一种基于多光谱光学遥感影像的地热区域判断方法

技术领域

本发明涉及地热资源技术领域，具体为一种基于多光谱光学遥感影像的地热区域判断方法。

背景技术

地热资源是一种清洁的可再生能源。储量大，使用方便，稳定性好，成本低。在旅游，供热，制冷，医疗，养殖等行业有着非常广阔的发展和应用前景。因此，规模化，合理化发展能够有效改善能源结构，提高可再生能源利用率，对节能减排工作起到重要作用。近年来，越来越多的高分辨率遥感传感器和空间技术得到迅速发展。特别是遥感传感器的分辨率有了很大提高。目前，高光谱遥感已成为国内外遥感研究领域的热点之一。遥感传感器获得的光谱分辨率可以达到纳米级，可以达到数百个光谱波段，并且还可以实现图像的成像范围。对于近红外，中红外和远红外光谱带，这些光谱范围对人眼是不可见的。由于高光谱图像的特点，不仅能够提供地物的空间几何信息，而且也可以提供人眼看不到的光谱信息。岩性变化信息可以以光谱信息的形式反映在遥感图像中；从遥感图像中提取矿物蚀变信息可作为判断该区岩性变化特征的重要手段。

目前，我国使用的地热资源以高温地热发电形式使用，直接使用低温地热，整体利用率低，在对地热资源进行勘测判断时，样本数较少，准确率较低，因此，设计一种基于多光谱光学遥感影像的地热区域判断方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多光谱光学遥感影像的地热区域判断方法，通过应用专业遥感影像软件，计算机和人工交互处理的方法，在多光谱遥感影像波段中应用提取红外波段；遥感影像以扫描方式获取的数字数据转存到一般数字计算机都可以读出的通用载体上，遥感图像处理要在专业图像处理系统中进行，通过提取的影像光谱特征判定地热的地表温度状态，判断光谱影像的异常特征区域是否与已经存在的地热温度异常空间分布是否相同，通过计算遥感影像的光谱动态变化，从而能够准确地判断地热区域范围，能够有效提高寻找和识别地热资源准确率。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于多光谱光学遥感影像的地热区域判断方法，包括如下步骤；

步骤S1：遥感影像预处理包括遥感影像获取以及基础资料收集；选用根据遥感图像各波段的光谱特征，选择不同的波段组合，利用计算机对数字图像按一定的数学模式进行运算，即按一定的图像处理功能对该数字图像进行计算机处理，以增强和提取相关信息；

步骤S2：根据高分一号多光谱遥感信息提取区域地热环境特征，建立解译标志；对遥感数据进行融合处理和多功能信息提取，以提高遥感图像的质量，最大限度地提取所需的地热异常信息；

步骤S3：对landsat8热红外遥感进行温度提取，获得地表瞬时温度场信息，提取异常温度区域；

步骤S4：根据已知地质情况、已知地热异常位置等，进行遥感地质解译的分析，并通过进行野外核查；

步骤S5：综合热红外遥感信息、遥感地热背景特征信息进行遥感综合信息分析；并圈定地热异常区。

作为本发明进一步的方案：遥感影像采用多光谱光学影像数据，特别是红外影像，能够反映温度异常；地热解译工作采用空间分辨率为2m的GF-1卫星数据，进行地质构造解译；采用Landsat8 OLI数据进行地表温度异常提取。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S2中，遥感数字图像处理主要包括波段组合、图像校正、色调匹配、数据融合、图像镶嵌和各种增强处理等功能，通过以上处理过程，得到解译用遥感影像；对处理后的图像按相应标准分幅分割，也可以提供自由分幅的遥感影像图。

作为本发明进一步的方案：

1)图像校正包括：

a、几何校正：几何校正直接以地形图为参照，与地理坐标配准，消除遥感图像的几何畸变，能显著改善数字图像的几何精度；以项目组提供的1：5万地形图为控制资料进行处理。几何校正在ENVI图像处理系统平台上进行，校正精度误差±1个像元；

b、正射校正：正射校正基于影像载体的物理参数和地面高程，能消除传感器和相机旋转、地形高差引起的影像畸变，校正精度高；对影像数据进行正射校正，正射纠正采用ENVI图像处理完成；

