基于GF-2的禄丰恐龙谷南缘山地环状构造线性特征遥感解析应用研究

胡琳，甘淑，2，袁希平，杨明龙,2，高莎，毕瑞

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093； 2.云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心，昆明 650093；3.滇西应用技术大学，大理 671000)

1 引言

环状构造是一种特殊的地质现象，是遥感影像上较醒目的结构特征之一[1]。环状构造不但成因多样，各个地质时代均可以产生，而且规模大小悬殊，排列方式多变。在遥感地质学中，环状构造具有极重要的理论意义[1]。在预测、寻找矿产和活动构造分析方面，它能提供丰富的深部地质作用信息。因此，对于环状构造的成因、性质和意义的深入研究是很有必要的。由于遥感技术具有宏观性和直观性等特点，为地质构造研究提供了丰富的定量化数据[2]，使得其在地质构造研究中的应用越来越广泛。Hewson R[3]和Fan Y[4]以遥感影像为主要数据源，通过遥感技术实现对矿产资源的识别、矿物制图等。Abd El-Hamid[5]和Wainwright H M[6]利用遥感技术对地表覆被类型的空间异质性和地质地貌情况进行研究。并且有越来越多的人通过运用多源遥感数据来进行地质灾害研究，如董秀军[7]、Wang J[8]、Hejja Y[9]和葛大庆[10]综合运用光学遥感、激光雷达、无人机倾斜摄影、数字高程模型(DEM)等多源遥感数据，实现对地质灾害的解析与研究。

随着遥感技术在众多领域的应用越来越广，民众对遥感数据的需求也在逐渐增大，为此我国启动了高分辨率对地观测系统国家科技重大专项(以下简称高分专项)。高分专项建成了我国自主的陆地、大气、海洋先进对地观测系统，为现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重大领域提供服务和决策支撑，也承担了带动国家经济建设、社会发展、国防建设和全国范围的科学技术进步的战略责任[11]。为促进国产高分辨率遥感卫星数据的应用拓展，实现科研成果转化。因此，本文将以GF-2遥感影像为数据源，运用遥感技术，对研究区内山地环状构造线性特征进行遥感解析，为促进遥感地质在山地环状构造方面的研究提供理论依据。

2 研究区及研究数据

2.1 研究区概况

研究区位于中国云南禄丰侏罗纪恐龙遗址公园(世界恐龙谷)南缘的典型山地环状构造，位置如图1所示。该环状构造正好处在云南省正中部，即“云南地理的中心位置”(24°53′5″～24°59′2″N，102°06′3″～102°01′1″E)。研究区隶属于云南省楚雄彝族自治州禄丰县川街乡，处于滇中高原东南部的金沙江水系与红河水系的分水岭地带，总体地势北高南低。气候属于亚热带低纬度高原季风气候，具“冬无严寒，夏无酷暑，温暖多雨，干湿分明”的低纬度山地季风气候特点，地处低热河谷区。全年日照时数2 018.7 h，多年平均气温16.1℃，多年平均降雨量915.5 mm[12]。研究区内主要地层有新生界的第四系、第三系，中生界的白垩系、侏罗系，元古界的昆阳群。公园周边地区出现三叠系、泥盆系、奥陶系、寒武系及震旦系地层[12]。岩浆岩主要灰绿岩，也有基性侵入岩及超基性侵入岩。

图1 研究区

2.2 研究数据及预处理

本文以高分二号(GF-2)遥感影像作为数据源，选用2019年12月10日所拍摄的影像进行试验。GF-2卫星是我国首颗自主研制的空间分辨优于1 m的民用光学遥感卫星，搭载有两台高分辨率1 m全色、4 m多光谱相机，具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，星下点空间分辨率可达0.8 m[13-14]。GF-2影像产品具体参数见表1，预处理流程见图2。

表1 GF-2影像产品参数

图2 GF-2图像预处理流程图

3 山地线性特征遥感解析

基于预处理后的GF-2遥感影像，通过目视解译的方式勾绘出山脊线，发现山脊线形似一颗巨大的心脏，山地中心处的岩石平行分布，如图3所示。借助Arcmap软件解算出山脊线的特征参数如表2所示，读表2可知：山脊线的东西宽度为4.19 km，南北长度为4.92 km，直径为4.27 km，面积为14.34 km2，周长为15.06 km。

同理，通过目视解译的方式勾绘出山谷线，发现山谷线与山脊线轮廓形似，如图3所示。借助Arcmap软件解算出山谷线的特征参数如表2所示，读表2可知：山谷线的东西宽度为6.40 km，南北长度为8.06 km，直径为6.45 km，面积为32.71 km2，周长为26.37 km。

表2 山脊线和山谷线的特征参数

图3 山脊线和山谷线

对比山脊线和山谷线的特征参数可以发现，山谷线的面积和周长约为山脊线的两倍，且山脊线和山谷线的重心邻近。读图2发现研究区的山脊线和山谷线呈环状分布，并且通过影像解译也可以发现，山脊线内山地呈坑状，山谷线内山地似锅底逐渐向边缘隆起的峭壁。

