高分遙感與航磁航放數(shù)據(jù)融合方法在龍首山地區(qū)鈾控礦構(gòu)造識別中的應(yīng)用

郭幫杰，葉發(fā)旺，武 鼎，王生云

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

遙感技術(shù)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但是成礦原因的復(fù)雜性決定了僅靠遙感技術(shù)難以有效識別成礦區(qū)。遙感技術(shù)，結(jié)合其他能夠有效識別成礦要素的技術(shù)方法，是目前礦產(chǎn)勘查工作必須使用的方案。與堿交代作用相關(guān)的堿交代巖型鈾礦成因復(fù)雜，涉及到多期次巖漿活動和熱液活動，本文使用高分遙感數(shù)據(jù)（Worldview-3）與航磁和航放數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，結(jié)合已有的鈾異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析與控礦構(gòu)造相關(guān)的數(shù)據(jù)源，以及不同的融合方法對控礦構(gòu)造的顯示效果。

國內(nèi)遙感數(shù)據(jù)與航放數(shù)據(jù)的融合在20世紀(jì)80年代即已出現(xiàn)［1］， “光-能譜” 集成技術(shù)在此之前即已被核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提出，并在連山關(guān)地區(qū)得到應(yīng)用并正式公開發(fā)表［2］。趙英俊［3］使用光-能譜技術(shù)對郯樅火山洼地的巖性、構(gòu)造及蝕變信息進(jìn)行識別研究，進(jìn)而對該區(qū)的鈾成礦環(huán)境進(jìn)行了分析，效果良好。李皎皎［4］進(jìn)行了遙感數(shù)據(jù)和航磁的融合實(shí)驗(yàn)，嘗試獲取渤海海岸帶的曹妃甸地區(qū)的構(gòu)造信息，融合方法一為航磁數(shù)據(jù)極化后與遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行HIS變換融合，二是遙感數(shù)據(jù)、航磁異常圖主成分變換后第一分量與遙感原始B波段進(jìn)行波段組合。夏玲燕［5］分別使用遙感數(shù)據(jù)和航磁數(shù)據(jù)研究了蓮花山深大斷裂在廣東及相鄰海域的延伸，最后進(jìn)行綜合分析。前人多是將遙感數(shù)據(jù)（且空間分辨率較低）和航放或航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將三者進(jìn)行融合的少之。龍首山地區(qū)目前未有遙感、航磁和航放數(shù)據(jù)融合研究的相關(guān)報(bào)道，因此筆者將龍首山地區(qū)的高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)合三種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢進(jìn)行該地區(qū)的鈾礦控礦構(gòu)造的識別研究。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

龍首山位于甘肅省河西走廊中段北部，區(qū)域上位于華北板塊西南緣［6］，南北兩側(cè)分別是河西走廊盆地和阿拉善地塊。龍首山東部位于甘肅省金昌市，是我國西北部重要的鈾成礦帶。所研究的熱液型礦床包含鈉交代巖型的芨嶺鈾礦床和硅質(zhì)脈型的革命溝鈾礦床，位于龍首山鈾成礦帶中段的芨嶺巖體，是龍首山鈾礦帶中鈉交代巖型鈾礦重要礦床。鈾礦化主要產(chǎn)出于花崗巖體內(nèi)、邊緣或外接觸帶附近［7］。

該鈾成礦帶受構(gòu)造控制明顯［8］，研究區(qū)內(nèi)的鈾成礦帶主要受控于北西西向的馬路溝斷裂、革命溝斷裂及其次級斷裂（圖1）。馬路溝斷裂全長約25 km，傾角較陡，影響范圍較大，伴生多條次級斷裂，形成了最寬至幾十米的斷層破碎帶，其內(nèi)多有熱液活動形成的硅質(zhì)角礫巖，控制了芨嶺鈾礦床和新水井鈾礦床等重要鈉交代巖型鈾礦床及一系列鈾礦化點(diǎn)和異常點(diǎn)；革命溝斷裂全長約25 km，是發(fā)育于芨嶺巖體和中元古界墩子溝群接觸帶的擠壓性斷裂，上盤為芨嶺巖體，下盤為墩子溝群硅化大理巖，該斷裂帶主要由糜棱巖、碎斑巖和硅質(zhì)構(gòu)造角礫巖組成，為多期次活動斷裂，主要控制著革命溝斷裂及沿該斷裂發(fā)育的一系列鈾礦化點(diǎn)和異常點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2.1 高分遙感數(shù)據(jù)

