鄂爾多斯盆地西南緣丹霞地貌遙感影像特征

閆穎,楊望暾,2*,王子垚

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鄂爾多斯盆地西南緣丹霞地貌遙感影像特征

閆穎1,楊望暾1,2*,王子垚1

1. 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 陜西 西安 710061 2. 長安大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院, 陜西 西安 710061

鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)作為丹霞地貌西北與東南發(fā)育區(qū)的過渡地帶，其發(fā)育特征極具代表性。本文通過解譯該區(qū)域的遙感影像，依據(jù)影像中不同的色彩及斑塊特征建立解譯標(biāo)志，歸納為5種丹霞地貌遙感影像影紋，解譯出3處發(fā)育較為集中的丹霞地貌區(qū)域，并從形成機制的角度分析每一處丹霞地貌景觀的發(fā)育類型和分布規(guī)律。

遙感解譯; 鄂爾多斯盆地西南緣; 丹霞地貌; 形成機制

丹霞地貌是指由變動及其輕微的厚層紅砂、礫巖構(gòu)成，因其所在巖層呈典型塊狀結(jié)構(gòu)并且含有易透水的垂直節(jié)理，經(jīng)長時間的流水侵蝕和重力崩塌作用而形成峰林、陡崖等地形，以中生代紅層為主要成景地層[1]。地層顏色主要呈現(xiàn)為紅色系，具體表現(xiàn)出棕黃、褐黃、褐紅、紫紅、灰紫等不同顏色，F(xiàn)e3+元素的富集是紅層呈現(xiàn)為紅色調(diào)的主要原因[2]。

遙感影像包含有多波段信息，能夠直觀、形象、準(zhǔn)確的反映出不同尺度上的構(gòu)造形跡和構(gòu)造現(xiàn)象[3]，大幅減少了實地勘測的工作量，顯著提高工作效率，所采集的遙感影像可直接用于宏觀上解譯丹霞地貌。因丹霞地貌于紅層中發(fā)育形成，所對應(yīng)的遙感圖像為紅色或粉紅色；陡崖、石峰等地貌類型因陽光的照射而在地面上呈現(xiàn)明顯的陰影，因此反映在遙感影像上多為黑色或灰黑色。在丹霞地貌景觀類型分類和構(gòu)造發(fā)育的研究中，巖層出現(xiàn)眾多深大裂隙和多組垂直節(jié)理[4]，其區(qū)域內(nèi)密集的垂直節(jié)理構(gòu)造作為典型的遙感影像特征，提供了大量充分的信息用作研究分析。

鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)發(fā)育有典型的呈區(qū)塊狀分布的丹霞地貌景觀，沿盆地邊界依次為：陜西省銅川市照金-香山丹霞地貌區(qū)、甘肅省平?jīng)鍪嗅轻忌降は嫉孛矃^(qū)和寧夏省固原市火石寨丹霞地貌區(qū)[5]。本文通過對鄂爾多斯盆地西南緣的遙感影像進(jìn)行解譯和特征分析，建立研究區(qū)內(nèi)丹霞地貌遙感影像解譯標(biāo)志，確定區(qū)域內(nèi)丹霞地貌的集中發(fā)育地帶，查明各分布區(qū)內(nèi)丹霞地貌景觀特征和類型。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地西南緣位于渭北隆起帶西段、伊陜斜坡和天環(huán)坳陷南部，西接六盤山構(gòu)造帶，南接秦嶺-祁連造山帶。處于北祁連造山帶、秦嶺—大別造山帶與華北板塊交互作用的地區(qū)[6]。盆地所在位置為西北、華北兩大地質(zhì)構(gòu)造單元和地貌的過渡區(qū)，其構(gòu)造動力學(xué)機制和演化背景既有古生 代華北地區(qū)碳酸鹽臺地穩(wěn)定構(gòu)造演化，同時也疊加有極具西北地域特色的中生代盆山活動構(gòu)造演化。

