航空高光譜遙感在地質(zhì)解譯中的應(yīng)用研究
——以伊犁尼勒克南部山區(qū)遙感地質(zhì)解譯為例

謝 濤，萬余慶

（西安煤航遙感信息有限公司，陜西西安710054）

一定的地質(zhì)條件下，地質(zhì)體的構(gòu)造特征、巖性特征、蝕變特征，在遙感影像上通常以不同的色調(diào)特征、紋理特征、幾何形態(tài)特征表現(xiàn)出來，而遙感影像的宏觀性、直觀性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)在巖性識(shí)別、構(gòu)造解析、侵入體單元、超單元的劃分等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著地質(zhì)勘探工作程度的深入，遙感技術(shù)在地質(zhì)工作應(yīng)用的精度要求也不斷提高，多光譜影像數(shù)據(jù)由于其空間分辨率和光譜分辨率的限制，在大比例尺的填圖、高精度蝕變信息提取及精細(xì)甚至定量化巖性識(shí)別工作中已難以勝任。航空高光譜遙感影像，除了具備高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，還融入了光譜維的信息，更加全面、真實(shí)地反映地物光譜特征，使其在遙感地質(zhì)研究中，既能直觀、高效揭示微觀構(gòu)造、地層、巖漿巖等特征，又能依據(jù)地物光譜特征進(jìn)行巖性識(shí)別、地層的劃分、礦化蝕變信息的提取等。本文利用航空高光譜CASI遙感影像對(duì)新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣南部阿布熱勒山前地帶進(jìn)行地層、構(gòu)造的詳細(xì)解譯，充分發(fā)揮航空高光譜影像的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確揭露研究區(qū)地層出露、構(gòu)造發(fā)育情況，為研究區(qū)找礦勘探工作提供遙感信息支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣西南部阿布熱勒山前地帶，西距伊犁市約110km（圖1），地勢(shì)自南向北呈多級(jí)階梯，為低山丘陵地貌，研究區(qū)基巖出露條件好，遙感地質(zhì)特征明顯，適合開展遙感地質(zhì)解譯工作。構(gòu)造位置位于伊犁盆地北部坳陷構(gòu)造單元內(nèi)的阿吾拉勒凸起次級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)。阿吾拉勒凸起是海西期末幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的盆內(nèi)二級(jí)正向構(gòu)造單元，侏羅紀(jì)初期從博羅科努山前分離出來。區(qū)內(nèi)出露地層單元主要由石炭和二疊系火山—沉積巖系組成，未見古老基底。斷裂構(gòu)造以近東西、NE、NW向?yàn)橹?。出露的侵入巖以華力西晚期為主，巖體侵入石炭系及下二疊統(tǒng)，多與下二疊統(tǒng)火山巖或次火山巖關(guān)系密切。

2 航空高光譜CASI數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

以飛機(jī)為平臺(tái)，搭載CASI成像光譜儀，在新疆伊犁尼勒克至鞏留地區(qū)開展了航空飛行，獲取了研究區(qū)航空高光譜CASI影像數(shù)據(jù)，同時(shí)在地面準(zhǔn)同步實(shí)測(cè)地物光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)。

CASI數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括：第一步，幾何校正和地形校正預(yù)處理是通過航空高光譜遙感測(cè)量系統(tǒng)配備的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件實(shí)現(xiàn)；第二步，利用ENVI軟件的Seamless Mosaic功能，對(duì)CASI各航帶數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌。鑲嵌過程中，由于山區(qū)地形影響，不同航帶數(shù)據(jù)間色調(diào)存在差異，但是，相鄰航帶間的重疊率高，利用直方圖匹配法實(shí)現(xiàn)多航帶間的色彩匹配和亮度平衡；通過羽化處理，達(dá)到航帶間無縫鑲嵌的效果；第三步，利用地面準(zhǔn)同步的黑、白布定標(biāo)光譜數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)線性定標(biāo)（Empirical Line Calibration）方法對(duì)CASI數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。大氣校正后地物光譜曲線與實(shí)測(cè)地物光譜曲線非常接近，為遙感地質(zhì)解譯中地層劃分解譯提供了數(shù)據(jù)支撐。

3 遙感地質(zhì)解譯

不同地物反射光譜差異會(huì)造成形態(tài)、紋理、色調(diào)等影像差異，鑒于CASI航空高光譜影像的分辨率高達(dá)0.8m，可以直觀地依據(jù)影像的色調(diào)、影紋、紋理、形狀及各要素的排列組合特征、地貌形態(tài)、水系、植被及人類活動(dòng)等信息，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的不同地質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行遙感解譯（圖2）。