使用的高分遙感數(shù)據(jù)為Worldview-3數(shù)據(jù)（參數(shù)見表1），包含了一個(gè)全色波段和16個(gè)多光譜波段，最大空間分辨率0.31 m。使用的Worldview-3數(shù)據(jù)覆蓋了芨嶺和革命溝鈾礦床，數(shù)據(jù)圖像云量小于1%，滿足使用條件。

圖1 龍首山芨嶺—革命溝周邊地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map around Jilin-Geminggou in Longshoushan

表1 Worldview-3數(shù)據(jù)參數(shù)Table 1 Parameter of Worldview-3 data

2.2 航磁數(shù)據(jù)及向上延拓處理

龍首山地區(qū)航磁數(shù)據(jù)為核工業(yè)航測遙感中心采集，測量精度為點(diǎn)距100 m。地磁場主要由地磁正常場、變化磁場和磁力異常場構(gòu)成，磁力異常場是地殼中的含鐵磁性地質(zhì)體在地磁場作用下所產(chǎn)生的附加磁場，航磁主要是研究和度量這類磁力異常場。航磁數(shù)據(jù)向上延拓的主要作用是削弱局部干擾異常，反映深部異常。地磁場隨距離的衰減速度與具剩余密度和磁性的地質(zhì)體體積有關(guān)，即體積大的重磁場衰減慢，體積小的重磁場衰減快。而對于同樣的地質(zhì)體，會隨著埋深的增加，其重磁場衰減速度減慢［9］。因此，大而深的地質(zhì)體比小而淺的地質(zhì)體重磁場抗衰減能力要大得多。所以通過向上延拓能夠壓制局部異常干擾，反映出深部大的地質(zhì)體。本次將航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了1 km和5 km的向上延拓（圖2），通過向上延拓，深部構(gòu)造分區(qū)特征逐漸清晰，總體按北西向?qū)⒀芯繀^(qū)分成北部低場、中部中場和南部高場3個(gè)部分。

從原始航磁圖像（圖2a）可以看出，龍首山各巖體總體呈北西向展布，斷裂以北西西-北北西向?yàn)橹?，龍首山北緣斷裂大致呈現(xiàn)出來。向上延拓1 km后（圖2b），革命溝鈾成礦帶、芨嶺鈾成礦帶和新水井鈾礦更加清晰可見，巖體邊界斷裂更加清晰。向上延拓5 km后（圖2c），龍首山南緣斷裂和北緣斷裂清晰可見，龍首山地區(qū)主要包含新水井—芨嶺—革命溝磁異常正高場，以及其東部的負(fù)高場、正中高場。

圖2 航磁數(shù)據(jù)向上延拓成果圖Fig.2 Image of raw aeromagnetic and 1 km，5 km upward

根據(jù)野外驗(yàn)證，北部低異常場區(qū)對應(yīng)著以片巖、灰?guī)r及變質(zhì)砂巖為主的晚元古代的變質(zhì)巖以及侏羅紀(jì)砂巖、白堊紀(jì)砂礫巖和古近紀(jì)砂礫巖等；中部中的正高異常場區(qū)對應(yīng)著加里東期的中酸性巖漿巖，分布著大面積的古生代閃長巖和花崗巖，向東依次為負(fù)高異常的晚元古代變質(zhì)巖帶（以大理巖、結(jié)晶灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r為主）及正中高異常的早元古代云母石英片巖（含早元古代偉晶花崗巖、碎裂花崗巖、變輝長巖及變輝綠巖等）；南部高異常場區(qū)不在研究區(qū)范圍內(nèi)，未做考慮。

