FAST型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究_朱博勤.pdf

第 卷，第 期自 然 资 源 遥 感，年 月 ，：引用格式：朱博勤，严召进，谢晶，等 型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究 自然资源遥感，（）：（，（）：）型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究朱博勤，严召进，谢 晶，刘 宏，宋小庆，向喜琼（中国科学院国家天文台，北京；中国科学院 重点实验室，北京；贵州省地质矿产勘查开发局 地质大队，贵阳；贵州大学资源与环境工程学院喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳）摘要：米口径球面射电望远镜（，）“中国天眼”举世瞩目，是世界上最大的单口径射电望远镜。如果再建造几个 型大射电望远镜，开展联合观测，那么不仅可以进一步提高探测的灵敏度，也可以提高分辨率，从而拓展射电天文研究领域，这正是当前中国射电天文科学家的期盼，型大射电望远镜选址洼地地形搜寻就是为实现这一期盼而开展的前期研究。当前，可以共享的地形数据数字高程模型（，）资源已经实现洲际覆盖，且有不同的地面分辨率供选择；计算机技术发展带来了地形数据 处理分析能力大大增强，处理技术不断创新，分析表达实现了可仿真。为此，通过比较分析阿雷西博射电望远镜（，）和 望远镜工程结构尺度、台址岩溶洼地地形的形态特点，提出 口径望远镜的理想洼地地形条件；在评价分析网络共享 地形数据的分辨率和数据质量的基础上，总结认为省级区域大射电望远镜选址以 分辨率的 数据为宜；在贵州全省大型洼地地形搜寻研究中，开发了基于 平台提取洼地地形特征参数和拟合填挖方、叠合剖面等定量分析专题模块，归纳了应用 主要工具搭建专题模块的关键步骤。研究结果解决了省级区域大型岩溶洼地地形搜寻中的关键技术，并提出了在实际工作中需要注意的几个问题。关键词：选址；岩溶洼地；地形参数；填挖拟合中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修订日期：基金项目：中央引导地方科技发展资金项目“扩展阵贵州省综合选址研究”（编号：黔科中引地）和国家自然科学基金项目“以 为中心的大型射电望远镜阵列选址研究”（编号：）共同资助。第一作者：朱博勤（），男，研究员，主要研究方向为工程环境与遥感地学应用。：。通信作者：严召进（），男，高级工程师，从事工程测量及地理信息产学研工作。：。引言在 年之前，全世界最大的射电望远镜是位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜（，），于 年 月 日落成，是美国利用天然海滩岩上的溶蚀洼地地形作为台址建成的，望远镜反射面口径 。年 月 日，中国利用贵州大型峰丛洼地 大窝凼的地形，建造了全球最大的单口径射电望远镜 米口径球面射电望远镜（，），被称为“中国天眼”。由于 望远镜的接收面积比 射电望远镜提高了 倍，望远镜的灵敏度得到了显著的提升。当射电天文学家在追求更大的望远镜接收面积时，工程结构和力学支撑条件的限制使得全可动望远镜的口径只能到 左右；若要追求更大的接收面积，射电望远镜只有“平躺”在地面、依附地形，以牺牲观察天区换取更大的接收面积。所以，形式上 和 都属于“平躺”式射电望远镜或“仰卧”式射电望远镜。和 这 个超大的单口径射电望远镜都是利用圆形口径在 以上的洼地作为台址。