基于國產衛星的遙感地質解譯能力評估

鄭雄偉，彭 孛，尚 坤

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國地質科學院研究生院，北京 100037；3.中國地質大學(武漢)計算機學院，武漢 430074；4.四川省地質調查院，成都 610036；5.自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048)

0 引言

衛星遙感是自然資源監管和地質調查工作開展不可或缺的重要手段之一[1-2]，長期以來，地質調查所用的衛星遙感數據依賴于國外。而隨著國產衛星的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和數據覆蓋能力的極大提升，已逐步取代同等分辨率國外衛星遙感數據，在自然資源監管和地質調查中發揮重大作用[3-5]。

但與國外成熟的衛星遙感數據相比，國產衛星應用能力挖潛亟待提升。國內很多學者利用國產衛星數據圍繞某一特定或單領域業務需求，開展了不同程度的遙感地質信息提取與應用示范研究[6-12]。本文依托地質調查項目“國產衛星數據質量改進與地質礦產綜合應用示范”，選擇14類景觀區示范區，通過遙感影像提取與地質調查相關的多元地表和部分推測的地下信息，判釋出地質體或地質現象的質量和數量特征，以及彼此間的相互關系，探索研究了資源一號02C(02C)、高分一號(GF1)、高分二號(GF2)、資源三號(ZY3)等國產衛星數據在基礎地理、基礎地質、土地資源、礦產資源開發、水文地質、工程地質、地質災害等調查中的應用能力。在相同比例尺下，對直接解譯類要素采取定量的方式進行衛星解譯能力對比，對間接解譯類要素采取定性的方式進行衛星解譯能力對比，最后進行了解譯能力評估總結，為國產衛星數據更加廣泛深入應用提供了參考。

1 影像分辨率與成圖比例尺關系

遙感影像的空間分辨率決定了影像上能夠區分的最小單元所對應的地貌尺寸或大小。遙感影像的空間分辨率是評價衛星影像產品適應性的主要標志。影像空間分辨率越低，反映的空間尺度內容就越宏觀，相應的影像成圖比例尺就越??；影像空間分辨率越高，反映的空間尺度內容就越豐富，相應的影像成圖比例尺就越大。

根據不同的調查需求選擇相應空間分辨率影像來開展地質調查工作，遙感數據的空間分辨率決定了其所能支撐的解譯精度和成圖比例尺。人對紙質地圖的目視分辨率為0.07～0.1 mm，因此地圖要求遙感影像的分辨率一般應達到或小于圖上0.1 mm，而地圖的更新至少也應該要求影像的分辨率達到圖上0.2 mm。所以當制圖比例尺確定后，選擇數據源時應優先考慮圖像的空間分辨率?？臻g分辨率D(單位為m)、成圖比例尺(M為比例尺分母)以及成圖要求的誤差范圍e(單位為mm，也指人眼的分辨率，通常采用0.2 mm)存在以下關系：

e×M×10-3=RMS×D，

(1)

式中，RMS為影像幾何校正后的像元位置均方根誤差，是一個待定變量，通常為1～2個像元，由此，我們得出國產衛星地面分辨率與適用成圖比例尺關系見表1。

表1 國產衛星空間分辨率與成圖比例尺關系Tab.1 Relationship between spatial resolution and mapping scale of domestic satellites

2 圖像地面分辨率和地質解譯精度關系

通常遙感解譯時影像特征表現為點、線、面3種幾何圖形，在判讀上述地物最小目標時，不但要求它具有最小光譜成像特征，而且要求它能夠保持基本幾何特征。通常認為3～4個像元的成像范圍就構成了幾何圖形的最小單位。在遙感圖像上點狀要素解譯精度P與圖像地面分辨率Rg大小相當，線狀要素解譯精度P′均小于圖像地面分辨率，面狀要素解譯精度P″約為圖像地面分辨率3倍。像元寬度a、地面線狀要素分辨率P′、地面面狀要素的分辨率P″有以下公式的近似關系：

(2)

根據公式(2)確定了各衛星空間分辨率、地面分辨率和地質要素解譯精度的關系，見表2。

表2 圖像地面分辨率與地質解譯精度關系Tab.2 Relationship between image ground resolution and geological interpretation accuracy

