面向应用的航天遥感科学论证研究

为适应中国民用航天遥感从科学试验向业务服务模式转变,更好地探索、了解与解决应用需求与航天遥感系统对接等方面遇到的技术问题,促进航天遥感统筹协调可持续发展,中国适时于2004年成立了国家航天局航天遥感论证中心。10余年来,论证中心以航天遥感系统为研究对象,系统开展了面向应用的航天遥感科学论证概念、理论方法、技术工程与应用研究。本文是论证中心团队长期从事航天遥感科学论证研究与实践的系统总结,介绍了遥感论证初步认知、遥感论证关注问题、遥感论证理论体系与模型方法集、遥感论证能力建设及遥感论证实践等方面内容,给出了遥感论证定义并详细分析了研究范围和内容,提出了由知识维、进程维和逻辑维所组成的遥感论证作用域3维空间结构,指出社会发展加快和信息化水平提高,带动整个航天遥感数据信息链向更大规模、更短响应时间周期、更综合数据集成、更高数据质量、更加智能化方向发展,航天遥感系统将进入新的"智慧遥感"发展阶段。得益于十余年来中国民用航天快速发展,我们经历了风云三号新型载荷校飞、多角度多光谱偏振遥感器论证、环境星应用工程论证等实践,取得了多方面理论方法的突破,并应用到2030民用航天发展规划、高分辨率对地观测系统、国家自然灾害空间信息基础设施、国家民用空间基础设施中长期发展、2030中国综合地球观测系统规划等论证当中。经过不断实践,快速迭代,形成了遥感论证理论体系及相应的十大模型方法,包括遥感信息流模型、遥感信息特征模型、遥感信息应用模型、遥感信息量分析模型、遥感数据工程模型、航天遥感系统结构模型、航天遥感系统状态描述模型、航天遥感系统质量模型、航天遥感系统发展动力模型及能力体系模型。这些模型方法全面反映了航天遥感系统特征、结构、状态、发展动力、条件等,可广泛用于对航天遥感系统进行顶层设计、规划、考察、分析、评价、预测,并开展实践探索。     

高维遥感图像的快速分类算法

为了实现对高维遥感图像的快速准确分类,提出了一种基于k均值二叉树支持向量机(SVM)的分类方法。该方法通过对选取的训练样本进行k均值聚类,生成支持向量机分类二叉树,作为确定最佳分类顺序的依据,以降低分类过程中的误差累积并提高整体分类精度,而且可缓解由样本数量不均衡导致的分类误差。该方法可在不进行降维处理的情况下,对高维遥感图像进行快速准确分类。测试结果表明,其分类速度和分类精度都优于传统的支持向量机分类结果。     

板桥-合水地区长63储层成岩相孔隙结构特征及优质储层分布

利用铸体薄片、扫描电镜、常规压汞、恒速压汞及相渗等资料,研究了板桥-合水地区长6₃储层成岩相类型及其微观孔隙结构特征,总结了不同成岩相的测井响应特征,确定了纵向及平面分布规律。结果表明优质成岩相的展布受沉积相、成岩作用与孔隙结构共同控制,尤其是喉道分布才是控制砂岩储层渗透性的主要因素。水云母胶结-残余粒间孔相和水云母胶结-长石溶蚀相储层主要分布于半深湖相重力流复合水道浊流沉积中,细-微细喉道发育,孔喉连通性好,渗流能力最好,油水呈相对均匀的渗流,孔隙内的油气极易通过喉道被开采出来;绿泥石胶结相、水云母胶结弱溶蚀相储层位于分支水道边缘,呈孤岛状分布,孔喉半径小但分布均匀,渗流能力中等-差;碳酸盐胶结相、碳酸盐+水云母胶结相储层主要发育在分支水道间,孔隙结构发育程度差,喉道细小且孔喉连通性差,富集于孔隙中的油气难以通过小喉道,采收率低。     

Shale Gas Formation and Occurrence in China: An Overview of the Current Status and Future Potential

