三维遥感影像在遥感地质构造解译中的应用——以福建平和植被覆盖区为例

史　超，李　书，任正情，王学平

(1.水利部长江勘测技术研究所，武汉 430011；2.安徽地矿局313地质队，安徽 六安 237000；3.中国地质大学(武汉)资源学院，武汉 430074)



三维遥感影像在遥感地质构造解译中的应用
——以福建平和植被覆盖区为例

史超1，李书1，任正情2，王学平3

(1.水利部长江勘测技术研究所，武汉 430011；2.安徽地矿局313地质队，安徽 六安 237000；3.中国地质大学(武汉)资源学院，武汉 430074)

摘要：文章通过建立福建平和矾山三维遥感影像和线环构造解译标志，对区内芦溪—霞寨断裂、坪水断裂等典型断裂以及钟腾破火山口进行了解译。基于三维遥感影像可较好地识别构造解译标志，提高遥感构造解译的精度，降低解译的难度。

关键词：三维遥感影像；线性构造；环形构造；遥感解译

0引言

遥感线环构造解译是遥感地质研究的基本内容，在地震活动、工程勘察、滑坡灾害等方面有诸多应用。70年代美国陆地卫星的成功发射，为遥感地物的识别、分析提供了较好的数据基础，使地质填图、地质背景的分析工作变得更快捷、有效，因而对遥感线环构造的研究越来越多[1-5]。国外C.A.Kogbe利用1∶50万MSS卫星影像对尼日利亚中部地区进行了地质解译[6]；J.R.Pettinga通过遥感卫星影像、航空雷达影像以及数字地形模型解译了斐济SEVitiLevu地区的线性构造，分析了其与新近纪构造之间的关系[7]。国内利用遥感方法进行线性构造解译成果众多，如邓清禄等对长江三峡工程库首区遥感线性构造进行解译，分析了库首区滑坡与线性构造的关系[8]；王多义等对川西石亭江地区进行了遥感地质解译及构造分析[9]，胡宗云等利用高分影像对西藏旁多水利枢纽灌溉输水洞进行了遥感工程地质研究[10]，等等。三维GIS技术及虚拟现实技术的发展突破了基于二维图像解译的表现形式。遥感影像三维可视化将二维平面的遥感影像转化为三维空间的立体动态模型，突出了地物的空间特征，提高了利用遥感图像进行地质解译的分析能力，因而改变了传统遥感地质解译的思维方式，为遥感技术在地质中的应用开拓了新思路。本文通过建立三维遥感图像和线环构造解译标志，对福建平和植被覆盖区的断裂和破火山口进行解译，以提高构造解译精度，降低解译的难度。

1数据源及预处理

1.1数据源

从国际科学数据服务平台免费获取了ETM+数据，考虑到人类活动及气候的长期影响，同时搜集了同地区较早期的一景TM5影像(1989年3月10日的时像)，作为辅助的影像数据。两幅影像数据质量较好，无云覆盖，图像清晰。高程数据为“ASTERGDEM”数据，其垂直精度为20m，水平精度为30m，可通过USGS及其他数据平台免费获取。其他辅助的地学数据包括基础地质矢量图、1∶5万水系图。

表1　ETM各波段间相关性分析

1.2数据预处理

1.2.1几何校正

遥感平台位置及运动状态、地形起伏、地球表面曲率、大气折射等遥感系统内外因素影响会导致遥感图像几何畸变。图像上像元大小不均匀，且排列不整齐，无法与地面相对应[11]。畸变的图像会给定量分析及位置配准增加难度，在地质解译和蚀变信息提取之前需要对遥感影像进行几何校正，提高影像几何精度的同时亦实现了与其他数据源配准。

已有的ETM影像均经过系统几何校正，为了满足工作需要及精度要求，必须进行几何精校正。工作中将地形图作为基础图件，通过ENVI软件ImagetoMap模块进行地面控制点选取。控制点一般选择较为明显的地物标志，如河流的拐点、道路交叉口等特征点，且尽量分布均匀。依据该原则，选取了11个控制点，运用二次多项式的校正函数模型、最邻近法的重采样方法进行图像几何精校正。

