西藏礦產資源潛力評價遙感專題中典型問題初探

倪忠云,何政偉,3,吳 華,劉婷婷

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,成都 610059;2.成都理工大學地球科學學院,成都 610059;3.首都師范大學資源環境與地理信息系統北京市重點實驗室,北京 100037;4.西藏自治區地質調查院,拉薩 850000)

西藏礦產資源潛力評價遙感專題中典型問題初探

倪忠云1,2,何政偉1,2,3,吳 華4,劉婷婷1,2

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,成都 610059;2.成都理工大學地球科學學院,成都 610059;3.首都師范大學資源環境與地理信息系統北京市重點實驗室,北京 100037;4.西藏自治區地質調查院,拉薩 850000)

西藏礦產資源潛力評價項目遙感專題通過提取各 1∶25萬標準圖幅及全區遙感異常信息和編制遙感推斷地質構造圖,為項目地質背景編圖、成礦規律研究和礦產資源預測提供了基礎性圖件。因西藏全區面積廣闊、涉及的遙感圖像時相各異、圖像處理軟件及方法流程復雜,加之技術人員專業背景和經驗等差異,在遙感專題實施中出現了 4個典型問題:①對基準面和地圖投影認識不準,忽視遙感影像圖件投影偏差;②在異常信息提取中對干擾信息去除過多或過少,未能有效保證空間拓撲關系的完整性;③遙感圖像拼接及色調均衡策略使用不當;④礦產地質特征解譯中成果數據的準確性不夠。針對上述 4個問題,提出了切實可行的解決方法,保證了專題成果的質量。

礦產資源潛力評價;坐標系統;異常信息提取;影像拼接;礦產地質特征解譯

0 引言

全國礦產資源潛力評價項目遙感專題工作的目的有兩個:①以有關礦產資源潛力評價為直接目的,提取遙感異常信息,判別礦致異常,為圈定找礦預測區范圍、劃分預測區級別提供信息;②為地質背景研究專題編制各類基礎地質專題圖件提供遙感推斷地質構造圖件[1]。圍繞這兩個目的,各省 (市、自治區)相繼開展了有關工作,已經完成了省級1∶25萬標準圖幅、部分礦種 (組)預測工作區與典型礦床大于 1∶25萬比例尺的遙感編圖工作。

西藏是我國具有重大礦產資源潛力的地區。由于地面植被覆蓋相對較少,受空氣環境、云層影響小,通常獲取的遙感圖像數據質量較好,適于進行遙感異常信息提取和礦產地質特征解譯。但因全區面積多達 120多萬 km2(約占全國陸地面積的1/8),在開展遙感專題工作中遇到了不少發人深省的問題。本文對其中具有典型意義的坐標系統統一、異常信息提取、圖像拼接和礦產地質特征解譯等 4個方面的問題進行初步探討,希望能為相關工作提供參考。

1 坐標系統的統一問題

在制作 1∶25萬標準圖幅遙感影像圖 (Geo-TIFF、M SI、TIFF 3種格式 )以及 1 ∶50萬比例尺省級圖件 (地質構造遙感解譯圖和遙感異常組合圖)時,都面臨坐標系統的統一和轉換問題,需要按照《全國礦產資源潛力評價——遙感資料應用技術要求》[1],采用正確的地理坐標系統和投影參數。

1.1 基準面和地圖投影

GIS中的坐標系定義由基準面 (Datum)和地圖投影(Projection)2組參數確定。而基準面則是根據特定橢球體對特定地區地球表面逼近的原理,由某組橢球體特征值及其對應的轉換參數確定。每個國家或地區均有各自的基準面。一個橢球體可以對應多個基準面,而一個基準面只能對應一個橢球體[2]。例如,克拉索夫斯基 (Krassovsky)橢球體,可以有北京 54基準面、西安 80基準面、Pulkovo1942基準面和Afgooye基準面等。

