遙感技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用研究分析

龔 弦，馬 源，何學(xué)志，張麗嬌，王 衛(wèi)

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊, 四川 成都 610036)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展，對于礦產(chǎn)資源的需求與日俱增，為維持礦產(chǎn)資源的供需平衡，科研人員做出了不懈的努力，同時也推進了地質(zhì)勘查工作的發(fā)展和進步，通過對新興技術(shù)的不斷改良和創(chuàng)新，取得了一系列優(yōu)異的成果。其中，遙感技術(shù)展現(xiàn)出了較高的貢獻度，該技術(shù)利用遙感影像的解譯確定巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造，通過分析能快速識別礦床[1-2]。不同于實地調(diào)查，它是一種集現(xiàn)代化信息技術(shù)、計算機技術(shù)等于一體的新興技術(shù)，能以直觀清晰的圖像顯示地表自然景觀，反映大量地表和淺地表的地質(zhì)信息[3]，其中包括地形、地貌和巖石的構(gòu)造形態(tài)，以及水、土壤及植被等信息[4]。該技術(shù)還具備信息量大、波段多、定位準(zhǔn)確、畫面立體感強等特點，且對于一些偏遠、復(fù)雜、自然條件惡劣地區(qū)的信息采集表現(xiàn)出高效、省時等優(yōu)勢[5]?，F(xiàn)如今，遙感技術(shù)隨著傳感器的不斷發(fā)展，其成像分辨率和精度也在不斷提升。本文綜述了遙感技術(shù)的理論依據(jù)、常用方法、技術(shù)優(yōu)勢以及在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用現(xiàn)狀，旨在為遙感技術(shù)在地質(zhì)勘查領(lǐng)域的發(fā)展提供一定的借鑒和參考。

1 遙感技術(shù)優(yōu)勢及理論依據(jù)

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

遙感技術(shù)是基于任何物體對電磁波的吸收、反射和輻射會呈現(xiàn)不同特性這一原理，在不直接接觸物體，通過遠距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線來探測和識別目標(biāo)[6-7]。在空中實現(xiàn)對地球的遠距離觀測，獲取地物的信息源，實現(xiàn)地物的解釋，并分析地物的相關(guān)性質(zhì)。正因如此，使其在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、海洋、軍事等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

在地質(zhì)勘查中，由于地質(zhì)構(gòu)造帶有利于礦床的形成，尤其在斷層引起的構(gòu)造與線環(huán)構(gòu)造的交點處更是礦床形成的有利部位，因此可以通過解譯遙感圖像中的線環(huán)特征獲取關(guān)鍵點[8]。該技術(shù)還具備以下優(yōu)勢。

(1)遙感技術(shù)在有時無法準(zhǔn)確鎖定主要礦床位置時，仍可通過傳感器收集數(shù)據(jù)，將實地調(diào)查范圍縮至更小的區(qū)域。

(2)遙感技術(shù)在一些地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣、交通不便的區(qū)域，依然可以快速圈定成礦異常區(qū)和找礦靶區(qū)，有效降低項目風(fēng)險，節(jié)省地質(zhì)勘查時間，降低勘測成本，并助力于確定探索點位的優(yōu)先順序。

(3)遙感技術(shù)具有綜合各種形式數(shù)據(jù)的能力，通過與地形圖、航空照片、構(gòu)造圖和礦石品位數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而顯著提高地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性和有效性。

1.2 理論依據(jù)

