多源遙感數(shù)據(jù)在西準(zhǔn)噶爾哈拉阿拉特山地區(qū)1∶5萬地質(zhì)填圖中的對(duì)比研究

程三友王 曦李永軍王 冉

長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西 西安 710054

遙感技術(shù)不受地形的限制,具有覆蓋面積大、獲取信息速度快等優(yōu)點(diǎn),隨著空間信息技術(shù)的進(jìn)步及影像獲取成本的降低,已經(jīng)成為區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作的重要技術(shù)手段之一(薛重生,1997;陳星等,2014;何鵬等,2016;史俊波等,2016;潘明等,2019;王烜等,2019;劉小雨等,2020;蘇永江和李東,2020;楊星辰等,2020;冀全偉等,2021)?，F(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展,使各種對(duì)地觀測衛(wèi)星源源不斷地提供不同空間分辨率的遙感圖像成為現(xiàn)實(shí)。不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)所提供的信息具有很好的互補(bǔ)性和合作性,可以將同一地質(zhì)環(huán)境或?qū)ο筮M(jìn)行綜合,產(chǎn)生比單一信息源更精確、更完全、更可靠的解譯和判讀?；贓TM融合后的15 m遙感影像,對(duì)于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段全區(qū)初步的遙感解譯非常有利。SPOT5數(shù)據(jù)適用于對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)解譯,利用其全色波段與ETM多光譜數(shù)據(jù)融合生成的2.5 m ETM SPOT5融合影像進(jìn)行對(duì)比補(bǔ)充,可完善解譯結(jié)果。對(duì)于局部解譯難度大的區(qū)域,可使用高分辨率遙感影像Quickbird或WorldView數(shù)據(jù)。在“新疆西準(zhǔn)噶爾瑪依塔巴克地區(qū)1∶5萬四幅區(qū)調(diào)”項(xiàng)目實(shí)施過程中,采用SPOT5、Quickbird和ETM數(shù)據(jù),選擇主成分組分假彩色合成和數(shù)據(jù)融合影像,結(jié)合目視解譯和野外踏勘,對(duì)新疆西準(zhǔn)噶爾哈拉阿拉特山地區(qū)開展了地層單元、中—小規(guī)模地質(zhì)體(如巖脈和小巖體)邊界準(zhǔn)確勾畫以及地質(zhì)構(gòu)造解譯工作。結(jié)果表明,高分辨率遙感影像在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中準(zhǔn)確解譯并勾畫中—小規(guī)模地質(zhì)體方面具有極大的優(yōu)勢,SPOT5、Quickbird和ETM遙感數(shù)據(jù)可很好地指導(dǎo)野外地質(zhì)調(diào)查工作。

1 研究區(qū)概況

哈拉阿拉特山大地構(gòu)造位置處于西準(zhǔn)噶爾山區(qū)與準(zhǔn)噶爾盆地交界處,北部為緩傾斜的和什托勒蓋盆地,南部為戈壁平原區(qū)。哈拉阿拉特山山勢低矮,海拔500～600 m,其區(qū)內(nèi)地質(zhì)體展布受北北東向的達(dá)爾布特?cái)嗔芽刂?晁文迪等,2015;李永軍等,2016a;林偉等,2017)。據(jù)1∶20萬烏爾禾幅地質(zhì)圖,研究區(qū)地層主要有下石炭統(tǒng)、上石炭統(tǒng)、下石炭統(tǒng)上段和下石炭統(tǒng)下段地層(圖1;馬寶林,1987;龔一鳴和縱瑞文,2015;李永軍等,2016b)。而據(jù)項(xiàng)目組最新編繪的1∶5萬地質(zhì)圖,研究區(qū)地層主要有下二疊統(tǒng)白楊河組(P1b)、下二疊統(tǒng)佳木河組二段(P1jm2)、下二疊統(tǒng)佳木河組一段 (P1jm1)、上石炭統(tǒng)阿臘德伊克賽組(C2al)、上石炭統(tǒng)哈拉阿拉特山組(C2h)、下石炭統(tǒng)希貝庫拉斯組(C1x)和下石炭統(tǒng)包谷圖組(C1b)。研究區(qū)侵入巖總體不太發(fā)育,有輝綠巖株(佟麗莉,2009;縱瑞文等,2014;晁文迪等,2015;賀新星等,2015;王樂民等,2015;向坤鵬等,2015;李甘雨等,2016;李永軍等,2016a, 2016b;彭湘萍等,2016),以及此次1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中新發(fā)現(xiàn)的烏爾禾基性巖脈群和烏爾禾花崗巖。