1.2.2最佳波段组合的选取

根据遥感地质线环构造的识别及应用，综合分析各波段间的相关性、各波段光谱在地质上的影响来最终确定最佳波段组合。

依据ETM+数据各波段间的相关性(表1)分析结果，TM1，2，3相关性最高，TM5，7相关性高，TM4与其他波段相关性均较低，而TM1，2，3为可见光波段，TM4为近红外波段，TM5，7为短红外波段。从可见光波段、近红外波段、短红外波段各选其一，可以使波段组合发挥最大的波谱信息。基于上述波段在识别地物、岩性及构造的波谱特点，以及研究区属于植被生长较茂密、土壤发育的南方覆盖区，植被、土壤等自然覆盖物的色调会因成土母岩的岩性不同而有所差异，因此选择TM7，4，1组合，进行RGB彩色合成，合成后的影像边界清晰，图面色彩丰富，层次感好，反映出较为丰富的地质信息和地

表2　信息熵评价结果

表环境信息，地质可解译度高。

1.2.3影像融合增强及效果评价

遥感影像融合通过综合不同空间分辨率的遥感信息，提高影像空间分辨率，增强图像地物信息[12]。融合方法很多，主要有：主成分分析法(PCA)、Gram-Schmidt变换法、小波变换法等。本文对比上述三类融合方法，选择最佳融合方法进行图像融合。

影像融合后效果评价方法包括定性和定量两类，本文通过采用信息熵计算方法对融合效果进行评价。信息熵是衡量图像信息丰富程度的一个重要指标，对于单波段图像，可认为其各像元的灰度值是互相独立的样本，则这幅图像的灰度分布为P(i)，即灰度值等于i的像素数与图像总像素数之比。根据shammon信息论的原理[13]，一幅图像的信息熵表达式为：

式中的灰度值N一般取0～255。熵值越大表示融合后影像所含信息越丰富，融合质量越好，信息熵结果见表2。综合信息熵计算结果，选择基于IHS变换的小波融合方法。

通过对比度拉伸、直方图变换、滤波等方法，对融合后的影像进行增强处理，增强图像的轮廓和边缘，提高地物识别力，便于下一步的线环解译。

2平和植被覆盖区三维可视化遥感影像创建

ArcGlobe是ArcGIS平台下的三维分析模块，通过ArcGlobe模块可实现交互式的全球海量地理数据三维可视化显示，其中包括多种数据类型，如矢量数据、栅格数据及DEM数据等；通过该模块可进行快速的地表漫游、针对某一点区域的缩放及其他数据的管理。

ArcGlobe模块具有强大的三维分析能力，本次研究以ASTERGDEM规则格网数据为地形数据，TM741组合影像为地表影像纹理，添加了断层、岩性矢量要素和文字标注等数据，在ArcGlobe中生成三维可视化影像。数据的集成套合是以统一的空间地理坐标为组织基础，同时栅格、高程、矢量数据分图层管理。在不同的观察方位视角和距离，为了适当突出地形起伏，将其高程拉伸3倍，可清晰看到研究区内地形地貌起伏幅度和分布范围(图1)。

3平和遥感地质线环构造解译

3.1平和植被覆盖区线性构造解译标志建立及遥感影像解译

3.1.1线性构造的分类

图1　三维遥感影像(矾山)Fig.1　3D remote sensing image (Fan Shan)a.观察方位为37.1°，视角为27.3°，距离为6.4 km；b.观察方位为170.5°，视角为20.8°，距离为5.9 km

线性构造包括：①地质界线。如岩性岩相界线、不整合界线、侵入体接触界线及岩层层理片理线、岩脉等。②受断裂构造形成的线性构造。包括有明显位移的断层及断层带，无明显位移的节理、构造裂隙和构造破碎带以及深大断裂、隐伏断裂等。

3.1.2典型线性构造解译标志建立及遥感影像解译

(1)芦溪—霞寨断裂(F1)。

该断裂在研究区内规模较大，主要位于区内海拔较高、地形较为复杂的西北部，高程多在800m以上，主要由大面积的刚性岩浆岩构成，该断裂对研究区影响较大，主要呈NW向延伸。

三维遥感解译标志：

色调标志。色调差异明显，在三维影像上其主要呈线型展布且形迹清晰，线性色调主要为红色或品红色(主要反映人类活动及聚居区)，在色调上显示线条延伸较为平直，且稳定连续，延伸十几千米(图2a)。

水系标志。三维影像上显示其为水系，为河谷地形，红色或品红色的人类聚居区主要沿河谷地形呈线性分布，河流较为平直(图2a)，表明断裂穿越河谷。该河谷的形成也主要受断裂控制。相对于平面遥感解译，三维遥感解译能明显的显示河谷地形，可以较为准确地判断该河流是否受断裂控制。

