遙感技術在境外電力勘測工程的應用

呂建升

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

1 概述

遙感影像具有現勢性、歷史性和宏觀性等特點。運用衛星遙感數據進行地質遙感解譯，在輔助輸電線路路徑優化、大型建設項目勘察選址、線狀工程地質調查、環境地質調查等方面取得了顯著的效果。

已有的研究大多傾向于通過遙感影像地圖的制作來改善電力工程勘測工作，但沒有對地層以及線性構造的解譯，沒有考慮巖性、斷層等因素。本文提出了采用遙感技術輔助境外電力工程勘測工作的方法，通過對遙感影像的校正、增強等處理，制作正射影像圖，并以小比例尺的地質圖為基礎，對影像進行監督分類并對地層及構造信息進行目視解譯，制作較大比例尺的地質圖。本文還對解譯出的地質圖結合DEM進行了三維地表展示，使工程人員在工作的前期不需要到達研究區，僅通過遙感影像就對工作區的地形、地貌、地層以及構造等情況有所了解，提高工作效率。

2 本研究使用的遙感數據

目前在國內電力領域多用SPOT全色(10 m、5 m)、TM彩 色(30 m)或ETM(15 m)影像融合而成的影像。其中，美國陸地衛星7號(LANDSAT—7)ETM+增加了分辨率為15 m的全色波段；法國SPOT全色分辨率為10 m、5 m，多光譜影像地面分辨率為10 m。多光譜圖像含有豐富的光譜信息，而全色圖像有很高的空間分辨率。通過將多光譜圖像和全色圖像進行像素級的融合，可以提高圖像可視效果，擴大應用范圍。根據工程情況和需要，可采用不同分辨率的衛星影像數據。

使用的數據主要有：Landsat 5 TM數據以及Landsat 7 ETM+ 數據，另外還有覆蓋研究區的正式出版的(1995年)1∶250000地質圖以及數字地形圖。

3 研究區概況

研究區位于南非Griqualand West盆地西南部，面積約180km2。在研究區內最古老的花崗巖基底上不整合覆蓋著Ventersdorp超組的玄武巖和安山巖。Transvaal超組整合于Ventersdorp超組之上，主要是晚太古代到早元古代的石英巖、頁巖、碳酸巖和兩個系列的條帶狀鐵礦(Kuruman BIF和 Griquatown BIF)。地層中夾雜著元古代侵入的輝綠巖巖床。中元古代和晚元古代并沒有在研究區留下任何痕跡。研究區地表被第三紀或者更年輕的河流沖積物覆蓋。研究區地層在>2.5 Ga和1.1 Ga之間發生過幾次構造運動，對地層及其厚度產生了較大的影響。最近的一次的構造運動形成了NW—SE 向的Doringberg斷層。

4 研究方法

本研究主要是使用遙感影像和DEM生成正射影像，同時對遙感影像增強處理后進行計算機自動分類(監督分類)和解譯，得到研究區的巖性圖及地質構造圖。研究流程見圖1。

圖1 研究流程圖

4.1 遙感影像的處理

4.1.1 影像預處理

遙感影像的預處理主要是影像幾何校正。ETM+數據雖然質量不好，但具有空間參考(WGS84)，以此影像為基準，在影像上選取均勻分布的14個同名點對TM影像進行幾何校正，校正結果保證RMS誤差在一個像元以內。

4.1.2 影像增強

影像增強通常選擇線性、非線性拉伸，直方圖均衡化等；在地質領域多采用比值分析、主成分分析。

比值分析：使用波段3/1增強鐵的氧化物的顯示效果；波段5/7增強含OH—的礦物以及巖石的顯示效果；波段5/4可增強二價鐵氧化物的顯示效果。

主成份分析：將TM圖像的六個波段(1—5,7)作為輸入分量，在7個輸出分量中選擇第2、3、4分量賦予藍、綠、紅色。

4.2 遙感影像圖的制作

遙感影像圖是遙感地質填圖的基礎圖件。TM影像有6個波段，要制作影像地圖，需要選擇3個波段。研究區屬于干旱裸露地區，選擇波段7、4、1組合；這是因為這三個波段之間相關性最小，能夠擁有最大的信息量，對解譯大的構造信息有利。將波段7、4、1分別賦予紅色、綠色、藍色，然后對影像圖進行整飾，增加圖廓、注記等。生成的正射影像圖見圖2。

4.3 遙感影像信息提取

圖2 南非普瑞斯卡地區正射影像圖

影像信息提取主要包括三個方面：一是對預處理后影像進行監督分類，形成分類后的巖性圖；二是對影像進行濾波處理后，提取線性構造；三是對增強后的圖像進行解譯，以已有的1∶250000地質圖為參照，解譯1∶100000的地質圖，包含構造信息。

4.3.1 監督分類

基于光譜的影像分類分為監督與非監督分類，監督分類方法適合于中低分辨率的數據，例如本次研究使用的TM以及ETM+數據。根據已有地質圖，在影像上選擇57個訓練樣本區(包括1542個像元)，使用最大似然分類器將影像上的地物分成14類。

4.3.2 線性構造提取

線性構造(lineament)由霍布斯在1944年提出，泛指航空照片和衛星照片上呈現的線形影像。部分線性影像是諸如斷層、火山鏈、巖墻群和區域裂隙帶等構造形跡的直接反映。