2.3 航放數(shù)據(jù)

航放數(shù)據(jù)指的是航空放射性伽馬能譜信息，反映的是不同巖石和地物的放射性強(qiáng)度，測量的是U、Th和K 3種放射性元素的含量高低，是與鈾礦直接相關(guān)的數(shù)據(jù)。但是航放數(shù)據(jù)反映的地形、地貌特征能力較差，很難識別斷裂構(gòu)造信息［10］。本次使用的航放數(shù)據(jù)是核工業(yè)航測遙感中心采集的龍首山地區(qū)的放射性數(shù)據(jù)，測量精度為點(diǎn)距100 m，主要包含了U、Th、K及總道4個(gè)參數(shù)。

由于遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)來自不同的源，數(shù)據(jù)格式不一樣，坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，在數(shù)據(jù)融合之前涉及到部分?jǐn)?shù)據(jù)同化的概念。數(shù)據(jù)同化是將不同源數(shù)據(jù)同化成相同的或相近的數(shù)據(jù)，然后用于一定的數(shù)值模式以進(jìn)行數(shù)值估算和預(yù)測。在數(shù)據(jù)融合之前，需要將各數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行統(tǒng)一。以往的研究者在將航磁或航放數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合或疊加之前都需要將其格式或是數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以便能在同一個(gè)軟件平臺上進(jìn)行融合操作，如曹廣真［11］和盧燕［12］通過航磁數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的融合和疊加，分別對金礦和砂巖型鈾礦進(jìn)行成礦預(yù)測分析，都將航磁數(shù)據(jù)生成類DEM數(shù)據(jù)，以三維的方式展現(xiàn)航磁信息。

將航磁和航放數(shù)據(jù)格式從柵格數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一到波段交叉格式 （BIL文件格式，一種ENVI軟件存儲文件格式），然后通過三次卷積技術(shù)將航磁和航放數(shù)據(jù)的空間分辨率精度重采樣，與高分遙感數(shù)據(jù)保持一致，最后將航磁和航放數(shù)據(jù)與對應(yīng)的遙感高分?jǐn)?shù)據(jù)通過ENVI軟件的Layer Stacking功能打包成一個(gè)文件，其中要注意各數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

3 高分遙感與航磁航放數(shù)據(jù)融合

HSV變換即先對RGB圖像變換為HSV顏色空間，用高分辨率圖像代替顏色亮度值波段，然后將色度和飽和度重采樣到高分辨率像元尺寸，最后將圖像變回RGB顏色空間。Brovey變換是將RGB圖像中的每一個(gè)波段都乘以高分辨率數(shù)據(jù)和RGB圖像波段總和的比值，然后將3個(gè)RGB波段重采樣至高分辨率像元尺寸。Gram-Schmidt變換是首先從低分辨率波段中復(fù)制出一個(gè)全色波段，然后對其進(jìn)行Gram-Schmidt變換，其中這個(gè)全色波段作為第一個(gè)波段，再用高空間分辨率的全色波段替換Gram-Schmidt變換后的第一個(gè)波段，最后應(yīng)用Gram-Schmidt反變換得到融合圖像。PC變換，即主成分變換。首先對多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分變換，然后用高分辨率波段替換第一主成分波段，在此之前，高分辨率波段已被匹配到第一主成分波段，從而避免波譜信息失真，最后進(jìn)行主成分反變換得到融合圖像。CN（Color Normalized）變換， 也稱 “能量分離變換（energy subdivision transform）”， 是用于將自融合圖像的高空間分辨率低波譜分辨率圖像對低空間分辨率高光譜分辨率圖像進(jìn)行增強(qiáng)，本方法不適合本研究，所以不作考慮。