2 遙感影像數(shù)據(jù)解譯

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究中使用的遙感影像為美國Landsat-5衛(wèi)星所采集的遙感影像數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星是目前國際上在軌運行時間最長的光學(xué)遙感對地衛(wèi)星，所采集的光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)具有1景分辨率15 m，空間幾何分辨率30.00 m，所采用的投影坐標(biāo)系為UTM WGS84:s，本文使用的影像數(shù)據(jù)為該衛(wèi)星于2008年11月2日采集的TM影像。為方便在ERDAS和ENVI等遙感數(shù)據(jù)處理軟件中操作，特將上述收集到的tiff格式遙感影像轉(zhuǎn)化為img格式。

2.2 遙感影像的選擇與處理

研究區(qū)位于黃土高原腹地，屬北溫帶半干旱氣候，為客觀全面地反映該地區(qū)內(nèi)的地貌形態(tài)特征，最大程度降低植被的影響，特選擇植被覆蓋影響最低的秋、冬兩季的高清ETM+遙感影像。

本次研究采用的是LANDSAT-5衛(wèi)星上裝備的能感應(yīng)地表反射的太陽輻射和熱輻射的TM設(shè)備所采集到的TM遙感數(shù)據(jù)，涉及軌道編號為128-35的1景TM數(shù)據(jù)圖像，成像時間為2008年10月24日。該圖像數(shù)據(jù)共計8個波段，每一波段均有其各自的應(yīng)用領(lǐng)域，具體見表1。

表 1 Landsat衛(wèi)星TM圖像信息特征一覽表

表 2 Landsat-5 TM各波段光譜信息統(tǒng)計表（依標(biāo)準(zhǔn)差排序）

依據(jù)表2中的計算結(jié)果得出結(jié)論：標(biāo)準(zhǔn)差從大到小依次為TM5、TM4、TM7、TM3、TM6、TM1以及TM2；亮度差從大到小依次為TM5、TM4、TM7、TM3、TM1、TM2及TM6；通過對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者的大小順序并不完全一致。若選用單一波段數(shù)據(jù)，TM5波段中所包含的內(nèi)容量最大，而TM4波段中所包含內(nèi)容最為豐富，因此本次數(shù)據(jù)源中兩個較為理想的波段子集分別為TM5波段和TM4波段。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和亮度差分析的方法主要用于單波段信息含量的判斷，此方法往往存在一定的局限性，因為實際情況中不同波段間大概率有著相類似的內(nèi)容。綜上，我們更應(yīng)該考慮各波段內(nèi)容的質(zhì)量而非數(shù)量。

表 3 Landsat-5 TM波段相關(guān)系數(shù)矩陣表

依據(jù)表3中的計算結(jié)果可知：TM1、TM2和TM3三個波段中，任意兩個波段間的相關(guān)系數(shù)均高于0.85；相關(guān)系數(shù)的最高值來自TM5和TM7兩個波段之間，為0.959176；TM4波段與其余各波段之間的相關(guān)系數(shù)則不作為參考。該方法以相關(guān)系數(shù)的方式量化了不同波段間的差別從而進(jìn)行更為具體的判別[7]。

本文需要使用遙感影像數(shù)據(jù)提取研究區(qū)內(nèi)丹霞地貌分布情況、分析構(gòu)造特征和巖石特性等多個問題。因此最終決定使用TM3、TM4和TM7三個波段組合。分別使用藍(lán)、綠和紅三種顏色分別為三個波段上色，使用該方法解譯出的彩色圖像與真實地物的顏色相差無幾，能夠做到真實、客觀、全面地反映區(qū)域內(nèi)的丹霞地貌分布。其中TM7波段的主要應(yīng)用為巖性分析和地質(zhì)構(gòu)造解譯。所以用于本次分析和研究的數(shù)據(jù)以上述波段組合和TM7波段所含內(nèi)容為基礎(chǔ)。