3.1 地層解譯

（1）第四系。研究區(qū)內(nèi)第四系主要分布在阿吾拉勒山前，自北向南又細(xì)分為全新統(tǒng)沖積堆積（Q4al）、全新統(tǒng)沖積、洪積堆積（Q）及全新統(tǒng)沖積-湖泊堆積（Q），三者在影像上界線清晰，特征明顯，極易區(qū)分。

遙感影像上，Q呈淺藍(lán)色、綠色、灰白色，紋理稀少，影紋光滑，河道特征明顯，兩側(cè)分布灰黑色灌木叢斑點(diǎn)或斑塊；Q呈淺灰色-淺灰綠色，紋理稀少，影紋光滑，可見明顯的房屋、成規(guī)模大片的耕地；Q呈淺灰綠色-灰白色，紋理稀少，影紋光滑，多沿溝谷岸坡以上分布，沖洪積特征明顯。

（2）二疊系。二疊系為研究區(qū)內(nèi)出露的主要地層單元，由烏郎組、曉山薩伊組、哈米斯特組、鐵木里克組及巴斯?fàn)柛山M組成。各組巖石組成不一，遙感影像上形態(tài)、紋理、色調(diào)等特征存在不同程度的差異，不同地層之間易于區(qū)分。

①巴斯?fàn)柛山M。巴斯?fàn)柛山M由棕黃色、褐色、褐紅色及灰色厚層狀砂、礫巖組成，夾少量灰色泥巖。遙感影像上色調(diào)呈灰褐色，局部色調(diào)呈褐紅色，紋理多而有序，影紋粗糙，地層走向清晰，地層界線影像輪廓清楚。

②鐵木里克組。鐵木里克組由灰—深灰色薄—中厚層粉、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成，夾少量礫巖和灰?guī)r。影像整體色調(diào)呈青灰色，紋理雜亂，影紋粗糙，地層走向不清晰，地層界線影像輪廓清楚。

③哈米斯特組。哈米斯特組巖性主要為中酸性火山巖及火山碎屑巖，由紫紅色、灰紫色砂礫巖、泥巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、拉斑玄武巖、粗玄巖等組成。影像整體色調(diào)呈灰紫色、紫紅色，影紋粗糙，地層走向不清晰，地層界線影像輪廓清楚。

④曉山薩伊組。曉山薩伊組由灰—青灰色含礫砂巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r組成，影像色調(diào)整體呈青灰色，紋理雜亂，影紋較光滑，地層走向清晰，地層界線影像輪廓清楚。

⑤烏郎組。烏郎組為一套巨厚的陸相中酸性火山巖、火山碎屑巖和凝灰質(zhì)砂礫巖，地層色調(diào)整體偏深，地表風(fēng)化后呈灰黑色。影像色調(diào)呈深紫色、紫褐色，紋理雜亂，影紋粗糙，地層界線影像輪廓部分清晰。

（3）石炭系東圖津河組。東圖津河組巖性為灰色—灰黑色淺海相生物碎屑灰?guī)r、灰?guī)r、泥灰?guī)r、碎眉巖、上部見灰紫色酸性火山碎屑巖，影像色調(diào)呈灰紫色，局部色調(diào)呈紫黑色，紋理雜亂，影紋粗糙—光滑，地層界線影像輪廓部分清晰。

3.2 構(gòu)造解譯

（1）線性構(gòu)造解譯。線性構(gòu)造主要包括斷層、節(jié)理、不整合等具有地質(zhì)構(gòu)造涵義的線性體。線性構(gòu)造的解譯標(biāo)志包括遙感影像上地質(zhì)體突然中斷、錯(cuò)開，地層重復(fù)，缺失等直接標(biāo)志及地質(zhì)體定向排列，線性特征、色調(diào)差異明顯，水系同步彎曲，地形、地貌突變，水系突然中斷，不同植被、土壤直線狀分界，溝谷、河流直線狀延伸等間接標(biāo)志?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，以航空高光譜影像CASI數(shù)據(jù)為主，輔以Landsat8數(shù)據(jù)（大斷裂范圍廣，延伸遠(yuǎn)，中小比例尺的遙感影像在識(shí)別大斷裂有優(yōu)勢(shì)），對(duì)研究區(qū)的線性構(gòu)造進(jìn)行解譯。區(qū)內(nèi)線性構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造，構(gòu)造走向以NW向?yàn)橹?，次為NE向和近EW向。

