淺談遙感技術(shù)在地質(zhì)解譯方面的應(yīng)用

袁鵬博 張磊 高瑤瑤

1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710065；

2.北京和橋互聯(lián)信息技術(shù)有限公司 北京 100122

前言

現(xiàn)代科技革命深刻地改變了遙感地質(zhì)解譯技術(shù)，從多方面促進(jìn)了地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)工具和遙感實(shí)物工具的轉(zhuǎn)化，而且體現(xiàn)了多學(xué)科技術(shù)的相互依存和相互促進(jìn)。遙感技術(shù)具有宏觀、綜合、多尺度、多層次的特點(diǎn)，已成為地質(zhì)研究和地質(zhì)勘查的主要技術(shù)手段。它將在地質(zhì)勘查、地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)地質(zhì)研究等方面發(fā)揮重要作用。

1 介紹遙感技術(shù)和地質(zhì)解譯的相關(guān)概念

1.1 遙感技術(shù)

遙感顧名思義就是遙遠(yuǎn)的感知，是一種綜合性的探測(cè)技術(shù)。遙感是利用遙感設(shè)備從空中通過探測(cè)電磁波譜相互作用特征來(lái)識(shí)別地質(zhì)特征參數(shù)。通過對(duì)這些信息的處理和解譯，達(dá)到識(shí)別的目的。遙感技術(shù)的發(fā)展極大地拓寬了人類的視野和觀察能力。目前，遙感技術(shù)中常用的電磁波有可見光、紅外、微波等。遙感分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感。主動(dòng)遙感，如機(jī)載側(cè)視雷達(dá)，探測(cè)和反射人工輻射，并基于傳感器測(cè)量無(wú)線電波。被動(dòng)遙感，如攝影、視頻和紅外掃描等[1]。

1.2 地質(zhì)遙感

遙感技術(shù)在地質(zhì)工作中的廣泛應(yīng)用，使其成為當(dāng)前地質(zhì)勘查工作不可缺少的手段，徹底改變了地質(zhì)勘查工作，形成了遙感地質(zhì)學(xué)的一門新學(xué)科。遙感地質(zhì)學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括各種地質(zhì)體的電磁輻射特征及其測(cè)試、分析和應(yīng)用。從遙感數(shù)據(jù)中提取地質(zhì)信息的原理和方法，通過效果評(píng)價(jià)遙感技術(shù)在各個(gè)地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用。研究目的是有效識(shí)別地質(zhì)特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上為地質(zhì)構(gòu)造研究、礦產(chǎn)資源勘查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)監(jiān)測(cè)提供服務(wù)。

1.3 遙感解譯

遙感解譯是從遙感圖像中識(shí)別和提取圖像，賦予其特定屬性和內(nèi)涵，并測(cè)量其特征參數(shù)的過程。地質(zhì)解譯有兩種方法，一是以數(shù)字遙感影像為信息源，以專業(yè)軟件為解譯平臺(tái)，利用遙感解譯符號(hào)，識(shí)別圈定地質(zhì)體、巖性構(gòu)造、接觸關(guān)系等地質(zhì)現(xiàn)象。二是以遙感影像為背景，疊加局部地質(zhì)層，對(duì)典型地質(zhì)體的影像特征進(jìn)行對(duì)比、校正和解譯。遙感地質(zhì)解譯的實(shí)質(zhì)是對(duì)地質(zhì)的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)地質(zhì)構(gòu)造和礦床的認(rèn)識(shí)，體現(xiàn)在對(duì)遙感影像的地質(zhì)觀測(cè)解譯上。

2 我國(guó)遙感地質(zhì)解譯的發(fā)展

遙感地質(zhì)解譯是遙感技術(shù)在地質(zhì)學(xué)中的具體應(yīng)用。我國(guó)遙感影像地質(zhì)解譯的發(fā)展與遙感技術(shù)的發(fā)展相似。20世紀(jì)50年代初，主要利用航空攝影做地形測(cè)繪和地質(zhì)解譯實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)60年代，我國(guó)地質(zhì)解譯技術(shù)沒有明顯進(jìn)步。但到20世紀(jì)70年代末，遙感地質(zhì)等方面的技術(shù)裝備在我國(guó)的技術(shù)水平及技術(shù)實(shí)力上有了很大的發(fā)展。地質(zhì)解譯用的圖片從黑白航空攝影圖片發(fā)展為可見光遙感、黑白和彩色紅外遙感。主要解譯工具為立體鏡、放大鏡，解譯結(jié)果基本是人工手繪制圖。到20世紀(jì)八九十年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展、傳感器的改進(jìn)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，遙感地質(zhì)解譯技術(shù)也得到了快速發(fā)展[2]。