望远镜选址自 年开始，至 年 月获得立项批复，经历了 的艰难历程。选址包括洼地地形条件、工程地质基础、自然灾害、无线电环境、社会经济条件等方面的分析。洼地的地形条件分析又包括收集各种地形图、卫星图像等资料，解读、量算、数字化、分析并建立洼地属性数据库，反复形态比较、绘制各种各样的地形剖面、拟合不同口径反射面的填第 期朱博勤，等：型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究挖方量，个馈源支撑塔的地面分布优化等。找到大小和形态适宜的洼地，通过填挖方拟合和望远镜结构位置优化，确定 开挖中心、开挖标高，推荐 塔分布。堪舆台址，“给 找个家”并不容易。开展省级范围 型大射电望远镜地形选址，包括应用 分辨率的数字高程模型（，）搜寻大型洼地，研究洼地地形参数的适宜性。应用精细的洼地地形数据开展填挖方拟合和结构位置优化是选址第一阶段重要的基础工作，也是评价台址适宜性的关键。和 望远镜台址地形分析 和 望远镜虽然都选址于峰丛岩溶洼地，但所处局地的海拔、相对高差和基岩背景等都不同（图 和表）。望远镜台址大窝凼洼地大而深，东西宽，南北长 ，深 ，最低垭口至洼地底部高差 。望远镜台址洼地小而浅，东西长 ，南北宽 ，深 ，最低垭口至洼地底部高差 。大窝凼洼地的地质构造稳定，在小型断层构造交汇的背景下，向断层构造附近灰岩岩体破裂，两侧近水平的致密中厚层灰岩向外倾斜。若以东侧相距 的水淹凼洼地底作为水力基准面，高差达 ，水力梯度达到 ，这给洼地的溶蚀、侵蚀提供了较好的水动力条件。望远镜台址则多地震，珊瑚礁岩或海滩岩基岩松软，年降水量 ，风化层（土层）厚，植被生长茂盛。洼地底部与最近的低高程点（南偏东伏流出口）相距 ，高差 ，水力梯度达到 。较大的水力梯度和有利的地质构造易于形成大型岩溶洼地。（）望远镜台址（）望远镜台址图 望远镜与 望远镜台址等高线图（：）表 与 望远镜几何要素比较 几何要素 望远镜 望远镜地理坐标，最高山峰标高 （东北）（西南）最低垭口标高（西南）（南）原始洼地底标高 洼地有效深度 洼地最大高差 周围最低点海拔 （东侧水淹凼底）（南偏东伏流出口）球直径（开口直径、球冠深）（，）（，）馈源仓悬空 反射面开口标高 基岩类型三叠纪灰岩、白云质灰岩中第三纪（即渐新世和中新世）珊瑚礁岩或海滩岩 望远镜的反射面是截取 直径球面上 开口的球冠面，通过微小变形成抛物面，从而实现来源于宇宙射电信号的聚焦。通过平均分布于 圆周上的 个支撑塔悬挂馈源仓，在仓索的驱动下，使馈源仓精确移动到聚焦，实现宇宙射电信号的接收。望远镜反射面、馈源运移面和馈源支撑塔的几何参数如图。相对于球冠面（反射面）底，口径的球冠深 ，观察天顶角馈源运移的最高点 ，分布于 圆周上的 个馈源支撑塔塔高 。在理想状况下，最适宜 口径的 型大射电望远镜的洼地地形是圆形、直径在 左右的洼地，底部平缓，坡面越高越陡；洼地分水岭相对于洼地底高出 ；最低垭口相对于洼地底高出 ，洼地底部 高度范围地形越圆、越接近球面越自 然 资 源 遥 感 年：球心；：球半径；：球冠开口直径；：焦面半径；：焦面开口直径；：球冠底高程；：球冠面高程；：焦面高程；：球心高；：支撑塔高程；：球冠剖面线；：焦面剖面线图 望远镜机构简图（）（）好。这样不仅可以大大节约工程建设中的岩土开挖成本、减少反射面支撑和馈源支撑塔的建设，还使得望远镜借助洼地地形的阻挡，最大程度地减少外来电磁波的干扰。特征 是一定区域位置（，）及其相对应高程（）属性的数据集。平面位置用格网表示，格网大小即是像素的大小，亦即平面分辨率。高度用高程值表示，以置信值为高程精度。