（2）環(huán)形構(gòu)造解譯。環(huán)形構(gòu)造主要指能夠反映地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)容的弧形體，它是地球內(nèi)部活動(dòng)形跡在地殼中的綜合表現(xiàn)，如隱伏巖體、火山機(jī)構(gòu)、火山口和相關(guān)構(gòu)造作用（如穹窿構(gòu)造）。在遙感影像上以紋理、結(jié)構(gòu)、色調(diào)等顯示為圓形、準(zhǔn)圓形、準(zhǔn)環(huán)形以及未封閉的弧形特征。

研究區(qū)內(nèi)出露多處巖體，在航空高光譜影像上呈環(huán)形、準(zhǔn)環(huán)形影像特征，環(huán)形影像內(nèi)色調(diào)呈淺藍(lán)紫色，與周邊色調(diào)差異較大；巖體成分主要為花崗閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖、石英二長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)花崗巖，巖體主要侵入石炭系及中下二疊統(tǒng)，多與下二疊統(tǒng)火山巖或次火山巖關(guān)系密切。環(huán)形構(gòu)造分布集中，多數(shù)環(huán)形構(gòu)造與線性斷裂構(gòu)造相伴生，反映了研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造—巖漿活動(dòng)集中和強(qiáng)烈的特點(diǎn)。

4 解譯結(jié)果分析

利用CASI數(shù)據(jù)的高空間分辨率的特點(diǎn)對(duì)研究區(qū)的地層界線、斷裂構(gòu)造等進(jìn)行了細(xì)致的解譯；此外，相較于以往遙感解譯工作，除了影像的空間分辨率優(yōu)于常用的多光譜和高分辨率影像，其高光譜分辨率是本次解譯工作的核心。高光譜影像是在二維遙感影像的基礎(chǔ)上，增加了光譜維的信息，使得遙感影像上反映的地物信息與實(shí)際地物更加接近。在解譯過程中，當(dāng)多光譜和高分辨率影像在面對(duì)地層的影像色調(diào)、結(jié)構(gòu)、紋理特征差異不明顯時(shí)，是難以進(jìn)行地層的解譯劃分的；但不同地層之間巖石組成不一樣，其反射光譜特征通常會(huì)有差異，而光譜定標(biāo)后的高光譜影像上地物的光譜曲線與對(duì)應(yīng)的實(shí)際地物的光譜曲線非常接近，因此，可以基于航空高光譜遙感影像對(duì)應(yīng)地層間光譜特征差異，進(jìn)行地層解譯劃分。

為了體現(xiàn)航空高光譜影像在遙感地質(zhì)解譯工作中的效果，以1∶20萬區(qū)調(diào)成果作為參考，結(jié)合野外調(diào)查驗(yàn)證工作，對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）地層界線修正。利用遙感解譯結(jié)果對(duì)1∶20萬區(qū)調(diào)成果的地層界線進(jìn)行了修正，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，一是第四系界線范圍與1∶20萬區(qū)調(diào)成果差異較大，這是由于時(shí)間的變遷，地貌發(fā)生變化，引起第四系界線范圍發(fā)生變化，通過航空高光譜影像能夠清晰解譯出第四系界線范圍，不做重點(diǎn)討論。二是基巖出露區(qū)解譯地層界線與1∶20萬區(qū)調(diào)成果不吻合。例如，遙感解譯結(jié)果顯示，曉山薩伊組和東圖津河組遙感解譯地層界線較1∶20萬區(qū)調(diào)成果北偏約200m，遙感影像上，1∶20萬區(qū)調(diào)成果曉山薩伊組和東圖津河組地層界線處為一套灰紫色地層，與東圖津河組整體色調(diào)相近，與曉山薩伊組整體色調(diào)有明顯差異，但灰紫色地層中仍夾青灰、灰色調(diào)地層。解譯過程中，利用航空高光譜影像，分別采樣了灰紫色地層光譜曲線和東圖津河組地層光譜曲線（圖3），對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2套地層的光譜曲線的形態(tài)和趨勢(shì)有差異，表明2套地層巖石組成可能不一致。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，灰紫色地層為一套厚層的含礫砂巖沉積建造，礫石成分以火山碎屑巖為主，風(fēng)化后表面成灰—深紫色；而與之色調(diào)接近的東突津河組巖性為一套深灰色、灰綠色玄武安山巖、安山玢巖，2套地層巖性差異明顯，形成原因更是截然不同。同時(shí)，在解譯地層界線附近，發(fā)現(xiàn)兩者地層間呈明顯的角度不整合接觸關(guān)系，因此，從地層成因、巖性組合以及構(gòu)造接觸關(guān)系來看，該套灰紫色地層應(yīng)屬于曉山薩依組。