本研究將Worldview-3高分遙感數(shù)據(jù)第一個(gè)波段與航磁和航放數(shù)據(jù)（U），通過RGB通道進(jìn)行波段合成 （圖3a），然后通過Brovey變換（圖 3b）、 HSV 變換（圖 3c）、Gram-Schmidt變換（圖3d）及PC 變換（圖3e）， 以Worldview-3圖像第一個(gè)波段為高分辨率圖像，將Worldview-3第一個(gè)波段與航磁和航放數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。通過對比，在顏色信息、地形信息保真程度及數(shù)據(jù)融合的程度上，HSV變換后的效果最好，將航磁和航放異常信息完全融入到高分遙感數(shù)據(jù)中，在顯示航磁異常和航放異常信息的同時(shí)，不影響高分遙感數(shù)據(jù)對構(gòu)造斷裂的解譯效果；數(shù)據(jù)融合后在色彩豐富程度上，Gram-Schmidt變換融合后的效果最好，且地形信息保存程度也比較好，但色彩未與地形完全融合。Brovey變換一方面使得3種數(shù)據(jù)的融合程度較HSV變換差一些，另一方面增大了航磁和航放數(shù)據(jù)的異常信息。PC變換后的顏色與Brovey比較一致，但地形信息保存程度較低，航磁和航放數(shù)據(jù)保存程度較低，且色彩信息與地形信息融合程度最低。未進(jìn)行變換的RGB融合圖像更像是3種數(shù)據(jù)在一定透明度的情況下的疊加，在異常值特別高的情況下會影響高分遙感數(shù)據(jù)對構(gòu)造斷裂的顯示效果。

圖3 高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)融合圖像 （具體位置可參考圖4）Fig.3 Fused images of high-resolution remote sensing data,aeromagnetic and airborne radioactive data by different method （Specific locating showed in Fig.4）

另外，為了研究數(shù)據(jù)融合技術(shù)對鈾礦類型的區(qū)分作用，將航放數(shù)據(jù)中的U、Th和K 3種數(shù)據(jù)進(jìn)行RGB波段合成，然后以Worldview-3高分?jǐn)?shù)據(jù)第一個(gè)波段為高分辨率圖像，進(jìn)行HSV變換，得到的圖像反映了3種放射性元素在研究區(qū)的分布情況（圖3f）。

4 融合結(jié)果分析和討論

航磁數(shù)據(jù)向上延拓的結(jié)果中（圖2b），中部的中間正高異常場帶位于芨嶺—革命溝地帶，該地段巖漿活動強(qiáng)烈，發(fā)育大面積的早古生代閃長巖和少量的輝綠巖，其中在空間上閃長巖與似板狀花崗巖及鈉長巖脈等和鈾成礦的關(guān)系十分密切［13］，已知的鈾異常點(diǎn)和鈾礦點(diǎn)多處于閃長巖和花崗巖接觸地帶。閃長巖中含大量的角閃石及少量的普通輝石、云母等含鐵量高的礦物，是航磁正異常的主要貢獻(xiàn)者。因此，航磁異常與控礦構(gòu)造在空間位置上關(guān)系密切。

航放數(shù)據(jù)能夠直接反應(yīng)不同巖體和地層的放射性強(qiáng)度，其中U和Th異常更是其含量大小的直接體現(xiàn)，如圖3a和3f，航放異常與巖體和地層有密切的關(guān)系。但航放數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)也比較明顯，即地形、地貌特征反映能力較差，識別斷裂構(gòu)造信息能力較低。

本次使用的高分遙感數(shù)據(jù)是Worldview-3高空間分辨率遙感圖像，能夠清晰地反映地形、地貌信息；航磁數(shù)據(jù)反映地磁異常，進(jìn)而反映深部巖體和深部斷裂信息；航放數(shù)據(jù)能夠直接反映地表放射性強(qiáng)度，突顯鈾異常信息。將高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)融合，取其各自優(yōu)勢，有利于鈾礦控礦構(gòu)造的識別。