圖1 西準(zhǔn)噶爾哈拉阿拉特山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.1 Regional geological map of the Hala’alate mountains in west Junggar(a) Tectonic location; (b) Geological sketch map (modified after Li et al.,2016b)

2 遙感數(shù)據(jù)和分析方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)選擇

采用SPOT5、ETM和Quickbird數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。ETM時(shí)相為2001年5月22日,空間分辨率較低,可獲得地質(zhì)體宏觀分布規(guī)律和分布特征。SPOT5時(shí)相為2008年5月4日,產(chǎn)品等級(jí)是L1A,空間分辨率較高,可解譯判讀中等規(guī)模的地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象,能確定地質(zhì)體規(guī)模。Quickbird時(shí)相為2012年3月21日、2012年3月24日和2010年8月3日,為三波段融合后的RGB圖像,空間分辨率高,可解譯判讀中—小規(guī)模的巖脈、巖體和地質(zhì)現(xiàn)象,詳細(xì)確定地質(zhì)體邊界及分布(李德仁和馬洪超,2001;張自力等,2007)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

ETM、SPOT5和Quickbird均經(jīng)過輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正,以1∶5萬地形圖為標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)ETM進(jìn)行了幾何校正,對(duì)SPOT5和Quickbird采用了幾何精校正(程三友等,2021)、圖像配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和裁剪等預(yù)處理。處理好的ETM和SPOT5圖像按稍大于研究區(qū)的范圍裁出。

2.3 數(shù)據(jù)融合增強(qiáng)

ETM全色波段(ETMPan)空間分辨率15 m,將其與30 m的多光譜數(shù)據(jù)采用Gram-Schmidt(GS)方法融合,可提高影像質(zhì)量。SPOT5 HRG多光譜數(shù)據(jù)(10 m)與全色波段數(shù)據(jù)(SPOT5 HRG Pan,2.5 m)采用HSV方法融合生成2.5 m影像為基礎(chǔ)解譯影像,采用ETM多光譜741與SPOT5的全色波段HSV方法融合生成2.5 m影像,進(jìn)行對(duì)比補(bǔ)充再解譯(圖2)。數(shù)據(jù)融合對(duì)比之后,發(fā)現(xiàn)SPOT5全色與波段213融合影像,即采用彩色空間HSV變換融合,得到色調(diào)信息豐富的影像,作為基礎(chǔ)解譯影像效果最好(圖3)。將哈拉阿拉特山基巖區(qū)Quickbird三塊影像數(shù)據(jù)鑲嵌成整幅RGB影像,空間分辯率為0.61 m。通過研究比較 ETM、SPOT5 和 Quickbird 3類遙感影像,發(fā)現(xiàn)QuickBird 影像對(duì)于巖脈和小巖體邊界的勾畫更占優(yōu)勢。

圖2 遙感圖像融合增強(qiáng)處理流程圖Fig.2 Flow chart showing the merge and enhancement process of remote sensing images

3 哈拉阿拉特山遙感圖像地質(zhì)解譯

利用ENVI軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、幾何精校正和圖像增強(qiáng)等處理,得到了研究區(qū)空間分辨率2.5 m的無云雪覆蓋的SPOT5高清晰影像(圖3),能較好地呈現(xiàn)出研究區(qū)巖性單元影像紋理以及不同巖性單元間的界線等總體特征,將其作為研究區(qū)基礎(chǔ)解譯影像。選擇主成分PC1、2、3之SPOT5 1～4、主成分PC1、2、3之ETM1～7、主成分PC6、5、4之ETM 1～7的假彩色合成影像,以及2.5 m ETM SPOT5融合影像,作為遙感地質(zhì)解譯輔助影像,對(duì)構(gòu)造和地質(zhì)巖性單元進(jìn)行解譯。在此基礎(chǔ)上,采用Qucikbird高分辨率影像剖析勾畫小巖體和巖脈等細(xì)部構(gòu)造,通過野外驗(yàn)證反復(fù)解譯,完善遙感解譯成果。

