图像斗转星移明星合成图片

第19卷2005经第3期9月内陆地震INLANDEARTHQUAKEVo1.
19No.
3Sep.
2005文章编号:1001—8956(2005)03—0223—10数字遥感图像假彩色合成及在活动构造解译方面的尝试尹光华,胡伟华,沈军(新疆维吾尔自治区地震局,新疆乌鲁木齐830011)摘要:以美国地球资源卫星的149轨道第32景1994年8月2日7个波段的数据,使用通用软件对图像资料进行色阶调整和通道合成,以优选的配色方案合成新疆阿图什市以北的哈拉峻一皮羌地区的彩色卫星影像.
尝试对研究区各种地貌、地质构造与地层的影像特征进行初步分析,对活动构造的影像特征做出解释.
关键词:遥感;地球资源卫星;卫星影像;活动构造的影像特征中图分类号:P315.
2文献标识码:A1遥感的基本原理概述科学实验发现所有物体都具备吸收和反射波的功能,遥感就利用这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和吸收能力,从而提取信息,完成远距离识别物体L1].
遥感包括平台、传感器和影像处理软件3个主要部分.
遥感平台就是卫星,也可是飞机和气球等运载传感器的平台.
传感器是探测物体电磁波的,针对不同的波段范围有很多种传感器,探测物体在可见光、红外线和微波范围内的电磁辐射.
再按照一定的规律转换为原始图像,被地面站接收后的影像经过软件处理和计算,提供给用户使用和进行研究.
按电磁波光谱段的分类可分为可见光、热红外和微波三种遥感类型.
可见光是人眼可见的波段,其辐射源为太阳,根据地物反射率的差异就可获得有关信息,可用摄影和扫描方式成象.
热红外遥感是通过红外敏感元件来探测物体的热辐射能量,显示出辐射温度或热场图像的遥感技术的统称.
遥感中指8—14m的波段范围,在此波段地物的热辐射能量大于对太阳的反射能量,同时具有昼夜工作的能力.
例如森林火灾发生时,着火的树木温度比没着火的树木温度高,在电磁波的热红外波段会有很大的能量差异,载着热红外波段传感器的卫星就可以拍摄到影像,着火的森林就会显示出和没着火森林不一样的色调.
微波遥感是利用波长1—1000mm电磁波遥感的统称.
通过接收地面物体的微波辐射能量或接收遥感器发出电磁波束的回波信号,对物体进行探测、识别和分析.
特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一收稿日期:2004—07—01;修回日期;2005一Ol一11.
课题项目:地震科学联合基金(104003)和国家自然科学基金(40262002)共同资助.
作者简介;尹光华,男,新疆维吾尔自治区地震局监测中心研究员,现主要从事地震地质研究维普资讯http://www.
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com224内陆地震19卷定穿透能力,能夜以继日地全天侯工作.
目前最常用的传感器有航空摄影机、全景摄影机、多光谱摄影机、多光谱扫描仪(MultiSpectralScanner,MSS)、专题制图仪(ThematicMapper,TM)、反束光导摄像管(RBV)、HRV(HighResolutionVisiblerangeinstruments)扫描仪和合成孔径侧视雷达(Side—LookingAir—borneRadar,SLAR)等.
常用的遥感数据有美国陆地卫星(Landsat)的TM和MSS遥感数据,法国SPOT卫星遥感数据,加拿大Radarsat雷达遥感数据.
遥感技术系统还包括:空间信息采集系统(包括遥感平台和传感器),地面接收和预处理系统(包括辐射校正和几何校正),地面实况调查系统(如收集环境和气象数据),信息分析应用系统.
遥感影像通常需要进一步处理方可使用,该技术称之为图像处理.
图像处理是对像片或数字影像进行处理的操作,包括图像压缩、图像存储、图像增强、处理、量化、空间滤波以及图像模式识别等.
目前主要的遥感应用软件是ilwis、PCI、ERMapper和ERDAS.
2数字遥感卫星技术的发展概况第一颗人造卫星的升空标志着人类从此进入了太空时代.
基于军事方面的考虑,各国相继研制出对地观测的遥感卫星,随着计算机、光电和航天技术的不断发展,卫星与遥感技术进入一个能快速、及时提供多种对地观测海量数据的新阶段及应用研究的新领域[2].
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2.
1美国地球资源遥感卫星(Landsat)美国于1961年发射第一颗试验型极轨气象卫星,7O年代在气象卫星的基础上研制发射了第一代试验型地球资源卫星(陆地一1、2、3).
这三颗卫星上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪MSS,分别有3个和4个谱段,分辨率为80m.
