遙感技術在滇西南植被覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖中的應用

胡官兵， 劉舫， 黨偉， 楊坤， 陳慶松

(1.云南省地質(zhì)技術信息中心，昆明 650051； 2.中國人民武裝警察部隊黃金第十支隊，昆明 650111)

0 引言

研究區(qū)位于云南省西南邊境西雙版納州勐海縣和普洱市瀾滄縣境內(nèi)，西南側(cè)與緬甸接壤，地理坐標在N22°00′～22°20′，E99°45′～100°15′之間。該區(qū)地處橫斷山系縱谷南段、怒江山脈向南延伸的余脈部分，區(qū)內(nèi)山嶺縱橫交錯，地形復雜，植被茂密，并分布有小范圍原始森林。在這種熱帶雨林覆蓋區(qū)進行野外地質(zhì)調(diào)查難度很大，利用遙感技術輔助填圖則可較好地降低野外工作強度，增強工作預見性，提高填圖效率。

目前，國內(nèi)針對遙感地質(zhì)填圖方面的研究，多集中在植被覆蓋少、巖石裸露率高的西北干旱地區(qū)，并已探索出了一些較成熟的方法[1-4]，而在西南高植被覆蓋區(qū)開展遙感填圖方法的研究還相對較少。現(xiàn)有研究成果主要可分為2個方面： 其一，利用ETM+(TM)或高光譜數(shù)據(jù)采用合適的樣本進行監(jiān)督分類，通過計算機自動提取巖類信息。陳圣波等[5]利用Hyperion高光譜數(shù)據(jù)采用一定的數(shù)學方法分離出植被和巖石-土壤組分，并將野外實測光譜作為參考光譜，進行光譜特征擬合，進而識別出不同巖石類型； 劉燦等[6]通過利用覆蓋區(qū)內(nèi)已有的地質(zhì)資料建立高精度的訓練區(qū)，并選擇最大似然法進行監(jiān)督分類，取得了較高的分類精度。其二，通過數(shù)據(jù)融合、比值分析和波段組合等影像處理方法增強地質(zhì)信息，并進行目視解譯。劉剛等[7]通過遙感數(shù)據(jù)類型選擇、影像處理和遙感解譯等方面進行東北森林覆蓋區(qū)遙感地質(zhì)調(diào)查； 劉超群等[8]總結(jié)了南方覆蓋區(qū)遙感巖性識別的關鍵因素，包括消除表層土壤和植被的影響，直接提取巖性信息，或者通過研究土壤、植被與巖性的關聯(lián)，達到識別巖性的目的，并認為高空間分辨率、高光譜分辨率和雷達遙感將成為植被覆蓋區(qū)地質(zhì)信息提取的發(fā)展趨勢。

由于研究區(qū)處于我國西南熱帶雨林區(qū)，氣候濕潤多雨，土壤植被發(fā)育、基巖出露少，利用單一的遙感數(shù)據(jù)源，或者進行常規(guī)的計算機自動提取地質(zhì)信息，精度低、局限性大。因此，本研究針對區(qū)內(nèi)高植被覆蓋的特點，從數(shù)據(jù)源選擇和解譯方法等方面來最大限度地降低高植被覆蓋對遙感解譯的干擾。在數(shù)據(jù)源選擇方面，受熱帶雨林覆蓋影響，區(qū)內(nèi)基巖與土壤斷續(xù)出露、不連續(xù)且出露范圍較窄，利用一般中低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)難于識別，而采用高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)則能較好地揭示地質(zhì)體的局部細節(jié)信息； 同時雷達遙感數(shù)據(jù)還能在一定程度上消除植被影響、突出形態(tài)特征信息。一般遙感影像為平面視圖，難以突出地形、地貌特征； 利用三維高程渲染圖不僅可從多角度立體顯示地形起伏和山體的基本形態(tài)(如山脊、溝谷、鞍部等)，提高遙感影像對地貌形態(tài)的可讀性，還可以不考慮地表植被覆蓋的影響，專注形態(tài)信息，有助于地質(zhì)信息提取尤其是構造分析[9]。在解譯方法方面，通過采用以上多源數(shù)據(jù)，利用土壤與下伏基巖的關聯(lián)性、地形地貌與地質(zhì)體的關聯(lián)性和人類工程活動與巖性的關聯(lián)性等特點，總結(jié)出研究區(qū)內(nèi)各地質(zhì)體在色調(diào)、形態(tài)、影紋、地貌和人類工程活動等方面的解譯標志，有助于植被覆蓋區(qū)地質(zhì)信息的提取，進而有助于熱帶雨林覆蓋區(qū)遙感地質(zhì)解譯和地質(zhì)填圖。

