新疆溫泉縣牙馬特一帶1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的遙感技術(shù)應(yīng)用

張磊，孟令華，周龍濤

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

遙感技術(shù)是擁有著廣闊的應(yīng)用前景與良好應(yīng)用效果的一門高新技術(shù)，隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展，遙感影像的空間分辨率和光譜分辨率越來越高。在區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中，遙感技術(shù)能宏觀、高效地揭示構(gòu)造、地層、巖漿巖和礦化蝕變等信息，為地質(zhì)工作者研究各種地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造與成礦作用提供一個新的角度，從而推斷地質(zhì)作用過程及其運(yùn)動狀態(tài)等[1-18]。遙感地質(zhì)解譯工作可以增強(qiáng)地質(zhì)工作的預(yù)見性，從而有效地部署野外調(diào)查研究工作，對提高工作效率、工作質(zhì)量和填圖準(zhǔn)確性發(fā)揮了不可忽視的作用。前人在遙感對于區(qū)調(diào)工作的重要性、遙感解譯的工作方法及過程等方面論述較多[19-22]，而在數(shù)據(jù)處理等具體遙感技術(shù)應(yīng)用方面涉及較少。該文結(jié)合新疆溫泉縣牙馬特一帶1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，從遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理及影像圖制作、遙感解譯標(biāo)志建立、遙感蝕變信息提取等方面來探討遙感地質(zhì)解譯技術(shù)在區(qū)調(diào)工作中的應(yīng)用。

“新疆溫泉縣牙馬特一帶1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查”項目調(diào)查區(qū)范圍1∶5萬國際分幅編號及名稱：L44E017013(夏日布日格(部分))、L44E018013(昆得侖)、L44E019013(溫泉縣)、L44E019014(呼和托哈種畜場)，經(jīng)緯度坐標(biāo)：①東經(jīng)81°00′～81°15′；北緯44°50′以北至邊境線(L44E017013(部分)、L44E018013)；②東經(jīng)81°15′～81°30′；北緯44°50′～45°00′(L44E018013、L44E019013)。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理及影像圖制作

遙感數(shù)據(jù)源選用Landsat 8的數(shù)據(jù)，景號為P147-R29一景，時相為2015年7月13日，共計11個波段。云覆蓋0.37，數(shù)據(jù)質(zhì)量等級9，數(shù)據(jù)符合專題信息提取的要求。景幅中心太陽方位角為137.06756271°，景幅中心太陽高度角為61.78898612°，數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

(a)大氣校正前植被波譜特征曲線；(b)大氣校正后植被波譜特征曲線圖2 大氣校正前、后植被波譜特征曲線

HtW— 溫泉巖群；D2hj1— 汗吉尕組下段；D3ts1-2— 托斯庫爾他烏組中段、下段；D3ts2— 托斯庫爾他烏組中段；D3ts3—托斯庫爾他烏組上段；C1a1— 南部阿克沙克組下段；C1a2—南部阿克沙克組上段；C1aa—北部阿克沙克組第一段；C1ab—北部阿克沙克組第二段；C2dt—東圖津河組；C2kg—科古琴山組；P1wl—烏郎組流； E3NC1—昌 吉河群下亞群；E3NC2—昌吉河群上亞群； Qp3Xalp—第四系沖洪積堆積物圖3 研究區(qū)主要地層單元的遙感影像圖

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)利用ENVI 5.1軟件6S模型，對OLI遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正?？紤]了大氣頂?shù)奶栞椛淠芰客ㄟ^大氣傳遞到地表，以及地表的反射輻射通過大氣到達(dá)傳感器的整個輻射傳輸過程，用5個部分構(gòu)成了輻射傳輸模型：太陽、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系(用太陽天頂角、太陽方位角、觀測天頂角、觀測方位角4個變量來描述)；大氣模式(包括7種模式)；氣溶膠模式(定義了7種缺省的標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠模式和一些自定義模式)；傳感器的光譜特性；地表反射率(定義了地表的反射率模型，包括均一地表與非均一地表兩種情況，在均一地表中又考慮了有無方向性反射問題，在考慮方向性時用了9種不同模型)。