单个 格网单元（像元）只能表示这个像元位置的高程值，所以 栅格数据也可以理解成具有三维空间属性（，）的连续点集。只有以连续的线、面分析 数据时，才能认识地形的高程在空间的分布差异和特征，认识区域地貌形态。通过模型或模式对 统计计算，提取高程点、等高线、分水岭、沟谷线、坡度、坡向、坡长、坡度变化率、流域等地形参数信息。建立或生成 的方法有地面测量、地形图等高线数字化、航空或航天立体测绘、激光高程扫描、声波 超声波（水下）等多种方法。数字表面模型（，）是指包含了地表建筑物、桥梁和森林等高度的表面高程模型。随着航空、航天测绘技术的发展，全球测绘能力大大提升，但固体地表成片、成规模的地物如建筑物、桥梁、森林、冰川、常年积雪的高度无法确定并去除，所以获得的高程信息（）中包含了 和 之上地物高度的信息。目前，网络共享的 都是应用地表类型修正，从而获得反映固体地球地面高程的数据。数字地形模型（，）是基于 得到的单项数字地形参数，虽然也有空间差异和相同的格网，但没有了高程的属性，而是基于 的地形形态参数，如坡度、坡向、粗糙度等。航空和卫星立体测绘、技术测量可生产大区域的 或，通常把 和 都统称为。网站共享常用 的名称、生成技术、精度和覆盖范围等信息如表。表中所列数字地形数表 常用的卫星 名称 名称模型名称生产技术发布单位水平精度 垂直精度 水平分辨率 水准面覆盖范围，发布时间 的 波段 系统，技术并综合 等数据，年 的 全 色 遥 感 立 体 测 绘 仪（）光学立体摄影测量（相当 于 空 间分辨率），年改善了的 ，并应用了了 、和 等数据，年 卫星光学立体摄影测量和数字图像相关方法、，年“奋进”号航天飞机上搭载的 波段 系统，技术、，年底第 期朱博勤，等：型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究据的水平分辨率，数据为、数据的为 ，其他均为 。、的数据格式分别为 和，其他的均为 格式。图（）（）是表 中所列 种数字表面数据 台址区域高程值拉伸后的灰度影像、派生的等值线图。十分明显的是 的 灰度影像图的分辨能力不足，洼地地形反映不清晰，有明显的马赛克；的 灰度影像图中亮点噪声较多，噪声反映的是局地地形直上直下，与实际不符；的 灰度影像图中亮点噪声和暗点噪声有所减少，影像也显得更加平滑；的 灰度影像图有一些亮点噪声；的 灰度影像图虽然比 及 的在高亮值区范围要大些，但在地形的连续性方面更为合理，对低高程（洼地）的表达更明显。应用 的表面插值功能，对各样例数据采用 等间距插值生成等高线，结果如图（）（）。，及 的 等值线在较陡的区域有粘连，的 等值线显得相对平滑而少粘连。（）灰度影像（）灰度影像（）灰度影像（）灰度影像（）灰度影像（）插值等值线（）插值等值线（）插值等值线（）插值等值线（）插值等值线图 台址 灰度影像与插值等值线图 通过上述 种 数据的 灰度影像和表面插值等值线的比较，在大范围的区域，开展岩溶洼地的搜寻以 的 数据为宜。图 是应用 坡度值的单色图像与地形高程的晕渲彩色图，色彩纹理和清晰度与 的分辨率、质量直接相关，分辨率越高晕渲彩色图反映的地形信息越精细、越清晰，效果越好。（）（）（）（）（）图 台址大窝凼洼地地形增强影像 （）图（）（）虽然分辨率都是 ，但清晰度和效果差别较大。其中，图（）是最新发布数据 的晕渲彩色图，相对于图（）和（），图面反映的地形更清晰，颜色反差和地形效果更好，只是局部噪声点比较大。相比较而言，开展岩溶洼地的搜寻以 的 数据为宜。在实际选用 数据时，不仅要分析数据附带的精度和质量评价资料，更要选择地形变化剧烈、高差大的区域检测和对比分析数据的真实情况，选用适宜的数据源。