3 遙感地質(zhì)解譯方法與原則

3.1 遙感地質(zhì)解譯方法

①目視解譯。目視解譯，其解譯工具相對(duì)落后，主要采用放大鏡、立體鏡等，解譯結(jié)果主要是紙質(zhì)圖紙。目視解譯獲得的數(shù)據(jù)較少，主要強(qiáng)調(diào)定性描述。主觀因素在解譯中的影響較大，容易造成誤判。同時(shí)信息利用有限，定量描述不能完全實(shí)現(xiàn)，難以適應(yīng)量化的實(shí)際情況。并且地質(zhì)信息提取、更新、編輯速度慢，在實(shí)際工作中效率低。但隨著時(shí)間的推移，“目視解譯”仍然是遙感技術(shù)應(yīng)用中不可替代的一部分，與其他地質(zhì)解譯方法相輔相成。②人機(jī)交互解譯方法。隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)遙感解譯技術(shù)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了根本性的變化。人機(jī)交互解譯克服了目視解譯中遙感圖紙不能以圖片形式放大或縮小的問題。而計(jì)算機(jī)可以將圖像放大到合適的大小，準(zhǔn)確地校正邊界，提高解譯精度。還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操作，隨時(shí)增強(qiáng)模糊區(qū)域，并對(duì)圖像進(jìn)行解譯和編輯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字圖像解譯。③計(jì)算機(jī)智能解譯。計(jì)算機(jī)智能解譯是模式識(shí)別技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用。遙感技術(shù)、人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)了多學(xué)科的綜合集成。計(jì)算機(jī)智能解譯是將遙感信息和空間信息轉(zhuǎn)化為地質(zhì)資源信息，將新技術(shù)、新方法轉(zhuǎn)化為地質(zhì)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的決策信息，最終轉(zhuǎn)化為地質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 遙感地質(zhì)解譯原則

通過掌握地質(zhì)條件或建立解譯標(biāo)志區(qū)（點(diǎn)）來(lái)解譯地質(zhì)構(gòu)造的垂直走向。通過解譯，掌握研究區(qū)的地質(zhì)層順序及其變化規(guī)律。了解研究區(qū)的基本地質(zhì)條件，然后沿構(gòu)造向兩側(cè)延伸，完成全區(qū)遙感解譯。延伸解譯應(yīng)遵循以下原則：①由新到舊。地質(zhì)體越新，受地質(zhì)作用影響越小，影像標(biāo)志越明顯，不同地質(zhì)單元的界線越清晰。這不僅體現(xiàn)了由新到舊的原則，而且有助于建立和理順地質(zhì)體的時(shí)空關(guān)系。②由易到難。從地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、地層出露完整、遙感影像地質(zhì)信息豐富清晰的地區(qū)入手，逐步對(duì)解譯難度較大的地區(qū)進(jìn)行解譯。③由表及里。即解譯裸露區(qū)的巖石地質(zhì)現(xiàn)象，再解譯覆蓋區(qū)的巖石地質(zhì)現(xiàn)象。通過不同的圖像處理方法可以提取或增強(qiáng)隱藏的地質(zhì)信息。

4 遙感地質(zhì)解譯的一般要求

遙感解譯應(yīng)始終堅(jiān)持實(shí)事求是的原則。在運(yùn)用專業(yè)原理和方法進(jìn)行遙感解譯后，需要利用其他信息和多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行充分驗(yàn)證，最終以客觀事實(shí)評(píng)價(jià)解譯的有效性和效率。以下從線、環(huán)、帶、色、塊的解譯要求出發(fā)，進(jìn)行闡述。

4.1 線要素

①線要素的地質(zhì)含義。線要素在遙感解譯中的地質(zhì)意義主要體現(xiàn)在斷裂構(gòu)造、脆韌性變形構(gòu)造、逆沖推覆構(gòu)造、褶皺軸和線性構(gòu)造蝕變帶等基本的線性信息上。②線要素的規(guī)模及分類。根據(jù)遙感地質(zhì)解譯，與地質(zhì)有關(guān)的構(gòu)造可分為斷裂構(gòu)造、脆韌性變形構(gòu)造和逆沖推覆構(gòu)造三種類型。主要由大型斷裂構(gòu)造及板塊縫合帶、深部斷裂帶、中型地質(zhì)構(gòu)造斷裂和大面積斷裂帶組成[3]。

