西藏矿产资源潜力评价遥感专题中典型问题初探

倪忠云,何政伟,3,吴 华,刘婷婷

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;2.成都理工大学地球科学学院,成都 610059;3.首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室,北京 100037;4.西藏自治区地质调查院,拉萨 850000)

西藏矿产资源潜力评价遥感专题中典型问题初探

倪忠云1,2,何政伟1,2,3,吴 华4,刘婷婷1,2

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;2.成都理工大学地球科学学院,成都 610059;3.首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室,北京 100037;4.西藏自治区地质调查院,拉萨 850000)

西藏矿产资源潜力评价项目遥感专题通过提取各 1∶25万标准图幅及全区遥感异常信息和编制遥感推断地质构造图,为项目地质背景编图、成矿规律研究和矿产资源预测提供了基础性图件。因西藏全区面积广阔、涉及的遥感图像时相各异、图像处理软件及方法流程复杂,加之技术人员专业背景和经验等差异,在遥感专题实施中出现了 4个典型问题:①对基准面和地图投影认识不准,忽视遥感影像图件投影偏差;②在异常信息提取中对干扰信息去除过多或过少,未能有效保证空间拓扑关系的完整性;③遥感图像拼接及色调均衡策略使用不当;④矿产地质特征解译中成果数据的准确性不够。针对上述 4个问题,提出了切实可行的解决方法,保证了专题成果的质量。

矿产资源潜力评价;坐标系统;异常信息提取;影像拼接;矿产地质特征解译

0 引言

全国矿产资源潜力评价项目遥感专题工作的目的有两个:①以有关矿产资源潜力评价为直接目的,提取遥感异常信息,判别矿致异常,为圈定找矿预测区范围、划分预测区级别提供信息;②为地质背景研究专题编制各类基础地质专题图件提供遥感推断地质构造图件[1]。围绕这两个目的,各省 (市、自治区)相继开展了有关工作,已经完成了省级1∶25万标准图幅、部分矿种 (组)预测工作区与典型矿床大于 1∶25万比例尺的遥感编图工作。

西藏是我国具有重大矿产资源潜力的地区。由于地面植被覆盖相对较少,受空气环境、云层影响小,通常获取的遥感图像数据质量较好,适于进行遥感异常信息提取和矿产地质特征解译。但因全区面积多达 120多万 km2(约占全国陆地面积的1/8),在开展遥感专题工作中遇到了不少发人深省的问题。本文对其中具有典型意义的坐标系统统一、异常信息提取、图像拼接和矿产地质特征解译等 4个方面的问题进行初步探讨,希望能为相关工作提供参考。

1 坐标系统的统一问题

在制作 1∶25万标准图幅遥感影像图 (Geo-TIFF、M SI、TIFF 3种格式 )以及 1 ∶50万比例尺省级图件 (地质构造遥感解译图和遥感异常组合图)时,都面临坐标系统的统一和转换问题,需要按照《全国矿产资源潜力评价——遥感资料应用技术要求》[1],采用正确的地理坐标系统和投影参数。

1.1 基准面和地图投影

GIS中的坐标系定义由基准面 (Datum)和地图投影(Projection)2组参数确定。而基准面则是根据特定椭球体对特定地区地球表面逼近的原理,由某组椭球体特征值及其对应的转换参数确定。每个国家或地区均有各自的基准面。一个椭球体可以对应多个基准面,而一个基准面只能对应一个椭球体[2]。例如,克拉索夫斯基 (Krassovsky)椭球体,可以有北京 54基准面、西安 80基准面、Pulkovo1942基准面和Afgooye基准面等。

地球是一个椭球体,球面上的位置以经纬度表示,称之为“球面坐标系统”或“地理坐标系统”。为工作便利的需要,采用数学方法将球面信息转化至平面的过程称为“投影”。

M apG IS 67软件可提供平面直角坐标系投影、地理坐标系投影、大地坐标系投影和用户自定义投影等 4种类型[3]。

有了椭球体以及地图投影,坐标系就能确定下来了。我国目前使用最多的坐标系是北京 54坐标系和西安 80坐标系。

参与遥感专题的人员,如果对椭球基准、投影类型和坐标系类型不能有效区分,就会在大范围数据的统一和汇总时遇到许多问题。现以西藏为例,试对几个重要参数进行如下分析。

按照全国矿产资源潜力评价项目的总体要求[4],并依据有关西藏地区的工作细则,遥感专题所编制图件的比例尺为 1∶25万、1∶20万、1∶10万、1∶5万和 1∶2.5万等时,采用北京 54坐标系和高斯 -克吕格投影 (Gauss-Kruger),采用 6°分带;比例尺大于 1∶1万时则采用 3°分带。这两类比例尺编图时,投影原点经度与投影分带的中央经线的经度一致,投影原点纬度则使用地球赤道纬度 (00°00′00″),中央经线比例变形因子为 1,假东偏移为500 000m,假北偏移为 0m。

