水系標志在大興安嶺中生代火山巖識別中的應(yīng)用

王曉東，邊宏業(yè)，邢立新，翟錫丹

（1．吉林大學, 吉林 長春130026；2. 武警黃金一總隊, 黑龍江 哈爾濱150006）

水系是地表徑流侵蝕地表巖土所產(chǎn)生的河槽系統(tǒng)，經(jīng)過水流的地質(zhì)作用，形成河流流域、湖泊、還包括沖溝、山谷、溪流等。水系信息的提取在水文和巖石巖性構(gòu)造等研究方面都是不可或缺的。自然中河流都是以水系網(wǎng)的形式存在，不同的水系類型會形成不同的水系網(wǎng)絡(luò)[1]。水系的發(fā)育受到巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制，水系類型、形態(tài)（平面和剖面）和密度的差異能夠表現(xiàn)巖性的不同以及構(gòu)造形式，一個地區(qū)大的水系穩(wěn)定的定向延伸，一般均代表這一地區(qū)構(gòu)造線的方向，水系支流的線性展布及水系的異常部分，往往就是線性斷裂構(gòu)造存在的很好的標志。此外，當存在不同巖體時，水系類型還能體現(xiàn)出侵入關(guān)系等。

水系是遙感影像非常重要的解譯標志之一，在地質(zhì)解譯方面對水系末級的支溝、小溪等水紋網(wǎng)尤為關(guān)注，他們對構(gòu)造分析和巖性解譯都很有作用；1975年盧洪謙就對航片上的不同類型水系特征與地質(zhì)體對應(yīng)關(guān)系進行闡述，20 世紀80年代后期王文銳利用遙感像片分析水系形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造和地形關(guān)系，并將其應(yīng)用于山區(qū)公路選線，王秀乾等從衛(wèi)星圖像的水系特征入手對鄂爾多斯盆地北部進行遙感地質(zhì)構(gòu)造解譯，并預測了油氣富集區(qū)，孟偉研究了吉林東部地區(qū)水系特征與地質(zhì)背景的關(guān)系。

隨著分形幾何等數(shù)學理論的發(fā)展，分形理論被應(yīng)用于水系特征的自動分析，盤曉東等在2002年對渾江斷裂帶進行水系的分形研究，證明渾江斷裂帶具有較強的活動性，邢永麗在2006年研究了不同地質(zhì)填圖單元的水系分維數(shù)特征，嘗試應(yīng)用分形分析方法對區(qū)域地質(zhì)調(diào)查填圖單元進行識別[2]。2009年黃春龍基于紋理信息提取丹東地區(qū)水系，并進行了特征分析。

基于數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)提取水系，利用坡度和坡向的比值，計算流域河谷等因為處于最低點的特定特征值，可以反映出研究區(qū)的局部的地形特征；其中主要針對確定流域流向的算法-D8 算法，對于提取水系尤為見效，提取精度高，操作簡單，原理易懂，所以被廣泛應(yīng)用，比較成熟[3]。本項研究基于DEM 數(shù)據(jù)通過D8 算法來提取研究區(qū)的水系，對該區(qū)域水系類型進行辨別分析與總結(jié)，因中生代火山巖具有特殊的水系類型，通過水系類型確定中生代火山巖分布，劃分巖性，識別火山巖。

1 研究區(qū)概況

1.1 數(shù)據(jù)源

該項研究以大興安嶺為研究區(qū)，基于該地區(qū)的DEM 數(shù)據(jù)對水系進行提取，該數(shù)據(jù)為2009年ASTER DEM 數(shù)據(jù)，橫軸墨卡托投影，WGS84 坐標系，空間分辨率為30 m（圖1）。

圖1 大興安嶺研究區(qū)DEM

數(shù)字高程模型（DEM）采集自USGS，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型；有規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不規(guī)則三角網(wǎng)2種算法。DEM 的特優(yōu)點：DEM 的精度恒定，表達形式多樣化，以及由于DEM 數(shù)據(jù)是數(shù)字化的，對數(shù)據(jù)進行增加或是修改，可以由計算機自動完成，所以說他還有實時性。