圖3 哈拉阿拉特山地區(qū)SPOT5全色與波段213融合影像的HSV變換圖像Fig.3 HSV transform image of remote sensing images of SPOT5 PAN and 213 Merge in the Hala’alate mountains

3.1 重要地質(zhì)單元解譯標(biāo)志建立

通過野外地質(zhì)現(xiàn)象與影像特征的對(duì)比研究和對(duì)遙感解譯結(jié)果的野外調(diào)查、驗(yàn)證,不斷深化對(duì)遙感影像地質(zhì)解譯標(biāo)志的認(rèn)識(shí),建立完善各地質(zhì)體遙感解譯標(biāo)志,典型遙感影像及野外驗(yàn)證露頭照片見表1和表2。

表1 哈拉阿拉特山地區(qū)重要地質(zhì)單元解譯標(biāo)志Table 1 Interpretation keys of the important geological units in the Hala’alate mountains

表2 哈拉阿拉特山地區(qū)重要地質(zhì)單元典型遙感影像及野外驗(yàn)證露頭照片Table 2 Remote sensing image features and field verification of the important geological units in the Hala’alate mountains

3.2 構(gòu)造特征解譯

3.2.1 斷裂帶地質(zhì)解譯

研究區(qū)線性和環(huán)形構(gòu)造遙感影像極為清晰。達(dá)爾布特?cái)嗔褞菂^(qū)內(nèi)最重要且最顯而易見的地質(zhì)界線,在對(duì)ETM影像和SPOT5影像進(jìn)行主成分變換和HSV變換獲得的影像上均有清晰反映。達(dá)爾布特?cái)嗔褞蟼?cè)發(fā)育較為復(fù)雜的褶皺變形、小斷層、節(jié)理或者是小巖脈,解譯顯示達(dá)爾布特?cái)嗔褞г趨^(qū)域上具有左旋走滑性質(zhì),是一斜向斷裂(孫自明等,2008;樊春等,2014;薛雁等,2015,2017;林偉等,2017)。C1x—C2al特定層位中發(fā)育連續(xù)左旋錯(cuò)動(dòng),如圖4a—4c中側(cè)列的小滑動(dòng)斷裂。達(dá)爾布特?cái)嗔褞П睎|—南西向橫貫研究區(qū),斷裂帶北側(cè)主要表現(xiàn)為一系列第四系洪積扇呈線性排列(圖4d),斷裂帶南側(cè)發(fā)育的線理或小巖脈呈北東向線性排列,為主斷裂帶出露的線索。達(dá)爾布特?cái)嗔褞Э刂屏藥r脈走向,巖脈整體呈北東走向(圖4d)。

圖4 達(dá)爾布特?cái)嗔褞нb感地質(zhì)解譯影像特征Fig.4 Geological interpretation of the Dalabute fault zone(a)SPOT5 image; (b)ETM and SPOT5 merge image;(c)ETM image showing the continuous left-handed staggered image features of C1x—C2al; (d) SPOT5 image showing the Dalabute fault zone NE-SW transversing the study area

3.2.2 小巖體發(fā)現(xiàn)

研究區(qū)巖體發(fā)育較少,此次解譯發(fā)現(xiàn)的烏爾禾花崗巖小巖體,位于哈拉阿拉特山南麓,長約1.5 km,最寬約300 m,長條狀,長軸展布方向和達(dá)爾布特?cái)嗔蜒由旆较蛐〗嵌刃苯?。在Quickbird遙感影像上為淡黃色色調(diào),界線清晰,易被確認(rèn)和準(zhǔn)確圈定其邊界(圖5a),并在SPOT5遙感影像上圈定了其范圍(圖5b)。項(xiàng)目組此次區(qū)域地質(zhì)填圖野外調(diào)查時(shí),驗(yàn)證了其客觀存在(圖5c)。

圖5 烏爾禾小巖體遙感解譯范圍圈定Fig.5 The remote sensing interpretation range of Urho small rock mass(a) Quickbird image features of Urho small rock mass;(b) SPOT5 image features of Urho small rock mass;(c) Field photo of Urho small rock mass γ—Granite

