遥感技术在境外电力勘测工程的应用

吕建升

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 概述

遥感影像具有现势性、历史性和宏观性等特点。运用卫星遥感数据进行地质遥感解译，在辅助输电线路路径优化、大型建设项目勘察选址、线状工程地质调查、环境地质调查等方面取得了显著的效果。

已有的研究大多倾向于通过遥感影像地图的制作来改善电力工程勘测工作，但没有对地层以及线性构造的解译，没有考虑岩性、断层等因素。本文提出了采用遥感技术辅助境外电力工程勘测工作的方法，通过对遥感影像的校正、增强等处理，制作正射影像图，并以小比例尺的地质图为基础，对影像进行监督分类并对地层及构造信息进行目视解译，制作较大比例尺的地质图。本文还对解译出的地质图结合DEM进行了三维地表展示，使工程人员在工作的前期不需要到达研究区，仅通过遥感影像就对工作区的地形、地貌、地层以及构造等情况有所了解，提高工作效率。

2 本研究使用的遥感数据

目前在国内电力领域多用SPOT全色(10 m、5 m)、TM彩 色(30 m)或ETM(15 m)影像融合而成的影像。其中，美国陆地卫星7号(LANDSAT—7)ETM+增加了分辨率为15 m的全色波段；法国SPOT全色分辨率为10 m、5 m，多光谱影像地面分辨率为10 m。多光谱图像含有丰富的光谱信息，而全色图像有很高的空间分辨率。通过将多光谱图像和全色图像进行像素级的融合，可以提高图像可视效果，扩大应用范围。根据工程情况和需要，可采用不同分辨率的卫星影像数据。

使用的数据主要有：Landsat 5 TM数据以及Landsat 7 ETM+ 数据，另外还有覆盖研究区的正式出版的(1995年)1∶250000地质图以及数字地形图。

3 研究区概况

研究区位于南非Griqualand West盆地西南部，面积约180km2。在研究区内最古老的花岗岩基底上不整合覆盖着Ventersdorp超组的玄武岩和安山岩。Transvaal超组整合于Ventersdorp超组之上，主要是晚太古代到早元古代的石英岩、页岩、碳酸岩和两个系列的条带状铁矿(Kuruman BIF和 Griquatown BIF)。地层中夹杂着元古代侵入的辉绿岩岩床。中元古代和晚元古代并没有在研究区留下任何痕迹。研究区地表被第三纪或者更年轻的河流冲积物覆盖。研究区地层在>2.5 Ga和1.1 Ga之间发生过几次构造运动，对地层及其厚度产生了较大的影响。最近的一次的构造运动形成了NW—SE 向的Doringberg断层。

4 研究方法

本研究主要是使用遥感影像和DEM生成正射影像，同时对遥感影像增强处理后进行计算机自动分类(监督分类)和解译，得到研究区的岩性图及地质构造图。研究流程见图1。

图1 研究流程图

4.1 遥感影像的处理

4.1.1 影像预处理

遥感影像的预处理主要是影像几何校正。ETM+数据虽然质量不好，但具有空间参考(WGS84)，以此影像为基准，在影像上选取均匀分布的14个同名点对TM影像进行几何校正，校正结果保证RMS误差在一个像元以内。

4.1.2 影像增强

影像增强通常选择线性、非线性拉伸，直方图均衡化等；在地质领域多采用比值分析、主成分分析。

比值分析：使用波段3/1增强铁的氧化物的显示效果；波段5/7增强含OH—的矿物以及岩石的显示效果；波段5/4可增强二价铁氧化物的显示效果。

主成份分析：将TM图像的六个波段(1—5,7)作为输入分量，在7个输出分量中选择第2、3、4分量赋予蓝、绿、红色。

4.2 遥感影像图的制作

遥感影像图是遥感地质填图的基础图件。TM影像有6个波段，要制作影像地图，需要选择3个波段。研究区属于干旱裸露地区，选择波段7、4、1组合；这是因为这三个波段之间相关性最小，能够拥有最大的信息量，对解译大的构造信息有利。将波段7、4、1分别赋予红色、绿色、蓝色，然后对影像图进行整饰，增加图廓、注记等。生成的正射影像图见图2。

4.3 遥感影像信息提取

图2 南非普瑞斯卡地区正射影像图

影像信息提取主要包括三个方面：一是对预处理后影像进行监督分类，形成分类后的岩性图；二是对影像进行滤波处理后，提取线性构造；三是对增强后的图像进行解译，以已有的1∶250000地质图为参照，解译1∶100000的地质图，包含构造信息。

4.3.1 监督分类

基于光谱的影像分类分为监督与非监督分类，监督分类方法适合于中低分辨率的数据，例如本次研究使用的TM以及ETM+数据。根据已有地质图，在影像上选择57个训练样本区(包括1542个像元)，使用最大似然分类器将影像上的地物分成14类。

