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      遙感技術(shù)在境外電力勘測(cè)工程的應(yīng)用

      2015-03-22 05:09:40呂建升
      電力勘測(cè)設(shè)計(jì) 2015年4期
      關(guān)鍵詞:勘測(cè)波段電力工程

      呂建升

      (國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095)

      1 概述

      遙感影像具有現(xiàn)勢(shì)性、歷史性和宏觀性等特點(diǎn)。運(yùn)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)遙感解譯,在輔助輸電線路路徑優(yōu)化、大型建設(shè)項(xiàng)目勘察選址、線狀工程地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等方面取得了顯著的效果。

      已有的研究大多傾向于通過(guò)遙感影像地圖的制作來(lái)改善電力工程勘測(cè)工作,但沒(méi)有對(duì)地層以及線性構(gòu)造的解譯,沒(méi)有考慮巖性、斷層等因素。本文提出了采用遙感技術(shù)輔助境外電力工程勘測(cè)工作的方法,通過(guò)對(duì)遙感影像的校正、增強(qiáng)等處理,制作正射影像圖,并以小比例尺的地質(zhì)圖為基礎(chǔ),對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類并對(duì)地層及構(gòu)造信息進(jìn)行目視解譯,制作較大比例尺的地質(zhì)圖。本文還對(duì)解譯出的地質(zhì)圖結(jié)合DEM進(jìn)行了三維地表展示,使工程人員在工作的前期不需要到達(dá)研究區(qū),僅通過(guò)遙感影像就對(duì)工作區(qū)的地形、地貌、地層以及構(gòu)造等情況有所了解,提高工作效率。

      2 本研究使用的遙感數(shù)據(jù)

      目前在國(guó)內(nèi)電力領(lǐng)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(guó)陸地衛(wèi)星7號(hào)(LANDSAT—7)ETM+增加了分辨率為15 m的全色波段;法國(guó)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(guò)將多光譜圖像和全色圖像進(jìn)行像素級(jí)的融合,可以提高圖像可視效果,擴(kuò)大應(yīng)用范圍。根據(jù)工程情況和需要,可采用不同分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

      使用的數(shù)據(jù)主要有:Landsat 5 TM數(shù)據(jù)以及Landsat 7 ETM+ 數(shù)據(jù),另外還有覆蓋研究區(qū)的正式出版的(1995年)1∶250000地質(zhì)圖以及數(shù)字地形圖。

      3 研究區(qū)概況

      研究區(qū)位于南非Griqualand West盆地西南部,面積約180km2。在研究區(qū)內(nèi)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(yè)巖、碳酸巖和兩個(gè)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(méi)有在研究區(qū)留下任何痕跡。研究區(qū)地表被第三紀(jì)或者更年輕的河流沖積物覆蓋。研究區(qū)地層在>2.5 Ga和1.1 Ga之間發(fā)生過(guò)幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),對(duì)地層及其厚度產(chǎn)生了較大的影響。最近的一次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(shí)對(duì)遙感影像增強(qiáng)處理后進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(監(jiān)督分類)和解譯,得到研究區(qū)的巖性圖及地質(zhì)構(gòu)造圖。研究流程見(jiàn)圖1。

      圖1 研究流程圖

      4.1 遙感影像的處理

      4.1.1 影像預(yù)處理

      遙感影像的預(yù)處理主要是影像幾何校正。ETM+數(shù)據(jù)雖然質(zhì)量不好,但具有空間參考(WGS84),以此影像為基準(zhǔn),在影像上選取均勻分布的14個(gè)同名點(diǎn)對(duì)TM影像進(jìn)行幾何校正,校正結(jié)果保證RMS誤差在一個(gè)像元以內(nèi)。

      4.1.2 影像增強(qiáng)

      影像增強(qiáng)通常選擇線性、非線性拉伸,直方圖均衡化等;在地質(zhì)領(lǐng)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(qiáng)鐵的氧化物的顯示效果;波段5/7增強(qiáng)含OH—的礦物以及巖石的顯示效果;波段5/4可增強(qiáng)二價(jià)鐵氧化物的顯示效果。

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

      4.2 遙感影像圖的制作

      遙感影像圖是遙感地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)圖件。TM影像有6個(gè)波段,要制作影像地圖,需要選擇3個(gè)波段。研究區(qū)屬于干旱裸露地區(qū),選擇波段7、4、1組合;這是因?yàn)檫@三個(gè)波段之間相關(guān)性最小,能夠擁有最大的信息量,對(duì)解譯大的構(gòu)造信息有利。將波段7、4、1分別賦予紅色、綠色、藍(lán)色,然后對(duì)影像圖進(jìn)行整飾,增加圖廓、注記等。生成的正射影像圖見(jiàn)圖2。

      4.3 遙感影像信息提取

      圖2 南非普瑞斯卡地區(qū)正射影像圖

      影像信息提取主要包括三個(gè)方面:一是對(duì)預(yù)處理后影像進(jìn)行監(jiān)督分類,形成分類后的巖性圖;二是對(duì)影像進(jìn)行濾波處理后,提取線性構(gòu)造;三是對(duì)增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行解譯,以已有的1∶250000地質(zhì)圖為參照,解譯1∶100000的地質(zhì)圖,包含構(gòu)造信息。