首先對OLI進(jìn)行輻射處理，然后將輻射的數(shù)據(jù)做FLAASH大氣校正。從大氣校正前(圖2a)和大氣校正后(圖2b)植被的波譜特征曲線可以看出，校正后的數(shù)據(jù)符合植被標(biāo)準(zhǔn)曲線的特征，達(dá)到了去除大氣的影響。

(2)采用二次多項式的方法進(jìn)行幾何精校正。研究區(qū)遙感圖像采用涉及區(qū)內(nèi)的1∶5萬地形圖進(jìn)行校正，從地形圖上選擇20個地面控制點，進(jìn)行幾何校正?？刂泣c的選擇盡量在圖上均勻展布。采用二次多項式進(jìn)行擬合校正，糾正控制點中誤差盡量控制在1.5～2個像元以內(nèi)。

(3)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)直方圖的情況，分別對各個波段做了線性拉伸增強(qiáng)處理和方差拉伸增強(qiáng)處理，使其直方圖的值在正態(tài)之間分布，從而達(dá)到改善圖像對比度的效果。

(4)根據(jù)研究區(qū)的坐標(biāo)裁剪和鑲嵌圖像。利用ArcGIS 10.2軟件，按研究區(qū)范圍經(jīng)緯度坐標(biāo)制作研究區(qū)shp文件，然后在ERDAS 2013軟件中，將shp文件轉(zhuǎn)換成AOI文件，按AOI文件對圖像做精確裁剪，得到研究區(qū)的遙感圖像。

(5)根據(jù)工作目的的需要，確定假彩色合成方案。計算子區(qū)OLI 2，3，4，5，6，7波段的相關(guān)系數(shù)見表1，取相關(guān)系數(shù)最小的波段進(jìn)行合成。從表1中可以得出，7，6波段的相關(guān)性較大；2，3，4波段的相關(guān)性較大；5波段相對獨立，故應(yīng)從這3個組中選擇合成波段?？紤]到地物光譜特征差異，為了突出巖石構(gòu)造信息及各類與礦化相關(guān)的遙感蝕變信息，對各單波段進(jìn)行對比優(yōu)選，OLI 7波段為地質(zhì)波段，有豐富的地質(zhì)信息，OLI 5為植被特征波段。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，752合成相關(guān)系數(shù)最小，為最佳合成方案，其次為753。因此，以7(R)5(G)2(B)作為工作合成波段，7(R) 5(G) 3(B)作為工作主要參考合成波段。

表1 各波段的相關(guān)系數(shù)

(6)計算NDVI，確定工作區(qū)植被覆蓋度。生成NDVI圖像并查看統(tǒng)計值(表2)，從NDVI值可以看出，最大值49，均值0.354，故該研究區(qū)為植被中等覆蓋區(qū)，滿足蝕變信息提取的要求。

表2 OLI234567波段所求NDVI統(tǒng)計

1.2 專題信息影像圖制作

以多景多時相的高分一號衛(wèi)星多光譜圖像(分辨率8m)為信息源與同衛(wèi)星同時相的全色波段(分辨率2m)進(jìn)行融合，形成的融合圖像具有多光譜圖像的色彩和全色圖像的高分辨率，完全能夠滿足1∶5萬遙感解譯要求，2m的高分辨率可以清晰的反映出地表地層和構(gòu)造(表3)。

基于高分一號衛(wèi)星圖像自身的特點，首先用30m的DEM對多光譜和全色圖像分別進(jìn)行正射校正，再以2m全色圖像為基準(zhǔn)，采用雙線性內(nèi)插法，均勻選擇控制點對8m多光譜圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，校正誤差小于0.5個像元；然后將多光譜圖像和全色圖像進(jìn)行融合處理，生成2m的高分辨率圖像。為了更真實的反映地表地層色彩特征，選取3，2，1+PAN真彩色波段合成方案，采用ENVI和Photoshop軟件交互式調(diào)整方法對圖像色彩進(jìn)行調(diào)整和拼接，最后均勻選取地面控制點，對拼接好的圖像進(jìn)行精校正，校正誤差滿足1∶5萬遙感解譯圖像要求。

