国产高分卫星数据在高海拔地区地质调查中的应用潜力分析

陈玲， 梁树能， 周艳， 甘甫平， 魏红艳

(1.国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室,北京 100083；2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.中国地质博物馆，北京 100034)

国产高分卫星数据在高海拔地区地质调查中的应用潜力分析

陈玲1,2， 梁树能1,2， 周艳3， 甘甫平1,2， 魏红艳1,2

(1.国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室,北京 100083；2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.中国地质博物馆，北京 100034)

随着国产高分卫星的陆续发射，高分卫星数据在区域地质调查中的应用能力显得越来越突出。采用资源一号02C(ZY-1 02C)和高分一号(GF-1)卫星数据，在对原始数据质量进行评价的基础上，开展其在高海拔地区地质调查应用中的潜力分析。研究结果表明： ZY-1 02C和GF-1卫星数据已基本满足大比例尺地质制图的要求；在区域构造解译和岩性信息提取方面已达到同等空间分辨率国外卫星数据的水平，在高海拔地区地质调查中有很大的应用潜力。

国产高分数据；地质调查；高海拔地区；应用潜力

0 引言

随着我国高分卫星数据获取技术的不断发展，国产卫星数据的空间分辨率已经达到m级，如资源一号02C星(以下简称ZY-1 02C)全色数据的空间分辨率已达到2.36 m、高分一号卫星(以下简称GF-1)全色数据的空间分辨率已达到2 m。ZY-1 02C是根据国土资源部主体业务需求定制的国产高分辨率业务卫星，是2011年12月22日由“长征四号乙”运载火箭成功发射升空，其提供的原始图像包括2台高分辨率相机(high resolution，HR)拼接的空间分辨率2.36 m的全色图像，以及全色多光谱(panchromatic and multispectral，PMS)相机拍摄的5 m全色图像和10 m多光谱图像[1-2]。GF-1是我国高分系列卫星中首颗考核寿命要求超过5 a的民用低轨遥感卫星，于2013年4月26日由“长征二号丁”运载火箭成功发射升空，配置有2台空间分辨率为2 m全色/8 m 多光谱的高分辨率相机和4台空间分辨率为16 m的多光谱中分辨率宽幅相机。6台相机相互配合，使GF-1具有“高分辨率与大视场相结合，多载荷图像拼接融合应用”的特点[3]。胡凤伟等[4]研究了ZY-1 02C星PMS数据的处理方法；文雄飞等[2]研究了PMS数据在水利方面的应用。但目前采用这些数据在高海拔地区开展区域地质调查研究的报道还较少。

本文在对ZY-1 02C和GF-1数据质量进行评价的基础上开展其在高海拔地区地质调查应用中的潜力分析，为在全国范围内广泛应用国产高分数据积累经验和技术方法，促进国产高分卫星数据在区域地质调查中的规模化和产业化应用。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

研究区位于青藏高原北部的西昆仑—喀喇昆仑一带，属高原高山区。气候以干燥寒冷、温差大(昼夜温差>15℃)、降水稀少为特征，属典型的高原季风气候。由于植被覆盖率较低，山体大多裸露。区内地势西高东低，海拔高度平均4 500 m，地形切割强烈，相对高差达1 500～4 000 m。构造上处于古亚洲和特提斯2大构造域的结合部位，连接塔里木、华南2大板块[5]。本研究主要集中在喀喇昆仑构造带。该构造带以塔阿西断裂为界，西南侧为明铁盖陆块，北东侧为塔什库尔干陆块。区内构造主要为北西向线性构造，次为北东向线性构造，北西向与北东向线性构造交汇部位常常是成矿的有利位置[6-7]。出露岩石和松散堆积物主要有下志留统温泉沟组的粉砂质泥(板)岩、石英砂岩及结晶灰岩等，上石炭统恰提尔群的泥晶灰岩、含生物屑泥晶灰岩、亮晶生物屑灰岩、含生物屑鲕粒灰岩及含砂屑鲕粒灰岩等，未分的二叠系的中-细粒长石石英砂岩、岩屑长石砂岩、钙质长石粉砂岩、凝灰岩等以及分布在叶尔羌河及其沟谷两侧的第四系冲洪积物[8]。

1.2 数据源及其预处理

由于研究区地处高海拔地区，本研究采用的2013年9月29日ZY-1 02C星HR和PMS数据，以及同季节的GF-1 PMS数据都有少量积雪覆盖。ZY-1 02C星的多光谱假彩色合成图像如图1所示。

ZY-1 02C星和GF-1星数据的有效载荷技术指标见表1。

表1 ZY-1 02C和GF-1卫星有效载荷技术指标[9]Tab.1 Technical index of the payload for ZY-1 02C and GF-1 satellites[9]