洼地形态参数提取与填挖拟合开展 型大射电望远镜选址洼地地形搜寻包括应用 辨率的 数据开展大区域的洼地搜寻、洼地形态参数提取，应用大比例自 然 资 源 遥 感 年尺地形图等高线矢量化的洼地填挖拟合 个方面的研究。的软件处理平台对具有统一投影坐标系统的点、线、面的矢量数据和栅格数据可开展管理、处理、分析和显示等。可有序组织 附带的处理工具，实现多个处理过程的一体化、“一键完成”。因此，通过构建洼地地形参数提取模块、填挖拟合模块实现洼地地形参数“一键一个要素”的提取和分析。洼地形态参数提取 的本质是高程数值的矩阵，洼地地形参数中最低点、山峰点、垭口点、分水线、洼地等深线的地貌部位形态、高程和处理提取方法如表。表 地形地貌特征点及其 特征与提取方法 洼地地形参数地貌特征 数值特征提取方法最低点洼地区域内地形低洼点，是地面水汇流的最低点，坡度为 洼地区域内 数值最小的点应用移动窗口，求取 数值最小值（凹陷）及其位置山峰点地形突出的高地点，是地面水向四周分散的最高点，坡度为 一定区域内 数值最大的点应用移动窗口，求取 数值最大值（凸起）及其位置垭口点某一方向地形低洼点和另一方向地形突出高地点，也是分水线与沟谷源头的交叉点，坡度为 在沟谷方向局部的最大值，同时又是分水线方向最低值的点提取正地形沟谷线（凹陷）和反地形沟谷线（凹陷）的交汇点分水线洼地区域的山梁连线，是地面水向两侧分流点的连线。分水线是封闭、洼地集水汇流边界线，通常称为分水岭洼地区连续分流点（包括山峰点、垭口点）的连线判别和提取汇聚最大流量区域的边界洼地等深线最低垭口以下洼地深度的等值线，是洼地封闭区域内的深度线。等深线是衡量洼地“有效深度”的地形线，形态上与同一地点的等高线完全一致 数值均小于最低垭口高度区域的等值线通过填洼分析得到最低垭口以下部分的栅格数据，再计算与最低垭口之间的高差并等值化 在 的软件处理平台下，通过栅格和矢量的组合处理即可实现上述基本地形参数的提取。地形参数提取模块的主要环节和步骤如表。这些参数提取模块已在贵州全省范围的 数据洼地搜寻处理分析中实际应用。由于存在 栅格的分辨率大小和提取采用的背景参数设置的差别，提取结果应该在 栅格图像背景上筛选判断和确认。表 地形参数模块化提取主要工具和步骤 洼地地形参数主要工具和步骤最低点焦点统计，应用 统计类型处理 数据；栅格计算器，计算输出最低像元（区）；栅格转面，栅格低值像元转面型矢量；要素转点，提取低值像元面几何中心点矢量（面内）；值提取至点，计算矢量点位置的 数值；编辑整理，删除虚假最低点山峰点焦点统计，应用 统计类型处理 数据；栅格计算器，计算输出最高像元（区）；栅格转面，栅格高值像元转面型矢量；要素转点，提取高值像元面几何中心点矢量（面内）；值提取至点，计算矢量点位置的 数值；编辑整理，删除虚假最高点（山峰点）垭口点编辑分水线，使得每个洼地分水岭只有一个线矢量记录，即一个洼地的分水线只是一条线，修改矢量线为最北点为起点，顺时针矢量方向；沿线生成分水线洼地等深线点，以一个像素为间隔提取分水线上等间隔顺序点；值提取至点，提取顺序点位置的 高程值；导出包含位置和高程的顺序点数据，应用 对顺序点高程值进行比较判断，即可得到分水线上垭口点（分水线上局部低值）、山峰点（分水线上局部高值）；分类导入，获得分水线上的各个垭口点分水线流向，计算 范围每个像元最大的坡降方位（流向）；汇，计算和编号每个没有流向的像元或像元区，也即连续地形中的山峰、垭口、最低点区；集水区，应用流向数据和汇数据，获得最大范围的集水区；分区统计，通过集水区和原始 数据，选取统计类型 