全英文文献翻译 | 遥感技术在绘制中国与东南亚地区岩溶地质的系列地图中的应用

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译者：苏筱逸
2021.09.19

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《遥感技术在绘制中国与东南亚地区岩溶地质的系列地图中的应用》

摘要

基于中国与东南亚地区岩溶地质的系列地图测绘项目，本文概述了遥感技术的应用以及从遥感影像提取信息的过程。作为一种行之有效的方法，遥感技术广泛运用于识别有关喀斯特地形、石漠化以及喀斯特塌陷的信息。与实地踏勘以及制图综合相结合，遥感影像解译为更新项目数据库和编译综合地图提供了基础数据。在遥感图像解译中，自动提取可以使其更高效，目视判读可以提高遥感图像解译的精度。

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关键词

遥感；岩溶地质；制图；东南亚

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引言

喀斯特地区以脆弱的生态系统以及严峻的生存条件为特征，并且经济欠发达，因而引起了多个国际科学组织、地质研究机构以及国家政府部门的关注。中国南部地区以及东南亚国家都属于相同的喀斯特地区。研究这些地区的岩溶地质能够满足喀斯特研究的现代化发展需求，并且将会给岩溶地下水开发利用与喀斯特环境保护带来积极效用。绘制岩溶地质的地图系列，将会检阅、改善以及总结概述目前已知的研究成果。因此，该项目将会为跨境岩溶地质更深入的综合研究提供重要的基础数据。此次研究项目涵盖较大范围地域，但缺少有关中华人民共和国主权领土之外的地区的数据。作为一种为制图增补相关数据的宝贵的技术工具，遥感得以应用于此项目，正是由于其能够在短时间跨度内获取大量包含广阔地域空间的信息这一事实。基于本项目的特征，本文验证了遥感在中国南部地区与东南亚地区岩溶地质的地图系列测绘制图中的应用。

1 研究地区综述

在此次测绘制图项目中，作为世界三大喀斯特地区之一（欧洲地中海地区，美国东部地区以及中国南部地区与东南亚地区），项目所研究之地域涵盖中国南部地区以及东南亚地区。中国主权领土之内的研究范围包括西南地区、东南地区、台湾、海南与中国南海群岛，以及青藏高原的不同种类的喀斯特地区。东南亚国家包括印度尼西亚、泰国、缅甸、新加坡、马来西亚、越南、柬埔寨以及菲律宾。在潮湿多雨的热带季风气候以及热带雨林气候的影响下，中国西南部地区与东南亚地区已经发育出地表与地下喀斯特。由于特殊的地质构造、高温以及大范围内的季节性不规则降水，上述地区的喀斯特地貌得到了充分的发育。此外，在这些人口密集区域，来自人类活动的压力已经超过喀斯特土壤的承受能力，因此导致了日渐突显的生态问题，例如干旱、洪涝、水土流失、土壤退化、生态失衡、石漠化以及地表塌陷。

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2 遥感的应用

在本次测图项目中，遥感主要应用于基础地理数据的修正与更新以及专题信息的提取。前一部分包括诸如河流、水域和居民地位置等地理要素、以及如地质构造特征、岩石特征等地质要素的增补和修正。后半部分包含有关岩溶地貌、石漠化以及喀斯特塌陷等地理信息的提取。具体技术流程如图表1所示。
根据喀斯特石漠化的定义，碳酸盐岩石是石漠化的基本条件之一。除此之外，喀斯特地貌与例如喀斯特塌陷的地质灾害皆是喀斯特地区的独有特征。因此，根据现有的地质图与数据，我们能够识别出中国南部地区以及东南亚地区可溶性岩石的分布区域，并由此初步探明喀斯特地区。研究者收集被提取的区域的遥感影像以及数字高程模型数据以供遥感影像解译之需。在后续的文本中，文章将聚焦于遥感在喀斯特信息提取中的应用。

数据采集 地质与地形图 遥感影像 DEM 实地踏勘数据 数据预处理 影像预处理 自动信息提取 目视解译 综合集成 专题数据库 专题地图 喀斯特地形数据库 石漠化数据库 喀斯特塌陷数据库 喀斯特地形图 石漠化分布图 喀斯特塌陷分布图

