王 婷， 潘 軍， 蔣立軍， 邢立新， 于一凡， 王鵬舉

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026)

0 引言

巖性的識(shí)別與分類(lèi)在遙感地質(zhì)領(lǐng)域具有重要的研究意義。在遙感地質(zhì)解譯的目視識(shí)別工作中，除利用色調(diào)、幾何形狀等基本標(biāo)志以外，更多通過(guò)水系和紋理圖案等標(biāo)志來(lái)進(jìn)行巖性的解譯[1-4]，而水系和紋理圖案正是不同地形地貌特征在遙感影像上的平面表征，由此可知在巖性識(shí)別與分類(lèi)中地形地貌特征信息是重要的參考數(shù)據(jù)之一。而地形地貌特征可以借助由數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)得到的高程因子及派生因子來(lái)進(jìn)行數(shù)字表達(dá)[5-6]，因此將地形因子參數(shù)應(yīng)用到遙感巖性識(shí)別與分類(lèi)中對(duì)巖性識(shí)別精度的提高具有重要的意義。

近年來(lái)，已有研究將地形因子參數(shù)用于巖性的分類(lèi)，分類(lèi)精度得到了顯著提高[7-10]。為了明確分析地形因子對(duì)識(shí)別每一類(lèi)巖性所起的具體作用，本文將地形因子對(duì)巖性分類(lèi)的有效性做了總結(jié)，并結(jié)合地形因子對(duì)巖性分類(lèi)的結(jié)果圖進(jìn)行分析，以期得到對(duì)不同類(lèi)別巖性識(shí)別的最佳地形因子組合。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)位于我國(guó)黑龍江西北部，大興安嶺南部松嶺區(qū)(圖1)。

圖1 松嶺區(qū)遙感影像

該區(qū)主要由伊勒呼里山綿延南伸的2條低山丘陵組成，西北高、東南低，海拔高度為400～800 m。地質(zhì)調(diào)查表明，區(qū)內(nèi)出露11類(lèi)巖性單元，主要以花崗巖為主，如圖2所示(圖中巖性單元代號(hào)0為未識(shí)別巖性)。研究采用的地形數(shù)據(jù)為30 m空間分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，能很好地反映地物的形態(tài)特征。研究區(qū)范圍為N51°00′～51°20′，E124°00′～124°30′，空間范圍涉及4幅DEM影像，在ENVI軟件中將其進(jìn)行鑲嵌和裁剪等制圖處理，結(jié)果如圖3所示。

0-未識(shí)別巖性； 1-吉祥峰組： 深灰、灰綠色流紋巖和流紋質(zhì)凝灰?guī)r； 2-正長(zhǎng)花崗巖； 3-二長(zhǎng)花崗巖； 4- 花崗閃長(zhǎng)巖； 5-上庫(kù)力組： 流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)凝灰熔巖； 6-大網(wǎng)子組： 變英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、變英安巖、變砂巖； 7-小古里河組： 強(qiáng)片理化流紋巖、流紋質(zhì)熔巖和凝灰?guī)r； 8-低河漫灘堆積層： 黃褐色砂礫石、砂、粘土和淤泥； 9-堿長(zhǎng)花崗巖； 10-石英閃長(zhǎng)巖； 11-紅水泉組： 變質(zhì)礫巖、變質(zhì)砂巖、含早石炭世昆蟲(chóng)

圖2松嶺區(qū)巖性單元分布

Fig.2LithologicunitdistributioninSongling

圖3 松嶺區(qū) DEM影像

2 地形因子簡(jiǎn)介

在DEM數(shù)據(jù)中每個(gè)像元的DN值為高程。通過(guò)中心像元與鄰近像元DN值的運(yùn)算或一定區(qū)域內(nèi)所有像元DN值的統(tǒng)計(jì)，即可得到反映地表地貌特征的各個(gè)地形因子參數(shù)。本文采用的地形因子參數(shù)包括高程、坡度、剖面曲率、平面曲率、縱向曲率、橫向曲率、地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)。其中： ①高程是地面點(diǎn)沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離； ②坡度反映曲面的傾斜程度，用垂直高差和水平距離的比值表示； ③剖面曲率是對(duì)地表曲面在垂直方向上高程變化率的度量； ④平面曲率是對(duì)地表曲面在水平方向上扭曲變化的度量； ⑤縱向曲率是沿下坡方向的坡度變化率； ⑥橫向曲率是沿下坡方向的垂直方向上的坡度變化率； ⑦地形起伏度是一個(gè)特定分析區(qū)域內(nèi)高程最大值和最小值之差； ⑧地表切割深度是一個(gè)特定分析區(qū)域內(nèi)高程均值與最小值之差； ⑨地表粗糙度是地形的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比，即坡度的余弦值的倒數(shù)； ⑩高程變異系數(shù)是區(qū)域內(nèi)高程標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比[11-13]。在實(shí)際研究中，經(jīng)常用因子①—⑥各自的均值來(lái)反映非點(diǎn)狀要素信息。