表3 高分一號數(shù)據(jù)

2 遙感解譯標(biāo)志

ETM遙感影像主體色調(diào)為淺灰色、深灰色、灰褐色，水系較發(fā)育，植被發(fā)育程度中等，遙感影像分區(qū)劃為遙感解譯程度較好區(qū)。區(qū)內(nèi)地層、侵入巖、構(gòu)造等建立的宏微觀的解譯標(biāo)志，主要表現(xiàn)為以影像色級差別、風(fēng)化外貌花紋的形態(tài)、水系、植被發(fā)育情況等特征的不同進(jìn)行對比區(qū)分，建立初步的解譯標(biāo)志。然后以遙感影像為載體，根據(jù)已知的地質(zhì)資料對工作區(qū)開展的地質(zhì)解譯是否準(zhǔn)確，巖性組合、構(gòu)造位置、地層單元的邊界屬性的劃分是否準(zhǔn)確，需要進(jìn)行野外驗證，重點對典型巖性和構(gòu)造露頭進(jìn)行野外調(diào)查驗證，對遙感解譯的錯漏之處現(xiàn)場修改、補(bǔ)充。通過初步解譯—對比分析—野外實地調(diào)查—解譯修正的原則，建立了最終的遙感解譯標(biāo)志(表4)。主要地質(zhì)體的最終遙感影像解譯見圖4、圖5。

表4 研究區(qū)主要地質(zhì)體遙感解譯標(biāo)志

HtW—溫泉巖群；ηγQbaQ—青白口紀(jì)侵入巖第一侵入次侵入體；δοOaH—奧陶紀(jì)侵入巖第一侵入次侵入體；δοObH—奧陶紀(jì)侵入巖第二侵入次侵入體；晚石炭世侵入巖第五侵 入次侵入體；Qp3Xalp—第四系沖洪積堆積物圖4 研究區(qū)主要侵入巖體的遙感影像圖

圖5 研究區(qū)斷裂構(gòu)造解譯與遙感蝕變信息提取影像圖

2.1 地層解譯標(biāo)志

(1)古元古代滹沱紀(jì)溫泉巖群：巖性主要為片麻巖、片巖、變粒巖、大理巖、石英巖、混合巖等。遙感影像上呈淺灰色—深灰色—褐灰色，面狀分布，中高山地貌，水系為網(wǎng)脈狀，植被較發(fā)育，南部為松樹林區(qū)，出露較差，花紋較粗糙，并具有相互平行的寬紋理。

(2)中泥盆世汗吉尕組：巖性為礫巖、長石巖屑砂巖、少量粉砂巖。影像色調(diào)為淺黃灰色、淺灰色，色調(diào)較均勻，面狀分布，花紋粗糙，具有相互平行的條紋，水系呈短細(xì)密集的網(wǎng)脈狀，地貌上為中高山，植被發(fā)育。

(3)晚泥盆世托斯庫爾他烏組：下段和中段巖性以礫巖、巖屑砂巖、粉砂巖為主，中段碎屑巖粒度較下段細(xì)，影像特征相似。中高山區(qū)，遙感影像呈灰色、深灰色、褐灰色，面狀分布，花紋呈樹枝狀、羽狀，樹枝狀水系發(fā)育。上段以凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖為主，影像色調(diào)為灰色、淺灰色，其他特征與下段和中段類似。