在遙感中，根據(jù)成像傳感器可分為主動遙感和被動遙感兩類，其中主動遙感是利用電磁能源照射目標(biāo)并記錄其背向散射輻射的遙感系統(tǒng)，常用的主動遙感器包括雷達和激光雷達、激光高度計及散射計等，其特點是不依賴于太陽輻射，并可以主動選擇電磁波的波長和發(fā)射方式。常用的為被動遙感，被動遙感是利用輻射計、相機和光譜儀等傳感器獲取目標(biāo)物體自身發(fā)射，或是反射來自自然輻射源的電磁波信息的遙感系統(tǒng)。被動遙感器包括輻射計、相機、加速度計和光譜儀等。由于礦物的吸收特征不同，因而所表現(xiàn)出的波形特點也不同，礦物的光譜特征是由各種離子、水、化學(xué)基團產(chǎn)生的反射帶所形成，這些離子基團具有電子躍遷或分子振動的特征。普通礦物中含有金屬離子，具有較強的吸收帶，其中含鐵礦物的光譜特征主要取決于這些鐵離子的價態(tài)和含鐵礦物的含水量[9-10]，例如Fe2+在1 000～1 100nm附近會產(chǎn)生一個常見的強而寬的譜帶，而 Fe3+光譜相對較弱，則會在600～900nm 間產(chǎn)生較強特征峰；同樣含羥基的絡(luò)合物以及含離子基團的礦物也會呈現(xiàn)規(guī)律的光譜特征，如明礬石、黃鐵鉀釩這類Fe-OH礦物，分別會在2 210nm和2 260～2 270nm處產(chǎn)生特征峰；高嶺石、蒙脫石等會在2 170～2 221nm存在特征峰；方解石、白云石等在2 320～2 325nm存在特征峰。根據(jù)這些礦物在遙感影像中的吸收和反射特征，以分析、判斷一定地區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況，尤其在巖性識別、斷裂解譯、巖體侵入關(guān)系及界線、陸相火山機構(gòu)識別及礦化蝕變信息提取等。例如：利用遙感資料判定斷層兩盤相對運動的方向；在遙感圖像上根據(jù)斷裂露頭線的形態(tài)、展布特點、組合規(guī)律及相應(yīng)的派生構(gòu)造綜合分析與斷裂構(gòu)造關(guān)聯(lián)的力學(xué)性質(zhì)；通過礦產(chǎn)周圍所存在的圍巖蝕變遙感信息圈定找礦有利區(qū)，為地質(zhì)人員提供有力的找礦依據(jù)[11-12]。

2 地質(zhì)解譯常用數(shù)據(jù)源

遙感技術(shù)是礦產(chǎn)勘查中重要的現(xiàn)代信息化技術(shù)，隨著數(shù)據(jù)處理和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展推進，在提高遙感解譯過程容錯率的同時，大幅度提高了找礦質(zhì)量和勘查效率，目前遙感地質(zhì)解譯常用的數(shù)據(jù)源如下。

(1)Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

地球資源探測衛(wèi)星(Landsat)技術(shù)起源于1972年，由美國發(fā)射的一組無人衛(wèi)星，這些衛(wèi)星攜帶傳感器可以記錄地球反射的光線和部分電磁波譜[13-14]。其中多光譜掃描儀(MSS)是由Landsat1-5衛(wèi)星攜帶的傳感器，MSS有四個波段(3系列有5個)，其數(shù)據(jù)分辨率為60m，文件格式為GeoTIFF，地圖投影采用UTM-WGS84坐標(biāo)系；專題制圖儀(TM)傳感器有7個波段(其中波段6位熱紅外波段)，數(shù)據(jù)分辨率為30m，文件格式和地圖投影與MSS相同，但成像質(zhì)量、波段數(shù)量和分辨率均優(yōu)于MSS；Landsat-7衛(wèi)星上的增強專題成像儀(ETM+)傳感器圖像由8個光譜帶組成，其中1至7波段的空間分辨率為30m，波段8為分辨率為15m的全色波段；Landsat-8衛(wèi)星搭載有OLI陸地成像儀和TIRS熱紅外傳感器，其中OLI傳感器的光譜波段有9個，較ETM+傳感器增加了用于海岸帶觀測的深藍色可見通道(波段1，0.433～0.453μm)和用于云檢測的紅外通道(波段9，1.360～1.390μm)。而TIRS熱紅外傳感器則主要用于收集地區(qū)熱量流失，便于了解觀測地帶水分消耗[15]。