1 區(qū)域地質(zhì)地貌概況

研究區(qū)屬熱帶山地季風氣候區(qū)，溫濕多雨； 在地貌上位于橫斷山系南部，屬中高山區(qū)，河谷深切，地形復雜、相對高差大； 表層土壤厚、植被發(fā)育、巖石裸露率低，根據(jù)采用ETM+遙感數(shù)據(jù)提取的植被信息，研究區(qū)植被覆蓋度高達53.65%，因而造成巖石光譜信息與植被、土壤光譜信息混合，難于通過基巖的光譜反射特征直接進行解譯區(qū)分。

研究區(qū)屬于西藏—三江造山系，橫跨怒江—昌寧—孟連結(jié)合帶之瀾滄俯沖增生雜巖和揚子西緣多島-弧-盆系之碧羅雪山—臨滄陸緣弧帶。區(qū)內(nèi)地層缺失較多，僅出露中元古界(瀾滄巖群)、泥盆系—石炭系、侏羅系、白堊系、新近系及第四系，各地層接觸關系及層序清晰。晚古生代—三疊紀是該區(qū)火山巖活動最強烈的時期，二疊紀—三疊紀花崗巖分布于該區(qū)東部； 三疊紀后海相沉積基本消失，侏羅系、白堊系以紅色碎屑沉積為主，第四系沉積類型多樣，山間小盆地堆積、河流階地廣泛發(fā)育。地質(zhì)構造較復雜，褶皺、斷裂發(fā)育，斷裂以NW向為主，并被NE向斷裂切割改造[10]。

2 遙感數(shù)據(jù)及其預處理

由于成像原理、相機參數(shù)等不同，不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有不同的空間分辨率、光譜分辨率等地物細節(jié)展示特性，對同一地物的反映也存在著較大的差異。對于地質(zhì)體的解譯，單一遙感數(shù)據(jù)源難以滿足要求，需根據(jù)解譯對象、調(diào)查尺度的差異選用合適的遙感數(shù)據(jù)組合，在不同尺度下對地質(zhì)體進行解譯[11-13]。本文結(jié)合研究區(qū)熱帶雨林地貌景觀區(qū)特點、解譯地質(zhì)內(nèi)容以及前人研究成果和經(jīng)驗等綜合考慮，采用SPOT6，Sentinel-1以及Landsat系列OLI和ETM+等多種遙感影像做為解譯數(shù)據(jù)源(表1)； 同時利用1∶ 5萬地形圖生成數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)，并制作出三維高程渲染圖輔助解譯。

表1 解譯所用遙感數(shù)據(jù)源

對Landsat系列OLI和ETM+數(shù)據(jù)，利用影像覆蓋面積大、色調(diào)信息豐富等特點，對研究區(qū)及周邊大范圍進行中小尺度的遙感地質(zhì)宏觀解譯，如所處大地構造遙感特征分析。該數(shù)據(jù)每景覆蓋范圍大，為34 225 km2，同時具有數(shù)據(jù)易獲取且不同時相數(shù)據(jù)多等特點，數(shù)據(jù)預處理包括常規(guī)的大氣校正、幾何糾正、鑲嵌和融合等。

