国内外遥感试验场建设进展

梁树能，甘甫平，张振华，魏红艳，肖晨超，魏丹丹

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京100083;2.国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室，北京100083)

0 引言

遥感试验场是自然条件相对稳定、具有定位观测条件的天然固定试验场所，主要用于遥感技术基础理论研究、技术试验、有效载荷指标的论证及评价、遥感图像质量的评价等。按试验场的应用功能及可实验的内容，分为综合试验场、专业试验场和校正场。综合试验场场地面积较大，地物类型及特征丰富，可开展的遥感实验内容较齐全，具有稳定、持续的观测周期能力;专业试验场的实验内容有所侧重，偏重于某一技术方法或专业服务，反映遥感应用的专业性和代表性特点;而校正场是一种需要有一定特殊条件的试验场，主要包括几何校正场和辐射校正场。

随着对地观测应用能力的进一步深入，民用遥感正进一步向高空间分辨率、高光谱分辨率、短重访周期发展。综观遥感技术的发展历程，每一次遥感技术的飞跃以及遥感应用水平的提高，都离不开遥感试验场。如航天大国美国，在从MSS到TM、ETM+、ASTER和航天高光谱Hyperion以及航空高光谱AVIRIS等的推广应用之前，都在Cuprite遥感试验场和死谷试验场开展了针对具体数据特征的技术方法开发与应用评价等研究，不仅获得了有关载荷指标设置的优化和后续发展的建议，也保证了遥感数据获取之后能很快投入应用，加速了遥感数据的业务应用运行进程［1～2］。

在地质矿产领域，遥感技术是基础地质调查、矿产资源评价、地质灾害与地质环境调查与评价等的重要支撑技术之一。但如何发挥好遥感技术在地质矿产资源和环境评价应用中的作用和定量化水平，避免遥感数据应用与推广的盲目性等是亟待解决的关键问题。为此，在中国地质调查局的支持下，于新疆哈密地区开展了我国遥感地质试验场的建设工作。本文在对国内外遥感试验场建设进展综合比对调研的基础之上，重点总结了美国Cuprite试验场、死谷北部试验场、澳大利亚高光谱应用试验场、我国长春净月潭遥感试验场以及黑河综合遥感联合试验站等的建设进展，可为我国遥感地质应用试验场的建设提供启示。

1 国外遥感试验场建设概况

国外遥感试验场的建设相对较早，自20世纪60年代起，为了大力推进遥感应用，以美国、澳大利亚等为代表的发达国家相继建立了一系列基于多光谱遥感和基于高光谱遥感的试验场。这些试验场的建设对遥感事业的发展以及地球资源卫星的产业化应用起到了积极的推动作用，取得了客观的经济效益和社会效益。同时，随着遥感技术的不断发展及遥感试验场应用的深入，一些典型的试验场逐渐得到了公认。

1.1 基于多光谱遥感的试验场

20世纪70年代，美国为了建立以资源卫星系列为主体的全球资源环境遥感技术体系，先后在其国内及周边国家选择和推荐了289个试验场，作为传感器工作参数选择、评价及应用验证的基础场地。在后期各种地球资源遥感计划研究中应用过并逐渐形成的具有一定代表性的试验场见表1，其中比较典型的有Pisgah火山试验场、凯恩·斯普林茨试验场、洛杉矶环境试验场和Bucks湖试验区等。

1.1.1 Pisgah 火山试验场

Pisgah火山试验场位于加利福尼亚州Barstow以东64 km，最初是作为阿波罗登月计划的一部分被选作月球模拟试验区，早于地球资源卫星计划。

试验场由两部分组成:一部分约为13 km×1.6 km，包括Pisgah火山锥和Lavic湖干涸的部分;另一部分约为3.2 km×1.6 km。该区地表盆山相间，由火山岩、冲积扇和细颗粒盐湖土壤组成。该试验区主要用于校准遥感试验仪器，并逐渐发展了遥感数据的判读技术。

1.1.2 凯恩·斯普林茨试验场

凯恩·斯普林茨试验场位于亚利桑那州(Arizona)西北部，于1965年由内华达(Nevada)大学遥感研究计划成员和美国航宇局试验区选场小组共同选定。试验区的西北角在内华达州梅斯基特 (Mesquite)东南15 km，南面65 km处的米徳湖 (Lake Mead)湖湾主要用作校准红外和微波遥感器。试验场的地质情况已由内华达大学遥感研究计划的有关科学家进行过详细研究。

