國內的遙感解譯，存在基礎地質資料難以獲取、解譯標志不確定、野外實地驗證不易實現等因素。因此，本次研究采用國產衛星中的高空間分辨率數據，根據研究區巖性的固有特性、遙感圖像的波譜特征、紋理特征和地物可識別能力，以影像特征為基礎進行解譯,并通過對比分析的方法對區內的巖性、構造、礦產等進行高分解譯。由于本次遙感解譯所采用的國產衛星數據的空間分辨率已達到分米級別，工作尺度也已優于1∶10 000，高分遙感解譯類似于實地稍遠距離判斷露頭的地質特征。

2.5野外驗證

在有條件的地區開展適當野外驗證工作，對圖像處理質量和解譯成果的驗證與修正具有非常大的幫助，并可直接確定解譯標志。若無法開展野外驗證之時，則可利用Google Earth、百度地圖、必應地圖等遙感影像中的高空間分辨率遙感數據進行對比分析，上述影像不僅能夠對地物的形態、紋理以及各地物要素之間的空間關系等進行精細觀察，并可以通過圖像色調反映出巖石可能發生的變化，且能夠充分利用Google Earth合理高效地布設測線、勘探線等各種工作調查路線。 因此，可以取得國產衛星數據達不到的應用效果。同時，國產衛星均具中等空間分辨率和高空間分辨率多種傳感器共存的特點，更利于多尺度對比分析[17]。本項目在實際應用過程中發現，GF-1衛星WFV數據可用于小比例尺調查、宏觀分析等工作；ZY-1 02C衛星PMS數據可用于中等比例尺調查工作中；GF-1衛星PMS數據、ZY-1 02C衛星HR數據可用于高精度、大比例尺調查工作中，在巖性—構造解譯中具較高可靠性。

2.6遙感異常提取

現代遙感技術在地質找礦中的應用主要包括巖性和地層識別、礦化蝕變信息提取、研究地質構造組合關系及分布規律等[18]。在遙感異常提取中應用最為廣泛則是TM/ETM+和ASTER遙感影像數據，已形成了一套完整的技術方法體系，并發現了多個礦(化)點[19]。同時，中高分辨率衛星數據在鐵質礦物異常信息的提取過程中也能夠發揮應有的作用[10]。常見蝕變礦物波譜曲線中鐵質(Fe3+)礦物異常在第3波段(紅:630～690 nm)具有相對反射峰，而在第1波段具有相對較低的反射率[19]。結合我國國產衛星的多光譜波段設置，本次研究利用GF-1衛星PMS數據中的band3/band1來突出鐵染蝕變信息，然后采用比值結果的門限化處理進行優化蝕變異常。

2.7成礦預測

遙感技術在成礦帶展布研究，成、控礦要素解譯(礦致色調異常、控礦環形影像、找礦地貌特征等)，礦化蝕變信息提取和多源信息綜合分析等方面比常規找礦方法更具優勢[11]。高空間分辨率遙感數據使人們對地物目標的精細觀測水平和解譯分析能力得到了很大的提高，在找礦應用中實現了礦體特征、礦化帶組合及蝕變帶的強弱程度等的精細研究。在GF-1/GF-2衛星數據的融合圖像上均可直接觀察到一系列的找礦標志，如礦化蝕變帶、礦業活動等，可為地質礦產勘查分析提供基礎支撐。本次研究利用礦化蝕變信息提取和礦致色調異常找礦方法，在區內西南部新圈定一處礦化蝕變帶(圖3)，本蝕變帶長約2 km，寬100～190 m，影像上表現為一條紅褐色、黃褐色、灰白色、淺綠色、灰褐色等色調組成的斑雜色調帶，影紋較粗糙，具斑點狀、斑塊狀紋理；蝕變帶南側圍巖為黑云母花崗巖，影像上色調呈灰白色、土黃色，斑塊狀、條帶狀紋形，影紋粗糙，樹枝狀水系發育；北側為大理巖化頁巖，影像上色調呈灰黑色，平行紋理發育，尖棱狀山脊。由于礦化蝕變作用及地表風化淋濾作用，致使蝕變帶與兩側圍巖有較大差異，接觸界線截然。區內斷裂構造較為發育，蝕變帶被一條北西向右行走滑斷裂所錯斷。

圖3 礦化蝕變帶影像特征(GF-1)

3 應用效果

3.1幾何精度評價

以國產衛星遙感圖像資料為主要信息源，結合高精度地形圖，通過比較控制點坐標實測值和圖像上量算值的差異和不同波段圖像上同名點的位置偏差，研究不同遙感圖像、不同地形地物類別的幾何精度。為評價ZY-1 02C星遙感圖像的幾何精度，以所收集到的研究區1∶5萬高精度地形圖為基準，選擇52個均勻分布的地物點為測試點(山頂、公路河流交匯處、泉水等)進行精度評價。通過比較測試點在地形圖上的坐標和在圖像坐標差異，分析ZY-1 02C遙感圖像的空間定位精度。通過測試點可以看出，在對ZY-1 02C圖像做完幾何校正后，其幾何誤差基本在25 m以內，根據誤差分布直方圖(見圖4)，測試點的誤差接近正態分布，而大部分點的誤差小于25 m，只有3個點的誤差略大于25 m。鑒于該地區主要地形為高山，25 m的誤差可以說達到了較高的精度。