地球是一個橢球體,球面上的位置以經緯度表示,稱之為“球面坐標系統”或“地理坐標系統”。為工作便利的需要,采用數學方法將球面信息轉化至平面的過程稱為“投影”。

M apG IS 67軟件可提供平面直角坐標系投影、地理坐標系投影、大地坐標系投影和用戶自定義投影等 4種類型[3]。

有了橢球體以及地圖投影,坐標系就能確定下來了。我國目前使用最多的坐標系是北京 54坐標系和西安 80坐標系。

參與遙感專題的人員,如果對橢球基準、投影類型和坐標系類型不能有效區分,就會在大范圍數據的統一和匯總時遇到許多問題?，F以西藏為例,試對幾個重要參數進行如下分析。

按照全國礦產資源潛力評價項目的總體要求[4],并依據有關西藏地區的工作細則,遙感專題所編制圖件的比例尺為 1∶25萬、1∶20萬、1∶10萬、1∶5萬和 1∶2.5萬等時,采用北京 54坐標系和高斯 -克呂格投影 (Gauss-Kruger),采用 6°分帶;比例尺大于 1∶1萬時則采用 3°分帶。這兩類比例尺編圖時,投影原點經度與投影分帶的中央經線的經度一致,投影原點緯度則使用地球赤道緯度 (00°00′00″),中央經線比例變形因子為 1,假東偏移為500 000m,假北偏移為 0m。

編制 1∶50萬、1 ∶100萬、1 ∶150萬、1 ∶250萬甚至更小比例尺的圖件時,則統一使用蘭伯特正軸圓錐投影 (Lambert Conformal Conic Projection),投影原點經度、投影原點緯度、標準割緯度 1、標準割緯度 2、假東偏移和假北偏移等參數,均參照《全國礦產資源潛力評價數據模型——空間坐標系統及其參數規定分冊》[4]中有關西藏地區的規定。

在MapGIS 67中,橢球基準有 200多種,用不同的數值規定橢球體長軸、短軸、扁率和偏心率,通過這些值,可以得到橢球體的偏導數。

1.2 遙感影像圖制作

編制西藏地區 1∶25萬標準圖幅的 GeoTIFF格式圖像時,采用美國馬里蘭大學制作的遙感圖像[5]作為參考圖像進行糾正。糾正后的圖像為WGS-84坐標系和通用橫軸墨卡托投影 (Universal Transverse Mercator Projection,簡稱 UTM投影),而 UTM投影采用的中央經線比例變形因子為 0.999 6,假東偏移為 500 000 m,假北偏移為 0 m,與 Gauss-Kruger投影的中央經線比例變形因子存在 0.000 4的偏差,導致地理信息和影像圖存在南北位置的偏移。為解決該問題,我們采用重投影變換方法 (Arc-GIS中的 Reprojection),將其轉換為全國礦產資源潛力評價項目要求的投影類型和橢球體參數,取得了較好效果。有些單位在制作影像圖時,直接采用從馬里蘭大學下載的圖像數據進行裁剪,所得數據的坐標系參數是 TM/ETM+E012(PC I8.0中讀取影像圖的坐標系類型),而不是全國礦產資源潛力評價項目辦規定的 TM/ETM+E015,這種做法也是不可取的。此外,圖像的經緯度坐標雖然可以用ENV I4.5軟件直接讀取,但由于 ENV I4.5軟件是加拿大公司開發的,開發過程中沒有考慮我國采用的北京 54坐標系類型,所以需要按項目的總體要求自定義北京 54橢球體參數和坐標系類型。我們在確定西藏地區遙感圖像的投影類型時所采用的參數為:地球長半軸為6 378 245.0m,地球短半軸為 6 356 863.018 773 05m,偏心率為 0.081 813 334 016 931 2,扁率為0.003 352 329 869 259 15,扁率倒數為298.299 999 999 999。需要將這些參數寫成文本形式,加載到 ENV I4.5軟件 M ap_p ro j.txt中的橢球基準和橢球體參數設置中。對幾何糾正后的圖像,再用 ENV I4.5軟件將投影轉換為北京 54坐標系,即可滿足項目的整體要求。