3.2.3 巖脈和火山口圈定

此次區(qū)域調(diào)查中發(fā)現(xiàn)烏爾禾巖脈和火山口,遙感發(fā)揮了極為重要的作用(圖6)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段基于ETM影像發(fā)現(xiàn)并解譯出了巖脈和火山口分布特征(圖6a),在項(xiàng)目實(shí)施階段基于SPOT5影像(圖6b)和ETM與SPOT5融合影像的詳細(xì)解譯和判定,即時(shí)進(jìn)行野外驗(yàn)證,顯示解譯結(jié)果與實(shí)地情況一致。巖脈在ETM和SPOT5彩色合成的遙感影像上為灰色或墨綠色等暗色調(diào)(圖6c),在ETM影像上則表現(xiàn)為紅色或淡紅色條帶,呈溝谷負(fù)地形(圖6a),走向穩(wěn)定。在高分辨率Quickbird遙感影像上,巖脈形態(tài)和產(chǎn)狀非常清晰,在影像上呈北東向長條狀負(fù)地形(圖6d),巖脈出露呈平行展布,展布方向基本上與達(dá)爾布特?cái)嗔哑叫?利用Quickbird遙感影像較好地勾畫出了每一條巖脈的邊界,可直接應(yīng)用于地質(zhì)填圖。

火山口在ETM和SPOT5彩色合成遙感影像上呈清晰的凹形、環(huán)形構(gòu)造(圖6c),在ETM影像上也表現(xiàn)出模糊的凹形負(fù)地形特征(圖6a)。在高分辨率Quickbird遙感影像上,火山口形態(tài)和邊界非常清晰,在影像上呈凹形、環(huán)形狀負(fù)地形(圖6d),Quickbird遙感影像極好地勾畫出了火山口邊界,可直接應(yīng)用于地質(zhì)填圖,野外驗(yàn)證效果極好(圖6e)。

圖6 巖脈和火山口解譯遙感影像特征Fig.6 Remote sensing image features of minor dyke swarms and crater interpretation(a) ETM image features of dyke swarms;(b) SPOT5 image features of dyke swarms;(c) ETM and SPOT5 merge image features of dyke swarms;(d) Quickbird image features of dyke swarms;(e) Field photo of Urho dyke swarms and crater

3.2.4 噴發(fā)不整合解譯

噴發(fā)不整合主要見于哈拉阿拉特山南坡,影像清晰。在SPOT5影像上,二疊系佳木河組(P1jm)顯示為綠灰色調(diào),紋理較細(xì)膩,發(fā)育稀疏樹枝狀水系,宏觀特征呈面狀,平坦地形,解譯標(biāo)志比較清楚,界線較清晰(圖7a);在ETM與SPOT5影像上,色調(diào)以淺綠色調(diào)為主,色調(diào)較均勻,紋理較光滑,影紋圖案為細(xì)紋狀,發(fā)育細(xì)小羽毛狀水系(圖7b、7c)。在SPOT5影像上,二疊系白楊河組(P1b)色調(diào)以深綠色、綠灰色為主,影紋呈斑點(diǎn)狀,紋理中度粗糙,發(fā)育樹枝狀水系,宏觀特征呈面狀,地貌呈山梁狀,解譯標(biāo)志比較清楚,界線較清晰,可直接應(yīng)用于地質(zhì)填圖。兩組間的噴發(fā)不整合在SPOT5和ETM等圖像上極為清晰,野外驗(yàn)證效果極好(圖7d)。

圖7 噴發(fā)不整合遙感解譯Fig.7 Remote sensing interpretation of eruptive unconformity(a) SPOT5 image features;(b) ETM and SPOT5 image features; (c) ETM image features;(d) Field photo of outcrops