(2)ASTER數(shù)據(jù)。

ASTER搭載在Terra衛(wèi)星上的星載熱量散發(fā)和反輻射儀，包括14個不同電磁光譜波段，光譜范圍為0.52～11.65μm，并分為可見光/近紅外波段(VNIR，1～3波段，含立體后視波段，空間分辨率為15m)、短波紅外波段(SWIR，4～9波段，空間分辨率為30m)及熱紅外波段(TIR，10～14波段，空間分辨率為90m)三個獨立子系統(tǒng)。ASTER數(shù)據(jù)價格低廉(部分免費)，常用于野外調(diào)查階段遙感地質(zhì)解譯及蝕變信息提取[16]。

(3)WorldView-2數(shù)據(jù)。

WorldView-2是美國DigitalGlobe數(shù)字地球公司的商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星，能提供0.5m全色圖像和1.8m分辨率的多光譜圖像。該星載多光譜遙感器除具備4個常見波段(藍色波段:450～510；綠色波段:510～580；紅色波段:630～690；近紅外線波段：770～895)外，還包括用于植物鑒定和分析、輔助糾正真色度的海岸波段(400～450)、黃色波段(585～625)、紅色邊緣波段(705～745)及近紅外2波段(860～1 040)。這些多樣性譜段能進行精準(zhǔn)變化檢測和制圖。WorldView-2衛(wèi)星運轉(zhuǎn)靈活，掃描面積大，能在單次操作中完成多頻譜影像的掃描[17-18]。

(4)高分六號數(shù)據(jù)。

高分六號(GF-6)配置了觀測幅寬為90km的2m全色/8m多光譜高分辨率相機(PMS)和觀測幅寬為800km的16m多光譜中分辨率寬幅相機(WFV)。WFV除了常見的藍/綠/紅/近紅外四個波段，還增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段，以及1個紫外波段，一共8個波段。GF-6具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量和高效成像等特點，配合高分一號組網(wǎng)大大提高了遙感數(shù)據(jù)的獲取規(guī)模和時效[19]。

3 遙感技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)巖性識別

識別不同的巖性單元是地質(zhì)礦產(chǎn)勘查過程中必不可少的環(huán)節(jié)，不同的巖石礦物所具有的光譜特性各不相同，其光譜的產(chǎn)生均存在嚴格的物理機制，巖礦光譜特征的產(chǎn)生主要是由組成物質(zhì)內(nèi)部離子與基團間的晶體場效應(yīng)，以及與基團振動的結(jié)果。正是由于各種礦物晶體結(jié)構(gòu)的不同，使得晶格振動所產(chǎn)生的各種礦物光譜特性也會不同，因此遙感技術(shù)可根據(jù)這一特性，結(jié)合不同類型巖石在圖像上色澤、紋理等差異，利用圖像增強、變換和分析等方法進行提取。