美国航宇局对该试验场进行了几次试验飞行，所得数据也已由内华达大学试验区研究小组的人员作了分析。用AN/APQ97雷达获得的雷达图像证明它在地质构造研究中是非常具有参考价值的。

1.1.3 洛杉矶环境试验场

洛杉矶环境试验场位于科罗拉多州中西部，由博纳扎、都会科连多和圣胡安等3个分区组成，面积大约60000 km2。该试验场是一个大型综合试验区，包含多种互相关联的地理学特征和气候条件。其中博纳扎分区主要侧重于地质学和水文学，圣胡安分区主要研究生态学、冰川地质-地貌学、大气、土壤和冻原等，都会科连多分区侧重于城市和土地使用规划等研究。

表1 部分基于多光谱遥感的遥感试验场Table 1 Remote sensing test site of Multispectral Remote Sensing

洛杉矶环境试验场包含多个火山中心和火山区，主要是博纳扎、锡尔弗克里夫—罗希达丘陵以及位于西南部分的圣胡安火山区。这些地区由渐新统岩流、火山灰流、角砾岩和凝灰岩组成。在火山区域内已经形成许多由火山构造引起的大的塌陷，这些塌陷特征是渐新统火山活动中心的标志，大量的成矿作用常常与这种塌陷伴随产生，而且后期喷发物质大量地堆积于塌陷区域。

1.1.4 Bucks湖试验区

Bucks湖试验区位于美国内华达山脉以北，加利福尼亚州昆西城以西约24 km，主要用于森林遥感实验研究。试验区内包括海拔高度1000～2100 m的大约300 km2的山岳地带，因而可反映不同土壤和植被类型的气候状况。

1.2 基于高光谱遥感的试验场

在多光谱遥感技术不断发展的基础之上，20世纪80年代初美国提出了高光谱遥感概念模型并成功研制了成像 (高)光谱仪，此后世界上一些发达国家，如美国、加拿大、澳大利亚等，选择特定试验场对成像光谱仪进行了评价实验及运用研究，促进了高光谱遥感技术和方法的发展，逐步形成了涵盖不同光谱谱段和不同空间分辨率的具有不同平台的高光谱遥感技术体系［3～4］。比较典型且得到认可的高光谱遥感试验场主要有美国Cuprite试验场、美国死谷北部试验场以及澳大利亚高光谱应用试验场等。

1.2.1 Cuprite 试验场

Cuprite试验场位于内华达州西部Goldfield镇以南约30 km的Cuprite矿区。从19世纪70年代开始，Cuprite试验场就作为MSS、TM、ETM、ASTER、Hyperion等卫星传感器的遥感地质应用试验场。20世纪80年代又发展成为成像光谱的应用试验场，加速了AVIRIS、Probe-1、SEBASS、GER等成像光谱仪的改进与完善，开发了成像光谱应用技术方法与应用系统。Cuprite试验场现在已经成为遥感地质界普遍认同的“标准的”遥感试验场。

1.2.1.1 地层和岩石

该试验场区交通便利，地势较低。95号公路将Cuprite矿区分成东西两个部分。试验场区内地层主要包括寒武纪、第三纪和第四纪地层 (见图1)。寒武纪地层中有铜、金、银和铅矿化，第三纪凝灰质沉积岩和熔结凝灰岩中有硫产出。

图1 Cuprite矿区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Cuprite mining area

寒武系主要是沉积岩地层，在试验场西区出露较多，主要包括Harkless组、MuleSpring灰岩和Emigrant组。Harkless组主要由绿色硬绿泥石粉砂岩组成，矿物成分有云母、绿泥石、黑云母和石英等，局部可见少量砂质灰岩;MuleSpring灰岩覆盖在Harkless组之上，由灰色微晶、薄层灰岩组成;Emigrant组由薄层灰岩和燧石组成，仅西北和西南少数地区出露。