3 地形因子的分類(lèi)有效性評(píng)價(jià)

在DEM影像上以專家遙感目視解譯成果圖(圖2)為基準(zhǔn)劃分巖性單元，將各個(gè)巖性單元(這一部分不考慮低河漫灘堆積層)的地形因子數(shù)據(jù)提取或計(jì)算出來(lái)時(shí)，由于地形因子間往往存在著重疊信息并且有些因子區(qū)分巖性的效果有一定的相似性，本文首先通過(guò)分析地形因子間的相關(guān)系數(shù)，以及各因子區(qū)分巖性的相似性和差異性來(lái)對(duì)地形因子進(jìn)行篩選，剔除相關(guān)性高、區(qū)分巖性效果相似的地形因子，然后深入分析篩選出的地形因子適宜識(shí)別區(qū)分的巖性。

每一巖性區(qū)的地形因子提取分為高程因子提取、微觀地形因子提取和宏觀地形因子提取3個(gè)方面，其中微觀地形因子包括坡度、剖面曲率、平面曲率、縱向曲率和橫向曲率； 宏觀因子包括地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)。高程因子通過(guò)DEM數(shù)據(jù)直接獲取，微觀地形因子利用ENVI軟件的地形工具獲取，再統(tǒng)計(jì)高程因子和微觀地形因子的均值數(shù)據(jù)。對(duì)于宏觀地形因子，地形起伏度由每一巖性區(qū)高程的最大值減最小值得到； 地表切割深度由每一巖性區(qū)高程的均值減最小值得到； 高程變異系數(shù)由每一巖性區(qū)高程的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值得到； 每一巖性區(qū)的地表粗糙度表示為

(1)

式中：R為地表粗糙度；slopei為每一像元的坡度；n為分析區(qū)域內(nèi)的總像元數(shù)。

表1示出各因子的區(qū)分情況，每一地形因子對(duì)應(yīng)的區(qū)分情況和分開(kāi)數(shù)量是以上述獲取到的每一巖性區(qū)的所有地形因子數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到的。具體方法為： 首先，根據(jù)每一巖性區(qū)的10種地形因子數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)每一類(lèi)巖性單元的所有地形因子數(shù)據(jù)范圍，再根據(jù)范圍大小來(lái)區(qū)分巖性，從而得到每一地形因子對(duì)應(yīng)的10類(lèi)巖性兩兩分開(kāi)的區(qū)分情況和分開(kāi)數(shù)量(表1中區(qū)分情況部分的每個(gè)數(shù)字代表每一類(lèi)巖性，與圖2中的巖性編號(hào)一致)； 然后，依據(jù)10個(gè)地形因子之間的相關(guān)系數(shù)得到縱向曲率與剖面曲率的相關(guān)性強(qiáng)，以及坡度、高程變異系數(shù)、地形起伏度和地表切割深度4個(gè)因子之間的相關(guān)性強(qiáng)，并對(duì)相關(guān)性強(qiáng)的地形因子結(jié)合地形因子區(qū)分巖性的相似性和差異性來(lái)對(duì)其進(jìn)行取舍。