圖4 誤差分布直方圖及累積頻率

影像精度總體評價中，采用均值、標準差、中誤差作為影像整體誤差的參數。

橫向精度評定：根據控制點Y坐標的實測值與圖像上量測值之差△y，計算中誤差，公式為：

縱向精度評定：根據控制點X坐標的實測值與圖像上量測值之差△x，計算中誤差，公式為：

點位精度評定：根據各控制點的δx，δy，點位中誤差公式為：

通過計算，橫向中誤差為13.81，縱向中誤差為13.23，點位中誤差為18.94，誤差均值為17.38，標準差為7.59。可以看出，影像的整體誤差在18 m左右，并具有較好的收斂性。

3.2解譯精度及效果分析

ZY-1 02C星遙感圖像的解譯結果野外驗證顯示：43處驗證點僅有5處第四系覆蓋面積較大的解譯結果與野外驗證不一致，遙感解譯正確率約為88.37%。在對高分一號衛星(GF-1)圖像的巖性—構造解譯結果進行野外驗證時發現，遙感解譯結果與野外觀測結果比較接近，62處地質體的解譯正確率可達83.87%(表1)。

表1 野外驗證結果

通過本次實際應用，國產衛星數據對地物的形狀、紋理、結構等特征識別能力較強，可實現巖性、構造等地質信息的精細識別。研究區內沉積巖、侵入巖及斷裂構造識別效果均較為理想，相對而言，變質巖、火山巖、脈巖等的識別效果不甚理想，如片麻巖、片巖、凝灰巖、輝綠巖脈等均存在不同程

度的誤判。究其原因，變質巖、火山巖、脈巖等不易識別地質體多由于自然風化覆蓋嚴重，基巖裸露面積小等因素致使其與周圍地質體光譜特征、紋理特征相似，影響識別困難。總體而言，應用國產高分數據，通過分析、解讀、研判在基巖裸露區進行巖性-構造遙感解譯較為理想，解譯成果具有一定可靠性。

4 結 論

本文基于前人的研究成果和述評以及初步野外考察，對境外基于國產衛星的遙感地質調查技術方法作一概要總結。研究結果表明：

1)現如今國產衛星的中等空間分辨率和高空間分辨率的傳感器更利于不同尺度分析的要求，多數據源協同運用，為地質礦產調查提供豐富的手段。本次境外遙感地質調查工作，首先以GF-1衛星WFV數據進行小比例尺調查、宏觀分析、反演大地構造格架等工作；然后利用ZY-102C衛星開展中等比例尺調查工作，為區域遙感解譯提供基礎數據；在以上基礎上，利用GF-1衛星PMS數據、ZY-102C衛星HR數據、GF-2等高分辨率衛星數據做巖性、構造、成控礦要素解譯，與提取到的遙感異常信息疊加判讀，進行成礦與控礦信息的篩選，最終提交1∶25萬(或1∶10萬)、1∶5萬、1∶1萬各類比例尺的系列成果圖件，實現遙感技術的協同應用。

2)在境外無從獲取地形資料的情況下，圖像處理過程中，數字高程模型(DEM)數據可參考SRTM，地面控制點(GCP)可在Google Earth上獲取。經與研究區1∶5萬高精度地形圖比較，通過上述方法圖像處理的遙感影像圖整體誤差在18 m左右，達到了較高的精度。

3)在境外基礎地質資料難以獲取、解譯標志不確定、野外實地驗證不易實現的情況下，可通過高分辨率數據的對比分析—野外驗證建立遙感解譯標志，解譯正確率可達83.87%。

4)利用礦化蝕變信息提取和礦致色調異常找礦方法，在研究區西南部新圈定一處礦化蝕變帶，該礦化蝕變帶長約2 km，寬100～190 m，帶內褐鐵礦化、高嶺土化、角巖化等蝕變信息強烈，該地段前景良好。

5)通過本次研究顯示國產衛星數據在境外遙感地質找礦中具有較好的輔助應用，也表明國產高分辨率衛星數據在地質礦產勘查領域具有良好的應用潛力。

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GeologicalSurveyofOffshoreRemoteSensingonDomesticSatellite

PENG Xi1,3, ZHANG Kun1,3, PENG Yu2

(1.InstituteofGeologicalSurveyofQinghqaiProvince，Xining,Qinghai810012,China；2.The5thGeologicalandMineralSurveyInstituteofQinghaiProvince，Xining,Qinghai810099,China; 3.KeylaboratoryofGeologicalProcessandMineralResourcesinNorthofQinghaiTibetPlateau,Xining,Qinghai810012,China)

It is difficult to obtain the basic geological remote sensing and geological investigation information. So, we have found that uncertain and interpreting field validation is not easy to achieve the satellite remote sensing geological investigation. We have made a research of internal satellites beyond the border. Through a data analysis, including image processing, interpretation, high decomposition of translation and unusual technique, the means of extracting foreign remote sensing surveying method was established. In lithology and structure on interpretation of ore-control factors, we have combined with the simultaneous extraction of remote sensing anomaly mineralization and ore-controlling information filtering. We have also overlayed a variety of geoscience information to ore prediction. By domestic remote sensing data analysis, a new delineation of prospecting is to reduce blind investment and investment risk.

Domestic satellites; Interpretation signs; Remote sensing anomalies; Remote sensing interpretation

2017-07-29

中國地質調查局地質調查項目(12120113099200)。

彭璽(1971-)，男，四川威遠人，助理工程師，研究方向：地質礦產遙感技術應用研究，手機：13897444515，E-mail：1127079538@qq.com.

TP79

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.045