遙感解譯在內(nèi)蒙古額濟納旗地區(qū)1∶5萬地質(zhì)填圖中的應用

于洪蘋，楊國良，騰正雙

(首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所，北京 100144)

0 引言

遙感技術以其宏觀性、周期性、實時性和信息豐富等技術優(yōu)勢，成為地質(zhì)填圖中重要的技術手段[1-3]，為區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究提供豐富的地質(zhì)信息[4]，可以克服自然條件惡劣、交通不便等不利因素，可以減少野外工作量、縮短填圖周期，降低人工成本，同時能提供直觀、可靠的巖性和構造等方面的地質(zhì)信息，使調(diào)查評價工作更加具有針對性[5-6]。在地質(zhì)填圖工作中，要準確的判定各類地質(zhì)體的接觸關系和接觸界線，采用遙感方法可以使各地質(zhì)體的接觸關系和接觸界線清晰地顯現(xiàn)出來；同時，結合野外實地調(diào)查，通過圖像處理方法，還可將不同的巖性從影像上進行有效地區(qū)分。

本次工作基于中國地質(zhì)調(diào)查局“陰山成礦帶地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項目”，填圖范圍包括內(nèi)蒙古1∶5萬千條溝幅(K47E012015)、鹽堿洼幅(K47E013015)、沙河北幅(K47E014015)、十九號西幅(K47E015015)、螢石礦幅(K47E016015)等5個圖幅，總面積1925 km2。工作區(qū)東距額濟納旗150 km，南距甘肅酒泉220 km。額濟納旗—酒泉公路(S312)橫穿工作區(qū)東南部，工作區(qū)內(nèi)交通不甚方便(圖1)。區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育，地下水稀缺，且強烈濃縮為高礦化度水。植被不發(fā)育，僅生長有少量低矮灌木。礦產(chǎn)資源比較豐富。

圖1 測區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic map of the Ejinaqi area

在內(nèi)蒙古自治區(qū)西部阿拉善盟額濟納旗地區(qū)開展的1∶5萬區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作中，通過遙感圖像處理及遙感地質(zhì)解譯[7-9]，建立有效的遙感解譯標志，并且與野外路線調(diào)查相互驗證，大大提高了戈壁荒漠區(qū)地層巖性的識別、地質(zhì)構造解譯及填圖的準確度，為區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作提供了基礎資料和科學依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

測區(qū)位于哈薩克斯坦板塊，自北向南分為晚古生代六駝山裂陷槽、星星峽—明水—旱山地塊、公婆泉—東七一山早古生代活動陸緣帶3個三級構造單元。地層較發(fā)育，包括古元古界、古生界、中生界和新生界。巖漿活動強烈，共發(fā)育加里東期、華力西期、印支期和燕山期4個侵入期，26個巖石填圖單位。

工作區(qū)內(nèi)出露的地層主要有：古元古界北山巖群(Pt1B)、中-上志留統(tǒng)公婆泉組(S2-3g)、下石炭統(tǒng)綠條山組(C1l)和白山組(C1b)、下二疊統(tǒng)雙堡塘組(P1sh)、下-中三疊統(tǒng)二斷井組(T1-2r)、上新統(tǒng)苦泉組(N2k)和第四系(Qp，Qh)。

侵入體多呈巖基、巖株狀產(chǎn)出，受區(qū)域斷裂控制比較明顯，巖體長軸方向為近EW向或NWW向，與區(qū)域主構造線方向一致。主要出露巖體有加里東期蛇紋石化橄輝巖、閃長巖、花崗閃長巖、花崗巖；華力西期閃長巖系、花崗閃長巖、花崗巖等；印支期的二長花崗巖和燕山期的花崗偉晶巖。

2 遙感數(shù)據(jù)源選擇及數(shù)據(jù)處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)源選取