第三纪地层多分布在试验场东区，岩石类型主要是多晶流纹岩、英安粗质凝灰岩、沉积岩和火山岩;试验场西区出露有一条英安粗质霏细岩岩墙。东区还有少量含斜长橄榄岩斑晶玄武岩熔岩出露。东、西部的第三纪火山岩蚀变发育。

第四纪地层为砂砾层 (局部可见大石块)，在试验场区内分布广泛。

1.2.1.2 蚀变

Cuprite试验场区拥有一个相对保存完好的火山岩水热蚀变系统，蚀变岩石广泛出露，主要蚀变矿物为高岭石、明矾石和硅化等。蚀变岩石可进一步划分为3个填图单元 (见图2)，即硅化岩石、蛋白石化与黏土化岩石。硅化岩石分布在该地区中部到最南端，呈一个大型不规则的补丁，硅化核心部位 (包含石英、方解石和细小的明矾石与高岭石)是Cuprite矿区蚀变最强烈的岩石;蛋白石化岩石含有大量蛋白石、明矾石与高岭石;黏土化岩石中，斜长岩蚀变成为高岭石，玻璃质组分蚀变成为蛋白石和不同含量的蒙脱石与高岭石。

图2 Cuprite矿区3种蚀变岩石单元分布Fig.2 Three alteration rock units in Cuprite mine area

1.2.1.3 矿物和岩性的识别与填图实验

20世纪70年代末，美国就开始在Cuprite地区进行蚀变矿物地质填图试验研究。1976年利用在可见近红外具有11个波段的Bendix 24通道航空扫描仪开展了航空飞行实验，以检验在可见—近红外谱段范围内热液蚀变岩石中明矾石和黏土矿物的含量变化、以及铁含量的变化。该次实验获得了非常好的效果，直接促进了1978年决定在陆地专题卫星TM上增加第七波段 (2.08～2.35 μm)。

Cuprite试验场自20世纪80年代中期开始作为成像光谱仪的分析试验场，Clark等［3］先后利用AVIRIS数据在Cuprite试验场进行了矿物种类和岩性的识别与填图、矿物识别的定量化等实验研究 (见图3)。

图3 Cuprite试验场矿物分布图Fig.3 Mineral distribution map in Cuprite test site

Rowan等［4］使用ASTER对Cuprite矿区热液蚀变岩石和围岩进行了蚀变矿物填图实验，并且与AVIRIS的矿物识别结果进行了比较分析 (见图4)。

图4 Cuprite地区的ASTER和AVIRIS矿物识别与矿物分布Fig.4 Mineral recognition and mineral distribution of ASTER and AVIRIS in Cuprite area

1.2.2 死谷北部试验场

死谷北部试验场位于美国加州和内华达州分界线中南部，Grapevine山脉北部。该地区植被主要是草、零星灌木丛和仙人掌，覆盖率一般小于5%，对遥感影响不大。

该试验场地层及蚀变都很发育，其中前寒武系基岩由灰岩、白云岩和砂岩及其接触变质岩组成;中生代深成岩体主要包括黑云母花岗岩、石英二长岩斑岩岩株、石英二长岩岩墙和一个花岗岩侵入体，这些岩体均被南北向狭窄矿化剪切带所切割，其中发育绢云母 (细粒白云母或伊利石)和氧化铁矿物。石英二长斑岩中发育一条相对较宽的北西向浸染状石英、黄铁矿、绢云母、黄铜矿和氟石及针铁矿矿化蚀变带。

前寒武系中石英二长岩株的周围发育矽卡岩化，主要由棕色钙铁榴石及方解石、绿帘石和透闪石等共生矿物组成。

该试验场研究程度相对较高，1982年被美国地调局指定为地质矿产勘查试验区。1984至2006年安排了各种遥感仪器试验，主要是评价遥感技术在资源调查中的作用，并发展了分析方法。可评价的遥感数据包括 Landsat MSS、TM、TIMS、JPL机载合成孔径雷达(AIRSAR)和SIR-C等。