(4)早石炭世阿克沙克組：調(diào)查區(qū)南部阿克沙克組下段巖性主要為礫巖、中細(xì)粒巖屑砂巖、粉砂巖、中粗粒巖屑砂巖夾少量凝灰質(zhì)粉砂巖及流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r，局部可見少量灰?guī)r。影像色調(diào)灰色、灰褐色，面狀分布，花紋較粗糙，水系不發(fā)育，地貌上為中低山，山體呈較大的壟狀山體，植被稀疏；上段巖性主要為生物碎屑灰?guī)r、含生屑粉泥晶灰?guī)r、含生屑鮞?；?guī)r、中細(xì)粒巖屑砂巖、粉砂巖等。影像色調(diào)呈淺灰色、灰白色，易于區(qū)別，帶狀、面狀分布，圖案為細(xì)膩寬紋狀。水系不發(fā)育，植被稀疏。調(diào)查區(qū)北部阿克沙克組第一段巖性多為巖屑砂巖、粉砂巖。影像色調(diào)淺灰色、灰色，面狀分布，水系為樹枝狀，花紋較粗糙，為斑點紋理。中低山地貌，植被稀疏；第二段巖性主要為角巖化中細(xì)粒長石巖屑砂巖、板巖。影像色調(diào)深灰色、灰綠色，色調(diào)不均勻，面狀分布，花紋較粗糙，呈樹枝網(wǎng)紋狀，個別地段可見由層理所組成的黑白相間的細(xì)條紋，樹枝狀水系發(fā)育。地貌上為中高山，山體高大，一般呈不規(guī)則壟狀排列，山脊線比較明顯而且較長，另外在山體北坡多有陰影出現(xiàn)，植被較發(fā)育。

(5)晚石炭世東圖津河組：巖性主要為礫巖、巖屑砂巖、粉砂巖、生物碎屑灰?guī)r、粉泥晶灰?guī)r等。影像色調(diào)為淺灰色，面狀分布，水系呈網(wǎng)脈狀，中低山地貌，植被不發(fā)育。

(6)晚石炭世科古琴山組：巖性主要為一套灰色—灰紫色礫巖夾巖屑砂巖。由于該組出露范圍有限，影像特征不明顯，僅個別地段略呈細(xì)帶狀斷續(xù)出露，影像色調(diào)為灰色、淺灰色，面狀分布，花紋較粗糙，植被不發(fā)育。

(7)早二疊世烏郎組：巖性主要為紅褐色流紋巖、灰褐色蝕變輝石安山巖、輝石石英安山巖。影像色調(diào)為紫褐色、灰綠色、灰色，面狀分布，具斑狀花紋，線性影紋較發(fā)育，與附近地質(zhì)體較易區(qū)分，水系為網(wǎng)脈狀，地貌上為中高山，呈不規(guī)則壟狀排列，山脊線較明顯，植被稀疏。

(8)新—古近紀(jì)昌吉河群：下亞群巖性主要為紫紅色中厚層—塊狀粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾少量礫巖，影像色調(diào)為淺黃色，帶狀分布，樹枝狀花紋，低山—丘陵地貌，羽狀水系發(fā)育。上亞群巖性主要為灰黃色中厚層—塊狀礫巖夾少量砂質(zhì)泥巖，影像色調(diào)呈灰色、淺灰色，帶狀分布，樹枝狀圖案，羽狀水系發(fā)育。

(9)第四系松散堆積物：中更新世冰磧堆積物由漂礫和砂礫石組成，遙感影像上為淺灰、灰白色，面狀分布，水系、植被不發(fā)育，地貌上為低山—丘陵，紋理較粗糙。晚更新世新疆群沖洪積堆積物由礫石、砂礫石、砂及亞砂土組成，遙感影像上為淺灰色、黃灰色，扇狀分布，發(fā)育細(xì)小脈狀水系，束狀花紋。全新世沖積堆積物主要由少量礫石、砂、含礫粉砂土、砂質(zhì)黏土等組成，位于河流兩側(cè)一級階地、漫灘及低階地，遙感影像上呈淺灰色、灰色，呈條帶狀、方格狀，水系不發(fā)育，圖案為寬平行花紋。全新世洪積—沼澤堆積物主要由大小不一的礫石、砂礫石、黏土組成，遙感影像上呈淺藍(lán)、淺灰色，帶狀分布，水系為主干河，為現(xiàn)代河床，表面較平坦。全新世沼澤堆積物主要由砂土、淤泥及黏土組成。遙感影像上呈淺褐灰色，塊狀分布，地貌上為沼澤地，地勢低洼，植被較發(fā)育。