表1 各因子的區(qū)分情況Tab.1 Distinction between the factors

①“區(qū)分情況”中的數(shù)字對(duì)應(yīng)于圖2的巖性編號(hào)。

從表1中可以看出縱向曲率與剖面曲率對(duì)于巖性的區(qū)分情況相似，并且縱向曲率能區(qū)分開(kāi)的巖性剖面曲率也幾乎都能分開(kāi)，因此從兩者中剔除縱向曲率而選擇剖面曲率; 在地表切割深度、坡度、高程變異系數(shù)和地形起伏度中，地表切割深度的分開(kāi)數(shù)量最佳，且與其他因子相比能將巖性5,6和7以及巖性1和6分開(kāi); 地形起伏度和高程變異系數(shù)所能區(qū)分開(kāi)的巖性由高程、剖面曲率和地表切割深度也幾乎都能分開(kāi)，因此選擇地表切割深度; 坡度區(qū)分巖性的效果與地表粗糙度相似，且能區(qū)分開(kāi)的巖性種類(lèi)少于地表粗糙度; 此外橫向曲率能分開(kāi)的巖性，平面曲率也能分開(kāi)，因此剔除橫向曲率。最后篩選出用于巖性分類(lèi)的地形因子為高程、剖面曲率、地表切割深度、地表粗糙度和平面曲率5種。

對(duì)于以上篩選出的5個(gè)因子根據(jù)圖4分析每個(gè)地形因子適宜識(shí)別區(qū)分的巖性。

(a) 高程 (b) 剖面曲率 (c) 平面曲率(d) 地表切割深度(e) 地表粗糙度

圖4不同巖性的地形因子范圍結(jié)果圖

(注： 圖中巖性標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)于圖2的巖性編號(hào))

Fig.4Patternsoftopographicvariablesrangeofdifferentlithologies

由圖可知，高程因子能分開(kāi)的巖性類(lèi)別最多，由圖4(a)還可以直觀看出其對(duì)巖性1,2,6,9,11的區(qū)分性強(qiáng)，巖性1高程值最大； 巖性11幾乎與除了巖性1以外的巖性完全區(qū)分開(kāi)； 巖性2可與巖性6,7,9,10,11區(qū)分開(kāi)； 巖性6與巖性2,7,9,11區(qū)分開(kāi)，與巖性10也只有一點(diǎn)重疊； 巖性9與巖性2,6,11區(qū)分開(kāi)。由圖4(b)可以直觀看出剖面曲率因子對(duì)巖性1,3,10,11的區(qū)分性強(qiáng)，相較于其他巖性，巖性1的剖面曲率值最大； 巖性3與巖性5,7,9區(qū)分開(kāi)，且與巖性1和10只有一點(diǎn)重疊； 巖性10可與巖性1,5,6,7,9區(qū)分開(kāi)，與巖性2,3,4也都只有一點(diǎn)重疊； 巖性11可與巖性1,5,7,9區(qū)分開(kāi)。對(duì)于平面曲率因子，由圖4(c)可以直觀看出其對(duì)巖性1,10,11的區(qū)分性強(qiáng)，巖性1平面曲率值是最小的，巖性1與巖性10,11明顯區(qū)分開(kāi)； 巖性10與巖性1,5，9分開(kāi)，與巖性2,7也只有一點(diǎn)重疊； 巖性11與巖性1,9分開(kāi)，與巖性5,7也只有一點(diǎn)重疊。對(duì)于地表切割深度因子，由圖4(d)可以直觀看出其對(duì)巖性5,6,10的區(qū)分性強(qiáng)，巖性5幾乎可以與巖性4,6,7,9,10,11區(qū)分開(kāi)； 巖性6與巖性1,5完全分開(kāi)，與巖性4,7,9也幾乎可以分開(kāi)； 巖性10幾乎與巖性1,2,3,4,5,7,9都區(qū)分開(kāi)，另外相比較其他因子其對(duì)巖性4的區(qū)分力是最好的，巖性4與巖性5,6,10,11都只有一點(diǎn)重疊。對(duì)于地表粗糙度因子，由圖4(e)可以直觀看出其對(duì)巖性7的區(qū)分性最強(qiáng)，另外巖性5的粗糙度值是所有巖性中最大的，巖性7除了與巖性5有點(diǎn)重疊以外與其余巖性全部區(qū)分開(kāi)； 巖性5與巖性2,3,4,6,11也都只有一點(diǎn)重疊。

基于以上分析可以看出5個(gè)地形因子對(duì)于巖性分類(lèi)效果顯著，且每類(lèi)巖性都有其特有的地形因子組合可以將其與其他類(lèi)巖性區(qū)分開(kāi)。

3.1 地形因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取

研究區(qū)用于巖性分類(lèi)的5個(gè)地形因子數(shù)據(jù)都是一定大小區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)ENVI軟件以模板窗口的形式運(yùn)算得到。由于不同窗口下的地形因子數(shù)據(jù)不同，因此需要考慮窗口問(wèn)題，最佳窗口下得到的地形因子能準(zhǔn)確反映地形地貌特征，將其用于巖性分類(lèi)能得到最好的巖性分類(lèi)效果(表2)。