通過主成分變換，濾波等手段提取影像上的線性構造，步驟如下：將TM影像的6個波段(1—5,7)作為輸入分量坐主成分變換，在6個輸出分量中，第一主分量(PC1)亮度最大，第三主分量(PC3)主要反映了線性構造信息；對上一步中得到的第三主分量作5*5的高通濾波，來增強小規模的線性構造，然后再進行3*3的低通濾波，來增強大規模的線性構造；將上述得到的PC3、PC1以及TM的第5波段分別賦予紅、綠、藍色，得到的彩色影像能突出現實線性構造信息。

值得注意的是，有些線性影像并不具有地質含義，它們可能是地貌、植物分布或地下水位變化在圖像上的直觀表現，要注意將這些線性體和線性構造區分開。

4.3.3 影像解譯

以4.2中得到的遙感影像圖為依據，參照小比例尺地質圖，進行地質解譯，進一步勾畫出地層以及構造。

本研究區的影像上，呈西北—東南走向的大塊巖石為Kuruman條帶狀鐵礦(K—BIF)，其紋理較光滑且均勻，受到其中磁鐵礦、燧石以及SiO2的影響，K—BIF顏色以棕色為主，某些區域顯示為黃色、黃綠色或者淡藍色。影像上呈紅色顯示且分布較為破碎的為Griquatown條帶狀鐵礦(G—BIF)。與K—BIF相比，G—BIF較年輕，硬度小且顆粒較大，容易受到風化剝蝕作用的影響。由于亞鐵類礦物和巖石在TM的5、7波段的高反射率和在1、4波段的低反射率使得G—BIF在影像上呈現明顯的紅色。由于石英對電磁波強烈的反射特性，石英巖(Q)在影像上顯示為較亮的淡藍色。碳酸巖(C)由于其相當的石英含量，顏色與K—BIF很近似，但是受到風化剝蝕及構造作用的影響，其表現出西北—東南走向的紋理特征。侵入的輝綠巖巖墻(D)顯示為橙色。另外，沿著河流方向分布于兩岸的沖積砂(含SiO2)與碳酸巖表現出很相似的光譜特征。

研究區內有部分碳酸巖其上覆蓋著鈣質結礫巖和冰磧巖，鈣質結礫巖是一種很硬的碳酸鈣沉積物，但是相比前寒武紀的碳酸巖(含Mg和Fe較多)，其碳酸鈣的含量更純一些，所以其反射率更高一些。在影像上，碳酸巖總體上呈現青色，部分區域紋理粗糙并由于含Fe礦物而顯示粉紅色。冰磧巖在影響上顯示為深紫色，鈣質結礫巖紋理交平滑并顯示為淺紫色。

4.4 GIS支持下的多元信息綜合分析

遙感數據及其分類、解譯結果應用于電力行業的選址和選線，需結合其他相關數據，例如研究區的DEM數據、地形圖等。將這些數據與遙感影像結合起來，以支持專題信息提取。結合DEM數據生成的三維效果圖。

4.5 專題圖制作

專題圖件的制作在ArcGIS中進行，圖面編輯主要有以下幾個部分：

(1)地理要素：公路、河流等，使用40 m間距的等高線數據。

(2)圖廓內要素：圖廓內除了地理要素之外的地層、斷裂、傾角、傾向等的表示和標注。

(3)圖例：包括地理要素的圖例、地質及構造要素的圖例。

(4)圖名：放在合適的位置，設置大小。

(5)比例尺：包括數字比例尺和線段比例尺。

(6)編圖人員和單位：圖件編制人員和單位信息等。

最終生成的專題圖見圖4。

圖4 南非普瑞斯卡西北部地質圖

5 結論

衛星遙感影像具有宏觀性和直觀性的特點，為電力工程勘測提供豐富的信息源，它將工程環境直觀地呈現在勘測人員面前。目前，衛星遙感技術作為一種成熟且實用的勘測技術手段應用于境外電力工程勘察工作中具有廣闊的前景。

應用遙感影像得到的正射影像圖、解譯地質圖以及三維地表展示能為勘測工作人員的室內選線提供第一手資料，通過這些數據，工程人員可以確定沿線不同區域的地層情況，從而采取有針對性的勘探手段，避免因不了解勘測區域的情況而盲目工作，既提高工作效率，又可以獲得良好的工程技術效果，同時提高經濟效益。

但是本研究采用的TM影像的空間分辨率較低，在一定程度上影響了影像的分類和解譯。為獲得理想的勘察設計效果，可購買高光譜影像以及空間分辨率較高的影像(如SPOT等)，另外衛星遙感技術還應與航空彩紅外圖像相結合，結合應用GPS技術和GIS技術，完美呈現更直觀的工程效果，為電力工程的勘察設計工作提供科學決策的基礎數據資料。

[1]張小諾，吳君帥．衛星遙感技術在電力工程前期勘測中的應用分析[J]．中州建設，2007，(5)．

[2]楊洪志，等．遙感影像地圖在境外電力工程設計中的應用[J]．工程地球物理學報，2010，7(3)．

[3]陳功，等．遙感影像地圖的制作及其在電力勘測設計中的應用[J]．電力勘測設計，2008，(4)．

[4]杜全維，王全心．基于衛星遙感技術的電力選線系統設計與實現[J]．科技咨詢，2009，(28)．

[5]趙順陽，劉厚健，陳亞明．高分辨率衛星數據在某發電廠周邊環境分析中的應用[J]．電力勘測設計，2008，(1)．