      4.3.1 監(jiān)督分類

      基于光譜的影像分類分為監(jiān)督與非監(jiān)督分類,監(jiān)督分類方法適合于中低分辨率的數(shù)據(jù),例如本次研究使用的TM以及ETM+數(shù)據(jù)。根據(jù)已有地質(zhì)圖,在影像上選擇57個(gè)訓(xùn)練樣本區(qū)(包括1542個(gè)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(gòu)造提取

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

      通過(guò)主成分變換,濾波等手段提取影像上的線性構(gòu)造,步驟如下:將TM影像的6個(gè)波段(1—5,7)作為輸入分量坐主成分變換,在6個(gè)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(gòu)造信息;對(duì)上一步中得到的第三主分量作5*5的高通濾波,來(lái)增強(qiáng)小規(guī)模的線性構(gòu)造,然后再進(jìn)行3*3的低通濾波,來(lái)增強(qiáng)大規(guī)模的線性構(gòu)造;將上述得到的PC3、PC1以及TM的第5波段分別賦予紅、綠、藍(lán)色,得到的彩色影像能突出現(xiàn)實(shí)線性構(gòu)造信息。

      值得注意的是,有些線性影像并不具有地質(zhì)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(xiàn),要注意將這些線性體和線性構(gòu)造區(qū)分開。

      4.3.3 影像解譯

      以4.2中得到的遙感影像圖為依據(jù),參照小比例尺地質(zhì)圖,進(jìn)行地質(zhì)解譯,進(jìn)一步勾畫出地層以及構(gòu)造。

      本研究區(qū)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(qū)域顯示為黃色、黃綠色或者淡藍(lán)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(fēng)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(xiàn)明顯的紅色。由于石英對(duì)電磁波強(qiáng)烈的反射特性,石英巖(Q)在影像上顯示為較亮的淡藍(lán)色。碳酸巖(C)由于其相當(dāng)?shù)氖⒑?,顏色與K—BIF很近似,但是受到風(fēng)化剝蝕及構(gòu)造作用的影響,其表現(xiàn)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(xiàn)出很相似的光譜特征。

      研究區(qū)內(nèi)有部分碳酸巖其上覆蓋著鈣質(zhì)結(jié)礫巖和冰磧巖,鈣質(zhì)結(jié)礫巖是一種很硬的碳酸鈣沉積物,但是相比前寒武紀(jì)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(xiàn)青色,部分區(qū)域紋理粗糙并由于含F(xiàn)e礦物而顯示粉紅色。冰磧巖在影響上顯示為深紫色,鈣質(zhì)結(jié)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(shù)據(jù)及其分類、解譯結(jié)果應(yīng)用于電力行業(yè)的選址和選線,需結(jié)合其他相關(guān)數(shù)據(jù),例如研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)、地形圖等。將這些數(shù)據(jù)與遙感影像結(jié)合起來(lái),以支持專題信息提取。結(jié)合DEM數(shù)據(jù)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(jìn)行,圖面編輯主要有以下幾個(gè)部分:

      (1)地理要素:公路、河流等,使用40 m間距的等高線數(shù)據(jù)。

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

      (3)圖例:包括地理要素的圖例、地質(zhì)及構(gòu)造要素的圖例。

      (4)圖名:放在合適的位置,設(shè)置大小。

      (5)比例尺:包括數(shù)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(jiàn)圖4。

      圖4 南非普瑞斯卡西北部地質(zhì)圖

      5 結(jié)論

      衛(wèi)星遙感影像具有宏觀性和直觀性的特點(diǎn),為電力工程勘測(cè)提供豐富的信息源,它將工程環(huán)境直觀地呈現(xiàn)在勘測(cè)人員面前。目前,衛(wèi)星遙感技術(shù)作為一種成熟且實(shí)用的勘測(cè)技術(shù)手段應(yīng)用于境外電力工程勘察工作中具有廣闊的前景。

      應(yīng)用遙感影像得到的正射影像圖、解譯地質(zhì)圖以及三維地表展示能為勘測(cè)工作人員的室內(nèi)選線提供第一手資料,通過(guò)這些數(shù)據(jù),工程人員可以確定沿線不同區(qū)域的地層情況,從而采取有針對(duì)性的勘探手段,避免因不了解勘測(cè)區(qū)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(shù)效果,同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)效果,可購(gòu)買高光譜影像以及空間分辨率較高的影像(如SPOT等),另外衛(wèi)星遙感技術(shù)還應(yīng)與航空彩紅外圖像相結(jié)合,結(jié)合應(yīng)用GPS技術(shù)和GIS技術(shù),完美呈現(xiàn)更直觀的工程效果,為電力工程的勘察設(shè)計(jì)工作提供科學(xué)決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

      [1]張小諾,吳君帥.衛(wèi)星遙感技術(shù)在電力工程前期勘測(cè)中的應(yīng)用分析[J].中州建設(shè),2007,(5).

      [2]楊洪志,等.遙感影像地圖在境外電力工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2010,7(3).

      [3]陳功,等.遙感影像地圖的制作及其在電力勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2008,(4).

      [4]杜全維,王全心.基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電力選線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技咨詢,2009,(28).

      [5]趙順陽(yáng),劉厚健,陳亞明.高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在某發(fā)電廠周邊環(huán)境分析中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2008,(1).

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