3 解譯能力分析

以熱帶雨林景觀區為例，選擇位于云南省耿馬縣境內的800 km2示范區。區內地貌類型為高原山地和相間分布的山間盆地、河谷平原，平均海拔約1 300 m。地處滇西三江成礦帶，不僅動物、植物資源極為豐富，植被覆蓋率達80%以上，水資源、礦產資源富饒，受地質構造控制，區內巖體較破碎、災害較發育，以及礦山開采帶來的地質環境、生態環境問題存在，制約區內經濟快速發展。同時，受地形地貌、植被、道路交通條件的制約，在區內開展地面調查、研究取樣工作相對困難。選擇最優質量的02C，ZY3，GF1，GF2衛星數據，開展輻射校正、幾何校正、多光譜與全色數據配準、圖像融合、圖像鑲嵌與裁剪[13-15]，利用制作好的遙感影像圖，對基礎地理、基礎地質[16-18]、土地資源[19-20]、礦產資源[21-22]、水文地質[23-27]、工程地質[28-29]、地質災害[30-32]等調查要素解譯能力進行了分析。

3.1 基礎地理要素解譯

基礎地理要素中主要是居民地、河流、湖泊(庫塘)、道路交通、地形地貌等要素的解譯，這類要素的解譯主要與衛星的空間分辨率密切相關，空間分辨率越高，解譯效果越好，各要素解譯能力對比情況如表3所示。

表3 基礎地理要素直接解譯能力對比Tab.3 Comparison chart of basic geographic elements interpretation ability

1)道路。道路寬度>2.5 m，表現形式線狀。02C，ZY3，GF1，GF2衛星均能很好地對道路位置、形態進行解譯，02C衛星對道路邊界識別能力稍差。4顆衛星均滿足道路要素更新解譯，滿足1∶5萬解譯要求。

2)居民地。示范區內居民地具有標志清晰、邊界分明的特點，從實際對比的結果看，4顆衛星對獨立居民地的解譯能力與表2所示的衛星對面狀地物要素理論解譯精度有著較強的一致性。

GF2衛星對面積≥64 m2的獨立居民地能很好的識別地物的邊界、形態、位置。ZY3和GF1衛星對面積≥290 m2的獨立居民地的邊界、形態、位置均能有效識別。02C衛星對獨立居民地的邊界識別能力較差。從對比的結果看根據解譯要求，各衛星均滿足對居民地(聚集區)更新解譯要求(不對獨立居民地(點)進行解譯)，4顆衛星均滿足1∶5萬解譯要求。

3)水系(溝渠)。水系(溝渠)寬度>7 m，表現形式線狀。02C，ZY3，GF1，GF2衛星均能很好的對5級水系位置、形態進行解譯，02C衛星對水系邊界識別能力稍差。4顆衛星均滿足水系要素(線狀)更新解譯，滿足1∶5萬解譯要求。

水系(溝渠)寬度>15 m，表現形式面狀(河流等級4級以上)。02C，ZY3，GF1，GF2衛星均能很好的對4級以上河流邊界、位置、范圍進行解譯，4顆衛星對面狀水系的解譯能力表現一致，滿足1∶5萬解譯要求。

4)水庫/庫塘。水庫/庫塘面積>475 m2(表現形式面狀)。02C，ZY3，GF1，GF2衛星均能很好的對水庫/庫塘邊界、位置進行解譯，02C衛星對邊界的識別能力稍差，4顆衛星在對水庫/庫塘要素解譯能力表現一致，均滿足1∶5萬解譯要求。

綜上，基礎地理要素中主要是地形地貌、道路交通、水系等要素的解譯，這幾類要素的解譯都不復雜，可解譯程度較高，除微地貌的解譯程度為中等外，其他類的解譯程度均較高。微地貌的解譯主要受植被、剝蝕等因素的影響以及數據分辨率影響，隨著分辨率的提高，地貌形態及范圍在調查過程誤判的情況也隨之降低，因此，基礎地理要素優先考慮使用GF1和ZY3數據，微地貌、鄉村公路的識別則建議使用GF2衛星數據(表4)。