2)图像配准包括：由于多光谱波段与全色波段存在一定的位置误差，如果直接进行融合处理，则多光谱波段与全色波段上同名地物相离，产生错位，本次拟对数据的多光谱波段和全色波段进行波段配准处理：以全色波段为基准影像，选取控制点，进行多项式配准；配准时拟合多项式选用二次多项式，配准后的多光谱波段与全色波段之间的位置误差已基本消除，可以进行下一步的融合处理；

3)彩色合成包括：指定3个不同类型的图像，如3个波段图像，分别赋予RGB三原色进行彩色合成，生成一幅彩色合成图像；

4)影像融合包括：采用HSV融合方法进行图像的融合处理，融合图像在保留原色彩信息的同时，分辨率将大大提高，细部信息将更加清晰可辨；

5)图像增强包括：图像信息增强包括以背景影像图制作为目的和以计算机自动信息提取为目的两种，前者包括反差增强、边缘增强、彩色增强、彩色变换增强，后者需进行多重图像处理，如比值运算、差值运算、K-L变换等，保留主要信息，最大限度地减少波段的相关性，达到增强或提取有用信息的目的。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中，遥感地表温度反演工作程序：根据对原始数据进行辐射定标、大气校正等预处理，计算地表比辐射率、相同温度下黑体的辐射亮度值，利用地表真实温度反演模型制作地表温度分布图；结合地质解译图和地表温度分布图对地热有利区进行综合预测；利用LANDSAT数据进行温度反演地表温度，主要利用的方法为单窗算法等，主要定义水体比发射率值，然后利用辐射传输方程逐步反演温度的一个步骤。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中，在进行野外核查时，可选用机载可见红外成像光谱仪进行野外核查。

作为本发明进一步的方案：机载可见红外成像光谱仪包括固定顶架、安装腔、限位卡槽、安装组件、顶紧组件、机架、红外成像光谱仪本体、横梁杆和安装定位板，所述固定顶架的顶部端面中央开设有安装腔，所述红外成像光谱仪本体的顶部端面两侧均开设有两个限位卡槽，所述安装腔的两侧端面设置有顶紧组件，所述顶紧组件之间安装有机架，且机架的一端与限位卡槽连接，所述机架的底部端面固定安装有红外成像光谱仪本体，所述固定顶架的顶部端面两侧均固定安装有两个安装组件，且安装组件与机架连接，所述固定顶架的顶部端面两端均通过焊接固定安装有横梁杆，且横梁杆的底部一端固定安装有安装定位板；

所述安装组件包括调节轴套、调节转轴、限位架、锁紧螺柱、缓冲弹簧和缓冲压板，所述调节轴套固定安装在固定顶架的顶部端面一侧，所述调节轴套的端面中央插接安装有调节转轴，且调节转轴的端面固定连接安装有限位架，所述限位架的端面另一侧插接安装有锁紧螺柱，且锁紧螺柱的一端穿过限位架与位于限位卡槽内部一侧的机架固定连接，所述缓冲弹簧固定安装在安装腔的内部，所述缓冲弹簧的顶部一端固定安装有缓冲压板，且缓冲压板的顶部端面与机架的底部端面固定连接。

作为本发明进一步的方案：所述顶紧组件包括电动推杆、伸缩杆和防滑垫块，所述电动推杆固定安装在安装腔的内壁一侧，所述电动推杆的一端连接安装有伸缩杆，所述伸缩杆的一端固定连接安装有防滑垫块，且防滑垫块与机架的一侧端面连接。