表2 地形因子的單元大小與均值的對(duì)應(yīng)情況Tab．2 Correspondence between the unit size of the terrain factor and the mean value

從表2可以看出隨窗口由小到大變化，地表粗糙度均值、高程均值、平面曲率均值和剖面曲率均值的變化幅度都很小，說(shuō)明窗口大小對(duì)其影響不大，因而選取3像素×3像素窗口下的這4種地形因子數(shù)據(jù)作為巖性分類(lèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 而地表切割深度隨窗口的增大，其均值變化幅度較大，所以增加提取地表切割深度的窗口數(shù)量進(jìn)一步研究其變化趨勢(shì)(表3)。

表3 地形因子的單元大小與地表切割深度均值的對(duì)應(yīng)情況Tab.3 Correspondence between the unit size of the terrainfactor and the mean value of the surface cutting depth

可以看出地表切割深度均值隨窗口的增大在不斷地增大，且增大幅度在逐漸減小。

將其擬合為對(duì)數(shù)方程，即

y=15.454lnx-74.809，

(2)

式中：x為單元面積；y為地表切割深度均值。

對(duì)應(yīng)的擬合曲線如圖5所示，其確定性系數(shù)R2=0.957 7，擬合程度較好，并通過(guò)了統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)。在圖5中可以看到存在增大幅度由快變慢的拐點(diǎn)，這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的窗口大小即為最佳窗口。

圖5 地表切割深度均值與單元面積對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合曲線

綜合以上分析，可采用均值變點(diǎn)分析法來(lái)確定最佳窗口[14-15]。其具體步驟如下：

1)計(jì)算不同窗口大小下單位面積上的地表切割深度均值，并對(duì)其求對(duì)數(shù)得到要統(tǒng)計(jì)的數(shù)列{xK},K=1，…，N,N為樣本數(shù)。

3)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量SK和S，其中SK為2段樣本的離差平方和之和,S為總的離差平方和。

變點(diǎn)的存在會(huì)使整個(gè)樣本的變量S與樣本分段后的變量SK之間的差距增大，最大差值對(duì)應(yīng)的窗口大小即為最佳窗口單元。表4示出均值變點(diǎn)法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出當(dāng)K=9時(shí)差值最大，對(duì)應(yīng)的窗口大小為19，因此選用19像元×19像元窗口下的地表切割深度數(shù)據(jù)作為巖性分類(lèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表4 均值變點(diǎn)法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistical results of mean change point method

3.2 分類(lèi)研究與對(duì)比分析

為了有效地運(yùn)用地形因子進(jìn)行巖性分類(lèi)，采用ISODATA迭代自組織的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行非監(jiān)督分類(lèi)，共分出8類(lèi)巖石，結(jié)果如圖6所示。

1-大網(wǎng)子組： 變英安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、變英安巖、變砂巖； 2-花崗閃長(zhǎng)巖； 3-正長(zhǎng)花崗巖； 4-吉祥峰組： 深灰、灰綠色流紋巖和流紋質(zhì)凝灰?guī)r； 5-二長(zhǎng)花崗巖； 6-上庫(kù)力組： 流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)凝灰熔巖； 7-堿長(zhǎng)花崗巖； 8-低河漫灘堆積層： 黃褐色砂礫石、砂、粘土和淤泥

圖6本文方法圖像分類(lèi)結(jié)果

Fig.6Imageclassificationresult

專家遙感目視解譯成果圖(圖2)共有11類(lèi)巖石(包括低河漫灘堆積層)，為了精確了解分類(lèi)后的8類(lèi)巖石與巖性單元分布圖上11類(lèi)巖石的對(duì)應(yīng)情況，在MapGIS中將2幅圖進(jìn)行區(qū)域判別分析，得到分類(lèi)后的8類(lèi)巖石與已知11類(lèi)巖石面積對(duì)應(yīng)的屬性信息(表5)，根據(jù)對(duì)應(yīng)面積對(duì)8類(lèi)巖石定義類(lèi)別如表6。

表5 巖性單元面積對(duì)應(yīng)情況Tab．5 Corresponds result of the lithologic unit area (m2)

