遥感影像三维可视化在新疆西昆仑区域地质调查中的应用

李　胤， 朱建南， 崔艳梅， 贺新星

(江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)

遥感影像三维可视化在新疆西昆仑区域地质调查中的应用

李胤， 朱建南， 崔艳梅， 贺新星

(江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)

摘要：综合应用“3S”技术、遥感数字影像处理技术、虚拟现实等，通过遥感影像的几何校正、影像数据融合、高精度DEM生成和影像复合等技术，实现了新疆西昆仑地区遥感影像三维可视化。将遥感影像三维可视化及其影像动态分析运用于新疆西昆仑区域地质调查(1∶5万)工作，可提高地质填图效率、丰富地质填图成果。

关键词：区域地质调查；数字高程模型；遥感影像；三维可视化；新疆西昆仑

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.451

中图分类号：TP79

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)03-0451-05

收稿日期：2014-04-24；修回日期：2014-06-18；编辑：陆李萍

基金项目：中国地质调查局项目“新疆西昆仑1∶5万区域地质矿产调查”(1212011220631)

作者简介：李胤(1986—)，女，助理工程师，硕士，遥感专业，主要从事3S技术及应用研究工作，E-mail：liyinhappy86@163.com

0引言

区域地质调查是对选定地区的地质矿产资源进行的综合性地质调查研究工作，是地质工作的基础。为了适应现代经济社会可持续发展对国土资源基础数据日益剧增的需求，我国在第二代地质填图规划中提出扩大区域地质调查服务领域的基本方针，发挥空间信息技术(RS、GPS、GIS)在野外数据采集、信息处理、影像解译、计算机制图中的优势，更好、更快、更全面地向社会提供基础决策信息。计算机科学和空间信息科学的发展给地球科学的研究方法注入了新的活力，实现了从纸质地质图—数字地质图—地质图空间数据库+数字地质图—3D地质模型的突破(姜作勤，2013)。遥感影像三维可视化，就是综合利用“3S”技术、遥感影像数字处理技术、虚拟现实等，通过遥感影像的几何校正、遥感影像数据融合、高精度DEM生成和影像复合等技术，实现测区遥感影像三维可视化，对多学科的交流协作起到桥梁作用(杨武年等，2003)。

在新疆西昆仑1∶5万区域地质矿产调查工作中应用三维可视化影像分析，可实现地质构造解译和地质剖面选取，拟订准确的工作区观察路线，模拟出沿途观察路径的三维立体影像动画，表现准确、真实和连续的大量测区信息。我国疆域辽阔，构造复杂且富于变化，三维实体普遍存在，且多数山脉海拔较高，长年积雪，气候环境恶劣，多为人烟稀少或无人区域，遥感影像三维可视化及其动态分析方法的运用可提高我国西部地区数字区调地质填图效率、丰富地质填图成果。

1研究区概况

研究区由5个相邻图幅组成，面积2 000 km2，处于南疆阿克陶县中东部，英吉沙县南部，行政区划大部属克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县，东北少部分位于喀什地区英吉沙县(图1)。该区域位于西昆仑造山带前陆冲断带与塔里木盆地的交接部位，地层岩石发育齐全，构造变形复杂，为戈壁荒漠向高原山地过渡地带。地形上，研究区位于帕米尔高原东部和塔里木盆地西缘，总的地势呈现西南高、东北低的特点。区内山体纵横交错，地势跌宕起伏、切割强烈，地表丘壑纵横，地形差异明显。气候干燥，植被缺乏，岩石裸露。内部交通条件不理想，仅北部和西部沿河流修筑有简易公路，腹地多在大山内部，只能沿河谷涉水通行，中部、西南及东南属于高山区，仅能依靠畜力交通，南部阿尔帕勒克、喀普喀以及科克加尔之间为山间沟谷小道连接，道路通行情况受汛期及天气影响极大。局部地区属于无人区，山高谷深，丘壑纵横，无路可行。

图1　研究区交通位置图Fig.1　Map showing traffic location of the study area

2研究区遥感影像三维可视化

2.1　数据来源

遥感影像数据为2003年5月31号获取的ETM影像，Band 1—5、7地面分辨率为30 m，Band 6地面分辨率为60 m，Band 8地面分辨率为15 m。地形图数据为新疆西昆仑J43E009017、J43E010017、J43E010018、J43E011017、J43E011018共5幅1∶5万地形图。

