基于国产卫星的境外遥感地质调查方法

彭 玺，张 焜，彭 瑜

(1. 青海省地质调查院，青海 西宁 810012；2. 青海省第五地质矿产勘查院，青海 西宁 810028； 3. 青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，青海 西宁 810012)

基于国产卫星的境外遥感地质调查方法

彭 玺1,3，张 焜1,3，彭 瑜2

(1. 青海省地质调查院，青海 西宁 810012；2. 青海省第五地质矿产勘查院，青海 西宁 810028； 3. 青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，青海 西宁 810012)

针对境外遥感地质调查中基础地质资料难以获取、解译标志不确定、野外实地验证不易实现等难点，开展了国产卫星在境外遥感地质调查及应用研究。通过资料梳理、图像处理、区域解译、高分解译、异常提取等技术手段建立了境外遥感调查方法流程。在岩性、构造、成控矿要素解译的基础上，结合同步提取的遥感异常进行成矿与控矿信息筛选，并叠加多种地学信息进行成矿预测。通过国产遥感数据分析，新圈定找矿远景区一处，减少了投资盲目性，降低了投资风险。

国产卫星；解译标志；遥感异常；遥感解译

0 前 言

2015年3月28日，国家发改委、外交部和商务部联合发布了《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》，宣告“一带一路”进入了全面推进阶段，这将大大促进我国与合作国矿产资源的勘查开发，并给地质工作带来了无限的发展机遇。目前我国在境外遥感地质工作严重依赖TM/ETM+、ASTER、QUICKBIRD、WORLDVIEW-2等国外遥感数据源[1-4]，国际商业卫星在提供境外数据时有诸多限制，而传统的地质矿产调查手段亦难以满足实际工作需求，但国产卫星的迅猛发展为境外地质矿产调查工作提供了可靠的基础数据，其中在轨运行并在地质领域应用较为广泛的卫星主要有资源三号(ZY-3)、资源一号02C(ZY-102C)、高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)等卫星[5-9]，为我国“走出去”企业提供了可靠的遥感信息，为境外矿产资源勘查与评价中建立一套快速、有效的遥感地质调查方法技术系统，提供了常重要的理论和技术支持。

笔者在承担“基于国产遥感卫星和北斗卫星的境外地质勘查技术研究”工作中，归纳了国产卫星境外遥感调查方法的总体结构，并利用ZY-102C、GF-1卫星图像对塔吉克斯坦帕米尔地区进行岩性—构造的详细解译、遥感异常提取及找矿预测，在塔吉克斯坦东南部利用国产卫星进行遥感地质调查取得了较好的应用效果。

1 总体技术方案

图1显示了国产卫星境外遥感调查流程的总体结构。其基本工作包括了如下诸方面。

1)资料收集及梳理。系统收集调查区及邻区公开发表和国际互联网(Internet)上可以搜索的区域地质调查、资源评价和前人研究工作取得的成果资料、图件，数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，TM/ETM+遥感图像等。

2)国产卫星数据处理。在资料收集的基础上，对图像进行正射纠正、波段组合选择、图像配准、图像融合、数据镶嵌和图像增强等预处理，为地质遥感解译工作提供满足要求的基础图像。

3)区域解译。利用中等分辨率的国产卫星数据，通过分析现有地质矿产资料，建立初步地质解译标志，确定研究区主构造位置，划分区域构造单元、岩石地层单元，完成研究区1∶25万或1∶10万遥感地质矿产初步解译，编制区域遥感地质解译图。

4)高分解译。利用国产卫星的较高分辨率数据，在区域解译和解译标志建立的基础上进行岩性—构造解译，编制1∶5万岩性—构造遥感解译图。

5)遥感异常提取。根据铁质蚀变矿物的波谱特性和国产卫星的波段设置，利用比值法和主成分分析方法提取出重点区铁质矿物异常信息。

6)成矿预测。以遥感蚀变异常为主导，结合遥感高分解译结果、已知矿床(点)分布特征等多种地学信息，通过相关信息的叠加分析，进行成矿预测。

图1 国产卫星境外遥感调查流程

2 研究技术和方法

2.1资料收集及梳理

根据所能收集到的地质图及相关文献，详细了解研究区内所出露的沉积岩、变质岩、侵入岩、火山岩、第四系、地质构造、矿化蚀变等，按照岩性(石)及其组合做出梳理，为后续的区域遥感解译和高分遥感解译提供基础资料。本次研究区位于塔吉克斯坦东南部帕米尔高原地区，地处高加索—昆仑—秦岭造山系(见图2)，主体以古生界构造混杂岩为主，地层出露较为齐全，出露除中生界以外的元古宇至新生界各时期地层，另有大量以古生界为主的花岗岩类及基性—超基性岩类的岩体、岩带贯穿其中[10-11]。