Shale gas is one of the most promising unconventional resources both in China and abroad. It is known as a form of self-contained source-reservoir system with large and continuous dimensions. Through years of considerable exploration efforts, China has identified three large shale gas fields in the Fuling, Changning and Weiyuan areas of the Sichuan Basin, and has announced more than 540 billion m~3 of proven shale gas reserves in marine shale systems. The geological theories for shale gas development have progressed rapidly in China as well. For example, the new depositional patterns have been introduced for deciphering the paleogeography and sedimentary systems of the Wufeng shale and Longmaxi shale in the Sichuan Basin. The shale gas storage mechanism has been widely accepted as differing from conventional natural gas in that it is adsorbed on organic matter or a mineral surface or occurs as free gas trapped in pores and fractures of the shale. Significant advances in the techniques of microstructural characterization have provided new insights on how gas molecules are stored in micro- and nano-scale porous shales. Furthermore, newly-developed concepts and practices in the petroleum industry, such as hydraulic fracturing, microseismic monitoring and multiwell horizontal drilling, have made the production of this unevenly distributed but promising unconventional natural gas a reality. China has 10–36 trillion m~3 of promising shale gas among the world's whole predicted technically recoverable reserves of 206.6 trillion m~3. China is on the way to achieving its goal of an annual yield of 30–50 billion m~3 by launching more trials within shale gas projects.     

不同地形条件地面同步光谱定标场对比研究

利用美国ASD公司的FieldSpec Pro FR地面波谱仪,选择5°视场角探头和135cm探头距测试地物高度,开展0°、5°、10°、15°、20°等五种不同地形坡度明、暗地物自然定标场地面波谱测试。通过对比研究不同地形坡度具代表性、能真实反映被测试目标平均自然性的各波谱测试点波谱曲线特征,得出0°、5°地形坡度获取的波谱曲线连续、平滑,信噪比高,没有混入大气水气吸收、仪器噪声等因素导致的剧烈波动、跳跃现象或尖锐锯齿状噪声,波谱特征明显,吸收峰最小值位置清晰可辨,各波谱测试点波谱曲线变化幅度小,整体反射率值变化小,Fe~(2+)、Fe~(3+)、Al-OH、Mg-OH、CO_3~(2-)等分子基团与离子波谱的诊断性波谱特征位置清晰可辨。因此0°和5°坡度地形条件获取的地面同步自然场光谱定标波谱曲线,可以满足航空高光谱遥感数据的大气校正、光谱重建和空、地回归分析等所需的地面波谱数据要求。     

Structuring velocity model of microseism based on genetic algorithm and Levenberg-Marquardt algorithm

为在射孔时间未知条件下达到微震速度模型矫正的目的,采用遗传算法交叉互换搜索最优初值和 Levenberg-Marquardt 算法局部锁定最优解的方式来构建微震速度模型。通过 6 层层状模型及井下不同数量检波器进行试算,随着检波器数量增加,构建的速度模型准确度越高,当检波器数量增加到 20 个时,误差约 13. 4 ×10 －3 ,目的层检波器数量越多,构建目的层速度误差越小,第 5 层检波器由 1 增加到 3 个时,精度提高 9. 1 ×10 －3 ,并且反演震源与实际震源距离相差 10 m,说明此方法在射孔时间未知条件下可以良好构建速度模型。     

