遙感影像三維可視化在新疆西昆侖區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李　胤， 朱建南， 崔艷梅， 賀新星

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

遙感影像三維可視化在新疆西昆侖區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李胤， 朱建南， 崔艷梅， 賀新星

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

摘要：綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)、遙感數(shù)字影像處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等，通過遙感影像的幾何校正、影像數(shù)據(jù)融合、高精度DEM生成和影像復(fù)合等技術(shù)，實現(xiàn)了新疆西昆侖地區(qū)遙感影像三維可視化。將遙感影像三維可視化及其影像動態(tài)分析運用于新疆西昆侖區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(1∶5萬)工作，可提高地質(zhì)填圖效率、豐富地質(zhì)填圖成果。

關(guān)鍵詞：區(qū)域地質(zhì)調(diào)查；數(shù)字高程模型；遙感影像；三維可視化；新疆西昆侖

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.451

中圖分類號：TP79

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0451-05

收稿日期：2014-04-24；修回日期：2014-06-18；編輯：陸李萍

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局項目“新疆西昆侖1∶5萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查”(1212011220631)

作者簡介：李胤(1986—)，女，助理工程師，碩士，遙感專業(yè)，主要從事3S技術(shù)及應(yīng)用研究工作，E-mail：liyinhappy86@163.com

0引言

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查是對選定地區(qū)的地質(zhì)礦產(chǎn)資源進行的綜合性地質(zhì)調(diào)查研究工作，是地質(zhì)工作的基礎(chǔ)。為了適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展對國土資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)日益劇增的需求，我國在第二代地質(zhì)填圖規(guī)劃中提出擴大區(qū)域地質(zhì)調(diào)查服務(wù)領(lǐng)域的基本方針，發(fā)揮空間信息技術(shù)(RS、GPS、GIS)在野外數(shù)據(jù)采集、信息處理、影像解譯、計算機制圖中的優(yōu)勢，更好、更快、更全面地向社會提供基礎(chǔ)決策信息。計算機科學(xué)和空間信息科學(xué)的發(fā)展給地球科學(xué)的研究方法注入了新的活力，實現(xiàn)了從紙質(zhì)地質(zhì)圖—數(shù)字地質(zhì)圖—地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫+數(shù)字地質(zhì)圖—3D地質(zhì)模型的突破(姜作勤，2013)。遙感影像三維可視化，就是綜合利用“3S”技術(shù)、遙感影像數(shù)字處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等，通過遙感影像的幾何校正、遙感影像數(shù)據(jù)融合、高精度DEM生成和影像復(fù)合等技術(shù)，實現(xiàn)測區(qū)遙感影像三維可視化，對多學(xué)科的交流協(xié)作起到橋梁作用(楊武年等，2003)。

在新疆西昆侖1∶5萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中應(yīng)用三維可視化影像分析，可實現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造解譯和地質(zhì)剖面選取，擬訂準(zhǔn)確的工作區(qū)觀察路線，模擬出沿途觀察路徑的三維立體影像動畫，表現(xiàn)準(zhǔn)確、真實和連續(xù)的大量測區(qū)信息。我國疆域遼闊，構(gòu)造復(fù)雜且富于變化，三維實體普遍存在，且多數(shù)山脈海拔較高，長年積雪，氣候環(huán)境惡劣，多為人煙稀少或無人區(qū)域，遙感影像三維可視化及其動態(tài)分析方法的運用可提高我國西部地區(qū)數(shù)字區(qū)調(diào)地質(zhì)填圖效率、豐富地質(zhì)填圖成果。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)由5個相鄰圖幅組成，面積2 000 km2，處于南疆阿克陶縣中東部，英吉沙縣南部，行政區(qū)劃大部屬克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣，東北少部分位于喀什地區(qū)英吉沙縣(圖1)。該區(qū)域位于西昆侖造山帶前陸沖斷帶與塔里木盆地的交接部位，地層巖石發(fā)育齊全，構(gòu)造變形復(fù)雜，為戈壁荒漠向高原山地過渡地帶。地形上，研究區(qū)位于帕米爾高原東部和塔里木盆地西緣，總的地勢呈現(xiàn)西南高、東北低的特點。區(qū)內(nèi)山體縱橫交錯，地勢跌宕起伏、切割強烈，地表丘壑縱橫，地形差異明顯。氣候干燥，植被缺乏，巖石裸露。內(nèi)部交通條件不理想，僅北部和西部沿河流修筑有簡易公路，腹地多在大山內(nèi)部，只能沿河谷涉水通行，中部、西南及東南屬于高山區(qū)，僅能依靠畜力交通，南部阿爾帕勒克、喀普喀以及科克加爾之間為山間溝谷小道連接，道路通行情況受汛期及天氣影響極大。局部地區(qū)屬于無人區(qū)，山高谷深，丘壑縱橫，無路可行。