2.2 侵入巖解譯標(biāo)志

研究區(qū)內(nèi)分布青白口紀(jì)、奧陶紀(jì)、晚石炭世三期侵入巖，影像特征與地層明顯不同，其形態(tài)及邊界大多較清晰。

(1)青白口紀(jì)侵入巖：巖性主要為淺肉紅色—灰白色中細(xì)粒二長花崗巖、細(xì)粒二云二長花崗巖，影像色調(diào)較淺，呈灰白色、淺灰色，塊狀分布，花紋呈粗糙網(wǎng)紋狀，顯斑點狀花紋和網(wǎng)格狀影紋，水系不發(fā)育，地貌上為中低山，植被稀疏。

(2)奧陶紀(jì)侵入巖：巖石類型主要為灰綠色閃長巖—石英閃長巖、灰白色、灰色花崗閃長巖。影像色調(diào)較深，呈灰色、灰綠色，面狀分布，花紋較粗糙，呈樹枝狀，水系多為平行狀及樹枝狀，地貌上為中高山，山體高大，山脊較尖銳，山坡較陡，植被較發(fā)育。

(3)晚石炭世侵入巖：巖性為中粗?！屑?xì)粒斑狀二長花崗巖、細(xì)粒二云二長花崗巖，影像色調(diào)呈灰綠色，面狀分布，花紋較細(xì)，水系沖溝較發(fā)育，呈樹枝狀，地貌上為高山，山脊呈渾圓狀，山坡較平緩，植被發(fā)育。

2.3 構(gòu)造解譯標(biāo)志

研究區(qū)斷裂構(gòu)造遙感地質(zhì)特征：線狀分布，連續(xù)或斷續(xù)分布，穿過不同的地貌單元；斷層三角面及陡崖分割不同地貌單元。斷裂構(gòu)造的線性影像特征明顯，以EW向、NE向斷裂構(gòu)造為主，NW向、SN向斷裂次之，該次共解譯出4組42條線性斷層(圖5)。其中EW向斷裂多為區(qū)內(nèi)的基底斷裂，以推覆斷裂為主；NE向斷裂多為左旋切割；NW向斷裂為右旋切割；SN向斷裂為區(qū)內(nèi)最晚期。斷裂形跡在影像圖上顯示較為清晰，兩側(cè)地質(zhì)體在色調(diào)、紋理上亦有差別，沿斷層發(fā)育有斷崖和線狀分布的谷地。區(qū)內(nèi)褶皺形態(tài)基本無顯示。

3 遙感蝕變信息提取

3.1 蝕變信息提取的方法

鑒于ETM/OLI是一種寬波段傳感器，不具備礦物種屬的區(qū)分能力，目前利用波段比值及主成分分析進(jìn)行蝕變填圖只能將熱液蝕變信息劃分為含羥基或碳酸鹽礦物、含鐵礦物異常兩大類。

遙感圖像增強(qiáng)方法中，比值和主成分分析在對干旱—半干旱地區(qū)進(jìn)行多光譜蝕變信息增強(qiáng)提取是有效的[23-24]。通過遙感蝕變信息定量提取的研究確定蝕變信息的提取選用比值法進(jìn)行。

比值組合的選擇不僅符合蝕變礦物的波譜特征，而且能夠擴(kuò)大不同地物之間的差異，更好地進(jìn)行蝕變礦物(程度)的分級，起到了“蝕變指數(shù)”的作用，稱其為“蝕變因子”。

根據(jù)區(qū)內(nèi)蝕變特征，選擇了多個OLI波段比值，包括OLI 4/2，OLI 2/4，OLI (4-2)/(4+2)，OLI 6/2，OLI (6-2)/(6+2)，OLI 7/2，OLI (7-2)/(7+2)，OLI 6/7，OLI 7/6，OLI (6-7)/(6+7)，OLI 6/5，OLI (6-5)/(6+5)，OLI 5/4，OLI 4/5，OLI (5-4)/(5+4)，OLI (6-7)/(6+7)，OLI (5-4)/(5+4)等，以便從中優(yōu)選礦化蝕變因子。