或，即可得到集水区最小 值或最大高程值作为高程值的栅格；栅格转面，将最值栅格转为矢量面；消除，设定最小的流域面积和归并方式，消除小多边形；要素转线，将流域面多边形转为矢量线；编辑整理，消除锯齿，删除虚假和不合理矢量线，即可得到完整流域的分水线洼地等深线填洼，将一定区域内的 值修改为最低高程值，使得只有高于这个高程的水才会流出洼地；栅格计算器，计算填洼栅格和原始 栅格，得到各栅格点的填洼深度；等值线，插值填洼深度值栅格表面，可获得填洼深度等值线，也即最低垭口以下等深度线；编辑整理，消除锯齿，删除虚假和不合理等深线 图 是大窝凼周区洼地最低点、山峰点、分水线、洼地等深线图。分析发现：大窝凼洼地不管是洼地底高程、底部等值线，还是大窝凼底部地形态势，都与 万地形图形态十分接近，只是局部小规模形态被“平滑”掉了；每个完整的分水线封闭区都有洼地最低点、洼地等深线分布于地形高程低值第 期朱博勤，等：型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究图 大窝凼周区主要洼地地形参数图 区；山峰点都较好地分布在地形高程高值区的分水线上或附近。由于最低点、山峰点是基于像素的计算，是某个或某几个像素的中心点，而分水线虽然是基于像素计算得到，但经过后期矢量线的锯齿平滑等处理，并不都经过像素的中心，所以大多数山峰点只能在分水线附近。分水线高程采样点高值点及高程鞍部点及高程图分水线上的局部低点一定是垭口点，而局部高点可以是山峰点也可以是洼地一侧宽平山梁上的一个分水点，分水线上的垭口低值点与高值点（山峰或高分水点）一定是相间分布。图 只是提取洼地主要的山峰点及其高程，而不能把分水线上的高值点全部提取。图 是采用 间图 大窝凼洼地分水线高值点、鞍部点分布图 图 大窝凼洼地分水线垭口（低值）点与山峰（高值）点分布图 自 然 资 源 遥 感 年距点提取的分水线高程值，在结果比较、判断分析、分类后得到的大窝凼洼地垭口（低值）点与山峰（高值）点分布图。图 是大窝凼洼地 间距点分水线高程值的展开图，可十分清晰地看到垭口（低值）点与山峰（高值）点的分布特征，垭口与山峰的形态及高程一目了然。参考图，可分析垭口与山峰的分布方位。填挖方量拟合与三维显示搜寻到了一个深度和口径基本合适的洼地，还需对洼地的地形开展三维的分析评价。平面形态、剖面形态千差万别的洼地，只有通过拟合分析才能显示口径 、球径 球冠反射面与地形的“交 切 割”关系。工程建设需要开挖土石方少，同时反射面下方空间小，从而既可以减少开挖成本、降低反射面下部支撑结构建设，又能降低造价，同时也可以提升望远镜的性能。研究应用洼地区 万地形图数字化等高线，经插值和重采样，生成了 分辨率的。借助 的三维空间分析工具，进行填挖方量拟合，平衡开挖土石方量和反射面下方空间，寻找最优球冠安置的平面位置和高度位置。的填挖方量拟合模型包括下列几个主要步骤：）创建一个与 数据范围相同、分辨率相同的 值高程栅格文件；）设定球冠最低点三维位置（，）、球冠直径（）、球冠开口（），应用球冠参数和几何位置计算并将球冠区域的栅格 值改为球冠面高程，得到球冠面；）应用球冠区的多边形矢量裁剪得到地形 栅格表面和球冠面 栅格表面文件；）应用填挖方工具，分别输入填挖之前的地形 栅格表面和填挖之后的球冠面 栅格表面文件，计算得到开挖区 差值图像和填方区 差值图像，同时得到开挖（填方）总方量、开挖（填方）区的垂直投影面积、开挖（填方）的表面面积。通过多次拟合计算，即可回归分析得到填挖方优选的球冠位置，并据此综合分析得到经济最优的开挖方案。