遙感在新河北煤炭普查地質填圖中的應用

施望科 范正博 劉 磊

（甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 概況

1.1 位置

填圖區(qū)位于甘肅省山丹縣東南約20 km，行政區(qū)劃屬陳戶鄉(xiāng)、老君鄉(xiāng)兩鄉(xiāng)管轄。 勘查區(qū)內晝夜溫差大，歷年平均封凍日期11 月18 日，解凍日期3月17 日，年最大凍土深度1.43 m。

根據(jù)勘查區(qū)外已取得的成果和新河單斜地層賦存特征，大致可確定勘查區(qū)賦存的地層自下而上為下寒武統(tǒng)大黃山群（∈1dh）、下二疊統(tǒng)太原組（P1t）、中二疊統(tǒng)大黃溝組（P2d）、上二疊統(tǒng)窯溝群（P3yg）、中下三疊統(tǒng)西大溝群（T1-2xd）、中侏羅統(tǒng)中間溝組（J2z）、中侏羅統(tǒng)新河組（J2x）、上侏羅統(tǒng)苦水峽群（J3ks）、下白堊統(tǒng)河口群（K1hk）、第四系（Q）[1]。

1.2 構造

勘查區(qū)大地構造位于柴達木-華北板塊—祁連早古生代造山帶—河西走廊新生代盆地—山丹-永昌盆地。

2 影像數(shù)據(jù)與處理

2.1 數(shù)據(jù)源

2.1.1 ASTER 數(shù)據(jù)

ASTER 是唯一對地進行高分辨分析的傳感器，其獲取的是對地多光譜數(shù)據(jù)，有14 個光譜通道。ASTER 傳感器包含了3 個VNIR 波段，6 個SWIR（短波紅外）波段，5 個TIR（熱紅外波段）波段，其地面分辨率分別15 m、30 m、90 m。具體參數(shù)見表1。

表1 ASTER 參數(shù)

2.1.2 無人機影像數(shù)據(jù)

本次無人機傾斜攝影技術，通過空三加密，控制網平差等一系列步驟生成正射影像與實景三維模型作為解譯數(shù)據(jù)補充。正射影像提供俯視視角，方便觀測地層差異，而實景三維模型則可全方位觀測構造引起的地形變化，如圖3。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

2.2.1 幾何校正

由于地表曲率和傳感器自身影響下，遙感影像表現(xiàn)為錯位、失真，幾何校正的目的是將像元放到對應的地面坐標。本次研究選取無人機正射影像和遙感影像上的對應點，對遙感影像偏移像元進行還原。

2.2.2 輻射校正

傳感器引起的輻射校正主要校正由于傳感器靈敏度特性變化而引起的輻射失真，包括對光學系統(tǒng)特性引起失真的校正和對光電轉換系統(tǒng)特性引起失真的校正[2]。處理后輻射亮度值集中在0～10 范圍內，如圖1。

圖1 輻射校正輻射亮度曲線對比圖

2.2.3 影像融合

將全色波段與多光譜波段的影像數(shù)據(jù)進行融合，提升影像的空間分辨率[3]，采用Gram-schmidt Fan sharpening 方法，能較好保持圖像紋理信息，處理后圖像明顯變清晰。

2.2.4 影像增強

遙感影像由多個光譜通道組合而成，各個通道之間數(shù)據(jù)存在高度相關性，波段存在冗余，圖像增強的目的是降低數(shù)據(jù)維度，盡可能讓光譜通道之間“獨立”。從而在數(shù)據(jù)本身和感官兩個方面突出某種地物。

對于ASTER 數(shù)據(jù)，將短波紅外、熱紅外波段通過重采樣將空間分辨率統(tǒng)一成15 m，然后短波紅外與可見光合成一個文件，最后用MNF 方法降維。在RGB 色彩通道中，選用3、2、1 作為基礎波段，進行假彩色拉伸。如圖2。

圖2 圖像處理圖

3 遙感地質解譯

3.1 遙感解譯的原則

遙感解譯從礦產地質研究程度較高、地質資料豐富的區(qū)域開始，分析研究前人對區(qū)域地質遙感解譯成果的合理、可靠程度，解譯工作遵循先易后難、先整體后局部、邊解譯邊驗證的原則。