80年代美国发射了第二代试验型地球资源卫星(陆地一4、5),增加了新型的专题绘图仪TM,其地面分辨率为30m.
陆地一5卫星是1984年发射的,现仍在运行.
9O年代,美国又发射了第三代资源卫星(陆地一6,7).
陆地一6卫星1993年发射,因未能进入轨道而失败.
1999年发射了陆地一7卫星,以保持地球图像、全球变化的长期连续监测.
该卫星装备了一台增强型专题绘图仪ETM,增加了一个15m分辨率的全色波段,热红外信道的空间分辨率也提高了一倍,达到60m.
美国资源卫星的每景影像对应实际地面面积均为185km*185km,16天即可覆盖全球一次.
2.
2其他的一些遥感卫星1986年以来,法国发射了斯波特(SPOT)系列对地观测卫星.
斯波特一1、2、3采用832km高度的太阳同步轨道,轨道重复周期为26天.
卫星上装有两台高分辨率可见光相机(HRV),可获取10m分辨率的全遥感图像以及20m分辨率的三谱段遥感图像.
相机有侧视观测能力,可横向摆动27.
,卫星还能进行立体观测.
斯波特一4卫星遥感器增加了中红外谱段,可用于估测植物水分,有助于冰雪探测.
斯波特一5是新一代遥感卫星,分辨率更高.
加拿大雷达卫星一1于1995年发射,标志着卫星微波遥感技术的重大进展.
雷达卫星一1上载有磁带记录器,可覆盖全球.
该星为地面分辨率、成像行宽和波束入射角提供了更宽的选择范围.
除陆地及海洋应用外,其重要任务一是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫星覆盖,二是对全球产生多次卫星覆盖.
除上述国家之外,以色列的EROS、德国的DAVID、印度的IRS—P5、P6、日本的信号收集、台湾的"中华"一2和俄罗斯的SPIN一2卫星等都计划在近年内发射运转.
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com3期尹光华:数字遥感图像假彩色合成及在活动构造解译方面的尝试225美国太空图像(Spaceimage)公司的依科诺斯一2(IKONOS一2)卫星1999年9月发射,运行高度680km,其黑白图像空间分辨率0.
81TI,多光谱图像分辨率达3.
281TI.
卫星每天绕地球飞行14圈,每3天就可对地面进行一次拍摄.
相机望远的分辨率相当于101TI摄远镜头,沿地面11km宽的扫描条带获取图像,信号处理器把光转换成数码,再对数字化的图像进行压缩和格式化,再传送回地面,处理和交付都很方便,只需24小时就可到用户手中.
NASA的"奋进"号航天飞机是又一种遥感平台,装有一个x波段合成孔径雷达和一个C波段梭动成像雷达.
装有60m长的天线,与另一雷达构成视角,从不同位置聚焦到地面,可获取地球的立体影像.
2.
3目前分辨率最高的商用数字遥感数据美国数字全球公司的快鸟一2卫星2001年1O月发射成功并投入运营.
卫星的全色图像分辨率0.
611TI,多光谱图像分辨率2.
51TI,是目前分辨率最高的商用卫星,可同时拍摄全色和多光谱图像,可拍摄连续1O景图像或者2*2景图像的面积,年拍摄能力为7*10km.
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数字全球公司的全色、多光谱和彩色产品可进行大多数的图像分类和分析.
可用4波段、2.
81T1分辨率图像进行图像分析,用0.
71T1分辨率的图像目视解译.
图像与GIS背景数据、制图、栅格数据、遥感和数字摄影测量、文字处理和TIFF格式的图像兼容.
公司提供的图像产品有基础图像、标准图像和正射图像.
标准图像和正射图像可以生成0.
7m分辨率的自然彩色(蓝、绿、红波段)图像和彩色红外(绿、红和近红外波段)图像.
(1)基础图像产品:只经过最基本的处理,有相应的相机模型数据,适于立体图像处理或复杂的摄影测量处理.
经辐射校正、畸变调整,全色图像分辨率为0.
61一O.
72m;多光谱图像分辨率在2.
4—2.
8m.
每景图像成像面积大致为16.
5km*16.
5km.
(2)标准图像产品:适用于需要适当精度或较大覆盖的用户.
经辐射、传感器和平台畸变校正,以一定的投影方式成图.
全色产品分辨率为0.
701TI,多光谱产品有4波段2.
81T1分辨率和3波段0.
71T1分辨率图像.
绝对定位精度优于71TI(均方根误差,RMSE).
(3)正射图像产品:可做各种图像底图,根据地形图经数字镶嵌、边缘配准达到规范要求的精度.