表4 基礎地理要素解譯能力Tab.4 Basic geographic elements interpretation ability

3.2 基礎地質要素解譯

基礎地質要素解譯能力對比情況如表5和表6所示。

表5 基礎地質要素解譯能力對比Tab.5 Comparison chart of interpretation ability of basic geological elements

表6 基礎地質解譯能力Tab.6 Basic geological interpretation ability table

1)地層巖性?；A地質要素中最難調查的是地層巖性，由于植被干擾或巖性相近不易區分，地層巖性的解譯可解譯程度較低。因此地層巖性的調查主要借助于已開展了區域地質調查工作的成果資料，結合遙感信息特征進行修編。

2)第四系。第四系解譯相對其他地層的解譯要容易一些，主要是按照成因分類進行的判譯，主要沿水系分布，個別地區由于河流侵蝕強度較大或斷裂活動強烈，第四系分布會遠離主要河流，但大多數都是在河流兩側發育。其類型劃分主要是根據地理位置、分布形態等，由于自然侵蝕和剝蝕作用，第四系的保存不完整，對殘留的第四系會出現漏判可能，區內第四系位于盆地內耕地區，受人類工程活動影響邊界區分較難，需借助野外工作，可解譯程度中等。

3)斷裂和活動斷裂。斷裂和活動斷裂構造的行跡在遙感圖像上的判譯比較容易，特別是活動斷裂構造，其行跡較清楚，一般比老的斷裂更容易判別，因此也容易出現交切關系的錯判。工作區內的斷裂構造具有繼承性活動的特點，斷裂構造錯綜復雜，因此在判定新老關系時需要參考實地調查的相關資料。

綜上，GF2衛星雖然對內部細節刻畫較好，但對大型要素整體的輪廓反映不佳，02C衛星由于缺少波段，分辨率稍差，對地物內部紋理刻畫較差，在考慮數據幅寬的條件下，基礎地質在衛星數據的選擇上優先使用GF1，ZY3衛星數據。

3.3 土地資源要素解譯

土地資源解譯要素包括林地、草地、耕地、城鎮及工礦用地、水域、未利用地，由于涉及的地類較多，本文主要選擇城鎮、水域、林地、耕地等幾類要素的一級類進行對比分析。表7主要對耕地和林地進行對比分析。

表7 土地資源要素解譯能力對比Tab.7 Comparison chart of interpretation ability of land resource elements

1)林地。區內熱帶雨林地區，林地覆蓋情況不因季節變化而改變，時間分辨率對區內林地的解譯影響較小。區內林地類型為有林地、灌木林、其他林地(包括苗圃及各類園地)。從解譯的結果看，02C衛星對林地(一級類)分布區能較好的識別(地類邊界控制能力較差)，對林地二級類邊界、屬性的劃分較困難；GF1，GF2，ZY3衛星波段豐富，對林地一級類各衛星解譯能力較一致，均能較好的識別面積>300 m2的獨立林地。對林地二級類的解譯，GF2衛星能直接識別林地二級類的屬性及邊界，ZY3和GF1衛星能直接識別林地二級類的邊界，但在屬性劃分上較為困難。

2)耕地。區內耕地二級類型主要有水田和旱地兩類，水田多分布在盆地內的河道兩側及山坡的梯田，旱地廣泛分布于盆地內以及山地的坡度較緩處。從解譯的結果看，各衛星均能較好識別耕地分布區(一級類)，02C衛星缺少藍光波段，分辨率較低，對耕地二級類水田與旱地邊界較難區分。GF1，GF2，ZY3衛星波段豐富，解譯能力較一致，均能很好的識別面積>300 m2的獨立耕地，對水田、旱地的邊界識別能力均較強。

綜上,熱帶雨林景觀區土地資源各解譯要素的遙感解譯受衛星成像時間的影響較小，衛星空間分辨率對各地類解譯能力影響較大，從對比的結果看(表8)，GF1，GF2，ZY3衛星對土地資源類型一級類可解譯程度較高，02C衛星由于缺少藍光波段且空間分辨率較差，解譯能力稍差。

表8 土地資源要素解譯能力Tab.8 Interpretation ability table of land resource elements

3.4 礦產資源開發要素解譯

礦山開發、環境的調查與土地覆被調查過程和方法相同，均是根據建立的解譯標志直接對地表礦產開發信息進行解譯。區內礦產開發程度較低，可解譯的要素有開采面、停采面、礦山復綠，各解譯要素解譯能力對比情況如表9所示。