表6 巖性單元對(duì)應(yīng)情況Tab．6 Corresponds result of lithologic unit

3.3 精度評(píng)價(jià)與分析

由表5和表6可知每類(lèi)巖性都有誤分和漏分，但幾乎都被識(shí)別出來(lái)了，只有小古里河組、石英閃長(zhǎng)巖和紅水泉組沒(méi)有分出來(lái)，原因是這3類(lèi)巖性區(qū)域太小，在分類(lèi)參數(shù)設(shè)置時(shí)更側(cè)重于使整體分類(lèi)效果達(dá)到最佳，導(dǎo)致有的小區(qū)域沒(méi)有分出來(lái)，此外3類(lèi)巖性都只分布于一小塊區(qū)域內(nèi)，可能代表性較差，沒(méi)能充分表達(dá)出其特有的地形地貌特征。區(qū)內(nèi)的第四紀(jì)，即低河漫灘堆積層，其高程明顯偏低，因此利用高程因子就可以將其分出來(lái)，其誤分情況嚴(yán)重的主要原因是巖性單元分布圖上多以細(xì)條的樹(shù)枝狀呈現(xiàn)而被處理到了臨近的巖性類(lèi)中。吉祥峰組巖性的平面曲率偏小而剖面曲率偏大，因而最適宜將其與其他巖性區(qū)分開(kāi)； 此外其高程值在所有巖性中最大。由于一部分上庫(kù)力組和正長(zhǎng)花崗巖巖性的高程值也偏大，因此對(duì)于區(qū)分吉祥峰組與除了上述2種以外的巖性還可以通過(guò)高程因子實(shí)現(xiàn)。正長(zhǎng)花崗巖的高程值較大，與大部分巖性區(qū)分明顯。上庫(kù)力組的地表切割深度與地表粗糙度較大，是將其與其他巖性區(qū)分開(kāi)的最佳因子。從分類(lèi)結(jié)果中可以看出吉祥峰組、上庫(kù)力組與正長(zhǎng)花崗巖3種巖性之間有一定的混淆，主要原因是三者的上述因子值都有一定程度的重疊。二長(zhǎng)花崗巖的剖面曲率偏小，因此將其與其他巖性區(qū)分開(kāi)的效果最佳。對(duì)于大網(wǎng)子組，其高程和地表切割深度值都偏小，因此這2個(gè)因子為將其區(qū)分出來(lái)的最佳因子。從分類(lèi)結(jié)果中還可以看出二長(zhǎng)花崗巖與大網(wǎng)子組巖性混淆嚴(yán)重主要是因二者5個(gè)地形因子值都有一定程度的重疊。對(duì)于花崗閃長(zhǎng)巖，地表切割深度因子是將其與其他巖性區(qū)分開(kāi)的最佳因子，但是可以看出分類(lèi)圖上花崗閃長(zhǎng)巖分類(lèi)精度很低，主要是其在5個(gè)地形因子值上與其他巖性都有一定的重疊。對(duì)于堿長(zhǎng)花崗巖，地表粗糙度因子將其區(qū)分出來(lái)的效果最佳，但是其分類(lèi)的誤分和漏分情況都比較嚴(yán)重，原因可能是其在研究區(qū)內(nèi)巖性區(qū)范圍較小。

4 結(jié)論

1)以研究區(qū)30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提取地形因子，通過(guò)比較分析地形因子區(qū)分巖性的有效性，得出地形因子中高程、剖面曲率、平面曲率、地表切割深度和地表粗糙度5個(gè)因子都有其最適宜識(shí)別區(qū)分的巖性，將5種因子用于巖性分類(lèi)，得到的分類(lèi)結(jié)果中主要巖性區(qū)均能被識(shí)別出來(lái)。

2)研究結(jié)果表明巖性與地形因子間存在一定的相關(guān)性，主要的巖性類(lèi)都有其特有的地形特征都可以通過(guò)一定的地形因子組合而被識(shí)別出來(lái)。因此加入地形因子參數(shù)會(huì)明顯提高巖性的識(shí)別能力，這也為有植被覆蓋的巖性區(qū)解譯精度的提高提供了一種可能。為了深入研究各類(lèi)巖性的地形特征從而進(jìn)一步提高巖性的解譯精度，還需挖掘巖性的更多地形信息，因此下一步需要研究更多的地形因子。

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