1.3 省級圖件制作

在省級遙感構造解譯圖和省級異常組合圖制作中,項目要求針對 1∶50萬和 1∶150萬的數據采用蘭伯特正軸圓錐投影。該投影屬于正軸等角割圓錐投影,投影原點的經度、緯度、標準割緯度 1和標準割緯度 2、假東偏移和假北偏移都需要根據項目對西南片區的整體要求進行設置,西藏地區采用的參數分別是 89°、26°、28°、34°、0m和 0m,其目的是要保證在 X、Y方向上不產生變形。眾所周知,參數設置不同,得到的投影信息就會不同。例如,上述參數設置不同于亞爾勃斯等積圓錐投影 (Albers Conical Equal Area Projentiom)的參數設置。后者的投影類型主要考慮不論 X、Y方向上如何變形,都能確保面積相等,常在制作計算國土詳細面積的圖件時使用。

2 異常信息提取問題

2.1 干擾去除過多或過少

在遙感異常提取過程中,對受到的大氣、植被和第四系等因素影響以及孤立的異常信息點進行干擾去除時,濾波窗口大小的選取是一個很重要的問題。由于對遙感地質體的認識程度因制圖人員而異,通常對異常信息的判斷存在著不確定性。也就是說,因濾波窗口大小選取的不同,對同一景遙感圖像數據,不同人員會提取出不同的結果,有的異常信息提取得多,有的則提取得少,甚至還會有假異常出現。

在剔除云和鹽堿地 (白泥地)干擾信息時,常會遇到難以剔除干凈的困擾,這是因為云和鹽堿地在ETM+第 5和第 7波段存在著相似的波譜。云的形狀不規則以及云層厚薄程度不同,而鹽堿地多分布在湖泊周圍呈環狀或扇狀,堆積厚度也有不同,在消除由云產生的假異常時,部分鹽堿地有可能同時被去除掉,但又不會被消除干凈。

遙感圖像上大部分陰影是由地形起伏造成的,少部分則是由云團遮蓋形成的。陰影的遮蓋,常使部分地物信息不能完全表達,導致提取陰影遮蓋區域的遙感異常信息出現困難。因此,去除陰影干擾時需要特別慎重。

2.2 空間拓撲關系錯誤糾正

在 GIS中,空間拓撲關系描述的是基本空間目標點、線、面之間的鄰接、關聯和包含關系[6]。M ap-GIS 67軟件中,通過引入弧段概念,將所有的線均轉化為弧段,弧段經拓撲重建后形成目標區。

在進行異常信息提取時,依據《全國礦產資源潛力評價遙感資料應用技術要求》規定的工作流程[7],使用 PC I8.0軟件,以單景遙感圖像為單位,我們對西藏全區的遙感圖像分別進行了羥基和鐵染異常信息提取。提取出的各級異常是柵格化的數據,需用 ENV I4.5軟件將其轉換為矢量數據;再使用MapGIS 67軟件將數據格式轉換為＊.W P(區文件)格式;其間又夾雜多次的空間分析 (異常組合圖的空間求并、求差和求交)運算,并且每進行一次空間分析運算,都要涉及模糊半徑的設置。模糊半徑設置不同,得到的數據量 (文件大小)就不同,數據分布形狀 (出現致命的三角形)也不同。還需要將大地坐標系下的比例尺分母為 1、單位為 m的數據,投影轉換為投影平面直角坐標系下的 1∶25萬、以mm為單位的數據。

經過多次復雜運算和投影轉換,所獲得的異常信息數據已不能完全保證具有正確的空間拓撲關系。解決方法是:先將有空間拓撲錯誤的區文件(以 138039羥基異常為例,鐵染異常拓撲錯誤修改同羥基異常)用 GEOMAG軟件進行規范入庫,主要是填寫異常強度這一屬性欄。使用MapGIS 67軟件的“其它”—“生成 Label點文件”功能,將異常強度的屬性信息生成點文件 (如文件命名為:138039羥基異常點.W T);將有空間拓撲錯誤的區文件,用M apGIS 67軟件進行“其它”—“弧段轉線”—“拓撲錯誤檢查”—“線拓撲錯誤檢查”,修改線文件的拓撲錯誤直至無誤;再進行“其它”—“線轉弧段”—“拓撲重建”操作,造區成功后,進行“拓撲錯誤檢查”直至無誤 (該區文件命名為 138039羥基異常最終.W P);再將 138039羥基異常點.W T點文件通過“其它”—“Label與區合并”,將異常強度這一欄屬性信息賦值給 138039羥基異常最終.W P文件。