本次遙感解譯以國產(chǎn)衛(wèi)星資源三號高分辨率遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，配合Landsat ETM+遙感圖像，制作測區(qū)遙感影像圖進行地質(zhì)礦產(chǎn)信息提取。資源三號衛(wèi)星為中國2012年1月9日發(fā)射的首顆民用高分辨率光學傳輸型立體測圖衛(wèi)星，衛(wèi)星集測繪和資源調(diào)查功能于一體。資源三號上搭載的前、后、正視相機可以獲取同一地區(qū)3個不同觀測角度的立體像對，能夠提供豐富的三維幾何信息。資源三號衛(wèi)星搭載多光譜相機和全色相機，獲取的多光譜數(shù)據(jù)空間分辨率為6 m，全色圖像為2.1 m。覆蓋測區(qū)多光譜和全色遙感圖像各6景(共12景)，軌道號044-119、120、121，045-119、120、121，時相分別是2012年9月3日、9月8日。同時還選用了美國陸地衛(wèi)星7號的ETM+遙感影像，涉及ETM+圖像為一個景(軌道號134-031)，獲取時間為2001年8月20日。數(shù)據(jù)無云覆蓋，清晰度高，成像質(zhì)量好(表1)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)融合

資源三號多光譜遙感數(shù)據(jù)具有4個波段。結合以往的工作經(jīng)驗及不同波段的合成對比試驗，資源三號遙感數(shù)據(jù)多光譜圖像的合成方式多采用4-3-2波段假彩色合成，獲得的圖像不僅可以充分反映工作區(qū)的不同地物信息、地物間的層次清晰、色彩豐富，與真彩色很接近，且圖像的反差適中，取得較好的彩色合成效果。

多光譜圖像與全色圖像進行融合。由于資源三號衛(wèi)星多光譜相機和全色相機為搭載在同一傳感器上，所獲取的遙感數(shù)據(jù)理論上空間位置上是一致的，因此不同分辨率數(shù)據(jù)可以進行直接融合，生成空間分辨率為2.1 m的高分辨率遙感圖像。覆蓋測區(qū)共6景多光譜和全色圖像，融合后生成6景高分辨率遙感圖像。前人研究表明，融合后的資源三號遙感圖像完全能達到1∶2.5萬測繪精度要求。

2.2.2 地形圖校正

1∶5萬掃描地形圖均為高斯-克呂格投影，按1980西安坐標系的參數(shù)校正到實際地理位置。為達到控制點的精度要求，每幅地形圖中要校正的控制點需均勻分布，即在圖幅的中部及四圍都要有點控制，通常每個圖幅要選取的控制點不少于12個，校正精度的<1個像素(pixel)。幾何糾正的模型多采用多項式法，重采樣方法均采用立方卷積法。

表1 測區(qū)解譯所使用的遙感數(shù)據(jù)源Table 1 Remote sensing data selected for the interpretation

2.2.3 圖像幾何糾正

以校正后的1∶5萬地形圖為參考圖像對資源三號衛(wèi)星的6景遙感圖像進行校正。校正方法為控制點-二次多項式擬合法，以經(jīng)過校正的地形圖上控制點的坐標值作為真值，對各景圖像進行幾何糾正，使得遙感圖像能夠滿足地形圖的幾何精度要求。

2.2.4 圖像鑲嵌

對經(jīng)過幾何校正的6景資源三號圖像采用幾何匹配、亮度匹配、直方圖匹配等方法進行數(shù)字鑲嵌。①在2個景的遙感圖像重疊部分中選擇同名的地物點作為控制點，用曲面擬合方法消除2景圖像之間的殘余誤差；控制點的擬合誤差約為1個像元，為確保拼接的精度程度，誤差的最高值控制為<2個像元，對于線性地物的誤差控制為1個像元；②為了盡量減小圖像拼接后出現(xiàn)“接縫效應”，數(shù)字鑲嵌的拼接線采用“折線式”鑲嵌，拼接點則選擇貼合地物、地貌的天然分界；③為最大限度降低2景圖像之間的“色差”，使不同時相的2景圖像色調(diào)趨于一致，在相鄰2景圖像的重疊部分中選擇子區(qū)實施直方圖的匹配；④在圖像拼接點附近的32個像元臨域內(nèi)，采用“加權平均值”方法增強灰度圓滑，實現(xiàn)拼接點附近的亮度值呈自然過渡狀態(tài)；重采樣選用立方卷積方法。

盡管ETM+遙感影像已經(jīng)過前期傳感器校正、大氣校正和幅射校正，但校正后的精度仍無法到達精度要求，仍需繼續(xù)進行初校正和精校正。①初校正：依據(jù)ETM+數(shù)據(jù)頭文件中給出了圖像的4個角點和中心點的像元坐標，以這5個控制點作為地面控制點(GCP)對整景圖像進行地圖投影校正處理；②精校正：在地形圖中選取具有標志性的同名地物作為控制點；校正時，多項式次數(shù)選擇為1，重采樣方法選用最鄰近法，對每個單景圖像的1～5波段、7波段和8波段分別進行坐標變換，重新進行定位。