根據(jù)高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)的融合結(jié)果，北部北西西向異常帶最明顯，是與革命溝斷裂帶重合的一條異常帶，該異常帶南北兩側(cè)分別分布著一條北西西向鈾異常條帶（圖4中高亮部位），且革命溝鈾礦點(diǎn)就處在北帶。南部的北西西向異常帶顯得比較分散，此處是馬路溝斷裂帶，是芨嶺鈾礦床所處的異常帶。南部異常帶內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，北西西向的大型斷裂被一系列的南北向、北北東向小型斷裂切割，這也是可能導(dǎo)致該條異常帶的鈾異常點(diǎn)比較分散的原因。最后一條異常帶是位于東側(cè)的形似三角形的北北東向異常帶，其西側(cè)以近南北向玉石溝斷裂為界，東側(cè)以巖漿巖和變質(zhì)巖北東向分界線為界。玉石溝斷裂（圖4）在圖3a、圖3b和圖3f中非常明顯，從北部革命溝斷裂帶延伸到南部馬路溝斷裂帶。該處北東向的巖性分界線向北西方向可以切穿革命溝斷裂帶，經(jīng)過革命溝鈾礦帶，應(yīng)該是一條大型斷裂（圖4中的F1），和東側(cè)的通窯溝斷裂近乎平行。但是該斷裂在革命溝斷裂附近的部分在遙感圖像上清晰可見，芨嶺巖體以南的部分已有野外工作確認(rèn)，中部為巖性分界，具體是否是斷裂還需要更多的野外工作去驗(yàn)證。

圖4 研究區(qū)主要斷裂Fig.4 The main fractures in the study area

另外，通過HSV變換后的高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)融合圖像，正高異常區(qū)和研究區(qū)的巖漿巖區(qū)重合度非常高，這一方面表明該區(qū)巖漿巖的鈾含量和磁性普遍比以大理巖和石英片巖為主的副變質(zhì)巖區(qū)高，另一方面表明該方法有利于幫助區(qū)分某一區(qū)的巖性。Gram-Schmidt變換后的高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)融合圖像，以色彩信息更加豐富的特點(diǎn)，相對于HSV變換融合圖像，更加利于巖性區(qū)分。

圖3f顯示的是航放數(shù)據(jù)U、Th和K 3種數(shù)據(jù)融合后經(jīng)HSV變換的圖像，是用高分遙感圖像代替顏色亮度值波段，用三次卷積技術(shù)將色度和飽和度重采樣至高分辨率像元尺寸，然后將圖像變換回RGB顏色空間的一種融合圖像。該圖像對東部北北西向的異常條帶顯示得更加清晰，且北西西向的兩條異常帶細(xì)節(jié)顯示得更好，即北部異常帶呈多條細(xì)長條帶顯示，南部異常帶呈多個(gè)點(diǎn)狀顯示。由于南部異常帶整體呈紅、藍(lán)和紫色，說明位于綠色通道的Th含量很少；北部異常帶呈黃色，是位于紅色通道的U和位于綠色通道的Th造成的，說明該異常帶內(nèi)的放射性異常是鈾和釷共同造成的，是釷鈾混合型礦床或異常點(diǎn)，這一結(jié)果在實(shí)際的野外勘查結(jié)果中已經(jīng)得到驗(yàn)證。

5 結(jié)論

1）對于高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)的融合變換，HSV變換、Brovey變換、Gram-Schmidt變換和主成分 （PC）變換等四者中，HSV和Gram-Schmidt變換后的圖像信息最豐富且紋理清晰度最高，且前者的各數(shù)據(jù)信息融合程度最高，后者的顏色信息更加豐富。

2）高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)變換，將磁異常信息、放射異常信息和構(gòu)造信息融合到一起，可以清晰地顯示出龍首山東段 （芨嶺—革命溝地區(qū)）的熱液型鈾礦成礦帶、控礦構(gòu)造的位置和展布情況，能夠較好地識別控礦構(gòu)造。

3）通過高分遙感數(shù)據(jù)與航磁和航放數(shù)據(jù)的融合，在遙感圖像紋理特征的基礎(chǔ)上，增加了不同巖體、巖性的地磁及放射性差異，在一定程度上增強(qiáng)了斷裂信息，提高斷裂的識別效果。

致謝：感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院物化探研究所周俊杰博士幫助處理航磁數(shù)據(jù)。