在MapGIS 67軟件中,根據屬性賦各級異常參數:將一級異常賦 1號圖層、二級異常賦 2號圖層、三級異常賦 3號圖層。先打開區文件的所有圖層,然后關閉 1、2和 3號圖層,刪除其他圖層的所有區塊和弧段 (主要消除“洞”的信息);再根據圖層號給各級異常賦顏色 (各級異常的賦色參照《全國礦產資源潛力評價數據模型——統一圖例規定分冊》[8]);然后在 GEOMAG軟件中,對已經賦予屬性值和顏色信息的 138039羥基異常最終.W P區文件進行規范和其他屬性信息的入庫。入庫規則遵照《全國礦產資源潛力評價數據模型——遙感分冊》[9],文件命名遵照《全國礦產資源潛力評價數據模型通用代碼規定分冊》[10]。

2.3 省級遙感異常組合圖入庫修正

數據模型中規定,ID號的字段類型為長整形(L),字段長度為 8;圖元編號的字符類型為字符型(C),字段長度為 6。圖元編號是根據 ID號來賦值的,不夠位的補 0。如:ID號為 1,圖元編號應為000001。如果,ID號大于 100 000時,圖元編號就等于 ID號。

在進行省級遙感異常組合圖入庫時,因為異常組合斑塊的數量巨大,在更新圖元編號和特征代碼時,會遇到需要對 ID號在 1～99 999之間不規范的原圖元編號進行全面修正的問題。因 GEOMAG軟件在規范西藏地區異常組合圖件的圖元編號時,對ID號后面補 0,這就會出現 ID號為 1和 100 000的數值的圖元編號相同的情況。為保證圖元編號的唯一性,該軟件自動將 ID號為 1的值修正為1.000 00,這將不符合入庫規則。如不進行修正,將影響專題成果的質量,達不到驗收要求。

解決方法是:先在MapGIS 67軟件的屬性庫管理模塊中打開區文件 (異常組合圖層),通過“屬性”—“統改屬性”—“統改區屬性”,采用增量方式(初始值為 1,增量值為 1),對 ID值進行編號。

然后在 GEOMAG軟件中對圖元編號進行規范,將區文件 (異常組合圖層)的屬性信息,通過“轉出圖元屬性”形成＊.xls格式的數據表格。但由于在Micro soft office Excel(2003版)中,能顯示的最大行數為 65 536(256×256),不能一次性地對 ID號在1～99 999之間的屬性行進行編碼操作,需要在GEOMAG中對 ID號在 1～99 999之間的屬性信息按 ID遞增的序列先將區文件 (異常組合圖層)分成兩塊,以便使轉出的屬性行小于 65 536行。在Micro soft office Excel(2003版)中,通過自定義“圖元編號”這一屬性列的數據類型,根據 ID號的值拖拉鼠標填寫圖元編號,再通過 ID號導入到 GEOMAG中完成圖元編號的規范;最后將 ID號在 1～99 999之間的數據和 ID號大于等于 100 000的數據合并一起。圖元編碼過程中最好不用拷貝和粘貼的方式,因為有可能會遺漏圖斑塊。圖元編號規范好后,再更新特征代碼。

3 圖像拼接問題

西藏地域遼闊,覆蓋全區的遙感圖像在獲取時間上有較大的跨度,而且有些圖像是冬季獲取的,冰雪覆蓋較重;有些則是夏季獲取的,植被信息較多。各景圖像之間,太陽高度角也不盡相同,色調反差較大。圖像拼接時,如處理不當,就會出現明顯的接縫。