2.2　遥感影像三维可视化实现

遥感影像三维可视化就是将遥感影像作为纹理，将DEM和遥感影像进行叠加，保证不同数据间的坐标配准，将不同来源的同一地区的影像、地理要素和文字符号等数据转换到同一坐标系中，形成测区实时三维地形，形象、直观和真实地体现地物的外部形态及其结构特征，易于识别和了解目标地物的空间信息(陈飞等，2009)。主要工作步骤如下(图2)。

图2　遥感影像三维可视化影像制作流程图Fig.2　Flow chart showing 3D visualization of remote sensing images

2.2.1遥感影像预处理遥感影像上的不同影像特征反映了地物在内外动力作用过程中，在一定地质、地理条件下物质成分、结构构造、物理性质等方面的差异(陈述彭等，1990；卓宝熙，2011)。数字图像处理可提高影像空间分辨率、增强目标特征，对提高整个三维模型的逼真程度和精度有着举足轻重的作用。通过影像波段组合、裁剪(根据工作区域范围)、几何校正、空间增强和光谱增强等处理，制作测区高质量的遥感影像。

2.2.2高精度DEM制作地貌景观组合特征受地质构造运动控制，作为地貌景观高程的数字表达，数字高程模型(DEM)能够反映地质构造运动形迹。现有地形图是制作DEM的重要数据源，从地形图上采集DEM数据，首先是对地形图等高线进行数字化处理，通过粗差的剔除、高程点的内插、高程特征的生成等处理生成最终DEM产品(图3)。

图3　等高线、高程点插值DEM示意图Fig.3　Sketch showing DEM obtained through interpolation of contour and elevation points

2.2.3基于ArcGIS的三维可视化影像制作考虑到数据的处理能力、三维视图参数控制调节、模拟飞行观察效果以及操作编辑简易程度等因素，选用ArcGIS的3D空间建模模块ArcScene,实现三维地形影像模拟飞行动态观察。在三维场景中可以更加直观和真实地对区域地形起伏的形态及沟、谷、鞍部等基本地形形态进行判读。根据不同分析需求，设置合适的场景属性，实现要素或表面的三维可视化。

3三维可视化影像在区域地质调查中的应用

3.1　野外填图工作方案制定

ArcScene的3D工具中提供了一些三维操作工具，如旋转、飞行等。通过对场景的旋转观察，可以从不同视角、不同高度动态地对研究区进行观测和分析。利用三维可视化遥感影像的宽视野和强直观等特点，可以识别地形、地貌(雪山、沼泽等)、水系、道路通行情况，为营地选择、道路选择、工作路线布置和施工安排等提供参考依据，最大限度地避免因道路、水源等导致的误工和消耗(图4)。

图4　测区三维全景图(ETM(Band7、4、1)与ETM8融合，空间分辨率为15 m)Fig.4　Three-dimensional panorama of the survey area(fusion of ETM (Band7,4,1) with ETM8, with spatial resolution of 15 m)

3.2　地质剖面与路线选择

通过遥感三维可视化影像动态分析，在区域上对填图单元和区域构造进行宏观分析和对比，有利于对地质构造有整体全面的认识。根据遥感影像三维立体显示的色调、纹理特征及地貌形态，利用测区建立的遥感地质解译标志，区调工作者可从三维空间不同角度观测测区总体地形、地质概况、地质构造格架，在基本垂直于地质体走向、层序完整、植被不甚发育、交通条件较好的位置确定标志性剖面(图5)。

图5　遥感影像三维可视化用于地层剖面的选取Fig.5　Selection of stratigraphic section using 3D visualization of remote sensing images

在通行条件最好、穿越的影像岩石单位和区域构造线最多的位置布置地质观测路线，合理安排每条填图路线的定点密度(方洪宾等，2010)。节省人力、物力和财力，缩短填图周期，提高工作效率和填图质量。