地貌标志。三维影像上河谷较为狭长且较深，河谷两侧也可见连续排列的断层三角面(图2b，图2c)，芦溪水系在下圩处可见流向发生了变化，出现了直角转弯(图2d)。

芦溪—霞寨断裂规模较大，该处存在多条NW向的大断裂，呈雁列式组合，控制了区内西北部的火山活动及岩浆地层的分布。

该断裂与多条NW向的大断裂呈雁列式组合为芦溪—南胜断裂带，控制了研究区西北部的火山活动及岩浆地层的分布，活动时间延续较长，后期有花岗斑岩体沿断裂侵入，尤其在与长芦—九峰断裂带的交汇地段产生强烈、频繁的火山喷发和岩浆侵入，形成钟腾大型破火山机构及钟腾复式岩体。

图2　芦溪—霞寨断裂解译标志Fig.2　Interpretation signs of Luxi-Xiazhai fault断裂走向为135.5°，红色线条为断裂延伸方向

图3　坪水断裂解译标志Fig.3　Interpretation sign of Pingshui fault(strike: 158°)断裂走向为158°

(2)坪水断裂(F4)。

该断裂位于欧寮岩体附近，欧寮为大片的花岗岩地貌，侵蚀较为严重，沟谷纵横主要也呈北西向延伸，一直延伸到邦寮山，延伸距离达11km。

三维遥感解译标志：

水系标志：三维影像上可见明显的水系标志，也主要呈线性延伸，延伸稳定连续，在该断裂上发育有断陷湖，该湖泊位于山谷中。从影像上看，该岩体沟壑纵横，切割严重，存在众多线性影纹(图3)。

地貌标志：该地区主要为花岗岩地貌，受构造活动影响形成出露山体，切割较为明显，山体多成块体状，三维影像上沟谷较为发育。欧寮火山组合体受燕山晚期构造活动影响，发生多期次岩浆活动，形成多期次花岗岩侵入体。该断裂及周边断裂对欧寮岩体改造强烈，形成棋盘状线性影纹。

3.2平和环状构造解译标志建立及遥感影像解译

3.2.1环形构造的成因分类

(1)地壳构造运动形成的环状构造包括：①旋扭构造形成的环状、椭圆状、弧状断裂；②隆起和拗陷盆地；③盐丘底辟构造、古潜山、隐伏礁体；④穹窿构造、褶皱构造；⑤各种构造岩块、地块。

(2)岩浆活动形成的环状构造：①火山机构环状构造，如火山锥、火山口、火山湖、破火山口等；②隐爆角砾岩筒造成的环状构造；③岩株、岩枝等中小型岩浆岩体、岩浆杂岩体及变质岩区由混合岩化作用或古老侵入体反映的环状构造；④与侵入岩有关的环形构造。

3.2.2典型环形构造解译标志建立及遥感影像解译

图4　钟腾破火山机构解译标志Fig.4　Interpretation sign of Zhongteng caldera

破火山口指一个或数个火山多次喷发，造成岩浆房萎缩，并使火山喷发中心部位沿环状断裂发生塌陷形成的破火山口凹地。钟腾破火山口(R1)是研究区内最大的环状构造，在ETM影像上有明显的环块状色调异常，基本形状呈椭圆形，该环长轴为NE向，长约十几千米，短轴近十千米，环内影像色调主要为粉红色、品红色，分布了很多小型环状、椭圆状、弧形体，阴影较少，纹理细密、光滑；环外影纹呈三角形、环形、多边形等多种形态，并存在多条环弧形体及放射状线性体。

三维遥感解译标志。①地貌标志：三维影像显示其为典型的中间较低、周边高山环绕的负地形，为典型的火山口地貌(图4a，图4b)；②水系标志：从影像上可见其环状边缘寄生有许多由环状水系、环形山及异常色带形成的小型环状构造(图4d—h)；③地貌标志：从三维地貌上，可发现其平均海拔较高，且环状水系主要受NE向和NW向的构造控制，呈明显格状。通过立体显示可以发现环外存在放射状水系，并发育放射状深切山谷(图4c)。

3.3线环构造解译成果及野外验证

据上述解译标志及已有地质资料，进行研究区内主要断裂及次级构造、破火山口等线环构造解译，得到研究区线环构造解译结果(图5)。

通过三维可视化遥感影像的动态分析，可快速了解研究区的地形地貌特点，有助于选择最佳的野外路线和采样点，在节约人力、物力、财力和提高工作效率方面发挥了重要的作用(图6)。

4平和植被覆盖区三维遥感线环构造解译标志的建立

图5　研究区线环构造解译结果Fig.5　Interpretation of the linear-ring structures in the study area