本发明的有益效果：

1、本发明，通过应用专业遥感影像软件，计算机和人工交互处理的方法，在多光谱遥感影像波段中应用提取红外波段；遥感影像以扫描方式获取的数字数据转存到一般数字计算机都可以读出的通用载体上，遥感图像处理要在专业图像处理系统中进行，通过提取的影像光谱特征判定地热的地表温度状态，判断光谱影像的异常特征区域是否与已经存在的地热温度异常空间分布是否相同，通过计算遥感影像的光谱动态变化，从而能够准确地判断地热区域范围，能够有效提高寻找和识别地热资源准确率。

2、本发明的机载可见红外成像光谱仪，在安装时，安装方便快捷，固定效果好，能够有效提高安装的效率；同时，连接紧固，具有良好的缓冲效果，能够有效降低设备在移动过程中产生的晃动，有利于提高成像的准确性。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的地表温度提取技术路线图；

图2为本发明的地热遥感提取工作路线图；

图3为本发明机载可见红外成像光谱仪的整体结构示意图；

图4为本发明机载可见红外成像光谱仪的整体俯视图；

图5为本发明机载可见红外成像光谱仪的固定顶架的结构示意图；

图中：1、固定顶架；2、安装腔；3、限位卡槽；4、安装组件；5、顶紧组件；6、机架；7、红外成像光谱仪本体；8、横梁杆；9、安装定位板；41、调节轴套；42、调节转轴；43、限位架；44、锁紧螺柱；45、缓冲弹簧；46、缓冲压板；51、电动推杆；52、伸缩杆；53、防滑垫块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，一种基于多光谱光学遥感影像的地热区域判断方法，包括如下步骤；遥感影像采用多光谱光学影像数据，特别是红外影像，能够反映温度异常；地热解译工作采用空间分辨率为2m的GF-1卫星数据，进行地质构造解译；采用Landsat8 OLI数据进行地表温度异常提取；

步骤S1：遥感影像预处理包括遥感影像获取以及基础资料收集；选用根据遥感图像各波段的光谱特征，选择不同的波段组合，利用计算机对数字图像按一定的数学模式进行运算，即按一定的图像处理功能对该数字图像进行计算机处理，以增强和提取相关信息；

步骤S2：根据高分一号多光谱遥感信息提取区域地热环境特征，建立解译标志；对遥感数据进行融合处理和多功能信息提取，以提高遥感图像的质量，最大限度地提取所需的地热异常信息；

其中，遥感数字图像处理主要包括波段组合、图像校正、色调匹配、数据融合、图像镶嵌和各种增强处理等功能，通过以上处理过程，得到解译用遥感影像；对处理后的图像按相应标准分幅分割，也可以提供自由分幅的遥感影像图；

1)图像校正包括：

a、几何校正：几何校正直接以地形图为参照，与地理坐标配准，消除遥感图像的几何畸变，能显著改善数字图像的几何精度；以项目组提供的1：5万地形图为控制资料进行处理。几何校正在ENVI图像处理系统平台上进行，校正精度误差±1个像元；

b、正射校正：正射校正基于影像载体的物理参数和地面高程，能消除传感器和相机旋转、地形高差引起的影像畸变，校正精度高；对影像数据进行正射校正，正射纠正采用ENVI图像处理完成；

2)图像配准包括：由于多光谱波段与全色波段存在一定的位置误差，如果直接进行融合处理，则多光谱波段与全色波段上同名地物相离，产生错位，本次拟对数据的多光谱波段和全色波段进行波段配准处理：以全色波段为基准影像，选取控制点，进行多项式配准；配准时拟合多项式选用二次多项式，配准后的多光谱波段与全色波段之间的位置误差已基本消除，可以进行下一步的融合处理；

3)彩色合成包括：指定3个不同类型的图像，如3个波段图像，分别赋予RGB三原色进行彩色合成，生成一幅彩色合成图像；

4)影像融合包括：采用HSV融合方法进行图像的融合处理，融合图像在保留原色彩信息的同时，分辨率将大大提高，细部信息将更加清晰可辨；

5)图像增强包括：图像信息增强包括以背景影像图制作为目的和以计算机自动信息提取为目的两种，前者包括反差增强、边缘增强、彩色增强、彩色变换增强，后者需进行多重图像处理，如比值运算、差值运算、K-L变换等，保留主要信息，最大限度地减少波段的相关性，达到增强或提取有用信息的目的；