4 解譯成果野外驗(yàn)證

哈拉阿拉特山地區(qū)遙感解譯取得了豐富詳實(shí)的成果,提高了哈拉阿拉特山的研究程度。解譯成果見圖8,對(duì)應(yīng)的遙感影像為圖3。在哈拉阿拉特山地區(qū)地質(zhì)剖面測量、路線地質(zhì)調(diào)查以及野外遙感解譯驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,對(duì)遙感解譯成果進(jìn)行了系統(tǒng)全面地驗(yàn)證,結(jié)果顯示:①達(dá)爾布特?cái)嗔褞г趨^(qū)域上呈左旋走滑性質(zhì),是一種斜向斷裂,經(jīng)野外驗(yàn)證遙感解譯勾繪的界線可直接用于區(qū)域地質(zhì)填圖,精度優(yōu)于歷史區(qū)域調(diào)查;②由于充分利用了SPOT5和Quickbird圖像的高精度特性,哈拉阿拉特山地區(qū)主要地層單元的邊界勾繪精度與地面實(shí)況一致,可以基于遙感影像進(jìn)行填圖,減輕了野外工作艱辛程度;③在新發(fā)現(xiàn)的烏爾禾花崗巖小巖體以及巖脈群中合理地利用了遙感解譯界線,同時(shí)補(bǔ)充遙感解譯路線,提高了填圖路線的控制精度及總長度,完全滿足1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查地質(zhì)填圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(辜平陽等,2016),圓滿地完成了1∶5 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的相關(guān)目標(biāo)。

圖8 哈拉阿拉特山地區(qū)遙感解譯成果Fig.8 Remote sensing interpretation of the Hala’alate mountains

5 結(jié)論

此次多源遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用較好地指導(dǎo)了新疆西準(zhǔn)噶爾哈拉阿拉特山地區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查和1∶5萬地質(zhì)填圖工作。以ETM、SPOT5和Quickbird數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用ENVI軟件對(duì)其進(jìn)行輻射校正和幾何精校正,并通過主成分組分假彩色合成和數(shù)據(jù)融合等獲得SPOT5全色與波段213HSV變換融合影像、2.5m ETM SPOT5融合影像和Qucikbird高分辨率影像,結(jié)合目視解譯和野外踏勘,對(duì)新疆西準(zhǔn)噶爾哈拉阿拉特山地區(qū)開展了地層單元、中—小規(guī)模地質(zhì)體(巖脈、小巖體、火山口)邊界準(zhǔn)確勾畫以及地質(zhì)構(gòu)造解譯工作。通過地質(zhì)分析綜合解譯獲得的西準(zhǔn)噶爾哈拉阿拉特山地區(qū)最新遙感解譯成果,一方面支撐了區(qū)調(diào)項(xiàng)目的調(diào)查路線、調(diào)查重點(diǎn)等內(nèi)容確定;另一方面與實(shí)地野外調(diào)查結(jié)合,指導(dǎo)野外調(diào)查,發(fā)現(xiàn)了一些新的地質(zhì)體,深化了對(duì)地質(zhì)單元、地質(zhì)體等地質(zhì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。形成的結(jié)論與認(rèn)識(shí)如下:

(1)SPOT5全色與波段213HSV變換融合圖像,較好地呈現(xiàn)出了研究區(qū)巖性單元影像紋理以及不同巖性單元間的界線等總體特征,可將其作為區(qū)調(diào)項(xiàng)目基礎(chǔ)解譯影像。采用彩色空間HSV變換融合法,將SPOT5全色波段與ETM多光譜數(shù)據(jù)融合得到2.5 m ETM SPOT5融合影像,可很好地發(fā)揮SPOT5空間分辨率和ETM的光譜分辨率優(yōu)勢,清晰地顯示了主要巖性地層單元界線的多光譜信息,提高了遙感影像底圖的信息量和易解譯程度。

(2)結(jié)合適當(dāng)?shù)匾巴庹{(diào)查,利用Quickbird和SPOT5高辨率遙感圖像高清晰的紋理特征,能準(zhǔn)確快速獲得各地質(zhì)體邊界,如該區(qū)新發(fā)現(xiàn)的巖脈群、小巖體和火山口,顯著提高了對(duì)構(gòu)造和地質(zhì)體邊界勾繪的精度。在新發(fā)現(xiàn)的烏爾禾花崗巖小巖體以及巖脈群中均較好地利用了遙感解譯界線,經(jīng)野外驗(yàn)證遙感解譯勾繪的界線可直接用于區(qū)域地質(zhì)填圖。

(3)基于ETM、SPOT5和Quickbird不同尺度的遙感數(shù)據(jù)綜合解譯成果,很好地指導(dǎo)了野外地質(zhì)調(diào)查工作,提高了填圖路線的控制精度及總長度,完全滿足1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查地質(zhì)填圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,在自然地理?xiàng)l件極其惡劣的高海拔、艱險(xiǎn)地區(qū)數(shù)字填圖中具有極大的技術(shù)潛力和應(yīng)用價(jià)值。