①底图下载于网络

2.2国产卫星数据处理

国产卫星普遍存在星地直接定位精度较低的现象，缺乏无地面控制的精确定位技术，导致数据处理效率不高，数据应用严重滞后；且国产卫星缺少地面标定数据，无法获得全球稳定的标定结果[12]。因此，在境外利用国产卫星进行图像处理时应尽可能运用国际互联网上的资源，比如：来源于美国太空总署和国防部国家测绘局联合开发的SRTM(航天飞机雷达地形测绘任务)。以资源一号02C(ZY-1 02C)卫星数据为例，图像处理是在遥感专业处理软件ERDAS中的LSP模块下采用 “数字高程模型(DEM)+有理函数模型(RFM)+地面控制点(GCP)”的方法对全色和多光谱原始数据分别进行正射纠正。其中，读取RPC.XML文件中的内、外定向参数作为ZY-1 02C的有理函数模型参数；选用数字高程模型数据作为正射纠正处理的辅助数据，该数据来源于SRTM，分辨率可达30 m。根据国产高分各波段计算最佳波段组合为3、2、1，再与全色波段进行融合处理，最后对融合后的影像进行不同的拉伸，选择最有利于该区域的拉伸结果制作遥感正射的影像图。

2.3区域遥感解译

在充分理解境外研究区基本地质特征，并掌握研究区遥感影像特征的基础上，确定中等分辨率数据遥感解译标志，划分区域构造格架，定向、定位、定性地提取地质构造形迹，区分岩浆岩、变质岩、沉积岩等的时空分布信息。遥感解译结果主要沿用区域地质调查所使用的填图单位，诸如岩石地层单位、岩浆岩填图单位等。

岩石大类的边界均具有易于识别的宏观岩石标志，反映到遥感图像中，这种边界标志显示为特殊的色调、纹形等宏观影像标志。由于GF-1的2 m分辨率全色/8 m分辨率多光谱相机、ZY-1 02C 卫星P/MS相机等中等分辨率数据的幅宽达60 km以上，对这种宏观影像单元有较清晰的反映，地物的对比度较强烈、色调差异更为明显，易于建立研究区的构造格架、开展岩石大类解译分区，从区域宏观角度对地质情况进行分析，优势突出。在实际应用过程中发现，GF-1卫星WFV数据可用于小比例尺调查、宏观分析等工作；ZY-1 02C卫星PMS数据可用于中等比例尺调查工作中；GF-1卫星PMS数据、ZY-1 02C卫星HR数据、GF-2卫星数据等可用于高精度、大比例尺调查工作中，对岩性、构造的识别具较高的可靠性。

2.4高分遥感解译

随着遥感影像技术的发展， 高分辨率遥感影像对地物的反应呈现了大量的新特点， 如几何、结构、纹理特征更加丰富，光谱特性更加精细化，地物目标多尺度化等[13]。同时，高空间分辨率遥感卫星的发展应用，既能发挥遥感宏观、高效的优势，又能进一步判别地质体岩性及矿化蚀变带、节理、断裂、韧性剪切带、岩脉等信息，使遥感地质工作者从全新的角度去认识地质作用与成矿作用[14-15]。高分辨率遥感地质解译(简称：高分解译)是在区域遥感调查的基础上，对岩石地层单元进一步详细解译，详细划分岩石类型，并对其空间展布规律、相互关系进行判读，其基本编图单位为岩性层(岩性组合层或单岩性层)、单岩性侵入体等[16]，并可对前期的区域解译进行检验和查证。

由于境外高分辨率遥感地质调查工作不同于国内的遥感解译，存在基础地质资料难以获取、解译标志不确定、野外实地验证不易实现等因素。因此，本次研究采用国产卫星中的高空间分辨率数据，根据研究区岩性的固有特性、遥感图像的波谱特征、纹理特征和地物可识别能力，以影像特征为基础进行解译,并通过对比分析的方法对区内的岩性、构造、矿产等进行高分解译。由于本次遥感解译所采用的国产卫星数据的空间分辨率已达到分米级别，工作尺度也已优于1∶10 000，高分遥感解译类似于实地稍远距离判断露头的地质特征。