对获取的数据进行质量评价后，再对其进行预处理，包括辐射校正、几何纠正、图像配准及波段融合等。

2 质量评价

从遥感区域地质调查应用需求出发，本研究主要采用目视判读与定量评价相结合的方法对ZY-1 02C 的HR，PMS和GF-1 卫星的PMS数据从影像信息量、清晰度及波段相关系数进行质量分析。

2.1 信息量和清晰度

影像信息量越大、清晰度越高则能提取的地质信息将越多。ZY-1 02C星的多光谱数据和全色数据融合后，空间分辨率为5 m，在目视效果上图像纹理信息较差，影像边缘较为模糊，但光谱信息比较丰富，可分辨目标较多。而PMS多光谱数据和HR数据融合后，空间分辨率为2.36 m，目视效果较多光谱影像清晰很多，地物边界明显，纹理信息、层次较丰富且不同岩性地区具有不同的色调和纹理(图2)。

(a) 多光谱图像 (b) 全色和多光谱融合图像 (c) HR和多光谱融合图像

图2 ZY-1 02C星B1(R)B3(G)B2(B)假彩色合成图像对比

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

GF-1多光谱数据分辨率为8 m，与全色数据融合后，空间分辨率为2 m，影像层次感丰富，纹理边缘较为清晰，目视可分辨目标物较多，具有和ZY-1 02C的PMS-HR融合图像相当的效果。

2.2 相关系数

相关系数反映了不同波段间的相关程度，分析图像各个波段间的相关系数对波段选择和减少数据冗余有很大作用[10-11]。本文对2种卫星数据不同波段间的相关系数进行了统计，其结果如表2所示。

表2 研究区ZY-1 02C和GF-1数据波段间相关系数对比Tab.2 Comparison between the correlation coefficients among waveb and sof ZY-1 02C data and GF-1 data in the research area

从表2可以看出，尽管ZY-1 02C数据的3个多光谱波段的相关系数差别很小，但从结果仍可看出第3波段与其他2个波段间的相关系数要更小些，表明ZY-1 02C星多光谱数据第3波段的独立性略好于另外2个波段。GF-1卫星数据第4波段比其他3个波段间的相关系数小，说明第4波段的数据独立性好于另外3个波段，因此在用于提取地质信息的波段组合方案的研究中必选该波段。

3 区域地质调查应用潜力分析

3.1 成图比例尺

遥感影像的最佳成图比例尺对于区域地质调查具有重要意义[12]。一般认为遥感数据的空间分辨率在很大程度上决定了影像成图的比例尺。一般图件允许的实地误差10-3en与遥感影像纠正后存在的实地误差CR在遥感制图中应该相等,即[13]

10-3en=CR,

(1)

式中：e为人眼的分辨率；n为可制作的合理成图比例尺的分母；R为遥感图像的空间分辨率，m；C为图形几何纠正系数, 即经几何纠正后最差的像元位置的均方根差(root mean square,RMS), 以像元为单位，是一个待定变量。通常以实时动态GPS测量值作为真值,求出精纠正遥感图像与真值的误差,计算得到误差的均方根差,就可以求出精纠正遥感图像均方根差的像元个数,即C。在一般研究中，无法准确获得C，多光谱影像只能在纠正中尽量提高控制点选择的精度，降低均方根残差。在大多数研究中将C取为1。

根据人眼目视分辨率通常为0.1 mm和ZY-1 02C和GF-1数据的空间分辨率可推算出ZY-1 02C星的HR图像、全色-多光谱融合图像、GF-1 星的多光谱图像及全色-多光谱融合图像的最佳成图比例尺分别为1∶23 600，1∶50 000,1∶80 000及1∶20 000。根据人眼分辨率可达0.25～0.3 mm，推算出ZY-1 02C星的HR图像、全色-多光谱融合图像、GF-1 星的多光谱及全色-多光谱融合图像的成图比例尺范围分别为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，最大成图能力不仅与像元分辨率有关，还与影像的几何纠正、镶嵌精度(接边限差)及数据配准等有关。综合分析误差结果和镶嵌结果，本研究认为高原山区ZY-1 02C星的HR数据纠正精度达到5 m左右，成图比例尺在1∶50 000左右，ZY-1 02C 全色与多光谱融合图像纠正精度达到8 m左右，成图比例尺应在1∶80 000左右，GF-1 全色与多光谱融合数据校正精度达到4 m左右，成图比例尺在1∶40 000左右，基本上能满足该类地区目前相应比例尺地质制图的要求[14-15](表3)。

表3 ZY-1 02C和GF-1数据空间分辨率与成图比例尺关系Tab.3 Relationship between spatial resolution and mapping scale for ZY-1 02C and GF-1 data