表 4 Landsat-5 TM各波段組合最佳指數(shù)表

3 研究區(qū)丹霞地貌遙感影像特征

在遙感影像上需要建立丹霞地貌的解譯標(biāo)志來識別。在遙感解譯的過程中，依據(jù)丹霞地貌所特有的色彩特征、陰影特征、影紋特征、地質(zhì)特征、地形地貌特征，當(dāng)這些特征標(biāo)志同時出現(xiàn)在遙感影像上即可判斷為丹霞地貌[8]。在進(jìn)行了解譯后得到的彩色圖像中，砂石、巖體因成景地層為紅層的緣故多表現(xiàn)為紅色或粉紅色粉紅色，水系及水體則表現(xiàn)為其本身的藍(lán)色或淺藍(lán)色，森林的植被覆蓋則多為綠色或淺綠色，山體則會因為被陽光照射而出現(xiàn)的陰影在圖像上表現(xiàn)為黑色或灰黑色。沿整個巖面以及與外部環(huán)境相通的裂隙面持久地進(jìn)行著[9]，工作區(qū)內(nèi)的每一種丹霞地貌景觀類型，在遙感影像上都有其特有的用于分辨的特征，如顏色和影紋形狀等。通過分析解譯過后的研究區(qū)遙感影像，與現(xiàn)有的地質(zhì)圖、地形圖等圖件資料進(jìn)行對照之后，在研究區(qū)內(nèi)丹霞地貌發(fā)育較為集中的區(qū)域總結(jié)出五種高頻率出現(xiàn)的影紋：斑塊狀影紋、圓丘狀影紋、腦狀影紋、柵欄狀影紋和網(wǎng)格狀影紋，每一種影紋分別對應(yīng)著區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的一種丹霞地貌景觀特征，具體分析結(jié)果如下。

3.1 斑塊狀影紋

依據(jù)解譯過后的彩色遙感圖像，砂石和巖體呈現(xiàn)為淺紅色。圖像中的陰影線紋分布呈明顯的斑塊狀方式排列，陰影顏色較深且極易辨認(rèn)，兩組不同的線紋分別交于不同的方向。根據(jù)影紋的排列方式和陰影的特征判定，影像內(nèi)地質(zhì)體頂面為錐形，在實際地物中對應(yīng)殘留的山體，對應(yīng)著石峰或是陡崖之類的丹霞地貌景觀。（圖1中A ④區(qū)域、C ①區(qū)域）

3.2 圓丘狀影紋

依據(jù)解譯過后的彩色遙感圖像，該區(qū)域內(nèi)紅層多直接暴露在地表，兩組不同的陰影線紋之間以網(wǎng)狀形態(tài)交織從而構(gòu)成影紋，陰影規(guī)模不大但顏色較深。圖像中影紋所對應(yīng)的山體整體高度不高，主要由于古夷平面侵蝕作用。山頂部分呈現(xiàn)渾圓或平頂狀，對應(yīng)以石寨或峰林為主的丹霞地貌景觀。（圖1中A ⑤區(qū)域、B ①部分區(qū)域、C ②區(qū)域）

3.3 腦狀影紋

依據(jù)解譯過后的彩色遙感圖像，該區(qū)域內(nèi)紅層的分布規(guī)律為紅色或粉紅色的斑點，陰影線紋模糊而且相互間規(guī)律不清晰，多表現(xiàn)為緊密的條帶型。其中山體影紋所在范圍和其坡度均不大，山間溝谷與山體之間的影紋顏色極淡，說明該區(qū)域內(nèi)山體的發(fā)育明顯不成規(guī)模，且相對高程較小，所對應(yīng)的丹霞地貌景觀類型多為石寨或石峰。（圖1 A①區(qū)域、B ①部分區(qū)域、C ③區(qū)域）

3.4 柵欄狀影紋

依據(jù)解譯過后的彩色遙感圖像，區(qū)域內(nèi)分布有規(guī)律明顯的條帶狀影紋，說明該地區(qū)山谷和山體依次平行排列，反映在影紋上表現(xiàn)為相間分布的平行柵格狀影紋。地表山體陰影較長，說明該山體山脊線較長。與之相匹配的景觀類型多為石墻、石壁等。圖1中A ②區(qū)域、B ②③區(qū)域、C ④區(qū)域）