為了準確地從圖像上獲取地質學專題信息，本文以目視解譯為主，根據(jù)遙感影像的色調、形狀大小、紋理結構特征等識別基礎信息，通過人機交互解譯完成。并結合地學相關知識，分析判別地物信息。本次影像解譯方法有：

1）直接判讀法：根據(jù)遙感圖像上不同性質地質體的形狀、顏色等影像特征，建立遙感地質解譯判讀標志，直接提取出巖石、構造等地質信息，直接確定地質體與地物屬性。

2）對比法：是由已知推斷未知的過程，即通過已知的遙感地質影像特征和解譯標志的判讀結果，與未知遙感影像上所呈現(xiàn)的地質現(xiàn)象進行對比并提取地質信息。

3）鄰比法：當解譯標志不明顯、地質細節(jié)信息模糊等使得圖像解譯變得困難時，可將該影像與相鄰影像進行比較，延伸、引入相鄰影像上的解譯標志或地質細節(jié)，從而提取出解譯困難區(qū)域的地質信息。

4）實景三維可視化法：利用傾斜攝影三維模型，可提高遙感地質解譯精度。

5）綜合判斷法：需要對圖像上目標物的形成環(huán)境進行綜合判斷分析，另外，還需要收集其他方面的資料，例如地質、物探，并將這些信息進行綜合，用來判斷與印證目標物。

3.2 建立影像解譯標志

影像解譯標志是對地質信息高度掌握之后，對相同的某一類型單元進行影像特征提煉，它是遙感影像數(shù)據(jù)的人機交互式解譯的基礎和標準[4-5]。

3.2.1 斷層解譯

斷層表現(xiàn)為線性特征、地質體產狀發(fā)生變化、地質體錯斷、地形溝谷等。利用衛(wèi)星與無人機三維實景模型，可以更直觀有效地對斷層進行識別。

1）走滑（平移）斷層

對于溝谷地形特別重視。從地質角度來說，溝谷很可能是地質構造過程中巖層受力擠壓，形成裂隙，在長時間雨水、氧化作用下，巖層發(fā)生剝蝕，逐步形成溝谷地形。如下圖3，溝谷地形兩側有巖層山體，對比多光譜，正射影像判定為同一性質巖層。綜合上述兩點，該處是右行走滑斷層，通過測量正射影像，就可以精準得出該右行走滑斷層的斷距、走向等斷層特征。

圖3 現(xiàn)場（拍攝左）與無人機三維實景（右）對比

對于多數(shù)走滑（平移）斷層，特別要注意遙感上的色調、色彩呈一定規(guī)律延伸現(xiàn)象。例如，正射影像圖上的巖層在走向上過渡不均勻、突變，水系異常等。在斷層發(fā)生時，會對周圍環(huán)境、地形、地貌產生很大的改變，所以，可以根據(jù)這些改變反推斷層。

2.2.1 兩組治療RAU總有效率的比較 共納入12篇文獻，合計有效率治療組為89.89%（880／979），對照組為 75.13%（580／772），I2＝52%，采用隨機效應模型機型分析，有效率的 RR合并值為1.21，95%CI：1.14～1.29，兩組之間治 RAU總有效率的總效應Z＝6.62，P＜0.001，兩組間差異有統(tǒng)計學意義。見圖1。

2）正、逆斷層

對于這類斷層，主要依靠三維實景模型判別，注意模型上的整體巖層有轉折性上伏或者下覆情況，同時根據(jù)斷點，判別斷層的性質，根據(jù)高程變化確定斷層的相對位移。根據(jù)經驗，正斷層在地形上顯著，多形成河谷；逆斷層多于擠壓應力形成，一般伴于褶皺附近。也有一部分正逆斷層，既有正逆斷層的性質又兼平移斷層的性質，要綜合多種資料判斷。

3）褶皺

褶皺是巖層受力擠壓形成，分為背斜與向斜，解譯的標志多見于地層對重復（表3 中遙感圖），地層彎曲形成的巖層三角面，水系對稱型重復等。另外，還可以結合地質資料，根據(jù)核部地層的新老，判斷是背斜還是向斜。

綜合無人機實景三維、衛(wèi)星影像、現(xiàn)場判讀，填圖區(qū)的斷層總體呈SW-NE 向，次為NW-SE 向，填圖區(qū)主要的構造如圖3、表2、表3。