2.5野外验证

在有条件的地区开展适当野外验证工作，对图像处理质量和解译成果的验证与修正具有非常大的帮助，并可直接确定解译标志。若无法开展野外验证之时，则可利用Google Earth、百度地图、必应地图等遥感影像中的高空间分辨率遥感数据进行对比分析，上述影像不仅能够对地物的形态、纹理以及各地物要素之间的空间关系等进行精细观察，并可以通过图像色调反映出岩石可能发生的变化，且能够充分利用Google Earth合理高效地布设测线、勘探线等各种工作调查路线。 因此，可以取得国产卫星数据达不到的应用效果。同时，国产卫星均具中等空间分辨率和高空间分辨率多种传感器共存的特点，更利于多尺度对比分析[17]。本项目在实际应用过程中发现，GF-1卫星WFV数据可用于小比例尺调查、宏观分析等工作；ZY-1 02C卫星PMS数据可用于中等比例尺调查工作中；GF-1卫星PMS数据、ZY-1 02C卫星HR数据可用于高精度、大比例尺调查工作中，在岩性—构造解译中具较高可靠性。

2.6遥感异常提取

现代遥感技术在地质找矿中的应用主要包括岩性和地层识别、矿化蚀变信息提取、研究地质构造组合关系及分布规律等[18]。在遥感异常提取中应用最为广泛则是TM/ETM+和ASTER遥感影像数据，已形成了一套完整的技术方法体系，并发现了多个矿(化)点[19]。同时，中高分辨率卫星数据在铁质矿物异常信息的提取过程中也能够发挥应有的作用[10]。常见蚀变矿物波谱曲线中铁质(Fe3+)矿物异常在第3波段(红:630～690 nm)具有相对反射峰，而在第1波段具有相对较低的反射率[19]。结合我国国产卫星的多光谱波段设置，本次研究利用GF-1卫星PMS数据中的band3/band1来突出铁染蚀变信息，然后采用比值结果的门限化处理进行优化蚀变异常。

2.7成矿预测

遥感技术在成矿带展布研究，成、控矿要素解译(矿致色调异常、控矿环形影像、找矿地貌特征等)，矿化蚀变信息提取和多源信息综合分析等方面比常规找矿方法更具优势[11]。高空间分辨率遥感数据使人们对地物目标的精细观测水平和解译分析能力得到了很大的提高，在找矿应用中实现了矿体特征、矿化带组合及蚀变带的强弱程度等的精细研究。在GF-1/GF-2卫星数据的融合图像上均可直接观察到一系列的找矿标志，如矿化蚀变带、矿业活动等，可为地质矿产勘查分析提供基础支撑。本次研究利用矿化蚀变信息提取和矿致色调异常找矿方法，在区内西南部新圈定一处矿化蚀变带(图3)，本蚀变带长约2 km，宽100～190 m，影像上表现为一条红褐色、黄褐色、灰白色、浅绿色、灰褐色等色调组成的斑杂色调带，影纹较粗糙，具斑点状、斑块状纹理；蚀变带南侧围岩为黑云母花岗岩，影像上色调呈灰白色、土黄色，斑块状、条带状纹形，影纹粗糙，树枝状水系发育；北侧为大理岩化页岩，影像上色调呈灰黑色，平行纹理发育，尖棱状山脊。由于矿化蚀变作用及地表风化淋滤作用，致使蚀变带与两侧围岩有较大差异，接触界线截然。区内断裂构造较为发育，蚀变带被一条北西向右行走滑断裂所错断。

图3 矿化蚀变带影像特征(GF-1)

3 应用效果

3.1几何精度评价

以国产卫星遥感图像资料为主要信息源，结合高精度地形图，通过比较控制点坐标实测值和图像上量算值的差异和不同波段图像上同名点的位置偏差，研究不同遥感图像、不同地形地物类别的几何精度。为评价ZY-1 02C星遥感图像的几何精度，以所收集到的研究区1∶5万高精度地形图为基准，选择52个均匀分布的地物点为测试点(山顶、公路河流交汇处、泉水等)进行精度评价。通过比较测试点在地形图上的坐标和在图像坐标差异，分析ZY-1 02C遥感图像的空间定位精度。通过测试点可以看出，在对ZY-1 02C图像做完几何校正后，其几何误差基本在25 m以内，根据误差分布直方图(见图4)，测试点的误差接近正态分布，而大部分点的误差小于25 m，只有3个点的误差略大于25 m。鉴于该地区主要地形为高山，25 m的误差可以说达到了较高的精度。

图4 误差分布直方图及累积频率

影像精度总体评价中，采用均值、标准差、中误差作为影像整体误差的参数。

横向精度评定：根据控制点Y坐标的实测值与图像上量测值之差△y，计算中误差，公式为：

纵向精度评定：根据控制点X坐标的实测值与图像上量测值之差△x，计算中误差，公式为：

点位精度评定：根据各控制点的δx，δy，点位中误差公式为：

通过计算，横向中误差为13.81，纵向中误差为13.23，点位中误差为18.94，误差均值为17.38，标准差为7.59。可以看出，影像的整体误差在18 m左右，并具有较好的收敛性。

