“高分二号”卫星数据在遥感地质调查中的初步应用评价

梁树能 魏红艳 甘甫平 陈玲 肖晨超

（1 中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

（2 国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室，北京 100083）

0 引言

“高分二号”（GF-2）卫星于2014年8月19日成功发射，是我国第一颗目标定位精度要求达到50m、寿命要求达到5～8年的低轨遥感卫星。GF-2卫星的空间分辨率优于1m，同时还具有高辐射精度、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，标志着我国民用遥感卫星进入亚米级的“高分时代”。

随着我国航空航天技术的飞速发展，卫星遥感技术在区域地质调查工作中的应用越来越广泛[1-2]，其具有大面积、高精度、低成本、快速客观和易于综合比对分析地质体的综合信息等优势，在遥感地质解译及填图[3]、蚀变信息提取[4-5]、矿物填图[6]等遥感地质工作中能发挥极大的效益优势。同时，随着我国高分卫星数据源的不断增加，数据的空间分辨率以及光谱分辨率的不断提高，使得卫星遥感技术在地质调查工作中的应用前景越来越广泛，是新形势下找矿战略中开展大面积区域地质调查、实现矿集区有效预选以及圈定成矿有利地段的一种有效方法[7]。

基于此，在GF-2卫星在轨测试期间，为了更好地了解GF-2卫星在地质矿产调查工作中的可应用性及适宜性，本文以新疆哈密遥感地质试验场区为研究区，从 GF-2卫星遥感数据特征及数据处理着手，对利用 GF-2卫星数据进行地质构造信息解释、岩性信息的提取以及对遥感影像地质单元的可识别精度等应用进行了评价，以期能更好地发挥和利用GF-2卫星在地质矿产工作中的优势，促进GF-2卫星数据在地质领域中大区域、业务化的推广及应用。

1 研究区概况

研究区位于新疆东天山哈密黄山地区，属于低山–丘陵地区，总体地势由西部向东南逐渐升高。干旱少雨，昼夜温差较大，植被稀少，非常适宜运用遥感技术开展区域地质调查工作。

研究区在构造地质学及其板块构造意义上地处哈萨克斯坦–准噶尔板块中的准噶尔地块，属于塔里木板块北部陆缘活动带二级构造单元[8]。该区域构造发育，尤其是断裂构造，与区内构造运动的多期性和复杂性有关，深断裂、大断裂和一般断裂构成错综复杂的断裂系统，并以此分割具有不同地质建造特征的大地构造单元体系。研究区所涉及的地层单元主要有长城系星星峡岩群中深变质岩；下石炭统干墩组次深海相陆源碎屑浅变质岩、中酸性火山碎屑岩、石炭统苦水岩组以及第四系和第三系等地层。区域矿产以铜、镍、铅、锌、铁、金为主，隶属于康古尔塔格铜、镍、金、钼、稀有成矿带的一部分。研究区地质简图见图1。

2 研究区数据源及预处理

2.1 数据源

本次应用评价主要是基于高空间分辨率的GF-2卫星L1A级数据。GF-2卫星能够提供优于1m分辨率的全色图像和优于4m分辨率的4个波段的多光谱图像，多光谱波段范围为：0.45～0.52μm、0.52～0.59μm、0.63～0.69μm和0.77～0.89μm。其星下点幅宽优于45km，重访周期优于5天，影像空间分辨率可达0.8m[9]。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch of study area

2.2 数据处理

本次选用了两景GF-2卫星 L1A级数据，数据时相分别为2014年10月31日和2014年11月15日。在进行遥感地质要素识别之前，以研究区WorldView-2卫星正射影像为底图，对GF-2卫星L1A级数据进行了几何校正[10]，几何校正精度优于一个像元，可满足遥感地质解译应用的需求；并采用 Pan Sharpening方法对GF-2卫星全色和多光谱影像进行融合，融合影像既提高了多光谱影像的空间分辨率，又保留了其多光谱特征，极大地提高了地层、岩体、岩脉及断裂构造等遥感地质要素间的差异，提高了其可解性。GF-2卫星 4m多光谱及融合影像增强对比，见图2。

图2 GF-2卫星4m多光谱及融合影像增强对比Fig.2 Comparison between multispectral and fused GF-2 4m image

3 遥感地质解译应用评价

本文对无植被覆盖的裸露地区，通过影像信息增强处理，扩大影像中各地质要素间的差异，提高遥感影像地质单元解译标志的判别能力，对GF-2卫星数据在构造、地层、岩体/岩脉等地质要素的几何形态、纹理特征，以及各要素之间的空间关系等的判别能力及可识别精度进行评价。