表9 礦產資源遙感解譯能力對比Tab.9 Comparison of remote sensing interpretation ability of mineral resources

1)開采面(停采面)。開采面(停采面)在影像一般表現為灰白色，與周圍植被形成強烈反差，解譯標志明顯。

根據統計結果，4顆衛星均能很好的識別面積>5 675 m2的開采面(停采面)位置、范圍。GF2衛星可直接識別開采面的利用狀態，對開采面與中轉場的邊界識別能力較強；GF1，ZY3衛星可間接推測開采面的利用狀態，在劃分開采面與中轉場的邊界時可能存在誤差；02C衛星對開采面的利用狀態判讀較難，且較難識別開采面與中轉場的邊界。

2)礦山復綠區。02C衛星由于缺少藍光波段，礦山開采區經自然復綠后與周邊林地色調較一致，易造成解譯過程中的漏解，其他3顆衛星波段豐富，對礦山復綠區的解譯能力則相對較強。

綜上，區內礦山開采程度不高，礦業活動范圍較小，宜采用多期影像對比方式進行解譯，在衛星數據的選擇上優先使用GF2衛星，可直接對礦山開采面的利用狀態、采硐口的位置進行判讀，減少誤判的幾率和野外調查工作，其次選擇GF1，ZY3衛星數據，02C衛星由于空間分辨率較低，缺少波段，對停采面、礦山復綠區等要素解譯時漏解的可能性較大(表10)。

表10 礦產資源開發要素解譯能力Tab.10 Interpretation ability table of mineral resources development elements

3.5 水文地質要素解譯

在水文地質方面，受區內高植被覆蓋影響，各衛星對泉點、泉群、泉域、地下水溢出帶的解譯較困難，需要野外調查相結合確定其具體位置，可解程度中低。地層的賦水程度的判別是綜合地層巖性、匯水區域等因素的特點進行判別的，其準確程度取決于地層巖性的解譯，可解程度中等，對河流、庫塘、河床泥沙淤積地段等的判釋比較容易，水文地質與基礎地質在衛星數據的選擇上較一致，在1∶5萬尺度下優先使用GF1，ZY3衛星數據，更高比例下建議使用GF2衛星數據(表11)。

表11 水文地質要素解譯能力Tab.11 Interpretation ability of hydrogeological elements

3.6 工程地質要素解譯

工程地質類型的調查，主要根據已完成的第四紀地質、地層巖性等資料對工程巖性進行判別，首先通過地層巖性的分類劃分巖土體類型，巖土體堅硬程度的判別主要還是根據區域地質調查中巖石成分，再結合影像特征進行綜合判斷。對于工程地質要素遙感可解譯程度較低，需借助第四系、地層巖性及工程地質圖進行綜合判斷。因此，工程地質與基礎地質在衛星數據的選擇上較一致，在1∶5萬尺度下優先使用GF1，ZY3數據，更高比例下建議使用GF2數據(表12)。

表12 工程地質解譯能力Tab.12 Engineering geological interpretation ability

3.7 地質災害要素解譯

示范區發育的災害主要為崩塌、滑坡，泥石流災害不發育。從解譯的結果看，地質災害的調查方面，遙感手段對大型、中型地質災害體的解譯準確性較高，4類衛星均能較好的對災害體的位置、邊界、影響范圍進行圈定；小型災害體上的沖溝、后緣的裂縫、垮塌、前緣的鼓丘等微細變化難以觀察,02C，GF1，ZY3衛星對小型災害難以判讀，需借助野外調查確定災害體位置、規模、影響范圍等。崩塌、滑坡災害體對比情況如表13、表14所示?？偟膩碚f，景觀區內地質災害的可解譯程度中等。

表13 地質災害解譯能力對比Tab.13 Comparison chart of geological hazard interpretation ability

表14 地質災害要素解譯能力Tab.14 Interpretation ability table of geological hazard elements

綜上，地質災害體的可解程度與災害體發育規模息息相關，規模越大，可解譯程度越高，在衛星數據的選擇上優先使用GF2衛星數據，其次為GF1，ZY3,宜采用多期影像對比進行解譯，減少對滑坡災害體的漏解譯。