3.2解译精度及效果分析

ZY-1 02C星遥感图像的解译结果野外验证显示：43处验证点仅有5处第四系覆盖面积较大的解译结果与野外验证不一致，遥感解译正确率约为88.37%。在对高分一号卫星(GF-1)图像的岩性—构造解译结果进行野外验证时发现，遥感解译结果与野外观测结果比较接近，62处地质体的解译正确率可达83.87%(表1)。

表1 野外验证结果

通过本次实际应用，国产卫星数据对地物的形状、纹理、结构等特征识别能力较强，可实现岩性、构造等地质信息的精细识别。研究区内沉积岩、侵入岩及断裂构造识别效果均较为理想，相对而言，变质岩、火山岩、脉岩等的识别效果不甚理想，如片麻岩、片岩、凝灰岩、辉绿岩脉等均存在不同程

度的误判。究其原因，变质岩、火山岩、脉岩等不易识别地质体多由于自然风化覆盖严重，基岩裸露面积小等因素致使其与周围地质体光谱特征、纹理特征相似，影响识别困难。总体而言，应用国产高分数据，通过分析、解读、研判在基岩裸露区进行岩性-构造遥感解译较为理想，解译成果具有一定可靠性。

4 结 论

本文基于前人的研究成果和述评以及初步野外考察，对境外基于国产卫星的遥感地质调查技术方法作一概要总结。研究结果表明：

1)现如今国产卫星的中等空间分辨率和高空间分辨率的传感器更利于不同尺度分析的要求，多数据源协同运用，为地质矿产调查提供丰富的手段。本次境外遥感地质调查工作，首先以GF-1卫星WFV数据进行小比例尺调查、宏观分析、反演大地构造格架等工作；然后利用ZY-102C卫星开展中等比例尺调查工作，为区域遥感解译提供基础数据；在以上基础上，利用GF-1卫星PMS数据、ZY-102C卫星HR数据、GF-2等高分辨率卫星数据做岩性、构造、成控矿要素解译，与提取到的遥感异常信息叠加判读，进行成矿与控矿信息的筛选，最终提交1∶25万(或1∶10万)、1∶5万、1∶1万各类比例尺的系列成果图件，实现遥感技术的协同应用。

2)在境外无从获取地形资料的情况下，图像处理过程中，数字高程模型(DEM)数据可参考SRTM，地面控制点(GCP)可在Google Earth上获取。经与研究区1∶5万高精度地形图比较，通过上述方法图像处理的遥感影像图整体误差在18 m左右，达到了较高的精度。

3)在境外基础地质资料难以获取、解译标志不确定、野外实地验证不易实现的情况下，可通过高分辨率数据的对比分析—野外验证建立遥感解译标志，解译正确率可达83.87%。

4)利用矿化蚀变信息提取和矿致色调异常找矿方法，在研究区西南部新圈定一处矿化蚀变带，该矿化蚀变带长约2 km，宽100～190 m，带内褐铁矿化、高岭土化、角岩化等蚀变信息强烈，该地段前景良好。

5)通过本次研究显示国产卫星数据在境外遥感地质找矿中具有较好的辅助应用，也表明国产高分辨率卫星数据在地质矿产勘查领域具有良好的应用潜力。

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GeologicalSurveyofOffshoreRemoteSensingonDomesticSatellite

PENG Xi1,3, ZHANG Kun1,3, PENG Yu2

(1.InstituteofGeologicalSurveyofQinghqaiProvince，Xining,Qinghai810012,China；2.The5thGeologicalandMineralSurveyInstituteofQinghaiProvince，Xining,Qinghai810099,China; 3.KeylaboratoryofGeologicalProcessandMineralResourcesinNorthofQinghaiTibetPlateau,Xining,Qinghai810012,China)

It is difficult to obtain the basic geological remote sensing and geological investigation information. So, we have found that uncertain and interpreting field validation is not easy to achieve the satellite remote sensing geological investigation. We have made a research of internal satellites beyond the border. Through a data analysis, including image processing, interpretation, high decomposition of translation and unusual technique, the means of extracting foreign remote sensing surveying method was established. In lithology and structure on interpretation of ore-control factors, we have combined with the simultaneous extraction of remote sensing anomaly mineralization and ore-controlling information filtering. We have also overlayed a variety of geoscience information to ore prediction. By domestic remote sensing data analysis, a new delineation of prospecting is to reduce blind investment and investment risk.

Domestic satellites; Interpretation signs; Remote sensing anomalies; Remote sensing interpretation

2017-07-29

中国地质调查局地质调查项目(12120113099200)。

彭玺(1971-)，男，四川威远人，助理工程师，研究方向：地质矿产遥感技术应用研究，手机：13897444515，E-mail：1127079538@qq.com.

TP79

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.045