黑龙江饶河枕状玄武岩地质、地球化学特征及其构造属性

为了确定饶河玄武岩的构造属性,在野外地质观察的基础上,对玄武岩进行岩石学研究和地球化学分析。玄武岩具有典型的枕状构造、淬冷边、中空骸晶和鬣刺结构等特征,反映其形成于海底喷发环境。化学分析样品具有高TiO_2、MgO和低Al_2O_3、CaO、P_2O_5、K_2O等特征,富集大离子亲石元素(Rb、Sr和Ba),微量元素蛛网图呈向上隆起形态,稀土元素配分曲线为右倾型(∑LREE/∑HREE为5.8~6.5),无δEu异常(0.92~0.97),表明样品具有洋岛玄武岩特征。主量和微量元素构造环境判别图指示了样品形成于洋岛或板内环境。样品与亚速尔型和夏威夷型洋岛玄武岩地球化学特征对比,表现出明显的夏威夷型洋岛玄武岩特征。岩石源区分析揭示出岩浆具有地幔热柱起源,并有先期交代地幔熔体的混入,岩浆源区还受壳幔循环的影响。研究表明,饶河枕状玄武岩为夏威夷型洋岛玄武岩,形成于洋壳消减阶段的洋中脊轴外板内喷发环境,为饶河地区存在成熟的洋盆提供直接证据。结合区域研究成果,认为饶河地区经历了古太平洋板块的扩张、洋中脊轴外板内地幔柱上涌、洋壳俯冲消减以及向佳木斯地块仰冲增生的构造演化过程。     

吉林省临江市小湖闪长玢岩体锆石U-Pb年代学和地球化学特征

对小湖闪长玢岩进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学及岩石地球化学研究。结果表明,岩石年龄为211~214 Ma,加权年平均龄值为(212.8±1)Ma,表明岩浆属于晚三叠世。依据TiO_2-Zr/P_2O_5、P_2O_5-Zr及SiO_2-K_2O图解,判断岩石为高钾钙碱性系列,A/CNK值为1.25~1.57,为过铝质。富集大离子亲石元素(如K、Rb、Ba),相对亏损高场强元素(如Nb、Ta、P、Ti)。高Mg~#值(51.74~52.56,平均为52.17)、Nb/Ta比值(13.52~16.00)、Rb/Sr比值(0.13~0.18)、Th/Nb比值(0.34~0.37)及Ba/La比值(12.39~15.83),显示出此岩体具有壳幔混合特点。综合前人研究成果,认为岩石形成于古亚洲洋闭合之后的造山拉张环境。     

基于单元速度泰勒展开的上限原理有限元法

极限分析上限法较极限平衡法有着严谨的理论基础和物理意义。借助于级数展开的思想,通过对速度在单元形心点处一阶泰勒展开,得到了以形心点速度和速度一阶导数为基本未知变量的上限有限元法,该方法丰富了上限有限元基本理论,且可更好地表达与刚体上限法之间的联系。在形成新的上限法的同时,放松单元内任一点均需严格满足上限性质的要求,采用等面积多边形的形式代替外切多边形来逼近摩尔-库仑屈服圆。算例表明:该方法可稳定收敛到真实解,具有和传统Sloan法相同的收敛度;采用等面积多边形逼近形式时,较少的多边形边数即可取得较好的收敛效果,收敛速度大大提高。     

透明类岩石内置三维裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机制是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于无法观察真实岩体内部裂纹扩展过程且CT扫描实时性不足等原因,自行研制了一种各项性质与岩石接近的透明类岩石材料,以观察研究其内部三维裂纹的扩展贯通机制。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,可更方便地观察岩体内部裂纹萌生、扩展不同阶段的形状。然后制作了一批内置单裂隙和双裂隙的试件,在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩试验,详细观察研究了单裂隙和双裂隙试件在不同岩桥角和裂隙间距情况下的裂纹扩展贯通模式以及裂隙数量和间距对试件抗压强度的影响,并从理论方面对翼形裂纹的扩展过程进行了解释。试验表明,在不同的岩桥角和裂隙间距下,次生裂纹将呈现不同的扩展贯通模式,试验中观察到的次生裂纹有张拉翼裂纹、与翼裂纹反向生长的反翼裂纹和拉剪作用下的花瓣状裂纹等,试件最终破坏是各种形式的裂纹汇合贯通的结果。裂隙的存在极大地降低了试件的抗压强度,且随着裂隙数目增加,试件峰值强度呈降低趋势,同时裂隙间距也对试件的峰值强度产生一定的影响。试验成果对分析真实岩体的破坏失稳机制有着重要的参考价值。