4.2 帶要素

①帶要素的地質(zhì)意義。賦礦地層是遙感地質(zhì)信息的主要帶要素。由于賦礦存在于不同板塊、不同地質(zhì)構(gòu)造單元的不同含礦地層中，因此帶要素的遙感解譯存在差異。②帶要素解譯方法流程。在帶要素解譯中，首先要確定位置信息。不同地區(qū)含礦地層差異較大。在已知含礦地層信息或野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定地層富元素組合規(guī)律，進(jìn)行遙感帶要素解譯。

4.3 環(huán)要素

（1）與地質(zhì)成礦相關(guān)的環(huán)要素。主要包括五類環(huán)要素，分別是：①因小巖株形成的環(huán)要素；②因花崗巖侵入體形成的環(huán)要素；③由火山機(jī)構(gòu)或火山作用形成的環(huán)要素；④因圍巖蝕變形成的封閉狀環(huán)形影像；⑤與構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)的環(huán)形影像。

（2）環(huán)要素解譯要求。在遙感地質(zhì)解譯過程中，環(huán)要素的確定要有充分的地質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于面積小但地質(zhì)意義明顯的環(huán)要素，應(yīng)予以強(qiáng)調(diào)或夸大。對(duì)于地質(zhì)意義不明確，不宜繪制圖像的應(yīng)不作標(biāo)繪。此外，還需要觀察和描述環(huán)要素的形狀和大小、成因類型等。

4.4 色要素

（1）目視解譯色要素成因分類。遙感地質(zhì)解譯中的色要素是指遙感目視解譯中與周圍環(huán)境不同的顏色異常。與礦石有關(guān)的色要素主要由圍巖蝕變、同化混染、物質(zhì)置換和礦化作用組成。

（2）色要素的類型。遙感地質(zhì)解譯中存在幾種色調(diào)異常，分別是：①花崗巖巖體周圍的暗色色調(diào)往往是圍巖角巖化類蝕變所致，色調(diào)范圍它基本上為巖體角巖化蝕變范圍；②花崗巖巖體周圍的淺藍(lán)色色調(diào)基本代表青盤巖類蝕變的范圍；③花崗巖巖體外圍淺黃色色調(diào)基本上暗示了巖體邊緣黃鐵礦化的蝕變范圍[4]。

4.5 塊要素

（1）塊要素屬性描述。塊要素屬性的描述應(yīng)包括：①塊要素的形態(tài)，塊要素一般形態(tài)各異，基本可以出現(xiàn)任何幾何形態(tài)的類型。②塊要素的成因，其中常見的成因?yàn)闃?gòu)造透鏡體和花崗巖侵入體等。③塊要素的力學(xué)性質(zhì)，一般除擠壓扁豆體和透鏡體外，旋鈕狀構(gòu)造也是較為常見的。

（2）塊要素的解譯成圖要求。通常，塊要素應(yīng)該在地圖上用彩色的閉合線表示。但對(duì)于一些重要，但面積較大的區(qū)域，只能畫一些具有找礦意義的點(diǎn)，如角點(diǎn)或特征邊。如果可能的話，應(yīng)在地圖上畫出同一級(jí)別的塊體要素。對(duì)于花崗巖周圍接觸帶引起的塊體要素，除蝕變部分外，還應(yīng)指出成因。由多個(gè)斷層切割引起的塊體單元可以用實(shí)際斷層代替。