對SPOT6數(shù)據(jù)，利用其高空間分辨率特征進行詳細遙感解譯，尤其是局部地層巖性解譯。該數(shù)據(jù)共有5個波段，其全色波段空間分辨率為1.5 m，每景覆蓋范圍為3 600 km2。研究區(qū)共涉及3景SPOT6數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預處理包括正射校正、融合和無縫鑲嵌等，并采用B3(R)，B2(G)，B1(B)波段組合生成空間分辨率為1.5 m的真彩色融合影像。

對Sentinel-1數(shù)據(jù)，利用雷達數(shù)據(jù)具有一定的穿透性及形態(tài)探測能力，輔助進行地質(zhì)體尤其是構造的解譯。本文采用的Sentinel-1數(shù)據(jù)為C波段合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，參數(shù)特征如下： 成像模式為側(cè)視成像，入射角為39.327°，極化方式為VV和VH。對雷達數(shù)據(jù)處理的方法不同于光學影像，根據(jù)傳感器工作模式、成像機理，進行相應的數(shù)據(jù)處理，包括多視處理、單影像濾波、地理編碼和地理定標等，獲取研究區(qū)各地質(zhì)體后向散射系數(shù)灰度圖。

對三維高程渲染圖，利用其形態(tài)結(jié)構信息豐富的特點進行輔助解譯?；诘雀呔€數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件三維分析模塊制作出DEM柵格圖及山體陰影圖，并通過對DEM圖層設置一定的透明度(本文采用30%透明度)，疊加于山體陰影圖之上，制作出研究區(qū)三維高程渲染圖。

3 遙感地質(zhì)特征分析與解譯標志建立

對于遙感地質(zhì)填圖，巖性和地質(zhì)構造識別是遙感地質(zhì)解譯的基礎，其他地質(zhì)解譯都是在這兩者的基礎上進行的。因此，分別從色調(diào)、形態(tài)、地貌和人類工程活動等4個方面闡述巖性和構造在植被覆蓋區(qū)的解譯標志。

3.1 色調(diào)特征差異

在基巖裸露區(qū)，不同類型的巖石，由于其組成礦物大小、顏色等差異，具有不同的光譜反射特征，進而引起遙感影像中表現(xiàn)出不同明暗、不同顏色、不同色調(diào)飽和度等特征，是識別巖石類型的重要標志。在熱帶雨林覆蓋區(qū)，色調(diào)差異更多是反映地表覆蓋植被、土壤類型及其混合體的差異。

對于植被與下伏基巖的關聯(lián)性，根據(jù)不同遙感影像上，植被、土壤在色調(diào)、紋理方面的差異，間接推斷出其植被覆蓋下的巖石類型。如區(qū)內(nèi)的白云巖，因風化土層薄，大多僅十幾cm厚，地表植被難于承載大型樹種，多以灌木林為主，偶有喬木。ETM+ B7(R)，B4(G)，B1(B)波段假彩色合成影像上植被色調(diào)偏淺綠，相比周邊碎屑巖分布區(qū)植被色調(diào)更淡。SPOT6高空間分辨率影像上，白云巖覆蓋區(qū)域為植被、土壤和基巖混合色調(diào)信息，對比周邊碎屑巖類密集的綠色區(qū)域，色調(diào)差異大。同時在研究中，采集了不同巖石覆蓋區(qū)域地表植被信息，包括植被反射光譜信息、生長信息(種類、海拔等)，對遙感數(shù)據(jù)中植被的光譜曲線與實際光譜曲線進行擬合，建立植被光譜特征與相應巖石的關聯(lián)關系，以獲取植被下伏巖石的類型信息。

