遥感技术在矿产资源开发预测中的应用研究

黄万宽 弓 帅

摘要:遥感在地学里应用最广泛的是地质填图和矿产资源调查。随着信息获取和信息处理技术的不断进步和完善,遥感地质找矿在遥感应用领域里取得了长足的发展。文章结合遥感技术,阐述了其基本原理及其在矿产资源开发预测中的应用,并以实例进行研究。

关键词:遥感技术;矿产资源;开发预测;地质遥感信息

中图分类号:P627文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0057-03

遥感在地质学上的应用始于20世纪70年代,人们利用遥感视域宽、信息丰富、具有定时性、定位性的特点,研究地球表面及表层的地质体、地质现象的电磁辐射特征,识别地质体的物性及运动状态,从而为地质构造研究、矿产资源勘查、区域地质调查、环境和灾害地质监测等研究提供帮助。

一、遥感技术概述

(一)遥感技术的概念

遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线等目标进行探测和识别的技术。例如航空摄影就是一种遥感技术。人造地球卫星发射成功,大大推动了遥感技术的发展。现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。完成上述功能的全套系统称为遥感系统,其核心组成部分是获取信息的遥感器。遥感器的种类很多,主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成像光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。

现代遥感应用技术是指在数字地球框架下,将遥感技术与传统的地质方法相结合,和现代信息技术相结合的遥感信息深化应用技术。它的核心是遥感信息的延伸应用和信息化。最大限度地利用信息资源,以提高矿产资源的勘查效果。一方面,露出地表的矿明显减少,勘查目标已由地表或近地表转向地下深处的隐伏矿床,找矿难度愈来愈大。另一方面,各种地学手段取得的信息资源愈来愈丰富,为遥感信息与其它地学信息的集成创造了条件。

(二)遥感技术的原理

任何物体都具有光谱特性,具体地说,它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同,同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体,在不同的时间和地点,由于太阳光照射角度不同,它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理,对物体做出判断。遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性;红光段探测植物生长、变化及水污染等;红外段探测土地、矿产及资源。

利用多种遥感平台获取的多种类、多时相遥感数据,采用多种遥感图像处理方法,室内对比提取矿产资源开发地采矿活动痕迹的影像信息,发现其不同时间段采矿活动痕迹变化信息。

二、遥感技术的优势及其在矿产资源开发预测工作中的作用

随着RS(遥感)、GIS(地理信息系统)、GPS(地理定位系统)的发展,遥感数据的可解释程度与速度得到更快地提高,影响遥感解译的不确定性因素在不断减少,在矿产资源预测评价方面,尤其是在自然环境比较恶劣的地区,遥感的作用将由矿产资源调查评价的配角到主角的新角色。

(一)遥感技术的优势

与常规手段相比,遥感技术用高空鸟瞰的形式进行探测,可以跨越交通的阻隔和视野的限制,洞察地面调查的禁区和死角,对大面积的环境状况进行全面彻底的调查;同时,它远离观察对象,不损害研究对象及其环境条件,保证了获取信息资料的客观性、可靠性;遥感技术具有的“多点位”、“多波段”、“多时相”、“多高度”的获取和“多次增强”遥感信息处理的特征。

根据不同的任务,遥感技术可选用不同波段和遥感仪器来获取信息。例如可采用可见光探测物体,也可采用紫外线,红外线和微波探测物体。利用不同波段对物体不同的穿透性,还可获取地物内部信息。

目前,遥感技术的发展主要体现在空间、时间和光谱分辨率的不断提高。民用卫星遥感数据中Quick Bird数据的最高空间分辨率已达0.61m,轨道重复周期1～6d(取决于纬度高低);而几何分辨率为1m的IKONOS卫星数据,重复周期仅为1～3d;高光谱卫星数据Hyperion,波段高达220个,几何分辨率达30m。相对于卫星遥感而言,航空遥感具有更机动灵活、更高精度的优势,如目前较先进的基于POS系统的航空摄影技术,可根据POS系统检校场的测量数据直接制作正射影像图,从而实现无地面控制点的高精度航空遥感影像定位,极大地提高调查的几何精度,缩短调查周期。

(二)在矿产资源开发预测工作中的作用

在矿产资源预测的应用主要在于矿产遥感信息的形成机理和遥感成矿模式研究上。地质遥感信息形成机理研究是遥感理论研究的新领域,是遥感找矿方法的科学性、针对性和有效性,促进遥感地质解译向规范化、模式化方向发展的必由之路。这些信息的识别提取在许多地区已经有了初步应用,取得较多的成矿信息,资源预测及其评价效果比较好。遥感技术在矿产预测工作流程图如图1所示:

主要是对遥感数据(ETM+、SPOT5)进行辐射校正、PAN波段数据与多光谱数据进行融合处理、天然假彩色合成、几何校正、大地配准与镶嵌等。然后制作国际标准分幅图像,对其格式转换后与地形数据进行叠加显示,以人机交互方式对各种矿山地质环境现象进行解译,最后将解译结果提供野外验证。

1.几何校正与大地配准。在地形图上采集控制点对遥感数据进行几何校正,在1∶100000地形图上采集控制点对ETM+数据进行校正;在1∶50000地形图上采集控制点对SPOT5数据进行校正。每景图像采集控制点数25～36个,且均匀分布于图像内,控制点残差控制在1个像元以内,将图像配准至大地坐标。