（图表1-技术路线图）

2.1 基于遥感与数字高程模型的喀斯特地貌信息提取

传统而言，地形图的绘制需要进行人工编绘以及实地踏勘。确切来说，研究人员首先应从大比例尺地图中提取地形信息以获取传统地图，并且向其中增添相关内容。在地区存在不确定范围时，研究人员会实施实地踏勘。这种制图方法精度较高，但完成一项精确的任务需要一段较长的时间。
根据地图制图的特性，研究人员使用数字高程模型（DEM）以及Landsat 8作为遥感数据源，并且采集相关地理与地形图作为辅助材料。基于ENVI以及ArcGIS平台，中国1：1000 000数字地貌分类体系以及中国南部热带与亚热带地区喀斯特地貌分类平面图将两个层面上作为地形学分类的参考，即，成因类型与聚合形式。与此同时，喀斯特地形的提取也将通过目视解译与计算机自动解译得以实现。具体解译方法如下所示：
第一步：数据采集与预处理。此步骤包含有采集相关待解译地区的遥感影像、DEM数据以及地理地形图，并将上述数据进行预处理。确切而言，研究人员需要将遥感影像进行投影变换与几何纠正，并且选择最适宜波段进行融合以生成假彩色图像，再通过影像融合得到一张完整的影像用于相关地区的解译。DEM数据与地理地形图也应经过投影变换、几何校正以及格式转换的预处理。最终，所有数据应该处于相同坐标系下——也即本项目所应用的WGS84椭球体与UTM投影。
第二步：基础地貌类型分类。根据ArcGIS平台、DEM衍生高程分布图以及地形起伏图，基础地貌类型便可由ArcGIS中的掩膜分析功能进行分类。具体而言，根据地形起伏度，地貌类型可被分为低度地形起伏的高原、台地、丘陵、山地，中度地形起伏的山地，高度地形起伏山地以及极高度地形起伏山地。并且根据高程，地貌类型还可以被分为低海拔、中海拔、高海拔以及极高海拔。
第三步：地形学遥感图像解译。基于遥感图像、现存地图与DEM数据，判读标志可被识别为典型喀斯特地貌。通过人机交互解译判读，喀斯特地貌又可被划分为不同类型。从地域层次到局部层次，从宏观尺度到微观尺度，解译判读首先由分析早期材料实行，随后才是相较而言更难以处理的数据。影像解译从整体情况开始至特定情况，从定性标准到定量标准。通则即是：从持续的反馈到更深层次逐步展开工作。当进行解译工作时，研究人员绘制地图并做上标记（解译标记布满整幅影像）。
第四步：研究人员进行核验与修正，并根据地图比例尺实行要素综合制图，进而基于遥感影像解译产出喀斯特地貌图以及相应数据库。

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2.2 基于遥感的石漠化信息提取

石漠化指一种类似以土壤、水分与植被缺失为特征的荒漠化的地貌类型与形成过程。其是由喀斯特效应——潮湿气候以及地表土壤流失且伴随基岩裸露的喀斯特山区中的不当人类活动——所导致的。石漠化广泛分布于中国西南部地区。由于其不仅能够改变生态系统的生物多样性，更在地区土地利用与全球气候变化中施加着深刻影响作用，石漠化正逐渐成为当今全球变化研究领域的热门议题。为了提取与动态监测石漠化信息，专家学者们已经尝试各种不同方法以研究遥感在其中的应用。下述过程便已纳入本项目：
第一步：数据收集与预处理。研究人员选择Landsat 8卫星作为覆盖研究地区的遥感数据与下载影像的主要来源。在待提取石漠化影像的选定中，研究人员考虑了云量、数据时效性、季节以及其他因素——例如，云量应少于10％；应选用近年来的影像以确保数据时效性；并且秋季所成影像应当被选用，因为这些影像可以反映出在瞬时状态中尽可能最精细的地表信息。为防止不可抗客观因素（如天气情况，等），研究人员应选择前后一到两个重复观测周期的影像。辅助材料由DEM、土地利用图以及西南部喀斯特地区的石漠化分布地图组成。数据的预处理包括遥感影像的大气校正、投影变换、几何校正、谱段合成以及影像融合。DEM、土地利用图以及石漠化分布图也需进行必要的投影变换与几何校正。最后，所有数据必须处于统一坐标系中（WGS84椭球体以及UTM投影）。
第二步：研究人员使用遥感影像以计算植被覆盖率与裸地分布率，随后经植被覆盖图加以纠正。最终成果将被用于裸石分布率的计算。
第三步：基于裸石分布图，在国内外广泛采纳运用（见表1）的分类级别标准、图像色彩、纹理、形状、大小、其他间接解译标志以及石漠化等级通过应用对比分析、信息综合以及借由叠置管理地形图、地理图、土地利用图、梯度图与其他因素的高级推理得以最终确定。
第四步：研究人员实施地图核查与制图综合，并通过遥感影像解译，产出石漠化分布图以及的相关数据库。