3.2 区域构造解译

研究区内最大的断裂构造是塔什库尔干断裂。该断裂实际上是一条非常重要的活动断裂带，沿塔什库尔干河谷展布，且沿河谷两侧有多条活动断裂存在，断层泉(温泉)发育。如著名的塔合曼温泉就位于河谷西侧活动断裂上。在遥感图像上，该断裂构造具有明显的线性影像特征，第四系和基岩区色调分界呈直线型，河流整体上呈直线型展布。同时，从色调、纹理亦可判断由断裂所构成的地层、岩性边界(图3)。总体来说， ZY-1 02C和GF-1数据在断裂空间展布、形态等方面具有较好的应用效果，已经达到同等分辨率国外卫星数据的水平。

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

图3 研究区遥感影像图

Fig.3 Remote sensing images of study area

3.3 岩性信息提取

岩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的遥感数据。在建立遥感地质解译标志的基础上，以人机交互解译为主，利用大比例尺遥感图像，开展岩性信息提取工作。由于研究区内缺少侵入岩，本文只进行沉积岩和变质岩的信息提取。结果表明,ZY-1 02C和GF-1数据能够较好地区分沉积岩和变质岩,如图4所示。

(a) 石炭纪灰岩与二叠纪凝灰岩 (b) 二叠纪凝灰岩与细粒石英砂岩

图4 ZY-1 02C星B1(R)B3(G)B2(B)假彩色合成图像

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

由图4可以看出，石炭纪灰岩在ZY-1 02C图像上呈灰白色调，纹理粗糙，呈团块状，边界不规则，沟谷不发育；泥晶灰岩夹生物碎屑灰岩色调稍深，呈灰褐色色调，纹理粗糙，呈斑块状。二叠纪凝灰岩在图像上呈灰黑色色调，纹理光滑；细粒石英砂岩在图像上呈灰白色色调，纹理较凝灰岩光滑，沟谷发育。研究区的第四系分布广泛，以冲积物为主，其次为砂土和砾石，构成了三级河流阶地，与周围地层影像差异较明显。GF-1遥感数据显示第四纪沉积物一般色调较浅，纹理较光滑(图5)。

(a) 志留纪石英片岩与钙质板岩 (b) 第四纪冲积物

图5 GF-1星B2(R)B4(G)B3(B)假彩色合成图像

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

4 结论

本文通过目视判读与定量评价相结合的方法对ZY-1 02C星和GF-1星HR和PMS传感器全色、多光谱数据的信息量和清晰度进行评价，通过对各个波段进行统计分析，计算波段间的相关系数，最后利用ZY-1 02C和GF-1数据进行了研究区区域地质调查应用潜力评价。研究认为，利用ZY-1 02C和GF-1星数据在高海拔地区开展区域地质调查前景广泛，得出如下结论︰

1)ZY-1 02C多光谱数据第3波段与其他2个波段间的相关系数相对较小，即其独立性好于另外2个波段；GF-1多光谱数据第4波段与其他3个波段的相关系数也较小，即其独立性好于另外3个波段。在使用比值等信息增强方法和合成图像时可优先选用。

2)ZY-1 02C以及GF-1融合后的遥感数据影像清晰，纹理信息较丰富，适用于高原地区的区域地质调查。

3)根据影像分辨率和成图比例尺的关系，本研究认为高原山区ZY-1 02C HR数据纠正精度达到5 m左右，成图比例尺在1∶50 000左右，全色与多光谱融合影像纠正精度达到8 m左右，成图比例尺应在1∶80 000左右，GF-1 全色与多光谱融合数据校正精度达到4 m左右，成图比例尺在1∶40 000左右,能满足相应比例尺地质制图的要求。

4)现有研究认为，国产高分遥感数据在区域地质找矿工作中具有较好的应用前景，在构造和岩性信息提取方面具有较好的效果，但由于受波段设置和光谱分辨率的影响，其在遥感蚀变异常信息提取方面的应用还有待进一步研究。

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(责任编辑： 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

国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室航遥青年创新基金项目(编号： 2013YFL08)、国土资源部公益性行业科研专项项目(编号： 201311036)和东昆仑成矿带矿产资源遥感综合调查项目(编号： 12120113045300)共同资助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.22

陈玲，梁树能，周艳，等.国产高分卫星数据在高海拔地区地质调查中的应用潜力分析[J].国土资源遥感，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

陈玲(1982-)，女，博士，主要从事遥感地质、矿产等理论和应用研究。Email: chenling010@126.com。

甘甫平(1971-)，男，研究员，主要从事遥感地质领域遥感技术方法及应用研究。Email: fpgan@aliyun.com。