ETM+具有從可見光到熱紅外的波譜范圍，能滿足一定礦物、巖石的巖性特征劃分需要。選擇ETM+圖像中信息量最大的7、4、1等3個波段進行組合，與全色波段小波融合，生成空間分辨率15 m的遙感圖像，將原始圖像UTM投影重新投影為高斯投影。

由于測區(qū)內(nèi)植被不發(fā)育，地表以基巖和戈壁灘為主，資源三號遙感圖像顏色以灰色為主，較為單調(diào)。為便于人機交互解譯地質(zhì)礦產(chǎn)信息，將校正后的資源三號圖像與ETM+圖像進行圖像融合，既具備了ETM+圖像色彩信息豐富的特點，有保證了資源三號衛(wèi)星圖像的高空間分辨率。對融合圖像還進行了圖面整飾、加繪圖廓、標注地理坐標、繪制圖名和比例尺等，最終形成1∶5萬遙感影像圖(圖2)。遙感影像具有影像清晰、反差適中、層次分明的特點，各類地質(zhì)體大多易于判讀，可用于工作區(qū)的地質(zhì)解譯的底圖。從遙感影像上看，區(qū)內(nèi)巖石裸露，沒有植被覆蓋，也無云、雪等干擾因素，各地質(zhì)體影像紋理清晰，色彩豐富，層次分明，圖像質(zhì)量良好，完全可以滿足1∶5萬遙感地質(zhì)調(diào)查工作。

3 遙感影像地質(zhì)單元解譯和解譯分區(qū)

3.1 建立地質(zhì)體的解譯標志

遙感地質(zhì)解譯標志是指能直接反映、判別地物地質(zhì)信息的影像特征，利用地質(zhì)解譯標志可以在圖像上區(qū)分地質(zhì)體或識別地物的地質(zhì)屬性，它是遙感影像數(shù)據(jù)的人機交互式解譯的基礎和標準[10-12]。通過對遙感數(shù)據(jù)的多重遙感信息提取解譯，結合已有的地質(zhì)、遙感資料信息，建立起工作區(qū)線性構造和主要地質(zhì)體(填圖單元)的遙感解譯標志(表2，表3，表4)，編制了遙感解譯圖。工作區(qū)的合成遙影像地質(zhì)信息反映良好，可解譯程度較高，各類地質(zhì)體的邊界(尤其是斷裂構造)十分清晰(圖3)。

3.1.1 斷裂構造解譯

斷裂構造的影像特征表現(xiàn)為線性影紋、帶狀異常色調(diào)呈直線性延伸、不同色調(diào)地質(zhì)體呈直線狀接觸邊界、地質(zhì)體錯斷、地形上表現(xiàn)為線性凹地等。工作區(qū)中構造線方向總體為NWW向，次為NE向。工作區(qū)內(nèi)(從北至南)主要斷裂解譯標志見表2。

圖2 測區(qū)分幅遙感影像圖Fig.2 Remote sensing image of the areaa.千條溝幅；b.鹽堿洼幅；c.沙河北幅；d.十九號西幅；e.螢石礦幅

表2 斷裂構造解譯標志Table 2 Interpretation mark of fault

表3 地層解譯標志Table 3 Interpretation marks of strata

表4 侵入巖解譯標志Table 4 Interpretation marks of intrusions

圖3 質(zhì)體影像解譯范例Fig.3 Examples of interpretation of geological bodiesna.下石炭統(tǒng)白山組影像；b.古元古界北山群影像

3.1.2 地質(zhì)體解譯標志

各填圖單位的影像特征見表3和表4。

在南部圖幅(K47E016015)中，斷裂構造相對較發(fā)育，如NE方向斷裂構造，在遙感圖像上明顯的色調(diào)差異和紋型差異顯示出來，切割不同時代地層和巖體，同時發(fā)生錯動位移，在北部圖幅(K47E013015)內(nèi)，由于斷裂構造的切割，使不同時代地層呈斷裂接觸，以不同顏色和紋型清晰顯示出來。從斷裂構造的連續(xù)性和遙感影像特征判別，推斷NW向斷裂構造切割NE向斷裂構造，局部發(fā)生左行平移。由于工作區(qū)內(nèi)幾乎沒有植被覆蓋，地層和巖性識別較為容易和可靠。沉積巖呈條帶狀影紋清晰顯示，侵入巖體的邊界清晰可辨。