1.2.3 澳大利亚高光谱应用试验场

澳大利亚地球观测中心 (EOC)高光谱试验场共有17个 (见图5)，均为应用型试验场，并且侧重矿物填图以及与海岸生态有关的自然环境变化监测与研究，其中3个是与地质应用相关的试验场，分别是MtFitton、Goldsworthy和Panorama。MtFitton用于开展地质与矿产填图研究，Goldsworthy用于研究矿山复垦问题，Panorama用于开展VMS型矿物蚀变、矿物识别及填图研究。这些综合应用试验为澳大利亚机载成像光谱仪HyMap的应用奠定了坚实基础，为星载成像光谱仪ARES提供了技术支撑。

图5 澳大利亚成像光谱试验场分布Fig.5 Imaging spectral test site distribution in Australia

2 国内遥感试验场建设

中国遥感试验场的建设始于20世纪70年代，伴随着我国遥感技术的不断发展及应用需求，先后建立起了一系列遥感综合试验场、专业试验场和校正场 (见表2)，促进了我国遥感技术的更快发展。相对较早开展具体综合应用工作的是腾冲综合遥感试验场。

2.1 云南腾冲遥感综合应用试验场

该试验场位于云南腾冲县，于1978年选址确认，并在当年开展了以国产传感器为主的航空遥感综合应用研究。这是中国遥感界一次意义重大的综合应用试验，是我国独立自主进行的第一次大规模、多学科、综合性遥感应用实验，促进了我国遥感科技的飞跃。

该次综合应用实验分为33个专题组，完成了75项专题研究，包括地质、农林、水资源、测绘制图等各个专业的解译制图，以及各种遥感仪器检验和波谱测试工作，获取了腾冲试验区比较系统而完整的第一手遥感图像和数据，编制了大型《航空遥感图集》和《经济统计图集》，系统而全面地反映了试验区的自然资源和开发水平，实现了多学科的综合性遥感制图，并摄制了《遥感》和《腾冲火山与热泉》两部科教片。

表2 国内遥感试验场Table 2 Statistical table of remote sensing test site in China

通过这次实验，不仅检验了仪器的性能，积累了数据，获取了经验，为我国独立研制系统传感器奠定了基础，而且也为我国培养了大批遥感专业科研技术人员。

时隔20年后的1999年，中国科学院在腾冲又进行了与第一次时相相同的第二次航空遥感飞行，目的主要是对成像光谱仪应用实验进行评价。利用成像光谱仪获取腾冲典型地段的航空遥感数据，收集地面信息数据，研究该区20年来土地覆盖和土地利用的变化，评价航空高光谱遥感在矿产资源勘查方面的应用效果，并对腾冲地区自然景观进行动态研究。

2.2 长春净月潭遥感试验场

该试验场位于长春市东南角，距市区18 km，基本试验区面积300 km2，加上扩大试验区面积约800 km2。试验场区属温带半湿润大陆性季风气候，四季分明;土壤主要有地带性丘陵暗棕壤、黑土及草甸土三大类;植被类型以森林草原为主。该地区的自然地理要素代表了我国东北地区的特点，是一个比较理想的综合遥感试验场。

1979年在该场进行了一次综合性的航空遥感实验，开展了地质、地貌、水文、气象、植被、土壤和地物波谱等各项综合应用实验，获得了较好的成果。

该试验场自1989年起成为对国内外开放的野外遥感试验场地，可支持和开展多层次遥感数据的地表观测、试验、检验与分析模式的长期积累，地基遥感机理与模式研究，空间遥感数据与遥感产品的验证与校准示范基地研究。

2.3 黑河综合遥感联合试验区

该试验区位于我国西部黑河流域区，可进行寒区水文实验、森林水文实验、干旱区水文实验以及模拟平台和数据平台建设集成研究，是在流域尺度上开展以水循环及与之密切相关的生态过程为主要研究对象的大型航空、卫星遥感与地面同步观测的科学试验区。

该试验区已开展了多架次航空遥感飞行实验，所获取的数据集包括了航空遥感、卫星遥感、地基遥感 (微波辐射计、微波散射计、光谱仪)观测，多普勒雷达降水观测，微气象和大气廓线 (探空与分光光度计)观测，地面同步观测的积雪属性 (雪深、雪密度，雪粒径及雪反射率等)、冻土属性 (冻融状态、水分含量、电导率等)，反射率/反照率，土壤温度和冠层温度，LAI、生物量、植被含水量、Fpar等植被生物物理和生物化学参数，以及树高、冠幅植被结构参数等。