圖1　研究區(qū)交通位置圖Fig.1　Map showing traffic location of the study area

2研究區(qū)遙感影像三維可視化

2.1　數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)為2003年5月31號獲取的ETM影像，Band 1—5、7地面分辨率為30 m，Band 6地面分辨率為60 m，Band 8地面分辨率為15 m。地形圖數(shù)據(jù)為新疆西昆侖J43E009017、J43E010017、J43E010018、J43E011017、J43E011018共5幅1∶5萬地形圖。

2.2　遙感影像三維可視化實現(xiàn)

遙感影像三維可視化就是將遙感影像作為紋理，將DEM和遙感影像進行疊加，保證不同數(shù)據(jù)間的坐標(biāo)配準(zhǔn)，將不同來源的同一地區(qū)的影像、地理要素和文字符號等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中，形成測區(qū)實時三維地形，形象、直觀和真實地體現(xiàn)地物的外部形態(tài)及其結(jié)構(gòu)特征，易于識別和了解目標(biāo)地物的空間信息(陳飛等，2009)。主要工作步驟如下(圖2)。

圖2　遙感影像三維可視化影像制作流程圖Fig.2　Flow chart showing 3D visualization of remote sensing images

2.2.1遙感影像預(yù)處理遙感影像上的不同影像特征反映了地物在內(nèi)外動力作用過程中，在一定地質(zhì)、地理條件下物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理性質(zhì)等方面的差異(陳述彭等，1990；卓寶熙，2011)。數(shù)字圖像處理可提高影像空間分辨率、增強目標(biāo)特征，對提高整個三維模型的逼真程度和精度有著舉足輕重的作用。通過影像波段組合、裁剪(根據(jù)工作區(qū)域范圍)、幾何校正、空間增強和光譜增強等處理，制作測區(qū)高質(zhì)量的遙感影像。

2.2.2高精度DEM制作地貌景觀組合特征受地質(zhì)構(gòu)造運動控制，作為地貌景觀高程的數(shù)字表達，數(shù)字高程模型(DEM)能夠反映地質(zhì)構(gòu)造運動形跡?，F(xiàn)有地形圖是制作DEM的重要數(shù)據(jù)源，從地形圖上采集DEM數(shù)據(jù)，首先是對地形圖等高線進行數(shù)字化處理，通過粗差的剔除、高程點的內(nèi)插、高程特征的生成等處理生成最終DEM產(chǎn)品(圖3)。

圖3　等高線、高程點插值DEM示意圖Fig.3　Sketch showing DEM obtained through interpolation of contour and elevation points

2.2.3基于ArcGIS的三維可視化影像制作考慮到數(shù)據(jù)的處理能力、三維視圖參數(shù)控制調(diào)節(jié)、模擬飛行觀察效果以及操作編輯簡易程度等因素，選用ArcGIS的3D空間建模模塊ArcScene,實現(xiàn)三維地形影像模擬飛行動態(tài)觀察。在三維場景中可以更加直觀和真實地對區(qū)域地形起伏的形態(tài)及溝、谷、鞍部等基本地形形態(tài)進行判讀。根據(jù)不同分析需求，設(shè)置合適的場景屬性，實現(xiàn)要素或表面的三維可視化。

3三維可視化影像在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

3.1　野外填圖工作方案制定

ArcScene的3D工具中提供了一些三維操作工具，如旋轉(zhuǎn)、飛行等。通過對場景的旋轉(zhuǎn)觀察，可以從不同視角、不同高度動態(tài)地對研究區(qū)進行觀測和分析。利用三維可視化遙感影像的寬視野和強直觀等特點，可以識別地形、地貌(雪山、沼澤等)、水系、道路通行情況，為營地選擇、道路選擇、工作路線布置和施工安排等提供參考依據(jù)，最大限度地避免因道路、水源等導(dǎo)致的誤工和消耗(圖4)。

圖4　測區(qū)三維全景圖(ETM(Band7、4、1)與ETM8融合，空間分辨率為15 m)Fig.4　Three-dimensional panorama of the survey area(fusion of ETM (Band7,4,1) with ETM8, with spatial resolution of 15 m)

3.2　地質(zhì)剖面與路線選擇

通過遙感三維可視化影像動態(tài)分析，在區(qū)域上對填圖單元和區(qū)域構(gòu)造進行宏觀分析和對比，有利于對地質(zhì)構(gòu)造有整體全面的認識。根據(jù)遙感影像三維立體顯示的色調(diào)、紋理特征及地貌形態(tài)，利用測區(qū)建立的遙感地質(zhì)解譯標(biāo)志，區(qū)調(diào)工作者可從三維空間不同角度觀測測區(qū)總體地形、地質(zhì)概況、地質(zhì)構(gòu)造格架，在基本垂直于地質(zhì)體走向、層序完整、植被不甚發(fā)育、交通條件較好的位置確定標(biāo)志性剖面(圖5)。