古元古界北山巖群(Pt2B)。為區(qū)內(nèi)最古老的地層單元，是一套中深變質(zhì)巖系，巖性主要為片巖、變粒巖、片麻巖，夾大理巖、板巖、混合巖和變質(zhì)砂巖等。主要分布于最南部圖幅(K47E016015)，少量見于北部圖幅(K47E012015)內(nèi)。在南部圖幅遙感圖像上呈淡棕褐色、淡褐灰色，表面毛糙，明顯正地形，清晰條紋條帶；北部圖幅內(nèi)北山巖群呈褐色、棕色，條紋不清晰。

中-晚志留統(tǒng)公婆泉組(S2-3g)。主要巖性為安山巖、安山玄武巖、流紋巖、凝灰?guī)r夾灰?guī)r，主要分布于本區(qū)最南部圖幅(K47E016015)內(nèi)。在遙感圖像上呈灰黑色，表面較粗糙，疙瘩狀，紋理不清晰，近于塊狀特點。

早石炭世白山組(C1b)。主要分布于測區(qū)北部4個圖幅內(nèi)。主要巖性為中酸性火山巖、千枚巖、片巖、片麻巖。遙感圖像上為棕色、淡棕色，成層性好，表面較粗糙，但較均勻。

下二疊統(tǒng)雙堡塘組(P1sb)。主要分布于最北部千條溝幅(K47E012015)內(nèi)，主要巖性為頁巖、粉砂巖、中細粒砂巖互層，黑色頁巖、粉砂巖互層。遙感圖像上呈深灰色、鐵灰色，大部分被戈壁灘覆蓋，僅局部斷續(xù)出露。具清晰的條紋條帶。

上三疊統(tǒng)珊瑚井組(T3sh)。主要巖性為灰綠色、灰色砂巖、礫巖、粉砂巖、碳質(zhì)頁巖。主要分布在南部的十九號西幅(K47E015015)的東南部。在遙感圖像上灰綠-淺灰黑色，清晰的密集條紋和條帶，反映發(fā)育良好的層理，地層邊界清晰。

下白堊統(tǒng)赤金堡組(K1c)。主要分布于南部十九號西幅(K47E015015)內(nèi)。主要巖性為碳質(zhì)粉砂巖、黃綠色粉砂巖與硬砂巖互層。遙感圖像上顏色較淺，淡黃灰色為主。表面相對光滑，地形平緩，呈現(xiàn)較清晰的地層條帶。

中新統(tǒng)苦泉組(N2k)。主要巖性為粉紅色、桔黃色粉砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂礫巖夾石膏。由于巖性相似，除了顏色略有差別外，遙感圖像影像特性相似，顏色較淺，表面光滑、平緩，邊界也不清晰，有時與第四系(戈壁灘)不易區(qū)分。

第四系(Q)。區(qū)內(nèi)大面積出露，沖洪積物形成戈壁灘地貌。遙感圖像上呈褐色、黃白色調(diào)，地形平緩，呈半透明狀，有時見有清晰流水痕跡。

侵入巖。各個圖幅內(nèi)均出露有面積不等的酸性、中酸性侵入體，在遙感圖像上總體特征相似，淡紅棕色、淡棕褐色，閃長巖顏色略深，花崗巖顏色稍淺。表面呈疙瘩狀，但總體塊狀特征，邊界清晰，有時也呈現(xiàn)NW向隱紋。

3.2 遙感影像分區(qū)

圖4 十九號西幅遙感影像分區(qū)圖Fig.4 Map showing remote sensing image zones

由于巖性、構造的差異和地形地貌、植被、水系、人類活動的影響，使遙感圖像出現(xiàn)區(qū)域性的顏色、色調(diào)和紋型上的不同，表現(xiàn)為不同的遙感影像單元。因此，遙感圖像的影像單元分區(qū)，反映了不同的大地構造單元或構造區(qū)、不同的巖石類型、不同的地形地貌種類，也反映了不同的可解譯程度。額濟納旗地區(qū)屬于基巖裸露區(qū)，工作區(qū)內(nèi)基巖出露程度高，除戈壁覆蓋外，無植被影響，全區(qū)的可解譯程度高，根據(jù)顏色、色調(diào)和紋型可直接判別巖性，是遙感技術發(fā)揮作用的理想場所。測區(qū)從北至南5個1∶5萬圖幅，不同圖幅內(nèi)地層、構造、巖性不同，遙感影像特征也明顯不同。以不同的地形地貌、顏色和紋型主要參考標準，進行不同圖幅的遙感影像單元劃分。以十九號西幅(K47E015015)為例(圖4)，根據(jù)遙感影像特征，可以大致分為3類區(qū)塊。