3.1 地质构造信息解译

在断裂构造的识别、构造位置的空间展布等构造信息的判识上，GF-2卫星融合影像数据在断裂空间展布、形态等方面具有较好的应用效果，还能识别出花岗岩体中的辟理等微构造信息以及区域褶皱、韧性剪切带等。

3.1.1 断裂构造解译

研究区域发育有多期次断裂构造，在 GF-2卫星影像上影纹及色调特征非常明显，主要呈东西向、东北向及西北向展布，呈现出明显的线状影像特征，尤其是第四系沉积物和地层、基岩地区存在直线型分界，颜色和色调分界呈直线型，如图3所示，图中红线所示即为深大断裂。同时，从色调、纹理亦可判断由断裂所构成的地层、岩性边界，如图4所示。

图3 研究区深大断裂GF-2卫星遥感影像特征Fig.3 GF-2 image features of deep faults in study area

图4 研究区东北向逆断层影像特征Fig.4 NE reverse faults image characteristics in study area

3.1.2 褶皱构造解译

研究区构造发育，构造演化复杂，局部地区挤压变形严重，致使褶皱构造发育，影像特征非常明显。在 GF-2卫星多光谱融合影像中，可清晰识别出褶曲构造、地层角度不整合、侵入体、异常地体的接触变质现象。研究区褶皱构造影像特征，见图5。

图5 研究区褶皱构造影像特征Fig.5 Fold structure image features in study area

3.1.3 环形构造解译

研究区环形构造发育，影像上呈圆形、椭圆形及次椭圆形，与周围其它地质体界线清晰，主要是由岩体及地貌特征所引起。研究区环形构造影像特征，见图6。

图6 研究区环形构造影像特征Fig.6 Ring structure image features in study area

3.1.4 辟理或节理等微构造信息识别

辟理或节理多发育在岩体中，影像上往往表现为细小、密集的平行格网状、细脉状延伸，是由岩体被密集剪切节理切割所成的岩片。GF-2卫星融合影像能有效识别出岩体上西北向和北北东向的辟理等微构造，岩体片理化影像特征，见图7。

文本类档案是目前最广泛的一种档案类型，包括各种会议文件、电报、领导人讲话、合同、协议、出版物原稿等。根据数据类型可以分为两类，一类是电子版的文本类型档案，这类档案随着计算机办公的普及近年来数据显著增加，是数字化档案管理的主流类型；另一类是多媒体格式的文本档案，这类档案虽然信息属于文本类，数据格式却不限于文本类型，例如影印版文稿数据类型为图片类型、会议记录录音属于音频类型，多媒体文本档案需要先进行数据预处理，例如影印版文稿需要通过OCR文字识别技术将图片转换为文字，会议记录录音需要通过语音识别技术将声音转换为文字。多媒体类型文字档案通过数据预处理之后再按照文本类档案进行特征提取。

图7 岩体片理化影像特征Fig.7 Image features of rock schistosity

3.2 地层岩性信息的提取

3.2.1 地层信息解译

下石炭统干墩组地层为一套次深海相陆源碎屑沉积岩、火山岩和碳酸盐岩组合，在研究区内出露面积最大，影像特征明显，颜色成灰黑色、灰黄色以及浅灰白色，影纹粗糙，与周围地层及岩体分界清楚。其第二岩段中的凝灰岩和岩屑砂岩呈互层出露，在 GF-2卫星融合影像上可以明显地区分，凝灰岩呈灰黑色色调，光滑片状影纹，沟谷比较发育，岩屑砂岩呈灰白色色调，影纹粗糙，且可见明显的层理。干墩组岩石类型影像特征，见图8。

图8 干墩组岩石类型影像特征Fig.8 Rock types image features of gandun stratum

图9 第四系地层影像特征Fig.9 Image features of quaternary stratum

3.2.2 岩体信息解译

研究区侵入岩发育，主要有花岗岩、闪长岩及基性－超基性岩，各岩体类型影像特征明显，不同期次侵入岩接触特征明显。在 GF-2卫星遥感影像上海西中期的黑云母花岗岩（γβ42b）呈灰白色色调，影纹粗糙，呈团块状，边界不规则，沟谷相对来说比较发育。海西中期花岗闪长岩（γδ42a）呈灰黑色色调，影纹粗糙，支离破碎，沟谷比较发育，影像上可以看到两者呈明显的侵入接触关系，且花岗闪长岩侵入到黑云母花岗岩中。花岗闪长岩与黑云母花岗岩呈明显的侵入接触关系，见图10。

图10 花岗闪长岩与黑云母花岗岩呈明显的侵入接触关系Fig.10 Intrusive contact relationship between granodiorite and biotite granite