4 結論

4.1 要素解譯影響因子

根據上述解譯能力分析，要素可歸納為直接解譯和間接解譯兩大類，影響因子各不同。

1)直接判讀解譯要素。將直接運用解譯標志就能確定地物存在和屬性范圍的解譯要素歸類為直接解譯判讀類。一般針對形狀獨特、色調特征明顯的地物和自然現象，如道路、建筑、河流等基礎地理類，以及礦山開發(環境)、地形地貌等，衛星數據對這類要素的解譯能力主要與衛星的空間分辨率、波段組合、影像色彩、對比度和清晰度等有關，而地物所處的景觀區的位置則對衛星的解譯能力的影響則較小。

2)輔助(間接)判讀解譯要素。是指與地物的屬性有內在聯系，通過相關分析能夠推斷其性質的解譯要素。這類解譯要素往往需要根據影像的圖斑、紋理、色調、水系分布、發育、地表覆蓋、地形地貌特征等影像特征間接獲得，如地層、巖性、第四系等。這類要素的解譯能力不僅受衛星的空間分辨率、波段組合方式的影響，地物在景觀區的分布的位置、人類工程活動等因素也制約上述要素的解譯能力。

4.2 解譯能力綜述

1)自然地理要素解譯能力。自然地理要素中主要是地形地貌、道路交通、河湖濕地等要素的解譯，這幾類要素的解譯都不復雜，基于國產衛星數據可解譯程度較高，除微地貌的解譯程度為中等外，其他類的解譯程度均較高。微地貌的解譯主要受植被、剝蝕等因素的影響，地貌形態及范圍在調查過程中會有一些誤判的可能。

2)基礎地質要素解譯能力?；A地質要素中最難調查的是地層巖性，由于工作區是變質巖發育地區，經過再改造，地層原有的紋理和特征發生了改變，加上植被、農田、建筑等的干擾，給調查帶來很大的困難。因此地層巖性的調查主要借助于已開展了區域地質調查工作的成果資料，結合遙感信息特征進行修編。第四系的解譯相對其他地層的解譯要容易一些，其類型劃分主要是根據地理位置、分布形態等進行劃分，由于自然侵蝕和剝蝕作用，第四系的保存不完整，對殘留的第四系會出現漏判可能。斷裂和活動斷裂構造的行跡在遙感圖像上的判譯比較容易，但工作區內的斷裂構造具有繼承性活動的特點，斷裂構造錯綜復雜，因此在判定新老關系是需要參考實地調查的相關資料。

3)土地資源要素解譯能力。土地覆被的調查主要是根據土地利用現狀分類的要求進行，主要是地表信息的提取，對一級分類的解譯程度較高，二級分類主要受圖像分辨率的影響，在解譯時會出現屬性劃分不夠準確的現象，個別圖斑需要實地調查進行確認。

4)礦產資源開發要素解譯能力。礦山占地和礦山地質災害的調查與土地覆被和地質災害調查的過程和方法基本相同，能較為準確的調查礦山占地類型、范圍及趨勢；礦山地質災害的調查也可以判定礦山開采產生的地質災害類型、影響范圍、危害區域等。

5)水文地質要素解譯能力。遙感圖像中地表水體以及河流、水田、賦水地段、河床泥沙淤積地段等的判釋比較容易，對泉點、泉群、泉域、地下水溢出帶、古河道分布位置在遇到干擾因素時解譯較困難，需要野外調查相結合確定其具體位置。地層賦水程度的判別是綜合地層巖性、匯水區域等因素的特點進行判別的，其準確程度取決于地層巖性的解譯。

6)工程地質要素解譯能力。工程地質調查主要是對工程地質巖性的判別，通過地層巖性的分類劃分巖土體類型，巖土體堅硬程度的判別主要還是要根據區域地質調查中巖石成分，再結合影像特征進行綜合判斷，因此地層巖性的物質成分需要結合實地調查的資料進行綜合判定。

7)地質災害要素解譯能力。地質災害的調查中對大型、中型地質災害體的解譯準確性較高，部分小型災害體的解譯可能會漏判。災害體上的沖溝、后緣的裂縫、垮塌、前緣的鼓丘等微細變化難以觀察。