编制 1∶50万、1 ∶100万、1 ∶150万、1 ∶250万甚至更小比例尺的图件时,则统一使用兰伯特正轴圆锥投影 (Lambert Conformal Conic Projection),投影原点经度、投影原点纬度、标准割纬度 1、标准割纬度 2、假东偏移和假北偏移等参数,均参照《全国矿产资源潜力评价数据模型——空间坐标系统及其参数规定分册》[4]中有关西藏地区的规定。

在MapGIS 67中,椭球基准有 200多种,用不同的数值规定椭球体长轴、短轴、扁率和偏心率,通过这些值,可以得到椭球体的偏导数。

1.2 遥感影像图制作

编制西藏地区 1∶25万标准图幅的 GeoTIFF格式图像时,采用美国马里兰大学制作的遥感图像[5]作为参考图像进行纠正。纠正后的图像为WGS-84坐标系和通用横轴墨卡托投影 (Universal Transverse Mercator Projection,简称 UTM投影),而 UTM投影采用的中央经线比例变形因子为 0.999 6,假东偏移为 500 000 m,假北偏移为 0 m,与 Gauss-Kruger投影的中央经线比例变形因子存在 0.000 4的偏差,导致地理信息和影像图存在南北位置的偏移。为解决该问题,我们采用重投影变换方法 (Arc-GIS中的 Reprojection),将其转换为全国矿产资源潜力评价项目要求的投影类型和椭球体参数,取得了较好效果。有些单位在制作影像图时,直接采用从马里兰大学下载的图像数据进行裁剪,所得数据的坐标系参数是 TM/ETM+E012(PC I8.0中读取影像图的坐标系类型),而不是全国矿产资源潜力评价项目办规定的 TM/ETM+E015,这种做法也是不可取的。此外,图像的经纬度坐标虽然可以用ENV I4.5软件直接读取,但由于 ENV I4.5软件是加拿大公司开发的,开发过程中没有考虑我国采用的北京 54坐标系类型,所以需要按项目的总体要求自定义北京 54椭球体参数和坐标系类型。我们在确定西藏地区遥感图像的投影类型时所采用的参数为:地球长半轴为6 378 245.0m,地球短半轴为 6 356 863.018 773 05m,偏心率为 0.081 813 334 016 931 2,扁率为0.003 352 329 869 259 15,扁率倒数为298.299 999 999 999。需要将这些参数写成文本形式,加载到 ENV I4.5软件 M ap_p ro j.txt中的椭球基准和椭球体参数设置中。对几何纠正后的图像,再用 ENV I4.5软件将投影转换为北京 54坐标系,即可满足项目的整体要求。

1.3 省级图件制作

在省级遥感构造解译图和省级异常组合图制作中,项目要求针对 1∶50万和 1∶150万的数据采用兰伯特正轴圆锥投影。该投影属于正轴等角割圆锥投影,投影原点的经度、纬度、标准割纬度 1和标准割纬度 2、假东偏移和假北偏移都需要根据项目对西南片区的整体要求进行设置,西藏地区采用的参数分别是 89°、26°、28°、34°、0m和 0m,其目的是要保证在 X、Y方向上不产生变形。众所周知,参数设置不同,得到的投影信息就会不同。例如,上述参数设置不同于亚尔勃斯等积圆锥投影 (Albers Conical Equal Area Projentiom)的参数设置。后者的投影类型主要考虑不论 X、Y方向上如何变形,都能确保面积相等,常在制作计算国土详细面积的图件时使用。

2 异常信息提取问题

2.1 干扰去除过多或过少

在遥感异常提取过程中,对受到的大气、植被和第四系等因素影响以及孤立的异常信息点进行干扰去除时,滤波窗口大小的选取是一个很重要的问题。由于对遥感地质体的认识程度因制图人员而异,通常对异常信息的判断存在着不确定性。也就是说,因滤波窗口大小选取的不同,对同一景遥感图像数据,不同人员会提取出不同的结果,有的异常信息提取得多,有的则提取得少,甚至还会有假异常出现。

在剔除云和盐碱地 (白泥地)干扰信息时,常会遇到难以剔除干净的困扰,这是因为云和盐碱地在ETM+第 5和第 7波段存在着相似的波谱。云的形状不规则以及云层厚薄程度不同,而盐碱地多分布在湖泊周围呈环状或扇状,堆积厚度也有不同,在消除由云产生的假异常时,部分盐碱地有可能同时被去除掉,但又不会被消除干净。