图6　位于三维可视化遥感影像上的验证点Fig.6　Check of points on the 3D visualized remote sensing image

通常情况下，遥感线环构造解译是借助二维GIS软件平台进行类似平面形式的遥感影像基础上进行的，传统的线环构造解译方式需要综合影像的纹理、阴影、色调及形态等特征差异进行地表信息识别，包括地貌、水体等，以实现线性构造及环形构造的识别。针对植被覆盖严重的南方山区，从遥感影像上进行地质解译就需要对该地区具有良好的地质背景知识储备，且需要一定的解译经验。识别判断研究区地形地貌是完成线环构造识别、分析的重要基础，同时也需要借助已知的地质信息，但在二维遥感影像上的解译、地质信息的表达也是以平面的形式展示，无法直观地获取该地区的地形地貌特征。由此可见，基于平面遥感线环构造的解译耗时耗力，对于经验不够丰富的解译人员常会出现误判读和误分析。利用已有的DEM数据，结合遥感影像，生成研究区内三维可视化影像，使地形地貌特征更加形象，立体影像也可避免解译过程中对山体与沟谷判断的误读、误判，从而提高了解译的效率，也能提高线环构造解译精确度。将已有的地质地理要素叠加到三维影像上，以三维可视化形式表达，能准确、全面地反映研究区构造、地层的立体形状、形态和性质，便于理清构造、地层的形态分布及相互关系。结合二维与三维遥感线环构造解译平台，便于线环构造解译工作的快速开展。

通过三维遥感影像对一系列典型的断裂、火山机构(如芦溪—霞寨断裂、佰公座断裂、钟腾破火山口及其附近寄生火山机构)进行分析、解译，总结前期分析与解译基础，建立矾山植被覆盖区三维可视化遥感影像的线环构造解译标志(表3)，以此标志为基础指导解译工作，同时需要在后期解译过程中不断添加新的标志和完善已有的标志，从而形成系统全面的解译标志。

线环构造解译过程中，依据单一的解译标志难以完成植被覆盖区遥感线环解译，需要添加多种类型解译标志佐证，并同时参考已知的地质资料，以此

表3　三维遥感解译标志

提高解译的准确度和可靠度，也可为福建植被覆盖区其他区域的解译作参考。

5结论

遥感线环构造解译方法主要为二维目视解译，很难对地形建立起立体化视觉感知，将遥感影像结合DEM高程数据，建立三维可视化遥感影像，据此建立了福建矾山植被覆盖区线环构造解译标志，包括影像标志、三维影像及地貌标志，利用建立的解译标志进行福建矾山区域内芦溪—霞寨断裂、坪水断裂等典型断裂构造解译，以及钟腾破火山构造的解译。基于三维遥感影像可以较好地识别构造解译标志，提高遥感构造解译精度，降低解译难度。

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Theapplicationof3Dremotesensingimagetointerpretationofgeologicalstructure：AcaseofvegetationcoveredPinghearea,Fujian

SHIChao1,LIShu1,RENZhengqing2,WANGXueping3

(1.Changjiang Reconnaissance Technology Research Institute, The Ministry of water resources, Wuhan 430011,China;2.Anhui geology and mineral exploration and Development Bureau of the 313 geologicalteam, Liu′an 237000,Anhui, China; 3.China University of Geosciences Faculty of Earth Resources,Wuhan 430074,China)

Abstract：In this paper interpretation signs of linear-ring structures at Fanshan area, Pinghe county, Fujian province are established on the 3D Remote Sensing Images and the typical linear and ring structures, such as Luxi-Xiazhai fault, Pingshui fault and Zhongteng caldera are accurately interpreted.

Key Words：3D remote sensing image; linear structures; ring structures; remote sensing interpretation

收稿日期：2015-01-07；责任编辑：赵庆

基金项目：中国地质调查局覆盖区地质找矿项目(编号：1212011085466)资助。

作者简介：史超(1988—)，男，助理工程师，硕士，主要从事遥感地质研究。

通信地址：湖北省武汉市江岸区解放大道2689号，水利部长江勘测技术研究所；邮政编码：430011；E-mail:825090684@qq.com 通信作者：王学平(1964—)，女，副教授，博士，主要从事遥威地质研究工作。 湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号，中国地质大学(武汉)资源学院数地所；邮政编码：436074；E-mail:xpwang@126.com

doi：10. 6053/j. issn.1001-1412. 2016. 01. 017

中图分类号：P627

文献标识码：A