在 的环境下，可以应用地形、球冠面、馈源塔、填挖区域、剖面线等具有三维信息的表面栅格或 进行组织和参数设置，显示各要素间的三维关系。图（）是某洼填挖方量拟合得到的结果图，蓝色为挖方区，红色为填方区域。应用开挖区 差值图像和填方区 差值图像，进行等值线处理，即可得到开挖深度等值线图和填方深度等值线图，如图（）。（）挖方区（蓝色）填方区（红色）（）填挖深度垂直投影等值线图 某洼地地形 球冠拟合填挖分布图 图 显示了 和 这 个剖面的位置，图 则显示了洼地的地形 球冠叠合剖面图，应用剖面显示开方和填方间的“交 切 割”关系。图 是某洼地 分析数据在 的环境下，三维显示地形表面、开挖面、反射面、地形剖面、支撑塔的空间关系。可以交互变化观察视角和位置，直观分析各要素间的空间关系。（）剖面线，方向（）剖面线，方向 图 某洼地地形 球冠叠合剖面图 第 期朱博勤，等：型大射电望远镜选址洼地地形搜寻关键技术研究图 某洼地反射面 支撑塔 地形剖面三维显示图 结论通过研究 型大射电望远镜选址中的洼地搜寻、地形分析、填挖拟合和三维分析，实现了基于 数据的大范围、快速、准确的处理分析。软件平台不仅可以管理和分析各类空间数据，而且可以一体化快速分析提取洼地形态参数、拟合开挖、剖面叠合分析和三维显示。解决了省级区域大型岩溶洼地地形搜寻中的关键技术。）数据选用要根据工作需要、工作区域大小和研究条件来选定，适宜即可；全省范围的大型岩溶洼地的搜寻宜应用 分辨率的；洼地填挖方量拟合、剖面叠合、三维空间交互分析宜采用 分辨率由 万地形图等高线生成的。）应用 强大的空间数据管理、处理和分析功能，通过构建洼地地形参数提取模块，实现贵州全省洼地地形提取、识别和洼地地形参数“一键一个要素”，达到快速、准确。大量的空间图形计算分析需有优良的图形处理硬件环境，执行模块处理时要减少并行处理，以免经常报错。）填挖方量拟合模型以栅格为基础，受到栅格大小和高程精度的限制，开挖区和填方区边缘区锯齿效应明显，生成等值线时要进行甄别处理。）由于岩溶洼地地形类型多样、地形高差变化较大，数据也存在局部质量和精度问题，参数提取、空间分析结果要交叉验证和检查，以减少虚假信息干扰。参考文献（）：，（）：南仁东，彭 勃，等 射电望远镜 北京：年度报告，：，朱博勤，聂跃平，南仁东，等 贵州省选址 国际天文学联合会学术讨论会，（）：，（）：聂跃平 探索宇宙奥秘的巨大“天眼”：贵州 口径球面射电望远镜（）工程遥感选址 遥感学报，（）：（），（）：朱博勤 工程勘察技术理论与实践 武汉：湖北科学技术出版社，：，：朱博勤，钱 磊，岳友岭 贵州岩溶地区射电望远镜方案探讨 中国科学：物理学、力学、天文学，（）：，（）：，：沈世钊，范 峰，钱宏亮 主动反射面支承结构总体方案研究 建筑结构学报，（）：，（）：，（，；，；，；（），）：（），自 然 资 源 遥 感 年（），（），：；（责任编辑：李 瑜）下期要目牛祥华 基于注意力特征融合的高保真遥感图像薄云去除郭 艺 年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究林佳惠 联合改进 模型和 技术提取采矿沉陷方法研究王嘉芃 德兴铜矿矿山重金属污染修复效果高光谱遥感评价排日海合力力 干旱区绿洲城市生态环境时空格局变化及影响因子研究 以乌鲁木齐市和喀什市为例姜德才 时序 技术在珠三角地区地质灾害隐患识别中的应用研究席 磊 基于 的西南山地森林 遥感估测模型优化研究于 航 黔西南采煤塌陷区高分遥感动态监测 以六盘水市煤矿采空塌陷区为例伍炜超 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