遥感图像上大部分阴影是由地形起伏造成的,少部分则是由云团遮盖形成的。阴影的遮盖,常使部分地物信息不能完全表达,导致提取阴影遮盖区域的遥感异常信息出现困难。因此,去除阴影干扰时需要特别慎重。

2.2 空间拓扑关系错误纠正

在 GIS中,空间拓扑关系描述的是基本空间目标点、线、面之间的邻接、关联和包含关系[6]。M ap-GIS 67软件中,通过引入弧段概念,将所有的线均转化为弧段,弧段经拓扑重建后形成目标区。

在进行异常信息提取时,依据《全国矿产资源潜力评价遥感资料应用技术要求》规定的工作流程[7],使用 PC I8.0软件,以单景遥感图像为单位,我们对西藏全区的遥感图像分别进行了羟基和铁染异常信息提取。提取出的各级异常是栅格化的数据,需用 ENV I4.5软件将其转换为矢量数据;再使用MapGIS 67软件将数据格式转换为＊.W P(区文件)格式;其间又夹杂多次的空间分析 (异常组合图的空间求并、求差和求交)运算,并且每进行一次空间分析运算,都要涉及模糊半径的设置。模糊半径设置不同,得到的数据量 (文件大小)就不同,数据分布形状 (出现致命的三角形)也不同。还需要将大地坐标系下的比例尺分母为 1、单位为 m的数据,投影转换为投影平面直角坐标系下的 1∶25万、以mm为单位的数据。

经过多次复杂运算和投影转换,所获得的异常信息数据已不能完全保证具有正确的空间拓扑关系。解决方法是:先将有空间拓扑错误的区文件(以 138039羟基异常为例,铁染异常拓扑错误修改同羟基异常)用 GEOMAG软件进行规范入库,主要是填写异常强度这一属性栏。使用MapGIS 67软件的“其它”—“生成 Label点文件”功能,将异常强度的属性信息生成点文件 (如文件命名为:138039羟基异常点.W T);将有空间拓扑错误的区文件,用M apGIS 67软件进行“其它”—“弧段转线”—“拓扑错误检查”—“线拓扑错误检查”,修改线文件的拓扑错误直至无误;再进行“其它”—“线转弧段”—“拓扑重建”操作,造区成功后,进行“拓扑错误检查”直至无误 (该区文件命名为 138039羟基异常最终.W P);再将 138039羟基异常点.W T点文件通过“其它”—“Label与区合并”,将异常强度这一栏属性信息赋值给 138039羟基异常最终.W P文件。

在MapGIS 67软件中,根据属性赋各级异常参数:将一级异常赋 1号图层、二级异常赋 2号图层、三级异常赋 3号图层。先打开区文件的所有图层,然后关闭 1、2和 3号图层,删除其他图层的所有区块和弧段 (主要消除“洞”的信息);再根据图层号给各级异常赋颜色 (各级异常的赋色参照《全国矿产资源潜力评价数据模型——统一图例规定分册》[8]);然后在 GEOMAG软件中,对已经赋予属性值和颜色信息的 138039羟基异常最终.W P区文件进行规范和其他属性信息的入库。入库规则遵照《全国矿产资源潜力评价数据模型——遥感分册》[9],文件命名遵照《全国矿产资源潜力评价数据模型通用代码规定分册》[10]。

2.3 省级遥感异常组合图入库修正

数据模型中规定,ID号的字段类型为长整形(L),字段长度为 8;图元编号的字符类型为字符型(C),字段长度为 6。图元编号是根据 ID号来赋值的,不够位的补 0。如:ID号为 1,图元编号应为000001。如果,ID号大于 100 000时,图元编号就等于 ID号。

在进行省级遥感异常组合图入库时,因为异常组合斑块的数量巨大,在更新图元编号和特征代码时,会遇到需要对 ID号在 1～99 999之间不规范的原图元编号进行全面修正的问题。因 GEOMAG软件在规范西藏地区异常组合图件的图元编号时,对ID号后面补 0,这就会出现 ID号为 1和 100 000的数值的图元编号相同的情况。为保证图元编号的唯一性,该软件自动将 ID号为 1的值修正为1.000 00,这将不符合入库规则。如不进行修正,将影响专题成果的质量,达不到验收要求。

解决方法是:先在MapGIS 67软件的属性库管理模块中打开区文件 (异常组合图层),通过“属性”—“统改属性”—“统改区属性”,采用增量方式(初始值为 1,增量值为 1),对 ID值进行编号。