解決辦法是:用 ENV I4.5軟件分帶加載遙感圖像,查看該帶內數據的整體色調平衡度,求取平均值;然后對每一景圖像進行交互式拉伸,使色調保持平衡;最后采用拼接線羽化[11]的方法進行鑲嵌。在鑲嵌之前,使用注記工具定義拼接線,拼接線盡量選擇溝谷和地勢較低的地方,呈曲線狀。將各帶內的數據按照軌道號、從北到南、一列一列地進行鑲嵌,然后從東到西進行帶間鑲嵌,最終形成西藏全區的遙感圖像。

4 礦產地質特征解譯問題

按照《全國礦產資源潛力評價——遙感資料應用技術要求》[1]、《全國礦產資源潛力評價數據模型——遙感分冊》[9]、《全國礦產資源潛力評價數據模型——統一圖例規定分冊》[8]和《全國礦產資源潛力評價數據模型——統一圖式規定分冊》[12]的要求,礦產地質特征解譯的重點是線性要素和環形要素。在解釋斷裂時,尤其是對斷裂性質的判斷,需要參考地質圖和地質建造、構造圖等資料。為保證同一圖元在不同比例尺以及不同圖件上屬性的一致性,首先對西藏地區大型斷裂和板塊縫合帶進行解譯,并填寫描述信息;然后根據西藏地區的大地構造格架將工作區分為 8個構造區帶[13];最后在各構造區帶內進行詳細解譯和屬性信息填寫。其中,斷裂的走向最初用 GEOMAG軟件入庫時是用代碼表示的,容易出現填寫錯誤。檢查時只需利用Map-GIS 67軟件,使用“其它”—“工作區屬性檢查”功能,直接選擇屬性結構中的某一字段名稱,選中的同一類屬性內容的數據將會閃爍顯示;通過目視方法,對有誤的信息逐一進行修改,直至無誤;也可以在 GEOMAG軟件中,通過下屬詞[14]切換的方法逐一查看和修正。

項目實施中,由于礦產地質特征解譯是不同人員按不同區帶分塊進行的,難免在分塊解譯數據拼接時會出現某種問題。解決方法是:先對區帶內的解譯數據進行拼接[15],確保板塊縫合帶和大型斷裂的連續性 (在連接的過程中,注重線性要素的方向性);然后對區帶間的解譯數據進行拼接,注意區塊間所解譯帶要素的連續性和區塊填色的正確性,并保證空間拓撲關系正確,特別要注意斷裂帶兩側地層年代的差異性特征。

5 結論

(1)通過完成全國礦產資源潛力評價項目規定的西藏自治區各 1∶25萬標準圖幅及全區一系列遙感專題圖件的編制,在為西藏礦產資源潛力評價相關課題及后續工作提供較為規范、準確的遙感基礎資料的同時,我們深刻體會到在一個大型項目中,數據坐標系統統一、數據規范和元數據編寫[16]等工作的重要性?？臻g拓撲關系、異常組合圖層圖元編號的規范化,圖像鑲嵌和解譯圖件編制等問題的解決,是提高專題成果質量的重要保證。

(2)全國礦產資源潛力評價是一項充滿難度、技術要求較高的綜合性項目,除了需要全國各省(市、自治區)投入大量深入細致的工作,不斷地采用新理論、新技術,開拓新思路,注重技術創新,總結成功經驗以外,也需要國家在不同層面長期投入和完善相關工作機制,為國土資源調查和礦床資源潛力評價提供持續的技術支持和人才儲備。

致謝:本研究過程中,得到中國國土資源航空物探遙感中心于學政、唐文周、張玉君教授和西藏地調院李金高、潘鳳雛教授級高級工程師的大力指導與幫助,特此致謝!同時對參與本項目工作的成都理工大學高慧、張船紅、蔡柯柯和王樂等人表示感謝!

[1] 于學政,曾朝銘,燕云鵬,等.全國礦產資源潛力評價——遙感資料應用技術要求[M].北京:地質出版社,2009.

[2] 蔡孟裔,毛贊猷,田德森,等.新編地圖學教程[M].北京:高等教育出版社,2000:34-46.