定位精度与图像依据的地图精度一致,是测制与修订地图及GIS理想的基础数据,还可用于变化监测和精度要求高的分析应用.
正射影像的定位精度为0.
9—71TI(RMSE).
2.
4我国的遥感卫星中国和巴西联合研制的中巴地球资源一号卫星于1999年1O月14Et发射成功,经过在轨测试后转入应用运行阶段.
由北京、广州和乌鲁木齐3个地面站接收该卫星获取的遥感数据,所接收影像的分辨率分别有19.
51TI、781TI、2561TI等3种.
资源二号卫星现也已在轨运行,这将为我国遥感事业的发展以及在国民生活中的应用提供地面分辨率更高的卫星影像.
3卫星遥感数字资料的获取和数据格式:目前遥感(RS)数字图像信息应用最广泛的仍然是卫星遥感数字资料,比较容易收集(购买)到的数字资料是美国地球资源遥感卫星分辨率为301TI的TM数据[3].
从中国遥感卫星地面站获取的美国地球资源遥感卫星数据产品的处理级别有4级:Level1:经过辐射校正,但没经过几何校正的产品数据,并将卫星下行扫描行数据反转后按标称位置排列.
Level1产品也称为辐射校正产品.
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com226内陆地震l9卷Level2:经辐射校正和几何校正的产品数据,并将校正后的图像映射到指定的地图投影坐标下,称为系统校正产品.
在地势起伏小的区域,Landsat一7系统校正产品的几何精度可达250m以内,Landsat--5系统校正产品的几何精度取决于预测星历数据的精度.
Level3:经辐射校正和几何校正的产品数据,同时用地面控制点改进产品的几何精度,也称为几何精校正产品.
产品的几何精度取决于地面控制点的可用性.
Level4:经辐射校正、几何校正和几何精校正的数据,同时用数字高程模型(DEM)纠正地势起伏造成的视差,称为高程校正产品,几何精度取决于地面控制点和DEM的分辨率.
地球资源遥感卫星运行的是以相对地理经、纬度略有倾斜的卫星轨道.
它所扫描的数据是用拆分的景来分幅的(图1),例如选择149轨道的第32景数据就大致位于新疆南天山西段的阿图什市以北的哈拉峻~皮羌地区.
该地区的特点是包含有雪山、中低山、山间盆地和塔里木盆地边缘等地貌单元,是1994年8月2日拍摄的影像.
每景遥感卫星的数据一般是包含7个波谱段的图像数据文件,该景数据的RAW格式是6528*5952像素(不同景的像素略有不同),每个波谱段的数据文件大小为37MB,全部数据大致有260MB.
描_.
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6Ⅲ.
I:koo)0,0O,6≥n、m≥O;用替换、合并图层或先拷贝后粘贴的方式组合在一起.
使用PhotoShop软件合并颜色通道的功能,合成一个由3个不同波段遥感数据的3个不同颜色通道构成的一个RGB颜色模式的文件,例如1B3G7R是由1波段蓝色通道、3波段绿色通道、7波段红色通道所合成的图像文件名.
因为3个通道分别被赋予了不同的颜色,合成的图像成为彩色的遥感图像文件,它可保存为BMP、GIF和JPEG等多种图像文件的格式,便于在不同的场合进行再编辑、修改或添加构造线和说明文字等.
对使用多通道进行多个(>3)波段的图像合成也做了部分实验,基本方法相同.
底图使用某波段某颜色通道的文件,在其上逐次迭加其他不同波段的不同颜色通道文件,最后合成的彩色数字图像文件.
这种数字图像并无明显和太大的改进效果,原因可能是3个颜色通道只能赋予3种基本颜色,其他颜色只能是迭加在3种基本颜色之上,所以效果并不明显;这可能也是通用图像处理软件的缺陷之一.
同时对部分反色彩规律的组合方式也进行了部分实验,即低波段的波长比高波段的波长要短,所对应的颜色也应该是波长较短的,但是我们却赋予波长较长的颜色,例如5波段被赋予蓝色,而3波段赋予了绿色,1波段则赋予了红颜色,这样处理出来的图像效果明显偏离了自然景观,所以也是不可取的组合方式.
5构造的影像特征与解释遥感像片像普通照片一样包含大量的信息.
从遥感图像中可辨别诸如河流、湖泊、水库、盐池和鱼塘等水体;森林、果园、草地、农作物、沼泽和水生植物等农田植被;林地、居民住宅、厂矿企业、沙漠、海岸、荒原、道路、山地丘陵、高山和雪山等;目前广泛应用于陆地资源、植被、地质矿产、城市遥感、海洋资源、测绘、考古、环境监测和规划管理领域.