然后在 GEOMAG软件中对图元编号进行规范,将区文件 (异常组合图层)的属性信息,通过“转出图元属性”形成＊.xls格式的数据表格。但由于在Micro soft office Excel(2003版)中,能显示的最大行数为 65 536(256×256),不能一次性地对 ID号在1～99 999之间的属性行进行编码操作,需要在GEOMAG中对 ID号在 1～99 999之间的属性信息按 ID递增的序列先将区文件 (异常组合图层)分成两块,以便使转出的属性行小于 65 536行。在Micro soft office Excel(2003版)中,通过自定义“图元编号”这一属性列的数据类型,根据 ID号的值拖拉鼠标填写图元编号,再通过 ID号导入到 GEOMAG中完成图元编号的规范;最后将 ID号在 1～99 999之间的数据和 ID号大于等于 100 000的数据合并一起。图元编码过程中最好不用拷贝和粘贴的方式,因为有可能会遗漏图斑块。图元编号规范好后,再更新特征代码。

3 图像拼接问题

西藏地域辽阔,覆盖全区的遥感图像在获取时间上有较大的跨度,而且有些图像是冬季获取的,冰雪覆盖较重;有些则是夏季获取的,植被信息较多。各景图像之间,太阳高度角也不尽相同,色调反差较大。图像拼接时,如处理不当,就会出现明显的接缝。

解决办法是:用 ENV I4.5软件分带加载遥感图像,查看该带内数据的整体色调平衡度,求取平均值;然后对每一景图像进行交互式拉伸,使色调保持平衡;最后采用拼接线羽化[11]的方法进行镶嵌。在镶嵌之前,使用注记工具定义拼接线,拼接线尽量选择沟谷和地势较低的地方,呈曲线状。将各带内的数据按照轨道号、从北到南、一列一列地进行镶嵌,然后从东到西进行带间镶嵌,最终形成西藏全区的遥感图像。

4 矿产地质特征解译问题

按照《全国矿产资源潜力评价——遥感资料应用技术要求》[1]、《全国矿产资源潜力评价数据模型——遥感分册》[9]、《全国矿产资源潜力评价数据模型——统一图例规定分册》[8]和《全国矿产资源潜力评价数据模型——统一图式规定分册》[12]的要求,矿产地质特征解译的重点是线性要素和环形要素。在解释断裂时,尤其是对断裂性质的判断,需要参考地质图和地质建造、构造图等资料。为保证同一图元在不同比例尺以及不同图件上属性的一致性,首先对西藏地区大型断裂和板块缝合带进行解译,并填写描述信息;然后根据西藏地区的大地构造格架将工作区分为 8个构造区带[13];最后在各构造区带内进行详细解译和属性信息填写。其中,断裂的走向最初用 GEOMAG软件入库时是用代码表示的,容易出现填写错误。检查时只需利用Map-GIS 67软件,使用“其它”—“工作区属性检查”功能,直接选择属性结构中的某一字段名称,选中的同一类属性内容的数据将会闪烁显示;通过目视方法,对有误的信息逐一进行修改,直至无误;也可以在 GEOMAG软件中,通过下属词[14]切换的方法逐一查看和修正。

项目实施中,由于矿产地质特征解译是不同人员按不同区带分块进行的,难免在分块解译数据拼接时会出现某种问题。解决方法是:先对区带内的解译数据进行拼接[15],确保板块缝合带和大型断裂的连续性 (在连接的过程中,注重线性要素的方向性);然后对区带间的解译数据进行拼接,注意区块间所解译带要素的连续性和区块填色的正确性,并保证空间拓扑关系正确,特别要注意断裂带两侧地层年代的差异性特征。

5 结论

(1)通过完成全国矿产资源潜力评价项目规定的西藏自治区各 1∶25万标准图幅及全区一系列遥感专题图件的编制,在为西藏矿产资源潜力评价相关课题及后续工作提供较为规范、准确的遥感基础资料的同时,我们深刻体会到在一个大型项目中,数据坐标系统统一、数据规范和元数据编写[16]等工作的重要性。空间拓扑关系、异常组合图层图元编号的规范化,图像镶嵌和解译图件编制等问题的解决,是提高专题成果质量的重要保证。

(2)全国矿产资源潜力评价是一项充满难度、技术要求较高的综合性项目,除了需要全国各省(市、自治区)投入大量深入细致的工作,不断地采用新理论、新技术,开拓新思路,注重技术创新,总结成功经验以外,也需要国家在不同层面长期投入和完善相关工作机制,为国土资源调查和矿床资源潜力评价提供持续的技术支持和人才储备。

致谢:本研究过程中,得到中国国土资源航空物探遥感中心于学政、唐文周、张玉君教授和西藏地调院李金高、潘凤雏教授级高级工程师的大力指导与帮助,特此致谢!同时对参与本项目工作的成都理工大学高慧、张船红、蔡柯柯和王乐等人表示感谢!