對于土壤與下伏基巖的關聯(lián)性，由于不同基巖風化產(chǎn)生的土壤形成不同的色調(diào)，通過SPOT6高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能對這些零散出露的土壤顏色進行很好地區(qū)分。如研究區(qū)內(nèi)的臨滄花崗巖體，其巖性主要為二長花崗巖、花崗斑巖，其組成礦物斜長石、云母多強風化成高嶺土或黏土，顏色多為灰白色，在遙感影像中多呈灰白、灰黃色； 而侏羅系花開左組(J2h)巖性多為灰紫色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖等，風化后形成的土壤呈紫紅色，在影像中的色調(diào)與花崗巖差異大(圖1)，較易區(qū)分。

圖1 花崗巖與侏羅系紅層風化土壤色調(diào)差異(SPOT6 B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成)

對于松散沉積物含量較多的第四系，其主要反映含水差異，如該區(qū)第四系沉積物的含水地段，因水體的反射率總體上比較低，從而在全色波段影像中相比其他地質(zhì)體色調(diào)較深； 同時水體的反射率隨著波長的增大逐漸降低，從而含水地段在ETM+ B7(R)，B4(G)，B1(B)假彩色合成影像中色調(diào)偏向于波長較短的B1波段，呈偏藍色(圖2)。

圖2 第四系不同含水量形成的色調(diào)差異(ETM+ B7(R)，B4(G)，B1(B)假彩色合成)

對于斷裂構造，可利用Landsat數(shù)據(jù)波段多、色調(diào)信息豐富的優(yōu)勢進行解譯，在影像中表現(xiàn)為不同色調(diào)的界面呈直線狀展布，或色調(diào)差異沿狹長線狀或帶狀分布。直線狀色調(diào)異常的清晰程度與斷裂切割深度、斷裂強弱有關，直線狀色調(diào)異常弱可能是斷裂埋藏深、活動弱的表現(xiàn)。

3.2 形態(tài)特征差異

不同性質(zhì)地質(zhì)體具有不同的形態(tài)特征。形態(tài)特征既是地質(zhì)體物理化學特性的綜合反映，也是地質(zhì)體抗風化、抗剝蝕能力的具體表現(xiàn)。地質(zhì)體形態(tài)包括整體形態(tài)和局部地質(zhì)體形態(tài)。整體形態(tài)為地質(zhì)體在區(qū)內(nèi)整體的展布特點，中低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)可宏觀展現(xiàn)地質(zhì)體的分布形態(tài)。如區(qū)內(nèi)花崗巖侵入體多呈圓形、橢圓形、透鏡狀、腎狀分布； 沉積巖多呈層狀、條帶狀分布，帶狀紋理結(jié)構是其典型的解譯標志，可在較大范圍內(nèi)呈條帶狀延伸。局部形態(tài)則在大比例尺度下反映地質(zhì)體的細節(jié)形態(tài)，如在SPOT6高空間分辨率影像中，研究區(qū)內(nèi)南段組(DCn)地層因巖性多為粗細相間的韻律層序，在影像中可見清晰的層理條紋或條帶線； 同時因其地層產(chǎn)狀多呈中等傾斜，在影像中表現(xiàn)出一系列“三角形”沿走向分布，根據(jù)巖層三角面可識別其產(chǎn)狀(圖3)。

圖3 南段組碎屑巖層理條帶狀影像特征(SPOT6 B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成)

對于斷裂，根據(jù)不同性質(zhì)其表現(xiàn)出的整體形態(tài)特征也不一樣，壓性斷層多表現(xiàn)為舒緩波狀的形態(tài)特征； 張性斷層多表現(xiàn)出鋸齒狀形態(tài)特征； 扭性斷層多表現(xiàn)出平直光滑的線性特征。為消除地表覆蓋干擾因素，采用三維高程渲染圖和雷達數(shù)據(jù)消除地表高植被覆蓋的影響，直接通過形態(tài)信息反映相應的地質(zhì)體； 同時三維數(shù)據(jù)增加了山體的立體感，對斷裂在山區(qū)表現(xiàn)的細節(jié)形態(tài)特征有較強的視覺效果，如區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育處往往表現(xiàn)出一連串呈線狀排列的負地形，通過山的埡口處也表現(xiàn)出線性特征(圖4)。