3.5 網(wǎng)格狀影紋

依據(jù)解譯過后的彩色遙感圖像，該類影像中的線紋突出分布且有較寬的陰影，多表現(xiàn)為大面積塊狀影紋并存在一定的分布規(guī)律。零星存在的一些次級影紋基本被多條主影紋分隔，反映該區(qū)域內(nèi)山體由大塊巖石組成而且存在一定的垂直高差，山體之間無溝谷發(fā)育，巨型山體巖塊由高大且平坦的巖層構(gòu)建而成，多表現(xiàn)為梳狀和魚脊?fàn)?。與之相匹配的景觀類型多為石梁。（圖1中A ③區(qū)域、B ④區(qū)域、C ⑤區(qū)域）

圖 1 研究區(qū)內(nèi)丹霞地貌遙感解譯結(jié)果圖

A: 銅川照金-香山丹霞地貌遙感解譯結(jié)果圖 The image of interpretation of Danxia landform in Zhaojin-Xiangshan, Tongchuan. B: 平?jīng)鲠轻忌降は嫉孛策b感解譯結(jié)果圖 The image of interpretation of Danxia landform in Kongtong Mountain, Pingliang. C: 固原火石寨丹霞地貌遙感解譯結(jié)果圖 The image of interpretation of Danxia landform in Huoshizhai, Guyuan

4 解譯結(jié)果

鄂爾多斯盆地西南緣區(qū)域的丹霞地貌主要集中在盆地邊界地區(qū)，通過對遙感影像進(jìn)行解譯識別出區(qū)域內(nèi)3處丹霞地貌集中分布地區(qū)。依次為：陜西省銅川市照金-香山丹霞地貌區(qū)、甘肅省平?jīng)鍪嗅轻忌降は嫉孛矃^(qū)及寧夏省固原市火石寨丹霞地貌區(qū)。

4.1 陜西省銅川市照金-香山丹霞地貌區(qū)

陜西省銅川市照金-香山丹霞地貌區(qū)因地處渭北隆起帶，其丹霞地貌的形成主要受控于該地帶內(nèi)地層特征、巖性及構(gòu)造演化特性。該區(qū)域解譯出的彩色圖像特征為紅色或粉紅色的斑塊，圖像中存在圓丘狀、腦狀、柵欄狀和斑塊狀4種不同的特征影紋，其中圓丘狀影紋規(guī)模最為龐大，反映出區(qū)域內(nèi)地貌主要為石寨、石峰等；柵格狀影紋較為稀少，反映出區(qū)域內(nèi)山間溝谷及其斷裂帶無明顯發(fā)育。在區(qū)域內(nèi)的古河流地帶上崖壁處發(fā)現(xiàn)有洞穴發(fā)育，證明了該地區(qū)丹霞地貌發(fā)育到后期其改造的主要動力為流水侵蝕。通過對銅川照金-香山丹霞地貌區(qū)遙感影像的全面分析，發(fā)現(xiàn)丹霞地貌發(fā)育集中的地點共計13處。

4.2 甘肅省平?jīng)鍪嗅轻忌降は嫉孛矃^(qū)

甘肅省平?jīng)鍪嗅轻忌降は嫉孛矃^(qū)位于賀蘭山-六盤山徑向構(gòu)造帶與秦嶺-祁連緯向造山帶交匯處的東北角，地處鄂爾多斯盆地西緣構(gòu)造帶南部，區(qū)域內(nèi)丹霞地貌的形成主要受控于鄂爾多斯盆地西緣構(gòu)造帶南段的地層特征、巖性及構(gòu)造演化特性。依據(jù)遙感影像解譯出的彩色圖像，存在腦狀影紋、柵欄狀影紋、網(wǎng)格狀影紋和圓丘狀影紋共計4種不同的特征影紋。研究區(qū)南部存在成一定規(guī)模密集分布且單個面積較為巨大的圓丘狀、網(wǎng)格狀的特征影像；而研究區(qū)的西北邊則分布有綿延數(shù)百上千米的大范圍石墻。通過對遙感影像的全面分析，發(fā)現(xiàn)丹霞地貌發(fā)育集中的地點共計16處。

4.3 寧夏省固原市火石寨丹霞地貌區(qū)