[1] 于学政,曾朝铭,燕云鹏,等.全国矿产资源潜力评价——遥感资料应用技术要求[M].北京:地质出版社,2009.

[2] 蔡孟裔,毛赞猷,田德森,等.新编地图学教程[M].北京:高等教育出版社,2000:34-46.

[3] MapGIS地理信息系统使用手册数字制图篇 [EB/OL].[2007-05].http://www.mapgis.com.cn.

[4] 全国矿产资源潜力评价数据模型——空间坐标系统及其参数规定分册[R].北京:中国地质调查局发展研究中心,2009.

[5] Global Cover Facility Earth Science Data Interface[EB/OL].[1997-2004].http://glcfapp.glcf.um d.edu:8080/esdi/index.jsp.

[6] 黄杏元,马劲松,汤 勤,等.地理信息系统概论 [M].北京:高等教育出版社,2001:33-35.

[7] 张玉君.全国矿产资源潜力评价遥感异常提取方法技术推广教材[R].北京:中国国土资源航空物探遥感中心,2007.

[8] 全国矿产资源潜力评价数据模型——统一图例规定分册[R].北京:中国地质调查局发展研究中心,2009.

[9] 全国矿产资源潜力评价数据模型——遥感分册[R].北京:中国国土资源航空物探遥感中心,中国地质调查局发展研究中心,2009.

[10]全国矿产资源潜力评价数据模型——通用代码规定分册[R].北京:中国地质调查局发展研究中心,2009.

[11]李小娟,宫兆宁,刘晓萌,等.ENV I遥感影像处理教程 [M].北京:中国环境科学出版社,2007:118-123,456-457.

[12]全国矿产资源潜力评价数据模型——统一图式规定分册[R].北京:中国地质调查局发展研究中心,2009.

[13]西藏自治区区域地质志[M].北京:地质出版社,1993:547-586.

[14]全国矿产资源潜力评价数据模型——数据项下属词规定分册[R].北京:中国地质调查局发展研究中心,2009.

[15]马永立.地图学教程[M].南京:南京大学出版社,1997:44-63.

[16]全国矿产资源潜力评价数据模型——元数据规定分册[R].北京:中国地质调查局发展研究中心,2009.

(责任编辑:刘心季)

A Preliminary Discussion on Typical Problems in the Remote Sen sing Project of Tibetan Mineral Resources Potential Evaluation

NI Zhong-yun1,2,HE Zheng-wei1,2,3,WU Hua4,LIU Ting-ting1,2
(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention&Geoenvironment Protection,Chengdu 610059,China;2.Earth Science,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.Key Laboratory of Resource Environment and GIS in Beijing,Capital Normal University,Beijing 100037,China;4.Geological Survey of Tibet Autonomous Region,Lhasa 850000,China)

The main purpose of the mineral resources potential assessment research based on the remote sensing method in Tibetan region is to extract abnormal remotely sensed information,make several kinds of geological maps,and provide basic maps and data for other cooperating research groups.Four typical problem shave appeared in the project because of vast area,multi-temporal remote sensing images,too much software,comp lex processes and technical differences in technicians’professional background and experience.The first problem is the incorrect understanding of the datum and map projection and the ignoring of the remote sensing image map projection distortion;the second problem is deleting too much or too little interference information and incomplete spatial topological relations during the anomaly information extraction;the third problem is the inappropriate strategy of remote sensing image mosaicking and color balancing;the fourth problem is low accuracy in the interpretation of geological features of mineral resources.Focused on these four problems,this paper proposed a practical solution which ensures the successful completion of the remote sensing project.

Mineral resources potential assessment;Coordinate system;Extraction of anomaly information;Image mosaicking;Interpretation of mineral geological feature

何政伟 (1966-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事遥感地质学、生态地理信息系统和生态环境地质等教学科研。E-m ail:hzw@cdu t.edu.cn

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0097-05

2010-07-15;

2010-09-06

中国地质调查局地质调查项目 (编号:1212010813025)、国家自然科学基金项目 (编号:40972225)和国家“十一五”科技支撑计划项目 (编号:2008BAK49B02)共同资助。

倪忠云 (1982-),女,博士研究生,主要从事生态遥感、遥感地质及 GIS应用研究。