3.3　地质构造解译

三维遥感影像比二维遥感影像在地层产状、接触关系、褶皱、断裂(断层、节理、裂缝)构造解译中具有明显的构造解译优势，可以在一定程度上拓宽人的视野和思维。坡度大小反映出构造运动强弱，断层崖、断层三角面往往近乎直立，这些地质现象可以直接作为断裂解译标志(何凤萍等，2013)。通过影像三维可视化解译，可初步建立测区区域构造格架，对工作区域地层、构造和地形信息有宏观性的把握(图6)。结合前人的资料，在掌握各种地质解译标志的情况下，可以进一步提取出某些地面上因露头、路线限制而难以观察到的信息，如整个岩体边界形态、大型褶皱空间形态、断层交切关系等，深入提取三维立体影像中所包含的这些有用信息，进行有针对性和目的性的野外检查验证，可能在基础地质研究方面有新的发现。

图6　遥感影像三维可视化用于断裂构造的解译Fig.6　Interpretation of fault structures using 3D visualization of remote sensing images

3.4　填图成果表达与验收

地质图三维可视化实质是将实际地质图内容如各种线性构造、岩体、地层界线、地质时代、物化探数据等显示于遥感三维可视影像之上，生动、直观、形象地以多视角、多层次表达地质成果与地形地貌的空间关系，提高了地质图件的空间表现能力，使地质图的显示更为形象直观，地表景观信息更为丰富，影像及图形色彩更为醒目，可视化程度更高，实用性更强，这是传统二维地质图和地形图所无法比拟的(图7)。三维可视化遥感影像还地形地貌以本来面目，不仅能有效表达专业人员的地质知识，而且大大提高了非专业用户对地质知识的理解能力。数字区调区域地质图三维可视化表达无疑为数字区调工作提供了良好的成果表达与验收方式。

图7　遥感影像三维可视化用于成果表达Fig.7　Result expression using 3D visualization of remote sensing images

4结论

遥感影像三维可视化在区域地质调查中具有良好的实用效果，从影像的三维可视化与动态分析角度进行野外填图工作方案制定、区域地质剖面和路线选择、地质构造解译，并提供良好的成果表达与验收方式，是对传统区调方法的有益补充，两者有效结合，可减轻野外地质工作程度，提高工作效率，降低工作成本。在区域地质调查中运用三维可视化动态分析方法的过程中，要注意结合前人工作的资料进行客观分析，提高该方法的可靠性。

参考文献：

陈述彭,赵英时.1990.遥感地学分析[M].北京:测绘出版社.

陈飞，吴英男.2009.基于数字高程模型和遥感影像的三维可视化[J].测绘科学，34(增刊1):127-129.

方洪宾,赵福岳.2010.1∶250 000遥感地质解译技术指南[M].北京:地质出版社.

何凤萍,王正海,耿欣,等.2013.基于ETM数据的庞西垌地区断裂信息提取[J].地质学刊,37(2):183-187.

姜作勤.2013.从2D纸质地质图到3D地质模型：地质信息表达方式的重大突破[J].地质学刊,37(增刊1):14-20.

杨武年,廖崇高,濮国梁，等.2003.数字区调新技术新方法：遥感图像地质解译三维可视化及影像动态分析[J].地质通报,22(1):60-64.

杨武年,李天华,廖崇高,等.2008.高原机场建设工程“3S”技术综合应用[J].地球科学进展,23(5):457-462.

卓宝熙.2011.工程地质遥感判释与应用[M].2版.北京:中国铁道出版社.

Application of 3D visualization of remote sensing images in regional geological survey in the west Kunlun Mountains, Xinjiang

LI Yin, ZHU Jian-nan, CUI Yan-mei, HE Xin-xing

(Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, Jiangsu, China)

Abstract：This study integrated the ″3S″ technology, digital imaging processing technology and virtual reality to realize three-dimensional visualization of remote sensing images, through geometric correction, image data fusion, high-accuracy DEM generation and image integration. The result shows that the application of 3D visualization of remote sensing images and image dynamic analysis in regional geological survey in the west Kunlun Mountains can improve the efficiency of geological mapping, and can also enrich geological mapping results.

Keywords：regional geological survey; Digital Elevation Model (DEM); remote sensing image; 3D visualization; west Kunlun Mountains of Xinjiang