5 遙感技術(shù)在地質(zhì)解譯中的應(yīng)用

5.1 巖性識(shí)別

①沉積巖影像特征及識(shí)別。由于沉積巖的耐蝕性和形狀不同，往往形成不同的地貌特征。硬沉積巖，如石英和砂巖，通常形成正地貌，而軟泥巖和頁(yè)巖通常形成負(fù)地貌。水平硬沉積巖常形成方山地形、臺(tái)地地形或長(zhǎng)垣地形。在遙感影像中，碎屑巖普遍表現(xiàn)出明顯的地帶性空間特征，邊界清晰。砂巖平坦，厚度穩(wěn)定，具有條帶狀特征，一般形成平緩的山脊地形。黏土巖和粉質(zhì)頁(yè)巖，反射率一般較低，遙感影像色調(diào)較暗，顏色不均勻，層理不明顯。②巖漿巖影像特征及其識(shí)別。遙感影像中巖漿巖和沉積巖的形態(tài)結(jié)構(gòu)存在明顯差異。在巖漿巖的解譯中，有必要區(qū)分酸性、中性和堿性巖石。酸性巖漿以花崗巖為代表，花崗巖在圖像上是淺色的，所以很容易識(shí)別周圍的巖石。它的平面形狀通常是圓形、橢圓形和多邊形?；鶐r顏色最深，易侵入巖石，易風(fēng)化侵蝕成不良地形。噴出基性玄武巖相對(duì)堅(jiān)硬，經(jīng)侵蝕形成方山和臺(tái)地。③變質(zhì)巖識(shí)別。巖漿巖中的正變質(zhì)巖和沉積巖中的負(fù)變質(zhì)巖都保留了原巖的特征。因此，遙感圖像與原始巖石相似。經(jīng)過變質(zhì)后，圖像特征會(huì)變得更加復(fù)雜。

5.2 地質(zhì)構(gòu)造識(shí)別

遙感對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造的識(shí)別具有特殊的意義。在實(shí)地調(diào)查中，測(cè)點(diǎn)不宜太近，看不清全貌。然而，從幾百米、幾千米、幾百公里的遙感影像中獲取信息，有利于把握區(qū)域結(jié)構(gòu)的總體特征。特別是在巖石出露條件較好的情況下，從高分辨率遙感影像中測(cè)量產(chǎn)狀因子顯得尤為重要，特別是在難以到達(dá)的地區(qū)。隨著遙感圖像處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，遙感信息提取成為研究熱點(diǎn)。遙感在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用是地球科學(xué)遙感研究的一個(gè)成功領(lǐng)域。從遙感圖像中提取線性結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)信息是遙感結(jié)構(gòu)信息提取的主要內(nèi)容[5]。

6 現(xiàn)代科技發(fā)展對(duì)遙感解譯技術(shù)的促進(jìn)

6.1 為解譯的發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命是解譯技術(shù)發(fā)展的巨大動(dòng)力。從地面觀察到空間觀察，將紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析，以描述地質(zhì)現(xiàn)象。從平面發(fā)展到利用三維技術(shù)再現(xiàn)，充分體現(xiàn)了理性工具在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要作用。實(shí)體工具的變革是基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的結(jié)果。隨著實(shí)體工具的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，科學(xué)知識(shí)的生產(chǎn)力將不斷提高，科學(xué)知識(shí)的生產(chǎn)方式也將逐步進(jìn)化。

6.2 促進(jìn)了數(shù)學(xué)描述和定量方法的廣泛應(yīng)用

這說明在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命中，人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從定性階段轉(zhuǎn)向定量階段。統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，加上大規(guī)模計(jì)算和模擬技術(shù)的應(yīng)用，加深了人們對(duì)復(fù)雜地質(zhì)學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了認(rèn)識(shí)從定性到定量的轉(zhuǎn)變。

6.3 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的工作方式

現(xiàn)代科技革命改變了人們傳統(tǒng)的工作方式，改變了科學(xué)、技術(shù)、生產(chǎn)相分離的狀態(tài)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步用于生產(chǎn)實(shí)踐，并將促進(jìn)人類社會(huì)各方面的迅速發(fā)展，提高工作效率，改變了人類的生活方式。遙感技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)，改變了人們的傳統(tǒng)的工作方式，提高了工作效率，大大節(jié)省了人力、物力、財(cái)力。

7 結(jié)束語(yǔ)

遙感技術(shù)是當(dāng)今世界上發(fā)展迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是構(gòu)筑“數(shù)字地球”強(qiáng)大的核心技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已成為自然資源調(diào)查和地質(zhì)科學(xué)研究的全新技術(shù)方法。目前，遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)越來(lái)越受到地質(zhì)學(xué)家的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高分辨率、高定位精度的遙感數(shù)據(jù)將為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、生態(tài)環(huán)境、土地利用變化監(jiān)測(cè)、智慧城市和國(guó)防科技的發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。