2.4 哈密遥感地质综合试验场

2.4.1 地理位置

该试验场位于新疆东天山哈密市东南，距离哈密市区约160 km，面积约1600 km2。区内交通较为方便，312国道从试验场区西南部贯穿，与兰新铁路烟墩站、尾亚站有简易公路相连，试验场区内还有多条矿区柏油路贯穿;哈密机场位于试验场区西北角约130 km处。

试验场区属于荒漠戈壁地区，总体地势呈南高北低之势。区内属大陆性气候，干旱少雨，水系不发育，无常年流水，区内昼夜温差大。区内植被非常稀少，是开展遥感地质综合应用研究及新技术新方法开发应用的理想场地。

2.4.2 地质概况

试验场区属于塔里木板块北部陆缘活动带二级构造单元，区域构造发育，尤其是断裂构造发育，深断裂、大断裂和一般断裂构成错综复杂的断裂系统。

试验场区内出露的地层单元主要有:长城系星星峡群中深变质岩，主要岩性为长英质角岩、黑云母石英片岩、二云母石英片岩、变粒岩和浅粒岩等;下石炭统干墩组次深海相陆源碎屑浅变质岩和中酸性火山碎屑岩，地层岩石的绿泥石化、绿帘石化蚀变普遍比较强烈;下石炭统雅满苏组陆源碎屑沉积岩、火山碎屑岩和中-基性火山岩;下石炭统梧桐窝子组中酸性熔岩夹火山碎屑岩;下二叠统阿其克布拉克组陆相碎屑岩;以及古近系、新近系和第四系等。

由于大洋板块俯冲、大陆板块碰撞及后碰撞走滑和伸展等作用，相应产生了强烈的岩浆活动及火山爆发，使得区内侵入岩及脉岩非常发育，从超基性-基性岩到中酸性岩均有分布。受表生地质作用影响，区域的侵入岩普遍蚀变较强，其中基性岩和超基性岩的褐铁矿化、绿泥石化、绿帘石化或蛇纹石化等较发育，而中酸性岩体的白云母化、绢云母化、绿泥石化、高龄石化和黄铁矿化等也较为发育。

2.4.3 试验场建设进展

试验场建设主要是面向遥感地质勘查技术发展的应用需求，建设野外与室内相适应和匹配的遥感地质试验场的仿真实验平台。目前已完成野外试验场基础地理、基础地质、岩矿光谱、遥感影像、地球物理和地球化学等基础本底数据的采集 (见表3);同时，针对遥感地质试验场的特点，搭建了室内半实物仿真硬件平台，具备了开展仿真模拟的能力。

开发了遥感地质试验场服务系统，系统集成了野外试验场本底数据库和室内数字仿真平台及物理仿真实验室，可实现遥感地质试验场服务系统的网络运行，初步具备了提供社会公益性服务的能力 (见图6)。

目前，在该试验场可开展遥感地质产品真实性检验，遥感数据几何与辐射等标定，航天、航空、地面等有效载荷的论证和指标设置以及航天、航空、地面等成像系统性能预测与优化、图像质量评估等科研工作。

表3 哈密地质试验场基础本底数据Table 3 Basic background data of Hami test site

3 结论

遥感试验场是可用于遥感技术基础研究、技术实验和检定，具有相对稳定的自然条件和定位观测条件的天然的固定试验场所。遥感试验场的建立不是一蹴而就的，尤其是综合性的遥感试验场，需要经过众多研究者在同一个地区进行大量实验;经过长期研究，最终得到普遍认同，才能成为一个相对“标准”的遥感试验场。

所建立的遥感试验场是多种遥感体系 (系列卫星、多种航空遥感系统)的地面支持系统的重要部分，既可满足卫星和航空遥感系统实验运行及应用评价的需要，又可为广大遥感用户提供基本数据资料与试验场地以及有效和有针对性的遥感方法和成套技术。

图6 遥感地质试验场服务系统网页Fig.6 Service system webpage of Hami remote sensing geological test site

［1］ 荀毓龙.遥感基础试验与应用［M］.北京:中国科学技术出版社，1991.XUN Yu-long.Basic test and application of remote sensing［M］.Beijing:China Science and Technology Press，1991.

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