Ⅰ區(qū)。分布于圖幅的中部，遙感圖像上以棕色、褐色等深色調(diào)為主，表面粗糙，地形略高，基巖出露完全。圖幅北部地塊地層條帶明顯，推測為古生代淺變質(zhì)巖。圖幅南部影像成塊體，為中生代中酸性侵入巖體。遙感解譯程度好，根據(jù)顏色、色調(diào)和紋型等，不同巖性易于區(qū)分。

圖5 十九號西幅遙感地質(zhì)解譯圖Fig.5 Remote sensing data interpretation map

Ⅱ區(qū)。分布于圖幅西部。在遙感圖像上以淡青灰色為主，地形比Ⅰ區(qū)平緩得多，局部有起伏，突起區(qū)則為基巖出露較好區(qū)段。基巖出露中等，部分被戈壁覆蓋。主要出露中生代沉積巖系，根據(jù)顏色、紋型等，可區(qū)分不同地層或巖性，遙感可解譯程度為中等。

Ⅲ區(qū)。分布于圖幅的東部和西部的部分區(qū)段。在遙感圖像上東部區(qū)以茶褐色、棕褐色為主，西部以紅棕色為主，地形平緩，表面略顯光滑，有明顯的流水痕。呈半透明狀，為中新統(tǒng)砂礫石層。新近系和第四系不同巖石類型在遙感圖像上的可解譯程度一般。

4 遙感地質(zhì)解譯成果

根據(jù)建立的斷裂構造和地質(zhì)體遙感解譯標志，對照地質(zhì)圖和其他地質(zhì)資料，采用人機交互解譯方式，對照打印的紙質(zhì)遙感圖像，放大或縮小，準確勾畫構造和地質(zhì)體邊界。結合野外調(diào)查情況，對測區(qū)進行了詳細的遙感解譯，取得了良好的解譯效果。以十九號西幅為例(圖5)，主要解譯成果如下：

(1)在斷裂構造方面，利用資源三號和ETM+遙感數(shù)據(jù)對測區(qū)及周邊所處的大地構造背景進行解譯和認定，解譯出區(qū)內(nèi)主要的斷裂構造。

(2)在地質(zhì)體方面，較好地解譯出區(qū)內(nèi)中生代斑狀花崗巖、晚古生代中粒英云閃長巖、第四系沖洪積物之間的界線，并根據(jù)地質(zhì)填圖單元，分析總結了測區(qū)內(nèi)各地層的遙感影像特征、可解譯程度及巖石地層分布情況等。

(3)將解譯成果與以往的地質(zhì)資料進行了對比分析，對有差異的地區(qū)進行了重點解譯和野外驗證，進一步修改和補充部分地質(zhì)界線，從而提高了遙感地質(zhì)解譯成果的實用性。

5 結論

工作區(qū)處于干旱的戈壁荒漠區(qū)，植被不發(fā)育，巖石裸露，遙感地質(zhì)可解譯程度較高。采用資源三號衛(wèi)影像和ETM+影像的融合，有效利用2種影像特點，既可提高空間分辨率，又能提高光譜分辨率，獲得很好的解譯效果。通過野外踏勘和遙感影像判別，建立了影像地質(zhì)解譯標志，解譯結果可與實際的地質(zhì)體、地質(zhì)界線相互印證、吻合，可靠性很好，獲得令人滿意的應用效果。

戈壁荒漠區(qū)應用遙感技術的優(yōu)勢在于不受地表覆蓋物和地形的限制，能夠準確地判斷地質(zhì)界線及斷裂構造形態(tài)，是對野外區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的有效輔助手段，具有廣闊的應用前景廣闊。同時，應積極探索解決遙感圖像中某些細節(jié)刻畫不足的技術與方法。