研究区脉岩发育，主要有花岗岩脉、石英岩脉和基性岩脉，影纹特征明显，一般呈细条带状分布。在GF-2卫星影像上基性岩脉多呈灰黑色，见图11。花岗岩脉、石英岩脉多呈灰白色、灰黄色，与周围地层及岩体界线清晰，见图12。

图11 细条带状基性岩脉影像特征Fig.11 Image features of thin banded mafic dikes

图12 中酸性岩脉影像特征Fig.12 Image features of acidic dykes

3.3 遥感影像地质单元的可识别精度潜力评价

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，而遥感影像的空间分辨率在很大程度上决定了影像成图的比例尺[11-12]。根据人眼的目视分辨率（通常为0.1mm）和GF-2卫星数据的空间分辨率，可推算出GF-2卫星全色影像最佳成图比例尺为1∶8 000，多光谱影像最佳成图比例尺为1∶32 000。

根据人眼最高分辨率（点状0.25～0.30mm，线状0.025mm），可推算出GF-2卫星全色影像最大成图比例尺为 1∶2 000，多光谱影像最大成图比例尺为 1∶8 000。对比同等或相近分辨率的卫星数据，1m空间分辨率的伊科诺斯（IKONOS）遥感影像可以制作比例尺为1∶5 000的影像图，0.61m空间分辨率的快鸟（QuickBird）遥感影像基本上可以制作比例尺为1∶2 500的影像图，因此，可以认为GF-2卫星融合影像最大成图比例尺应为1∶2 500～1∶5 000，最佳成图比例尺为1∶8 000～1∶10 000。

3.3.2 可识别地质体精度评价

GF-2卫星数据在分辨率上具有较大的优势，能够区分更细小的地物。将融合影像放大到目视效果非常舒服的比例，要求在此比例尺度下影像清晰、地物边界不模糊、各地质体间边界纹理清晰，在遥感影像上对闭合地质体、块状地质体、线状地物、环形构造、脉岩宽度等要素的可识别精度进行实际测量和统计分析，通过大量实测数据的统计表明GF-2卫星融合影像数据能有效地识别直径大于15m的闭合地质体；宽度大于5m、长度大于15m的块状地质体；长度大于20m、或宽大于10m的线状地物（断裂、脉岩等）。

参照1∶50 000矿产资源遥感调查技术要求，在1∶50 000遥感解译中，地质体解译最小上图精度要求分别为直径大于100m的闭合地质体，宽度大于50m、长度大于250m的块状地质体，线状地物（断裂）长度≥500m[13]；并结合实测统计数据的分析，初步认为 GF-2卫星融合影像数据能够满足优于1∶25 000尺度的遥感地质解译应用的需求。

4 结束语

本文利用GF-2卫星0.8m全色和3.2m多光谱融合影像数据，对地层、构造和岩体等地质要素的判别及可识别精度进行了应用评价。结果表明，高分辨率的 GF-2卫星融合影像可对地质体及地质单元的形态、纹理以及各地质体间的空间关系等进行较精细的识别，能较好地区分岩浆岩、沉积岩和变质岩等岩性信息；在良好的岩体出露条件下，对岩体的节理、层理、断层及其产状特征反映清晰，可用于开展1∶10 000～1∶25 000尺度的遥感地质解译工作，可为地质矿产资源调查及评价提供强有力的高分辨率数据支撑。

References)

[1]张瑞丝, 陈建平, 曾敏. 基于 WorldView-2遥感影像的西藏改则地区断裂构造解译研究及应用[J]. 遥感技术与应用,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]方洪宾, 刘顺喜, 杨清华, 等. CBERS-02星在轨测试数据国土资源应用评价[J]. 国土资源遥感, 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. 埃塞俄比亚西部岩浆熔离型铁矿遥感找矿模型[J]. 遥感技术与应用, 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, 杨建民, 张玉君, 等. ASTER数据在浅覆盖区蚀变遥感异常信息提取中的应用—以新疆西准格尔包古图斑岩铜矿岩体为例[J]. 地质论评, 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]王润生, 甘甫平, 闫柏琨, 等. 高光谱矿物填图技术与应用研究[J]. 国土资源遥感, 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]丁建华, 肖克炎. 遥感技术在我国矿产资源预测评价中的应用[J]. 地球物理学进展, 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]丁建华. 新疆东天山铜、镍、金矿资源潜力评价[D]. 北京: 中国地质科学院, 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]中国资源卫星应用中心. “高分二号”卫星介绍[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, 梁树能, 魏红艳, 等. “高分一号”卫星遥感影像几何校正研究[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, 严泰来, 等. 遥感影像空间分辨率与成图比例尺的关系应用研究[J]. 农业工程学报, 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]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 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]杨金中, 赵福岳, 杨日红, 等. DD2011-05矿产资源遥感调查技术要求[S]. 北京, 中国地质调查局, 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)