Jellouli等[20]對Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)采用最優(yōu)指數(shù)因子法(OIF)和去相關(guān)拉伸法，建立了OLI帶651的RGB彩色復(fù)合材料，用于繪制研究區(qū)巖性單元圖。其中OLI第6、5和1波段的彩色復(fù)合材料RGB較好地增強了石英巖、砂巖、輝長巖和火山礫巖的巖性單元，區(qū)分了含疊層石的棕色白云巖、含泥灰?guī)r夾層的棕色白云巖、粉砂巖和泥巖的巖性單元。He等[21]以Worldview-2(WV-2)遙感影像和支持向量機對異霞正長巖進行識別，并采用Landsat 8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)反演了與放射性元素相關(guān)的熱異常分布。發(fā)現(xiàn)基于支持向量機算法的巖性成圖總體精度為89.57%，通過將巖性分類信息與地表溫度、熱異常等多源遙感礦化要素相結(jié)合，利用證據(jù)權(quán)重模型計算發(fā)現(xiàn)有利礦化區(qū)、高值礦化概率區(qū)與已知礦化區(qū)在空間上保持一致。徐振恒等[22]采用國產(chǎn)高分一號衛(wèi)星PMS傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合“地形結(jié)構(gòu)－巖性組分模型”正確分類了不同地區(qū)的沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖，其區(qū)分度主要表現(xiàn)在多重分形譜α＜0區(qū)間內(nèi)，在結(jié)合紋理算法模型的基礎(chǔ)上，可以有效彌補光譜分辨率的不足。唐超等[23]基于光譜的波形特征、空間細節(jié)特征的光譜區(qū)分性等方面提出了分形信號算法。利用CASI高光譜數(shù)據(jù)針對算法本身的性能、效率等進行了測試，并對工作區(qū)的高光譜遙感影像巖性特征進行提取。發(fā)現(xiàn)該算法細化了相似特征高光譜的可區(qū)分性，實現(xiàn)了基巖裸露區(qū)域地表巖性特征的精確提取，其分類精度達到92.3%。王建剛[24]研發(fā)出基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空高光譜遙感巖性識別方法，以甘肅龍首山地區(qū)為研究區(qū)，計算得出在測試數(shù)據(jù)上的識別結(jié)果精度為87.1%，并將識別結(jié)果與地質(zhì)圖進行對比，發(fā)現(xiàn)其整體分類結(jié)果圖與實際地質(zhì)圖存在一定相似性，在第四系沖積物、震旦系墩子溝組千枚巖、寒武系下統(tǒng)變砂巖—變板巖—硬砂巖三種地層上識別分類效果較好。

通過遙感技術(shù)進行巖性識別具有探測迅速、探測面積大，影像和光譜處理手段多等優(yōu)勢，但由于不同衛(wèi)星所獲得的數(shù)據(jù)精度不同，因此遙感巖性識別存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象，導(dǎo)致縱向分辨率較低，僅能反映地表巖性情況，且在氣候濕潤、雨水豐沛、植被和土壤發(fā)育等巖石裸露率較低的地區(qū)，遙感圖像通常表現(xiàn)為植被、土壤和巖石三者的混合光譜信息，遙感巖性填圖時需加強甄別和野外驗證工作。

3.2 蝕變信息提取

圍巖蝕變是指圍巖在熱液的作用影響所發(fā)生的各種交代變質(zhì)作用，其主要影響因素為熱液的性質(zhì)、成分、溫度、壓力、圍巖性質(zhì)和成分等。常見的圍巖蝕變有硅化、絹云母化、綠泥石化、鈉長巖化等，由于一定的熱液礦床常與某些類型蝕變圍巖共生，因而蝕變圍巖不僅是研究熱液礦床成因的重要標(biāo)志，也是重要的找礦標(biāo)志之一。此外，特定蝕變巖石的光譜會在特定的光譜波段上呈現(xiàn)異常，因此遙感圖像上異常信息的識別可圈定礦化蝕變異常區(qū)和確定找礦靶區(qū)[25]。目前，常用的遙感數(shù)據(jù)主要是多光譜和高光譜等。