圖3 灰紫色地層與東圖津河組光譜曲線對(duì)比

（2）地層劃分確認(rèn)及修正。地層解譯劃分時(shí)發(fā)現(xiàn)同一套地層在遙感影像上表現(xiàn)為不同的色調(diào)、紋理等特征，而不同地層卻表現(xiàn)為相近的色調(diào)、紋理特征，在解譯過程中，利用地層間的光譜曲線特征進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合野外驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)上述問題的地層劃分進(jìn)行了確認(rèn)和修正。

曉山薩伊組由灰—青灰色砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r組成，影像色調(diào)整體呈青灰色，底部為一套灰色厚層含礫砂巖，風(fēng)化后表面呈灰黑-灰紫色。研究區(qū)內(nèi)某處，地層色調(diào)呈紫紅色，1∶20萬區(qū)調(diào)成果認(rèn)為該地層屬于曉山薩伊組，但是，從直觀的色調(diào)解譯標(biāo)志而言，紫紅色地層應(yīng)不屬于曉山薩伊組。為此，在航空高光譜數(shù)據(jù)中，分別采樣了已確認(rèn)的曉山薩伊組地層的光譜曲線和紫紅色地層的光譜曲線（圖4），對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這2套地層的光譜曲線在形態(tài)和趨勢(shì)上幾乎完全一致，野外調(diào)查驗(yàn)證結(jié)果顯示，紫紅色地層的巖性為一套厚層含礫粗砂巖，礫石成分以火山碎屑巖為主，與曉山薩伊組地層底部的巖性是一致的；巖層表面覆蓋了古近系紫紅色泥巖，使得影像色調(diào)呈紫紅色，通過高光譜數(shù)據(jù)采樣光譜曲線特征對(duì)比及野外調(diào)查驗(yàn)證結(jié)果，證實(shí)了紫紅色地層確實(shí)為曉山薩伊組，驗(yàn)證了20萬區(qū)調(diào)成果的準(zhǔn)確性。

此外，研究區(qū)內(nèi)某處，紫褐色地層對(duì)應(yīng)的1∶20萬區(qū)調(diào)成果地層為烏郎組，該套地層色調(diào)、紋理特征與烏郎組、哈米斯特組相似。結(jié)合該套地層上覆、下伏地層出露情況，從地層、構(gòu)造角度分析，認(rèn)為該套地層劃分為烏郎組值得商榷。為此，在航空高光譜影像上，分別采樣了烏郎組、哈米斯特組和該套地層的光譜曲線，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其光譜曲線形態(tài)、趨勢(shì)與哈米斯特組較為一致，與烏郎組有差異（圖5）。野外調(diào)查驗(yàn)證顯示，該套地層出露的巖性為暗灰、灰紫、灰色玄武巖和粗面巖，出露巖性與哈米斯特組巖性一致，與烏郎組巖性不吻合，綜合光譜特征分析、野外調(diào)查結(jié)果，將該套紫褐色地層修正為哈米斯特組。

圖4 紫紅色地層與曉山薩伊組光譜曲線對(duì)比

圖5 紫褐色地層與曉山薩伊組光譜曲線對(duì)比

5 結(jié)論

（1）航空高光譜影像的空間分辨率高，宏觀上能夠直觀、高效獲取地質(zhì)體的色調(diào)、形狀等特征，微觀上能夠精細(xì)的識(shí)別地質(zhì)體紋理、幾何結(jié)構(gòu)特征，在地層劃分、巖性識(shí)別、線性及環(huán)形構(gòu)造解譯上有較好的應(yīng)用效果。

（2）航空高光譜影像的光譜分辨率高，光譜定標(biāo)后的航空高光譜影像能夠較為真實(shí)地反映地物光譜信息，利用不同地層間光譜特征差異，結(jié)合野外調(diào)查驗(yàn)證，對(duì)研究區(qū)內(nèi)1∶20萬區(qū)調(diào)成果中3處地層界線進(jìn)行了修正，確認(rèn)了1處地層歸屬的劃分，修正了1處地層歸屬劃分。

通過本文的研究，表明航空高光譜影像的優(yōu)勢(shì)，將使其在大比例尺地質(zhì)填圖、精細(xì)礦物識(shí)別、蝕變信息提取等遙感地質(zhì)工作中將發(fā)揮重大作用，為地質(zhì)找礦工作提供更精確的遙感信息支持。

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