2.3 基于遥感的喀斯特地质灾害（塌陷）的提取

本项目主要计划从遥感影像中提取如喀斯特塌陷的地质灾害。喀斯特塌陷指伴随着地表出现坑口的喀斯特动态活动与现象，以及自然发生或人类活动导致的可溶性喀斯特岩洞、裂缝处岩土体的退化。中国拥有世界上最广阔的喀斯特塌陷发育成体其中之一，也是最早研究喀斯特塌陷的国家之一。国内外的学者们皆已广泛探索遥感影像在喀斯特塌陷监测中的应用。从诸如LandsaTM/ETM的中等分辨率卫星影像中识别出直径在几米到几十米之间的喀斯特塌陷是非常困难的，我们需要将高分辨率的卫星影像利用进来。然而，类似SPOT 5以及快鸟的卫星影像相对而言耗资更甚，因此大范围地应用并不可行。考虑到上述情况，基于广泛的信息采集与分析，本次项目在缺乏信息以及需要进行遥感图像解译的地域内应用高分辨率的国产卫星影像（例如高分一号GF-1，中巴资源卫星CBERS-1、CBERS-3等）并且结合Google Earth的使用来提取喀斯特塌陷的信息。主要的步骤有：影像预处理、建立解译标志、人机交互解译以及生成喀斯特塌陷遥感影像解译地图。

3 结论

当前，仅管国内国际在环境地理研究与中国及亚洲地区的制图上取得了大量成就，反映中国与东南亚地区喀斯特地域整体情况的地理地形图依旧十分匮乏。这导致了中国以及相关东南亚国家实施跨境喀斯特环境地理问题的研究难以开展。幸运的是，拥有广阔视场的遥感影像可以反映大量信息，以生动形象的方式呈现出地形特征，以及很好地描绘出整体地理情况。遥感影像在地理地形图制图中的应用提供了重要参考数据，可以帮助人们减少工作负担。
基于中国南部与东南亚地区喀斯特地质环境的地图系列的制图项目，本文归纳总结了遥感在本次项目中的应用，以及遥感图像信息提取的过程。总而言之，关于缺少地理数据的地区而言，遥感信息可以提供制图所需的喀斯特环境地理数据。经过实地踏勘与制图综合后，从遥感影像中提取的信息可以用作本项目数据库的基础材料以及概要地图。遥感图像解译亦可以为某些地区的现有资料增添额外的基本地理及地质信息。在与现存地图及材料进行对比确认后，这些新增信息在提升制图精度上大有裨益。解译遥感影像的方法之一就是自动提取。这种方法在提高解译效率上大有效用。解译标志用以目视解译能够使解译更加精确。因为本项目涵盖了广大范围内气候与地质均有较大差异的地域，在未来对于地域的研究中，研究人员可能会采取根据气候、经济以及地质条件进行子区分解的方法。他们将选取子区的典型区域来测试支持向量机、决策分类树的应用，以解决喀斯特地质与地形信息的提取。研究人员亦将会探索将上述方法用于更多不同领域研究的可能性。