4.3.2 线性构造提取

线性构造(lineament)由霍布斯在1944年提出，泛指航空照片和卫星照片上呈现的线形影像。部分线性影像是诸如断层、火山链、岩墙群和区域裂隙带等构造形迹的直接反映。

通过主成分变换，滤波等手段提取影像上的线性构造，步骤如下：将TM影像的6个波段(1—5,7)作为输入分量坐主成分变换，在6个输出分量中，第一主分量(PC1)亮度最大，第三主分量(PC3)主要反映了线性构造信息；对上一步中得到的第三主分量作5*5的高通滤波，来增强小规模的线性构造，然后再进行3*3的低通滤波，来增强大规模的线性构造；将上述得到的PC3、PC1以及TM的第5波段分别赋予红、绿、蓝色，得到的彩色影像能突出现实线性构造信息。

值得注意的是，有些线性影像并不具有地质含义，它们可能是地貌、植物分布或地下水位变化在图像上的直观表现，要注意将这些线性体和线性构造区分开。

4.3.3 影像解译

以4.2中得到的遥感影像图为依据，参照小比例尺地质图，进行地质解译，进一步勾画出地层以及构造。

本研究区的影像上，呈西北—东南走向的大块岩石为Kuruman条带状铁矿(K—BIF)，其纹理较光滑且均匀，受到其中磁铁矿、燧石以及SiO2的影响，K—BIF颜色以棕色为主，某些区域显示为黄色、黄绿色或者淡蓝色。影像上呈红色显示且分布较为破碎的为Griquatown条带状铁矿(G—BIF)。与K—BIF相比，G—BIF较年轻，硬度小且颗粒较大，容易受到风化剥蚀作用的影响。由于亚铁类矿物和岩石在TM的5、7波段的高反射率和在1、4波段的低反射率使得G—BIF在影像上呈现明显的红色。由于石英对电磁波强烈的反射特性，石英岩(Q)在影像上显示为较亮的淡蓝色。碳酸岩(C)由于其相当的石英含量，颜色与K—BIF很近似，但是受到风化剥蚀及构造作用的影响，其表现出西北—东南走向的纹理特征。侵入的辉绿岩岩墙(D)显示为橙色。另外，沿着河流方向分布于两岸的冲积砂(含SiO2)与碳酸岩表现出很相似的光谱特征。

研究区内有部分碳酸岩其上覆盖着钙质结砾岩和冰碛岩，钙质结砾岩是一种很硬的碳酸钙沉积物，但是相比前寒武纪的碳酸岩(含Mg和Fe较多)，其碳酸钙的含量更纯一些，所以其反射率更高一些。在影像上，碳酸岩总体上呈现青色，部分区域纹理粗糙并由于含Fe矿物而显示粉红色。冰碛岩在影响上显示为深紫色，钙质结砾岩纹理交平滑并显示为浅紫色。

4.4 GIS支持下的多元信息综合分析

遥感数据及其分类、解译结果应用于电力行业的选址和选线，需结合其他相关数据，例如研究区的DEM数据、地形图等。将这些数据与遥感影像结合起来，以支持专题信息提取。结合DEM数据生成的三维效果图。

4.5 专题图制作

专题图件的制作在ArcGIS中进行，图面编辑主要有以下几个部分：

(1)地理要素：公路、河流等，使用40 m间距的等高线数据。

(2)图廓内要素：图廓内除了地理要素之外的地层、断裂、倾角、倾向等的表示和标注。

(3)图例：包括地理要素的图例、地质及构造要素的图例。

(4)图名：放在合适的位置，设置大小。

(5)比例尺：包括数字比例尺和线段比例尺。

(6)编图人员和单位：图件编制人员和单位信息等。

最终生成的专题图见图4。

图4 南非普瑞斯卡西北部地质图

5 结论

卫星遥感影像具有宏观性和直观性的特点，为电力工程勘测提供丰富的信息源，它将工程环境直观地呈现在勘测人员面前。目前，卫星遥感技术作为一种成熟且实用的勘测技术手段应用于境外电力工程勘察工作中具有广阔的前景。

应用遥感影像得到的正射影像图、解译地质图以及三维地表展示能为勘测工作人员的室内选线提供第一手资料，通过这些数据，工程人员可以确定沿线不同区域的地层情况，从而采取有针对性的勘探手段，避免因不了解勘测区域的情况而盲目工作，既提高工作效率，又可以获得良好的工程技术效果，同时提高经济效益。

但是本研究采用的TM影像的空间分辨率较低，在一定程度上影响了影像的分类和解译。为获得理想的勘察设计效果，可购买高光谱影像以及空间分辨率较高的影像(如SPOT等)，另外卫星遥感技术还应与航空彩红外图像相结合，结合应用GPS技术和GIS技术，完美呈现更直观的工程效果，为电力工程的勘察设计工作提供科学决策的基础数据资料。

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