Wambo等[26]利用Landsat 8和ASTER衛(wèi)星圖像在喀麥隆東部的Ngoura Colomines地區(qū)探測了與金礦化有關(guān)的熱液蝕變帶，綜合實地調(diào)查驗證了遙感結(jié)果，發(fā)現(xiàn)蝕變帶中存在石英、針鐵礦和絹云母，以及Fe3+/Fe2+、Al-OH、OH/H2O和SiO2的吸收特征，確定了氧化鐵/氫氧化物熱液蝕變帶、粘土、碳酸鹽礦物和硅化帶。Govil等[27]利用AVIRIS-NG航空高光譜遙感技術(shù)測量了褐鐵礦、針鐵礦等鐵氧化物，通過與USGS礦物光譜庫進行了對比，發(fā)現(xiàn)氧化物/氫氧化物、粘土、滑石和碳酸鹽礦物存在關(guān)聯(lián)，并驗證了AVIRIS-NG數(shù)據(jù)在繪制和識別蝕變帶方面的強大能力。Moradpour等[28]以Landsat-7和ASTER衛(wèi)星圖像繪制伊朗西北部加拉利地區(qū)與鐵矽卡巖礦化相關(guān)的蝕變帶和地質(zhì)構(gòu)造，通過鑒別巖性單元、泥質(zhì)蝕變帶、構(gòu)造特征和特定的蝕變礦物，認為矽卡巖鐵礦化的高潛力帶為北南—北西—東向交匯帶，曲線特征與長英質(zhì)—中鎂質(zhì)火成巖附近的丙質(zhì)蝕變帶有關(guān)。Nouri等[29]通過光譜角法(SAM)確定了氧化鐵質(zhì)、泥質(zhì)及丙基巖等熱液蝕變帶，并利用高通濾波和DEM山體陰影技術(shù)對ASTER數(shù)據(jù)進行了識別。發(fā)現(xiàn)綜合圖像處理技術(shù)對氧化鐵、泥質(zhì)等具有較好的檢測能力，野外觀測也證實了解譯遙感影像顯示的真實地形變化和探測面積。Forson等[30]基于Crosta技術(shù)的主成分分析方法對Sentinel 2A數(shù)據(jù)集中的條帶進行了分析，突出了研究區(qū)內(nèi)的蝕變帶。綜合利用Crosta技術(shù)圈定的磁、重、構(gòu)造密度、輻射、蝕變等勘查層，生成研究區(qū)內(nèi)金礦化潛力分布圖，通過與現(xiàn)有數(shù)據(jù)和實測采礦位置進行比對驗證了成礦潛力圖的正確性。Frutuoso等[31]利用RGB組合、波段比、PCA等遙感方法獲取相關(guān)地質(zhì)特征，勾勒出葡萄牙Boticas Chaves地區(qū)金礦化區(qū)，發(fā)現(xiàn)選擇性主成分分析(PCA)是識別鐵氧化物和含羥基礦物最有效和可靠的方法，結(jié)合熱液蝕變礦物和提取的構(gòu)造特征，可以預(yù)測成礦的潛力區(qū)域。

與常規(guī)的野外地質(zhì)調(diào)查相比，遙感蝕變信息提取具有高效率、便捷等優(yōu)勢。但與遙感巖性識別中所面臨問題類似，針對山區(qū)地下土層較厚或存在各種植被覆蓋的情況下，極易出現(xiàn)信息提取不準(zhǔn)確的情況。且目前多采用單一影像數(shù)據(jù)或方法開展蝕變信息提取工作，對于各影像數(shù)據(jù)(多光譜、高光譜及高空間分辨率等)相結(jié)合，或同時使用多種手段進行蝕變信息提取的研究相對較少。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造識別

地質(zhì)構(gòu)造運動的差異不僅會導(dǎo)致礦產(chǎn)資源類型發(fā)生變化，也會改變礦床的分布情況。其中礦產(chǎn)的構(gòu)造信息可根據(jù)不同的構(gòu)造環(huán)境和條件進行分析推斷并提取，但在遙感找礦中，理、線性等重要信息的影像通常較為模糊，需要進行一定的邊緣增強、灰度拉伸、方向濾波等處理方法使地質(zhì)構(gòu)造信息凸顯出來，再結(jié)合地質(zhì)、物探等資料確定成礦構(gòu)造的分布及其特征。