[3] MapGIS地理信息系統使用手冊數字制圖篇 [EB/OL].[2007-05].http://www.mapgis.com.cn.

[4] 全國礦產資源潛力評價數據模型——空間坐標系統及其參數規定分冊[R].北京:中國地質調查局發展研究中心,2009.

[5] Global Cover Facility Earth Science Data Interface[EB/OL].[1997-2004].http://glcfapp.glcf.um d.edu:8080/esdi/index.jsp.

[6] 黃杏元,馬勁松,湯 勤,等.地理信息系統概論 [M].北京:高等教育出版社,2001:33-35.

[7] 張玉君.全國礦產資源潛力評價遙感異常提取方法技術推廣教材[R].北京:中國國土資源航空物探遙感中心,2007.

[8] 全國礦產資源潛力評價數據模型——統一圖例規定分冊[R].北京:中國地質調查局發展研究中心,2009.

[9] 全國礦產資源潛力評價數據模型——遙感分冊[R].北京:中國國土資源航空物探遙感中心,中國地質調查局發展研究中心,2009.

[10]全國礦產資源潛力評價數據模型——通用代碼規定分冊[R].北京:中國地質調查局發展研究中心,2009.

[11]李小娟,宮兆寧,劉曉萌,等.ENV I遙感影像處理教程 [M].北京:中國環境科學出版社,2007:118-123,456-457.

[12]全國礦產資源潛力評價數據模型——統一圖式規定分冊[R].北京:中國地質調查局發展研究中心,2009.

[13]西藏自治區區域地質志[M].北京:地質出版社,1993:547-586.

[14]全國礦產資源潛力評價數據模型——數據項下屬詞規定分冊[R].北京:中國地質調查局發展研究中心,2009.

[15]馬永立.地圖學教程[M].南京:南京大學出版社,1997:44-63.

[16]全國礦產資源潛力評價數據模型——元數據規定分冊[R].北京:中國地質調查局發展研究中心,2009.

(責任編輯:劉心季)

A Preliminary Discussion on Typical Problems in the Remote Sen sing Project of Tibetan Mineral Resources Potential Evaluation

NI Zhong-yun1,2,HE Zheng-wei1,2,3,WU Hua4,LIU Ting-ting1,2
(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention&Geoenvironment Protection,Chengdu 610059,China;2.Earth Science,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.Key Laboratory of Resource Environment and GIS in Beijing,Capital Normal University,Beijing 100037,China;4.Geological Survey of Tibet Autonomous Region,Lhasa 850000,China)

The main purpose of the mineral resources potential assessment research based on the remote sensing method in Tibetan region is to extract abnormal remotely sensed information,make several kinds of geological maps,and provide basic maps and data for other cooperating research groups.Four typical problem shave appeared in the project because of vast area,multi-temporal remote sensing images,too much software,comp lex processes and technical differences in technicians’professional background and experience.The first problem is the incorrect understanding of the datum and map projection and the ignoring of the remote sensing image map projection distortion;the second problem is deleting too much or too little interference information and incomplete spatial topological relations during the anomaly information extraction;the third problem is the inappropriate strategy of remote sensing image mosaicking and color balancing;the fourth problem is low accuracy in the interpretation of geological features of mineral resources.Focused on these four problems,this paper proposed a practical solution which ensures the successful completion of the remote sensing project.

Mineral resources potential assessment;Coordinate system;Extraction of anomaly information;Image mosaicking;Interpretation of mineral geological feature

何政偉 (1966-),男,博士,教授,博士生導師,主要從事遙感地質學、生態地理信息系統和生態環境地質等教學科研。E-m ail:hzw@cdu t.edu.cn

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0097-05

2010-07-15;

2010-09-06

中國地質調查局地質調查項目 (編號:1212010813025)、國家自然科學基金項目 (編號:40972225)和國家“十一五”科技支撐計劃項目 (編號:2008BAK49B02)共同資助。

倪忠云 (1982-),女,博士研究生,主要從事生態遙感、遙感地質及 GIS應用研究。