寧夏省固原市火石寨丹霞地貌區(qū)位于中國黃土高原地區(qū)，寧夏省南部，固原市西吉縣月亮山主脈最東端，該區(qū)域內(nèi)的丹霞地貌的成因是其西側(cè)六盤山。該山脈存在一定規(guī)模的紅層盆地。區(qū)域內(nèi)地貌類型外圍屬黃土丘陵，中心為土石山中山。區(qū)域內(nèi)丹霞地貌的形成的主要因素為鄂爾多斯盆地西緣構(gòu)造及六盤山盆地的沉積演化。通過分析遙感影像解譯出的彩色圖像，影紋大多呈連片分布的腦狀影紋和塊狀影紋；在研究區(qū)的邊緣地帶，解譯出的圖像主要為紅色和粉紅色腦狀影紋，與之相對應(yīng)的丹霞地貌景觀類型為石峰；而中部則出現(xiàn)突出的網(wǎng)格狀影紋，區(qū)域內(nèi)丹霞地貌景觀以石墻、石壁為主要類型。通過對遙感影像的全面分析，發(fā)現(xiàn)丹霞地貌發(fā)育集中的地點共計18處。

5 結(jié) 論

（1）建立丹霞地貌遙感解譯標(biāo)志，通過對研究區(qū)域遙感影像的解譯識別出3處成明顯區(qū)塊分布的發(fā)育區(qū)，既存在石梁、叢峰、峰丘、孤峰等宏觀景觀，同時也發(fā)育有石寨、石峰、石墻、石柱等微觀景觀。整個研究區(qū)內(nèi)地貌類型發(fā)育全典型，多樣，完整；

（2）將鄂爾多斯盆地西南緣發(fā)育的丹霞地貌總結(jié)為五類特征影像：斑塊狀影像、圓丘狀影像、腦狀影像、柵格狀影像、網(wǎng)格狀影像，用于丹霞地貌景觀類型的分辨；

（3）不同區(qū)域丹霞地貌的形成受控于各自的構(gòu)造運動和沉積演化，因此在遙感影像上具有不同的特征。銅川照金-香山地區(qū)的遙感影像中圓丘狀影紋出現(xiàn)最多，區(qū)域內(nèi)丹霞地貌主要以石寨、石峰為主；平?jīng)鲠轻忌降貐^(qū)遙感影像呈現(xiàn)圓丘狀和格狀影紋的集中分布，且單個區(qū)域面積相對較大，固原火石寨地區(qū)邊緣地帶的遙感影像呈現(xiàn)腦狀影紋，對應(yīng)石峰丹霞地貌特征，而區(qū)域正中則呈網(wǎng)格狀，丹霞地貌以峰林等為主要特征。大尺度的風(fēng)化作用與巖石中礦物微觀化學(xué)風(fēng)化作用存在密切聯(lián)系[10]。

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Characteristics of Remote Sensing Images of Danxia Landform in Southwestern Margin of Ordos Basin

YAN Ying1, YANG Wang-tun1,2*, WANG Zi-yao1

1.710061,2.710061,

The southwestern margin of the Ordos Basin is a transitional area between Chinese northwestern and southeastern in Danxia landform, where regarded as a represent of the Danxia landform development zone in China. By interpreting the remote sensing images in this area, the interpretation characteristics of different colors and patches were established as interpretation signs to conclude to 5 kinds patterns of Danxia landform remote sensing images, concentrated three zones in development were interpreted and analyzed on types and distribution rules of Danxia landform landscape from the formation mechanism perspective, respectively.

Remote sensing interpretation; southwestern margin of Ordos Basin; Danxia Landform; formation mechanism

P407.8

A

1000-2324(2018)05-0889-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.034

2017-10-10

2017-10-26

國家自然基金項目:秦嶺森林景觀與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空演變研究(31070664);秦嶺火地塘森林景觀土壤微生物空間格局(31670549);長安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金資助項目(310823170433)

閆穎(1975-),女,博士研究生,主要從事地質(zhì)遙感解譯等方面的研究. E-mail:yanyingasd123@126.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:wangtun@chd.edu.cn