4 山地环状构造特性遥感解析

4.1 山地环状构造重心遥感解析

通过以上解析，得到山脊线的重心和直径、山谷线的重心和直径。因此，本节将以山脊线的重心为圆心，山脊线的直径为直径，绘制标准圆。同理，以山谷线的重心为圆心，山谷线的直径为直径，绘制标准圆，如图4所示。读图4可知：山脊线相较于标准圆向西南方向偏移了，山谷线相较于标准圆也向西南方向偏移了。推测应该是受外力影响，使得山脊线和山谷线均较标准圆向西南方向偏移。并且由于山脊线和山谷线较标准圆的偏移方向一致，偏移度相似，推测应是受到统一外力作用导致的偏移，而具体的偏移原因应进行深入研究。

图4 以山脊线和山谷线重心为圆心绘制的标准圆

4.2 山脊线内的山地河谷水系线性特征遥感解析

对比已有的地质、地球物理资料不难发现，主要径流的方向与该区地质构造的主要展布方向、重力、电法异常的主要轴向大体吻合[15]。说明主要径流的展布严格受区域构造控制。因此本文基于预处理后的GF-2遥感影像，通过目视解译的方式勾绘出山脊线内的主要河谷水系，以此作为依据，来推断该地区地质构造的主要展布方向。如图5(a)所示，山脊线内的山地河谷水系为1个封闭水文单元，并且仅有1个出水口。在山脊线内，主要河谷水系整体趋势为由东北方向流向西南方向，全长17.69 km，共分为2个部分。北部水系分布较为紧密，总共有3个水系节点，1号和2号水系节点距离较近，3号水系节点位置更偏东北向。3个水系节点均位于河谷内的低凹处，最终汇水至中山水库。南部水系较为简单，仅有1个水系节点。水系在4号水系节点交汇后，往西南方向流淌，直至流向山脊线外。5号水系节点为此封闭水文单元的唯一出水口。

同理，勾绘出山脊线内的支流水系，如图5b所示。读图5(b)可知，山脊线内水系整体呈放射状，通过测算得到支流水系全长31.51 km。分布于主要河谷水系两侧，除西南方向分布较少外，其余均匀分布于山脊线内。

计算出山脊线内水系的重心与山脊线的重心，2个重心点位置相邻(如图5b所示)，可知在封闭水文单元中，水系重心的位置与山脊线的几何重心位置几乎一致。

图5 山脊线内的河谷水系

4.3 山脊线外的山地河谷水系线性特征遥感解析

通过目视解译的方式勾绘出山脊线外的主要河谷水系，得到图6。读图6可知：在山脊线与山谷线之间，主要河谷水系全长为16.96 km，多分布在研究区南部。山脊线内的河谷水系从唯一的出水口流出后，汇入川街河。在1号水系节点分为2个支流，与沿西侧山谷线流淌的支流在2号水系节点交汇，与沿东侧山谷线流淌的支流在3号水系节点交汇。川街河共有3条支流，均为由南向北的流淌方向，形似“川”字。研究区北部有较短的1条径流，流经路线与山谷线几乎重合。

图6 山脊线外的主要河谷水系

为了进一步了解该地区地质构造情况，本文对山谷线外的主要河谷水系进行遥感解析，得到图6。读图6可知：该地区因地势属于东北高，西南低，因此水系整体走势为从东北方向流向西南方向。从东北方向的东河水库向西南方向流淌，顺山谷线与川街河交汇，而后在小江口汇入绿汁江。

5 结论

本文通过以上解析研究得到如下结论：

(1) 通过绘制研究区内山地的山脊线和山谷线，并解算其特征参数可以发现：山谷线的面积、周长约为山脊线的两倍。山脊线和山谷线的重心邻近，山脊线和山谷线呈环状分布。

(2) 根据测算得到山脊线的重心和直径绘制标准圆、山谷线的重心和直径绘制标准圆发现：山脊线和山谷线较标准圆均向西南方向偏移了，推测应该是受外力影响造成的偏移。并且由于山脊线和山谷线较标准圆的偏移方向一致，偏移度相似，推测应是受到同一外力作用导致的偏移，而具体的偏移原因有待深入研究。

(3) 通过勾绘山脊线内的河谷水系发现：主要河谷水系整体趋势为由东北方向流向西南方向，全长17.69 km，总共有4个水系节点。山脊线内水系整体呈放射状，且为封闭水文单元，支流水系全长31.51 km。其水系重心与山脊线的几何重心位置几乎一致。

(4) 通过勾绘山脊线外的河谷水系发现：在山脊线与山谷线之间，主要河谷水系全长为16.96 km，多分布在研究区南部。山谷线外，主要河谷水系整体走势为从东北方向流向西南方向。从东北方向的东河水库向西南方向流淌，顺山谷线与川街河交汇，而后在小江口汇入绿汁江。

本文基于GF-2遥感影像对禄丰恐龙谷南缘的山地环状结构进行线性特征遥感解析，对该地区的山地环状结构的基本情况有了一定的了解，但仍有不足之处。本文仅对研究区内的地表水系进行了遥感解析研究，但对于研究区内的其他地表景观探测分析仍然有待深化，比如针对此特殊区域内的地表覆被调查、土壤侵蚀状态、土壤侵蚀过程等进行探测分析。并且本文的研究主要是对研究区二维结构进行分析，对于三维结构的分析认识不足。未来有待加强综合多源地理空间数据的应用研究，比如基于DEM数据对研究区的三维结构进行分析研究。