我们使用从中国遥感卫星地面站获取的美国地球资源遥感卫星数据产品,选择149轨道的第32景数据,包括了新疆阿图什市以北的哈拉峻一皮羌地区,是1994年8月2日拍摄的7维普资讯http://www.
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com3期尹光华:数字遥感图像假彩色合成及在活动构造解译方面的尝试229个波段的图像数据文件,尝试以1蓝、3绿、7红的配色方案合成了该地区的彩色卫星影像,在此基础上进行了地质构造和活动构造影像的分析与解释.
5.
1各种地貌、地质构造与地层的影像特征由于合成的假彩色卫星影像在某种意义是加强了同种地貌、地层和构造的清晰程度,使得构造更加直观和醒目,对照实际情况进行目视解释起来更容易,效果也更好L4].
分析和解释是分阶段进行的,先掌握遥感图像的基本处理方法,收集遥感资料.
然后对新疆南天山的遥感数字图像,使用新的处理方法进行试验处理,经过多次试验得到150多幅不同波谱组合的效果图.
为了进一步突出构造影像,对遥感数字资料的数据格式、图像模式、通道颜色、图层分色、调整色阶、色调分离、色彩平衡、反相和去色阀值等专业术语的概念、定义和相关原理进行了学习、熟悉和部分试验性图像的反复处理,取得了一些经验.
参照专业图像处理软件对遥感数字图像资料处理的基本原理和步骤,使用通用图像处理软件的替代处理方法,舍弃了某些通用软件所无法完成的功能和步骤,或采取从其他方面进行补偿的办法,尽可能得到更高的图像质量和更好的彩色效果.
最后得到比较满意的南天山西段遥感图像作为本研究的假彩色合成图像底图,进行图像处理和构造解释的尝试性分析和研究.
一般情况下流动的水体具有较浅的色调,静止的水体则具有很深的色调.
反射弱的小水库水面则呈现出深蓝一蓝黑色.
河流和小溪表现为浅蓝一浅绿色.
在合成的研究区假彩色卫星影像图上,南天山高山积雪区(1)和平静的硝尔库勒(17)因为强烈的阳光和紫外线反射作用呈现出浅蓝一白色,而动荡的西克尔水库(23)水面则表现为深蓝一灰黑色.
阿图什市(25)及附近的村庄、城镇和农田因为树林和农作物对光线的强烈吸收作用,呈现为蓝黑一黑色.
塔里木盆地边缘的盐碱地(26)和沙漠(28)呈现白色一浅白色.
南天山山前的戈壁和洪积扇(22)也表现十分清楚,多为淡紫一紫灰色.
南天山西段中生代以来的浅色地层(8、14、15、16和18附近)色调最丰富,象彩虹一样绚丽多彩,因此地层的延伸走向、展布范围和构成的褶皱形态在图上都十分清楚.
更老的古生代基岩(7)主要呈现深色调,从深黑一紫黑一深褐一紫红一深蓝到蓝褐色都有,褶皱(3)的色调多为深浅不一、灰度不同、平行条带或者是不规则圆形环带状的色环.
紧闭型褶皱(8)为长条带图案,宽展型褶皱是条带(16)与环带(5、9)交替出现;平缓型褶皱多为环带(20、24)形图案.
仔细分析还可以识别穹隆、背斜、向斜、鼻状构造(16)和其他褶皱类型.
研究区的主要公路、比较长的乡村道路、引水渠道(21)和水库堤坝等直线地形和地貌都可以识别,一些大的断裂(6、1O、11、13、14、15、18)和线性构造也可以分辨,但是小于30m的构造则很难识别出来,这与卫星遥感数字资料的分辨率有直接关系.
断裂是一种线性构造,色调表现为线状和不同色调的界面,是一系列自然现象(地质、地貌、水文、植被的……)呈线性(或弧形)异常展布的组合,包括地貌整体的错位和水系的拐弯、突降、汇流、展宽和变窄等等.
隐伏构造的识Z'JN需要有一定的经验.
5.
2活动构造的影像特征与应用解释对研究地区进行了初步的构造解释工作.
把卫星遥感数据合成的彩色图片作为底图(图2),从左往右、从下往上可识别出喀什背斜(24)、阿图什背斜(2O)和柯坪推覆体(16)与柯坪断裂(18)等山前的新生代构造,塔拉斯一费尔干纳大断裂尾端(13),托特拱拜孜一阿尔帕雷克断维普资讯http://www.
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com230内陆地震19卷裂(14),哈拉峻断裂(15),哈拉峻一皮羌山间盆地(12),南天山西段复背斜(9),喀拉铁克断裂(11),迈丹活动断裂(10),吐尔尕特新生代复向斜(5),南天山西段古生代复向斜(3)等.