Han等[32]基于DEM和Landsat 8 OLI遙 感影像，快速提取了寶雞北部黃土地區(qū)的地質(zhì)特征，采用“主成分分析法+高斯高通濾波和張量投票相結(jié)合的邊緣檢測法+HT消除異常輪廓法”。發(fā)現(xiàn)該算法在第四紀黃土覆蓋相對較厚的情況下，也能反映出大地構(gòu)造運動的方向和趨勢，具有較好的魯棒性。Skakni等[33]將Landsat 8 OLI、航天雷達地形測繪任務(wù)(SRTM)和ALOS PALSAR數(shù)據(jù)整合到摩洛哥北部Talembote和Tetouan城市之間的地質(zhì)構(gòu)造圖中，驗證其鈣質(zhì)背側(cè)復(fù)合體的斷層和節(jié)理的走向是近似的。Kumar等[34]基于EIGEN6C4布格重力資料，利用復(fù)合線形密度圖、不同莫霍深度的地幔塊體、巖石圈地幔密度和構(gòu)造背景，分析了研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)的金伯利巖/鉀鎂煌斑巖的相互關(guān)系，確定了大部分金伯利巖管的富集與貧地幔塊體(DM)有關(guān)。Yousefi等[35]利用Landsat 8數(shù)據(jù)和匹配濾波(MF)技術(shù)對含鐵鐵礦物(黃鉀鐵礬和赤鐵礦)進行了表征，并對熱液蝕變帶進行了分離。通過對多種圖像處理技術(shù)綜合分析，扎爾舒蘭蝕變帶隸屬于碳酸鹽巖宿主巖內(nèi)的正斷層，可用于區(qū)域尺度的找礦成 圖。Sivakumar等[36]利 用ALOS PRISAM DEM (AW3D30)和Sentinel-2A數(shù)據(jù)編制了流域網(wǎng)絡(luò)圖，通過分析次盆地中的構(gòu)造參數(shù)建立了地理空間數(shù)據(jù)庫，并以層次分析法(AHP)為基礎(chǔ)估算活動構(gòu)造指標(biāo)，確定地震活動構(gòu)造帶。結(jié)果表明，褶皺山和山麓次盆地地區(qū)是地震構(gòu)造活動區(qū)，其地質(zhì)構(gòu)造特征和活動構(gòu)造對地貌演化具有強烈影響。禪偉等[37]采用遙感技術(shù)解決飾面用花崗巖礦勘查中所存在的地質(zhì)構(gòu)造、巖性分布等問題，并篩選解譯了巖石特征和節(jié)理密集區(qū)。發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)受南北向斷層影響，形成了以110 ～ 130°方位的節(jié)理密集區(qū)，該區(qū)域影像圖為深紅色，而成礦有利區(qū)為灰白色、淺紅色地段。

利用遙感地質(zhì)勘查技術(shù)對地質(zhì)構(gòu)造進行科學(xué)勘測，不僅能確保工程的順利施工，還能有效提高勘測工作的精準(zhǔn)度和工作效率。但在地質(zhì)構(gòu)造信息獲取過程中有時會出現(xiàn)細節(jié)紋理不清問題，為此還需輔助以計算機技術(shù)對圖像信息進行分析，從而確保能夠有效收集到準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)類型信息。

4 結(jié)論與展望

利用遙感技術(shù)對地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣、交通不便的地區(qū)進行地質(zhì)礦產(chǎn)勘查展現(xiàn)出了較為突出的優(yōu)勢，為礦產(chǎn)勘查的高效、穩(wěn)定且安全地開展提供了有利的保障。但基于遙感技術(shù)進行地質(zhì)礦產(chǎn)勘查仍存在一定的技術(shù)短板，諸如遙感填圖分辨率較低這一問題，還需基于分辨率更高的衛(wèi)星獲取更為準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，或結(jié)合多種分辨率融合技術(shù)進行精細礦物填圖。此外，植被覆蓋面較大的區(qū)域遙感地質(zhì)勘查難度明顯增加，雖然目前學(xué)者們提出了許多用于減少植被干擾、強化影像潛在礦物信息的方法，但依然收效甚微。針對復(fù)合礦物或伴生組合礦物的識別同樣存在一定難度，仍需開展進一步研究工作。相信通過科研人員在這些方面的不斷突破，會使遙感技術(shù)在地質(zhì)勘查中的發(fā)展達到新的高度。