圖4 斷裂在三維高程渲染圖中的特征

在Sentinel-1 VV極化雷達影像中，發(fā)展河斷裂(F3)表現(xiàn)為線性異常特征，斷裂兩側(cè)影紋為山體結(jié)構造成的樹枝狀影紋； 斷裂通過處多為河谷、第四系松散沉積物，后向散射系數(shù)低，表現(xiàn)出光滑的帶狀影紋(圖5)。

圖5 發(fā)展河斷裂雷達影像

在解譯過程中，同時通過相關三維軟件如Skyline和ArcScene等，將不同種類遙感影像、不同波段組合與三維高程模型相疊加，建立多種三維可視化遙感地面模型，從不同角度、不同尺度、不同地表紋理展示區(qū)內(nèi)不同地質(zhì)體的形態(tài)特征，提高地質(zhì)解譯精度。

3.3 地貌特征差異

不同巖性由于組成成分及內(nèi)部結(jié)構不同，在物理和化學性質(zhì)上存在差異，從而形成了各種各樣的地形地貌[8]。地貌形態(tài)包括山脊形態(tài)、水系類型、水系密度和植被覆蓋程度等。本文利用不同遙感數(shù)據(jù)源在不同尺度下對地貌形態(tài)進行解譯，從而間接關聯(lián)下伏的地質(zhì)體。如區(qū)內(nèi)惠民巖組(Pt2h.)變質(zhì)巖類，其原巖多為泥頁巖、基性巖等，較易風化剝蝕，常形成低矮渾圓、波狀起伏的丘崗，地形平緩； 由于透水性差，地表徑流發(fā)育，常呈密集樹枝狀水系，橫斷面呈“U”形。而花開左組(J2h)底部巖性以砂巖夾礫巖為主，硬度較大，耐風化程度相對較強，在影像中表面粗糙，山勢較陡，脊線明顯，沖溝橫斷面一般為“V”形； 節(jié)理發(fā)育，對水系控制作用明顯，水系密度較泥巖小，水系類型以樹枝狀-格狀水系為主； 且研究區(qū)內(nèi)花開左組(J2h)多呈不整合覆蓋于惠民巖組(Pt2h.)變質(zhì)巖之上，因此在地勢上比惠民巖組(Pt2h.)更高； 同時花開左組(J2h)底部多為砂礫巖，相對難風化，在影像中兩者界線則多為地勢轉(zhuǎn)變部位，能較好地圈定其界線(圖6)。

圖6 惠民巖組變質(zhì)巖與侏羅系紅層地貌差異(SPOT6 B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成)

區(qū)內(nèi)花崗巖類地貌形態(tài)多為低山丘陵，局部為中高山，山脊圓滑，水系發(fā)育，多呈樹枝狀及放射狀等，沖溝為“U”型谷。碳酸鹽巖中巖溶地貌發(fā)育，孤峰石林及溶洞普遍存在，在影像中呈孤立的圓泡狀形態(tài)排列。

斷裂構造在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出不同地貌單元分界線呈線狀展布、河谷或沖溝異常平直、河谷或山脊呈直線狀延伸或被切斷等特征。

3.4 人類工程活動差異

人類工程活動包括居民點、耕地和礦業(yè)活動等人類活動。人類活動和產(chǎn)業(yè)活動與地形地貌關系密切，而地形地貌又是地質(zhì)體的外在表現(xiàn)，與巖石地層、構造分布有緊密聯(lián)系。區(qū)內(nèi)第四系分布區(qū)地勢較低，地形平坦，土壤肥沃，便于農(nóng)耕，人工活動形跡明顯，居民點密布，道路縱橫交錯； 而山區(qū)尤其是巖性難于風化而形成的陡峭區(qū)域，人類活動受限制而分布較少。