表2 填圖區(qū)斷層信息1

表3 填圖區(qū)斷層信息2

表4 填圖區(qū)褶皺信息

5）中侏羅統(tǒng)新河組（J2x）

上部以湖相沉積的灰白、灰綠色泥質粉砂巖、細粒砂巖為主，夾一層煤線。

6）上侏羅統(tǒng)苦水峽群（J3ks）

7）下白堊統(tǒng)河口群（K1hk）

上部顏色表現(xiàn)藍灰色、桔紅色，另有黃綠色泥巖、頁巖分布。

因為遙感影像圖是根據(jù)巖石的電磁波反射特性呈像，對遙感處理后，遙感圖像上紋理、圖像特征都不一樣，所以，根據(jù)差異，人機交互將不同巖性的巖層分開，這為巖性界限劃分提供遙感支持。再結合地質資料與實際踏勘論證，可以為上述巖性界限內部地質命名。如圖4。

圖4 成果圖

通過上述方法，基本對填圖區(qū)的地質界限進行劃分，對存疑區(qū)域野外驗證填補，最終形成填圖區(qū)地層地質劃分表見表5。

表5 填圖區(qū)出露地層解譯

3.2.2 褶皺解譯

填圖區(qū)褶皺信息見表4。

3.2.3 地層解譯

1）下二疊統(tǒng)太原組（P1t）

巖性以灰白色砂巖及深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖為主，其中夾石灰?guī)r鋁質泥巖、碳質泥巖和煤層。

2）中二疊統(tǒng)大黃溝組（P2d）

顏色以紫紅、灰綠、灰、灰白等雜色為主，巖性以含礫粗砂巖、砂巖、砂質泥巖、粉砂巖、礫巖互層。

3）上二疊統(tǒng)窯溝群（P3yg）

顏色以紫紅、灰白、灰綠等雜色為主，巖性以粗砂巖、含礫粗砂巖與粉砂～細砂巖互層。

4）中侏羅統(tǒng)中間溝組（J2z）

以灰綠、灰白及淺灰色的粗中粒砂巖、砂礫巖為主，夾泥巖、粉砂巖、細粒砂巖薄層，底部為一厚層狀中礫巖，為本區(qū)標志層。

4 成果

通過現(xiàn)場實地調查與遙感相結合，對解譯成果進一步完善，得到最終成果圖如圖4。

綜合來說，從解譯程度來說，高中低層次明顯，合理；從影像的分辨率來說達到了中分辨率（15 m）到高分辨率（0.5 m）的層次遞進；從光譜特點來說，也從14 波譜通道向RGB 三原色的過渡。本次遙感解譯發(fā)揮出了遙感在沉積巖解譯的優(yōu)勢。

對于地層的解譯，用衛(wèi)星影像，配合有無人機正射影像，根據(jù)影像紋理、地層產狀，對填圖區(qū)的地層進行地質界限劃分。經現(xiàn)場驗證，與實際情況相符。

對于勘查區(qū)的構造解譯，通過衛(wèi)星影像和無人機正射影像綜合來看，填圖區(qū)內解譯斷層12 條，其中9 條斷層呈西南-東北走向，2 條呈東南-西北走向；還有貫穿區(qū)內的大斷層f1，共計12 條斷層；另外勘查區(qū)有1 條明顯的褶皺，為“S”型。

5 展望

本次遙感解譯主要針對沉積巖，解譯數(shù)據(jù)用到了中分辨率的衛(wèi)星多光譜影像、無人機正射影像、實景三維模型，工作中發(fā)現(xiàn)了很多問題，需要在后續(xù)工作中加強。

1）構造解譯要充分利用三維模型，除了直接判讀外，間接、鄰比、綜合判讀法應積極嘗試，重視地形、地貌、地物在構造中的作用。

2）巖性解譯要以多光譜影像為主，從各地層的差異入手，有針對性對圖像進行強調。

3）遙感填圖規(guī)程要求，對特殊標志層要進行提取，另外發(fā)現(xiàn)遙感填圖需要大量的巖石光譜信息和空間信息，所以，對高光譜影像后續(xù)應充分利用，來劃分更細致的巖性界限，來識別填圖區(qū)內的蝕變、巖漿巖等活動特征。