喀什背斜(24)是南北翼不对称的褶皱构造,从卫星影像上看存在明显的北陡南缓现象;阿图什背斜(2O)也是不对称的褶皱,但却是南陡北缓.
图2南天山西段数字遥感资料的假彩色合成图像Fig.
2ComposingmapofPseudcolorofdigitalremotesensingdatuminthewestofnorthTianshanmountain.
在哈拉峻西侧地区,有一近南北向的断裂(15)构造,对哈拉峻南背斜略有扭错,大致以此为界,西侧(阿图什北)的推覆构造(14)为近东西向展布,东侧(西克尔水库北)的推覆构造(16)为北北西向展布.
喀拉钦克一迈丹活动断裂(10)是不同地层和不同岩性之间的分界大断裂,延伸很长,但也不是处处连续;在图2中部有近平行的断裂展布处,恰是迈丹断裂的不连续处;或者说迈丹断裂本身就是由多条断裂成阶状展布构成的.
图2上部(中吉边境地区)有一组北东东走向的断裂(6)也很清楚.
图2西部(乌恰县托云乡)可见塔拉斯一费尔干纳大断裂(13)的尾部,末端有反S形分布的超基性岩出露.
根据伽师地区河流与地下水的分布特征分析,可能存在近东西方向和近南北方向的两组维普资讯http://www.
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com3期尹光华:数字遥感图像假彩色合成及在活动构造解译方面的尝试231隐伏构造.
图31902年阿图什地震构造西部的卫星遥感影像Fig.
3SatelliteremotesensingimageofthewesternAtushiseismictectonics,1902.
1902年阿图什地震的构造形迹不是太清楚,总体呈现近东西走向,波缓弯曲,但是在西侧可能在老洪积扇上留下了痕迹(图3).
构造形迹主要分布在阿图什市布古孜河西支流的阿亚克恰纳克村一带,成扫帚状向西撒开,其北面(在阿孜干以东)可能错断了古生界的地层,在阿亚克恰纳克村和阿孜干之间的河床上亦留有形迹.
通过对河床形态的分析,认为1902年阿图什地震的发震构造略具有左旋扭错的活动性质.
在翁库尔以西,中生界地层也被断错,但是河床里面的形迹不是很清楚.
6结语由于遥感在地表资源和环境监测、农作物估产、灾害监测、全球变化等等许多方面具有显而易见的优势,目前被广泛用于城市规划、应急反应和管理、农业、电信、森林、水资源和废水管理、地籍、自然资源管理、工程选址、环境评估和道路用地监测等方面并正处于一个飞速发展的时期.
更理想的遥感平台、更先进的传感器和影像处理技术也在不断地发展,以促进数字遥感技术未来在更广泛的领域里发挥更大的作用.
本研究的特色在于仿照专业图像处理软件的原理和步骤,寻找通用图像处理软件可能的替代处理方法,对遥感数字图像资料进行处理,得到分辨率、质量和效果比专业图像处理软件稍差的图片,但是完全可以满足一般科研工作者的使用.
研究的创新之处是使用通用软件来处理数字影像和彩色合成照片,在大量配色方案的基础上,在色阶调整、通道分离和合成通道方维普资讯http://www.
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com232内陆地震19卷面形成了独特的处理方法,在前人相关研究的基础上有所创新和发展.
通过利用卫星遥感数字资料对活动构造影像形迹及其特征的初步处理和尝试解释,进一步加深了对卫星遥感数字资料在构造影像方面应用前景的认识,达到了预期的研究目标.
今后的研究方向是继续在深度和广度上探索卫星遥感数字资料的开发和利用,将遥感假彩色数字图像广泛应用于地震地质构造解译、活动构造判定、地壳形变研究和地震活动性、地理环境研究的底图和相关科学研究.
遥感图像的数字资料处理与活动构造影像的解译,遥感(RS)数字图像信息与地理信息系统(GIS)的结合,与全球定位系统(GPS)数据的结合,以及其他进一步深入开发与应用的交叉研究项目.
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HUWei-hua,SHENJun(SeismologicalBureauofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang,China)Abstract:Basedonthe7wavebandsdatumof149orbit32thbreadthrecordedbyUSAearthresourcesatelliteonAug.
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Authorattempt—edtoanalyzeveryphysiognomy,geologytectonicsandtheimagecharacteristicofstratum,andinterpretedtheimagecharacteristicofactivetectonics.
Keywords:Remotesensing;Earthresourcesatellite;Satelliteimage;Imagecharacteristicofactivetectonics.
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