DEM 數(shù)據(jù)是可能存有異常的，所以在基于DEM提取水系之前，要對原始數(shù)據(jù)進行預處理，主要的內(nèi)容就是偽洼地填充。洼地是不合理的集水區(qū)域，是由于DEM 的誤差引起的，如果研究區(qū)沒有巖溶等能產(chǎn)生洼地的情況，那就要把它填平，主要處理時結(jié)合實際的地形地貌來進行[4]。該項實驗的研究區(qū)沒有這種情況。如果不進行這種處理，所提取的水系則會是斷斷續(xù)續(xù)的，處理后的洼地將成為斜坡的延伸部分，DEM 數(shù)據(jù)中的幾乎所有地形都是由斜坡構(gòu)成的，這樣提取出來的水系才能是連續(xù)的。

1.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，植被覆蓋度高。區(qū)內(nèi)斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育，有北西、北東、東西和南北向線性構(gòu)造，其中東西向為最早期，北西（北東）向發(fā)育最晚或為繼承性新的活動，且貫穿全區(qū)，控制現(xiàn)代河流發(fā)育。

研究區(qū)東部區(qū)發(fā)育中生代侵入體，受構(gòu)造控制發(fā)育似平行狀和弧形沖溝；西部區(qū)主要地質(zhì)單元為中生代火山巖，受斷裂控制發(fā)育豐字形水系，分布很多發(fā)育規(guī)模不等的放射狀、環(huán)狀水系。

2 水系信息提取

2.1 提取方法

水系提取有4個基本過程：提取水流方向，匯流累積量，柵格河網(wǎng)的提取及矢量河網(wǎng)生成[5]。

計算水流方向，就是計算每一個柵格單元的水的流向，柵格的水流方向指的是水流離開柵格單元時的指向。水流方向的計算是基于D8 算法實現(xiàn)的，D8 算法流向確定法，是假設(shè)單個網(wǎng)格中的水流只有8種可能的流向，也就是流入與對象象元相鄰的8個網(wǎng)格中，水流的流向是通過計算中心格網(wǎng)與鄰域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來確定，距離權(quán)落差是指中心柵格的高程差除以柵格間的距離。用其中最陡坡度法來確定水流方向的，最陡坡原則為單元格坡度的最佳代表值是8個坡度中的最大數(shù)值，水流方向就是其坡度最陡的方向。2個相鄰單元格i 和j 之間的坡度計算公式：

式中，hi 和hj 為2個單元格的高程值，D 為2個單元格中心之間的距離。通過計算得來的水流方向來判斷洼地，對于偽洼地要根據(jù)洼地深度計算來設(shè)定一個閾值將之填充。以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計算每點處所流過的水量數(shù)值，計算匯流累積量從而得出地表徑流漫流模型然后提取河網(wǎng)。

2.2 水系提取

該項實驗目的為提取水系，根據(jù)水系分布結(jié)合圖像上相關(guān)的色調(diào)、地貌形態(tài)、高程等等來識別火山巖，技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 火山巖識別技術(shù)路線

其中洼地填充過程中sinkdep 閾值設(shè)定為他的最大值加上一；河流提取的閾值根據(jù)匯流累積量的計算結(jié)果設(shè)定為1 000[6]；基于以上步驟得到研究區(qū)水系如圖3 所示。

圖3 大興安嶺研究區(qū)水系

遙感影像分辨率高，地形起伏明顯，是實體地物的真實記錄，從影像上可以清晰地目視解譯水系，但基于遙感影像提取出來的水系效果不佳，因此該項研究基于DEM 對同實驗區(qū)域的水系進行提取，經(jīng)驗證DEM 數(shù)據(jù)中提取的水系結(jié)果與遙感影像上的水系基本吻合，并將二者疊加，如圖4 所示。