步骤S3：对landsat8热红外遥感进行温度提取，获得地表瞬时温度场信息，提取异常温度区域；

其中，遥感地表温度反演工作程序：根据对原始数据进行辐射定标、大气校正等预处理，计算地表比辐射率、相同温度下黑体的辐射亮度值，利用地表真实温度反演模型制作地表温度分布图；结合地质解译图和地表温度分布图对地热有利区进行综合预测；利用LANDSAT数据进行温度反演地表温度，主要利用的方法为单窗算法等，主要定义水体比发射率值，然后利用辐射传输方程逐步反演温度的一个步骤；

步骤S4：根据已知地质情况、已知地热异常位置等，进行遥感地质解译的分析，并通过进行野外核查；

其中，在进行野外核查时，可选用机载可见红外成像光谱仪进行野外核查；

其中，机载可见红外成像光谱仪包括固定顶架1、安装腔2、限位卡槽3、安装组件4、顶紧组件5、机架6、红外成像光谱仪本体7、横梁杆8和安装定位板9，固定顶架1的顶部端面中央开设有安装腔2，红外成像光谱仪本体7的顶部端面两侧均开设有两个限位卡槽3，安装腔2的两侧端面设置有顶紧组件5，顶紧组件5之间安装有机架6，且机架6的一端与限位卡槽3连接，顶紧组件5包括电动推杆51、伸缩杆52和防滑垫块53，电动推杆51固定安装在安装腔2的内壁一侧，电动推杆51的一端连接安装有伸缩杆52，伸缩杆52的一端固定连接安装有防滑垫块53，且防滑垫块53与机架6的一侧端面连接；机架6的底部端面固定安装有红外成像光谱仪本体7，固定顶架1的顶部端面两侧均固定安装有两个安装组件4，且安装组件4与机架6连接，安装组件4包括调节轴套41、调节转轴42、限位架43、锁紧螺柱44、缓冲弹簧45和缓冲压板46，调节轴套41固定安装在固定顶架1的顶部端面一侧，调节轴套41的端面中央插接安装有调节转轴42，且调节转轴42的端面固定连接安装有限位架43，限位架43的端面另一侧插接安装有锁紧螺柱44，且锁紧螺柱44的一端穿过限位架43与位于限位卡槽3内部一侧的机架6固定连接，缓冲弹簧45固定安装在安装腔2的内部，缓冲弹簧45的顶部一端固定安装有缓冲压板46，且缓冲压板46的顶部端面与机架6的底部端面固定连接；固定顶架1的顶部端面两端均通过焊接固定安装有横梁杆8，且横梁杆8的底部一端固定安装有安装定位板9；

在使用时，通过将红外成像光谱仪本体7安装在机架6的端面后，再讲机架6安装在安装腔2的内部，通过安装组件4和顶紧组件5将机架6固定，将机架6放置在安装腔2的内部，使得机架6的四周分别插接安装在限位卡槽3的内部，使得机架6的底部与缓冲弹簧45顶部端面的缓冲压板46贴合，通过缓冲弹簧45能够对机架6具有缓冲效果，通过限位架43带动调节转轴42，使得调节转轴42与调节轴套41发生转动，使得限位架43转动到限位卡槽3的顶部，拧紧锁紧螺柱44，使得锁紧螺柱44的底部一端固定在机架6的内部，安装腔2内侧的电动推杆51工作，电动推杆51推动伸缩杆52移动，直到伸缩杆52一侧的防滑垫块53与机架6的外壁贴合，从而将机架6固定在安装腔2的内部，通过固定顶架1顶部端面两侧的横梁杆8和安装定位板9将该装置安装固定在无人机的底部，从而便于通过无人机带动该装置进行红外光谱成像，便于进行野外核查；

步骤S5：综合热红外遥感信息、遥感地热背景特征信息进行遥感综合信息分析；并圈定地热异常区。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。