圖5　遙感影像三維可視化用于地層剖面的選取Fig.5　Selection of stratigraphic section using 3D visualization of remote sensing images

在通行條件最好、穿越的影像巖石單位和區(qū)域構(gòu)造線最多的位置布置地質(zhì)觀測路線，合理安排每條填圖路線的定點密度(方洪賓等，2010)。節(jié)省人力、物力和財力，縮短填圖周期，提高工作效率和填圖質(zhì)量。

3.3　地質(zhì)構(gòu)造解譯

三維遙感影像比二維遙感影像在地層產(chǎn)狀、接觸關(guān)系、褶皺、斷裂(斷層、節(jié)理、裂縫)構(gòu)造解譯中具有明顯的構(gòu)造解譯優(yōu)勢，可以在一定程度上拓寬人的視野和思維。坡度大小反映出構(gòu)造運動強弱，斷層崖、斷層三角面往往近乎直立，這些地質(zhì)現(xiàn)象可以直接作為斷裂解譯標(biāo)志(何鳳萍等，2013)。通過影像三維可視化解譯，可初步建立測區(qū)區(qū)域構(gòu)造格架，對工作區(qū)域地層、構(gòu)造和地形信息有宏觀性的把握(圖6)。結(jié)合前人的資料，在掌握各種地質(zhì)解譯標(biāo)志的情況下，可以進一步提取出某些地面上因露頭、路線限制而難以觀察到的信息，如整個巖體邊界形態(tài)、大型褶皺空間形態(tài)、斷層交切關(guān)系等，深入提取三維立體影像中所包含的這些有用信息，進行有針對性和目的性的野外檢查驗證，可能在基礎(chǔ)地質(zhì)研究方面有新的發(fā)現(xiàn)。

圖6　遙感影像三維可視化用于斷裂構(gòu)造的解譯Fig.6　Interpretation of fault structures using 3D visualization of remote sensing images

3.4　填圖成果表達與驗收

地質(zhì)圖三維可視化實質(zhì)是將實際地質(zhì)圖內(nèi)容如各種線性構(gòu)造、巖體、地層界線、地質(zhì)時代、物化探數(shù)據(jù)等顯示于遙感三維可視影像之上，生動、直觀、形象地以多視角、多層次表達地質(zhì)成果與地形地貌的空間關(guān)系，提高了地質(zhì)圖件的空間表現(xiàn)能力，使地質(zhì)圖的顯示更為形象直觀，地表景觀信息更為豐富，影像及圖形色彩更為醒目，可視化程度更高，實用性更強，這是傳統(tǒng)二維地質(zhì)圖和地形圖所無法比擬的(圖7)。三維可視化遙感影像還地形地貌以本來面目，不僅能有效表達專業(yè)人員的地質(zhì)知識，而且大大提高了非專業(yè)用戶對地質(zhì)知識的理解能力。數(shù)字區(qū)調(diào)區(qū)域地質(zhì)圖三維可視化表達無疑為數(shù)字區(qū)調(diào)工作提供了良好的成果表達與驗收方式。

圖7　遙感影像三維可視化用于成果表達Fig.7　Result expression using 3D visualization of remote sensing images

4結(jié)論

遙感影像三維可視化在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中具有良好的實用效果，從影像的三維可視化與動態(tài)分析角度進行野外填圖工作方案制定、區(qū)域地質(zhì)剖面和路線選擇、地質(zhì)構(gòu)造解譯，并提供良好的成果表達與驗收方式，是對傳統(tǒng)區(qū)調(diào)方法的有益補充，兩者有效結(jié)合，可減輕野外地質(zhì)工作程度，提高工作效率，降低工作成本。在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中運用三維可視化動態(tài)分析方法的過程中，要注意結(jié)合前人工作的資料進行客觀分析，提高該方法的可靠性。

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Application of 3D visualization of remote sensing images in regional geological survey in the west Kunlun Mountains, Xinjiang

LI Yin, ZHU Jian-nan, CUI Yan-mei, HE Xin-xing

(Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, Jiangsu, China)

Abstract：This study integrated the ″3S″ technology, digital imaging processing technology and virtual reality to realize three-dimensional visualization of remote sensing images, through geometric correction, image data fusion, high-accuracy DEM generation and image integration. The result shows that the application of 3D visualization of remote sensing images and image dynamic analysis in regional geological survey in the west Kunlun Mountains can improve the efficiency of geological mapping, and can also enrich geological mapping results.

Keywords：regional geological survey; Digital Elevation Model (DEM); remote sensing image; 3D visualization; west Kunlun Mountains of Xinjiang