圖4 遙感影像水系疊加圖

3 應(yīng)用分析

水系形式平面劃分主要是依據(jù)圖形形狀命名，研究區(qū)水系提取可達五級，水系標志為圈定巖性（相）界線、解譯構(gòu)造格局提供準確的依據(jù)。巖性與構(gòu)造的差異形成不同的水系格局，其中有典型的倒鉤狀、異常拐點、“豐”字型、放射狀、環(huán)狀水系等形式（表1）。

表1 水系形式與影像特征及其所代表的地質(zhì)意義

研究區(qū)的東部三分之一區(qū)域主要巖性為花崗巖侵入體，水系多發(fā)育為樹枝狀（似平行狀）水系，多處發(fā)育倒鉤狀水系，因此是斷層發(fā)育區(qū)。以十里長嶺—瓦拉里北西向斷裂帶控制著地質(zhì)體與地質(zhì)現(xiàn)象的分布，其斷裂帶的北東部區(qū)域主要以侵入體發(fā)育為主，該區(qū)后期構(gòu)造很發(fā)育，地形切割強烈，致使巖體具有“條帶狀”地形[7]。而斷裂帶南西區(qū)域則以中生代火山巖為主，具有特征的放射狀斷裂。

研究區(qū)域的西部三分之二區(qū)域為中生代火山巖分布區(qū)，受北東向貫穿全區(qū)的塔河斷裂帶控制[8]，及與之基本呈直角相交的一系列北西向斷裂控制的溝谷構(gòu)成典型的“豐”字型，兩側(cè)發(fā)育規(guī)模不等的火山機構(gòu)和巖相。形成與火山機構(gòu)形成有關(guān)的典型環(huán)狀、放射狀水系，如地形中心隆起水系向四周散開的放射狀水系，可以推斷絕大多數(shù)的放射狀水系與環(huán)狀放射狀水系均為火山口、火山錐。

4 結(jié)論

該項研究基于DEM 數(shù)據(jù)，以大興安嶺為研究區(qū)，對區(qū)內(nèi)的水系基于D8 算法進行了提取，提取效果較為理想，水系級別達到五級，經(jīng)過與1∶50 000 的遙感影像疊加對比，DEM 所提取的水系與影像上基本吻合，這說明對1∶50 000 遙感影像提取水系可以利用同區(qū)的DEM 來代替，但建議用遙感影像采取好的處理辦法提取會更好。提取的水系對研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、巖性巖相劃分提供了重要依據(jù)。

研究區(qū)的水系類型豐富，成因不同，放射狀水系與環(huán)狀水系最為多見，結(jié)合研究區(qū)多為中生代火山巖的地質(zhì)背景，放射狀水系多為火山口、火山錐；還有一些豐字形水系、倒鉤狀水系、似平行狀水系，均與巖性差異和線性構(gòu)造相關(guān)聯(lián)。通過水系類型，準確的識別火山巖，使得植被覆蓋率高的地區(qū)能夠得到有效的地質(zhì)解譯。

[1]陳華慧.遙感地質(zhì)學[M].北京：地質(zhì)出版社，1984.74-197.

[2]黃春龍，邢立新，韓冬.基于紋理特征的水系信息提取[J].吉林大學學報，2008，(38)：227-228.

[3]倪星航.基于規(guī)則格網(wǎng)DEM提取地形特征線的方法研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[4]嚴建剛，金復鑫，周小程，等.ArcGIS中基于DEM提取溝道特征[J].海軍航空工程學院學報，2013，(28)：311-314.

[5]鐘 敏.基于SRTM DEM的浙江八大水系特征提取與精度分析[J].科學技術(shù)與工程,2013，13（22）：6545-6547.

[6]湯國安，楊 昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2006.429-444.

[7]懷寶峰，辛有濤，劉智杰，等.大興安嶺北部十里長嶺一帶金及多金屬成礦地質(zhì)特征及找礦方向[J].黃金科學技術(shù)，2012,20（2）：50-53.

[8]周其林，王獻忠，吉 峰，等.大興安嶺中生代火山巖地層對比[J].地質(zhì)評論，2013，(59)：1077-1084.