根據(jù)實驗所獲得各單波段灰度及蝕變礦物亮度值(表5、表6)，除孔雀石類外，其他幾類蝕變礦物的相對亮度值均是OLI 4，大于OLI 2；另一方面除含F(xiàn)e3+氧化物類外，其他幾類蝕變礦物的相對亮度值則表現(xiàn)為OLI 6，大于OLI 7；在熱液礦床中普遍存在的含羥基蝕變礦物(褐鐵礦或黃鉀鐵礬)，同時具有OLI 4>OLI 2，OLI 6>OLI 7的特征。故OLI 4/2和OLI 6/7包括了不同類型的蝕變。因此，可將OLI 4/2，OLI 6/7，OLI(6+4)/(7+2)定義為最佳的蝕變指數(shù)，分別稱其為鐵化因子IFE=OLI 4/2，泥化因子IOH=OLI 6/7，綜合蝕變因子I綜合=OLI (6+4)/(7+2)。

表5 各波段灰度值統(tǒng)計

表6 不同類型蝕變礦物亮度值相對大小特征

3.2 專題信息提取處理

采用基于OLI數(shù)據(jù)礦化蝕變信息定量提取的方法流程，分別計算鐵化因子(OLI 4/2)、泥化因子(OLI 6/7)進(jìn)行分析(表7)，利用“均值+標(biāo)準(zhǔn)偏差”作為下限進(jìn)行蝕變?nèi)Χǎ捎米顑?yōu)分割方法分級值進(jìn)行分級。

表7 調(diào)查區(qū)蝕變因子統(tǒng)計

鐵化因子(OLI 4/2)：最小值為-76，最大值為76，均值為1.475，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.229，異常下限為1.704，其頻率直方圖符合正態(tài)分布。利用最優(yōu)法計算其分級數(shù)為5，取其第一級為圈定的蝕變分布圖。泥化因子(OLI 6/7)最小值為-8，最大值為5.271，均值為1.450，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.339，異常下限為1.789，其頻率直方圖符合正態(tài)分布。利用最優(yōu)算法其最佳分級為5，取其第一級為圈定的遙感蝕變異常分布圖。綜合蝕變因子(OLI (6+4)/(7+2))由OLI (6+4)/(7+2)比值所揭示的異常包括了OLI 4/2和OLI 6/7的異常的范圍。

從遙感蝕變信息提取專題影像圖(圖5)可以看出，泥化蝕變主要分布在博爾塔拉河谷地兩岸的第四系中，意義不大。鐵化蝕變除分布在第四系中外，還分布于北部晚石炭世斑狀二長花崗巖體內(nèi)、早石炭世阿克沙克組及新—古近紀(jì)昌吉河群下亞群內(nèi)，以強(qiáng)蝕變?yōu)橹?，可能與巖體侵入引起的接觸變質(zhì)及后期蝕變有關(guān)，具有一定的找礦指示意義。

4 結(jié)論

遙感技術(shù)在新疆溫泉縣牙馬特一帶1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中具有不可替代的重要作用，通過遙感數(shù)據(jù)處理、專題信息影像圖制作、遙感地質(zhì)解譯、遙感蝕變信息提取等工作，可以有效補(bǔ)充基礎(chǔ)地質(zhì)及找礦工作中的不足，成效顯著。

(1)以Landsat 8 OLI為遙感數(shù)據(jù)源，結(jié)合高分一號多光譜衛(wèi)星圖像，對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，并制作遙感影像圖，可達(dá)到較好的遙感解譯效果。

(2)建立了不同地質(zhì)體的遙感解譯標(biāo)志，提高了填圖工作效率、工作質(zhì)量及準(zhǔn)確性。

(3)明確了遙感蝕變信息提取的方法，分別提取了泥化及鐵化蝕變信息，制作遙感蝕變信息提取專題影像圖，對找礦工作具有指示意義。