區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動同巖石地層、構造分布關系密切，因此可通過對礦業(yè)活動的解譯來間接提取所在巖石地層與構造信息。區(qū)內(nèi)采石場多分布于花崗巖、碳酸鹽巖區(qū)域，煤礦產(chǎn)于三營組(N2s)碎屑巖中，鐵礦多分布于惠民巖組(Pt2h.)地層中，受地層控制明顯； 金礦受深斷裂帶及熱液活動影響，多產(chǎn)于臨滄花崗巖體以西NW向斷裂與NE向次級線性構造交匯部位上。對于露天開采的非金屬礦、金屬礦或能源礦，通過高空間分辨率遙感影像可解譯出開采面、中轉(zhuǎn)場地和廠房等設施。如區(qū)內(nèi)某金礦(圖7)，解譯出的露天采場多呈梯形或橢圓形，無植被覆蓋，采礦專用道路沿采場呈階梯狀分布，且采場周邊植被發(fā)育較好，兩者影像特征差異明顯。

圖7 研究區(qū)某金礦影像特征(SPOT6 B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成)

4 遙感地質(zhì)解譯成果

根據(jù)以上建立的植被覆蓋區(qū)各地質(zhì)體的解譯標志，結(jié)合野外調(diào)查情況，本研究進行了詳細的遙感解譯，取得了較好的效果。主要解譯成果如下：

1)在巖石地層方面，較好地解譯出區(qū)內(nèi)華力西晚期花崗巖、第四系松散沉積物、侏羅系與白堊系紅層、晚古生界碎屑巖、瀾滄巖群變質(zhì)巖之間的界線； 并根據(jù)地質(zhì)填圖單元，分析總結(jié)了區(qū)內(nèi)各地層與巖漿巖的遙感影像特征、可解譯程度及巖石地層分布情況等。

2)在構造方面，利用中低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)及周邊所處的大地構造背景進行解譯和認定，搭建了構造格架，并解譯出區(qū)內(nèi)主要線性斷裂構造； 同時根據(jù)巖層三角面，獲取了大量的地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。

3)利用高空間分辨率遙感影像解譯出區(qū)內(nèi)所有露天開采礦山的相關信息，尤其是對開采面的解譯，為礦山地質(zhì)調(diào)查提供了實時性的基礎資料。

4)將解譯成果與以往地質(zhì)資料進行對比分析，對有差異的地段進行了重點解譯和野外驗證，修改和補充部分地質(zhì)界線，從而提高了遙感地質(zhì)解譯成果的實用性和可靠性。

5 結(jié)論

1)對于植被覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖中遙感數(shù)據(jù)源的選擇，除常規(guī)Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)外，能較好識別與提取覆蓋區(qū)中出露的小范圍地質(zhì)體的高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，能消除植被影響、突出形態(tài)信息的三維高程渲染圖與雷達數(shù)據(jù)，都是較為理想的數(shù)據(jù)源。

2)在植被覆蓋區(qū)能夠直接提取的地質(zhì)信息較少，更多的是利用與不同巖性相關聯(lián)的土壤、植被、水系、地形地貌和人類工程活動等間接解譯標志進行識別，如植被和土壤與下伏基巖的關聯(lián)性、人類工程活動與巖性的關聯(lián)性等，都能在一定程度上獲取更多的地質(zhì)信息。

但是，在植被覆蓋區(qū)進行遙感地質(zhì)解譯，利用計算機自動提取地質(zhì)信息的程度還相對較低，以人工目視解譯為主，多與解譯者的資料掌握情況、地質(zhì)情況熟悉程度和解譯經(jīng)驗等密切相關； 而且提取的地質(zhì)信息較為零散、模糊，不利于快速全面地獲取地質(zhì)信息，如何突破這一瓶頸制約，仍需不懈的努力。

志謝：在野外工作中，中國人民武裝警察部隊黃金第十支隊提供了大量的幫助和支持，在此表示感謝。