2.数据融合。针对遥感图像不同光谱和不同分辨率的特点,融合处理主要集中于象素级与特征级融合,可将来源于不同传感器的遥感图像的优势集中起来,减少数据的冗余度,增强图像的清晰度,提高解译的精度和准确性,针对多分辨率遥感数据图像融合的方法比较多,主要有色彩空间变换如HIS、Lab、CN以及KL变换、小波变换等方法。对不同的数据组合、不同地形情况、不同区域及不同的研究目标使用的融合方法各异。针对本项目以突出矿山地质环境状况的特点,利用HIS融合方法,对ETM+的7、4、3波段与PAN波段组合,SPOT5的4、2、1波段与PAN波段组合进行融合处理的结果图像能较好反映矿山地质环境各要素。

3.图像镶嵌。由于研究范围较大,跨17景ETM+图像,部分矿区存在跨越多景遥感图像,给解译时带来不便。需要对跨图幅影像进行镶嵌,镶嵌时为了使图像满足以下条件:(1)信息丰富;(2)色调和谐;(3)镶嵌的几何精度高。

4.图像剪裁。为了方便解译、控制精度精度、解译成果的拼接等工作,在矿山比较连片的地区,需要将整景图像或镶嵌图像按按1∶100000或1∶50000国际标准图幅制作分幅图像。

5.格式转换。将制作的国际标准分幅图像存储为*.TIF格式,然后转换为MAPGIS内部图像格式*.MSI格式,以便于人-机交互解译。影像与1∶100000或1∶50000地形图能完全叠合,因此在上面解译的结果与地形图叠合比较好,给野外检查验证带来方便。

三、遥感技术在贵州矿产资源开发找矿方面的应用实例

位于云贵高原东部的贵州,系隆起于四川盆地与广西、湘西盆地或丘陵之间的高原山区。在长达10多亿年的地质演变历史中,具有良好的成矿地质条件,造就了当今贵州矿产资源丰富、分布广泛、门类较全、矿种众多的优势格局。贵州素以“沉积岩王国”著称,是矿产资源大省。沉积矿产中以煤、磷、铝、锰为优势,具有“量大质优”的特点。

在发现的矿产中,有包括能源、黑色金属、有色金属、贵金属、稀有稀土分散元素、冶金辅助原料非金属、化工原料非金属、建材及其它非金属、水气等九大类矿产在内的76种,不同程度地探明了储量。在已探明的储量矿产中,依据保有储量统一对比排位,贵州名列全国前十位的矿产达41种,其中排第一至第五的有28种,居首位的达8种,列第二、第三的分别为8种与5种。尤以煤、磷、铝土矿、汞、锑、锰、金、重晶石、硫铁矿、稀土、镓、水泥原料、砖瓦原料以及多种用途的石灰岩、白云岩、砂岩等矿产最具优势,在全国占有重要地位。而且人均与国土单位面积占有矿产资源潜在经济价值量,都高于全国平均水平,远高于邻近省区市占有水平。从开发利用角度论,贵州矿产资源具有资源比较丰富、优势矿产显著;分布相对集中、规模大、质量较好、主要矿产资源潜力大、远景好;共伴生矿产较多;资源丰歉不均,部分矿产短缺等五个方面的主要特点。

(一)煤矿的遥感找矿模式

1.石炭系煤。(1)含煤地层的识别:由于该套地层顶底板都是碳酸盐岩,因此,分布在喀斯特地貌区,呈条带状展布的非喀斯特地貌即流水侵蚀地貌,是快速、准确地判读大塘期含煤岩系的最直接标志;(2)地貌标志:由于含煤岩性及其顶、底板岩层在物质属性及侵蚀作用上的差异,常常沿含煤岩系形成走向次成谷。

2.二叠系煤。(1)含煤地层的识别:含煤岩系是间于上覆三叠系碳酸盐岩与下伏峨眉山玄武岩及下二叠统碳酸盐岩中的一套地层,因此,分布在喀斯特地貌区,呈条带状展布的非喀斯特地貌——流水侵蚀地貌,是判断晚二叠世含煤岩系的标志;(2)地貌识别标志:在山盆期地貌保存良好的地区,该套非可溶岩层除发育规模较小的走向次成谷外,还常常与其上下碳酸盐岩形成垄(脊)—槽(谷)组合地貌;在乌江期地貌发育区,该套非可溶岩层常形成规模不等的走向次成谷。

(二)磷矿的遥感找矿模式

1.晚震旦世磷块岩。(1)地层识别:首先,含磷岩系在空间上受岩相古地理控制,在省内主要分布于黔中地区。由于含矿的磷块岩层位于上震旦统碳酸盐岩系的下部,而这套碳酸盐岩系,上、下均为碎屑岩,故在参考区域地质资料基础上,可在TM影像上通过对碳酸盐岩的识别大致圈出其分布。(2)地貌识别标志:由于含矿层与其上下岩层在物质属性及侵蚀作用上的差异,常常沿含矿地层形成走向次成谷。

2.早寒武世磷块岩。(1)地层识别:同晚震旦世磷块岩一样,岩相古地理控制矿产的区域分布是明显的。含矿层识别主要依据地层层序的相互关系并结合影像特征予以区别。如在区域上下二叠统栖霞—茅口组碳酸盐岩影像上有较为突出的特征,岩溶地貌发育,碎斑状影纹图案,顺这套地层往下,一般可“清理”出下伏各组地层。如在织金一带,其下伏依次为下石炭统地层以及下寒武统和上震旦统含磷层位。(2)地貌识别标志:典型的岩溶地貌区,常形成峡谷及峰丛,山体较尖棱。

(三)铝土矿的遥感找矿模式

1.地层识别:含矿地层主要为下石炭统“九架炉组”,“九架炉组”分布于形态各异、大小不一的古喀斯特洼地中。

2.地貌识别标志:含铝岩系的底板、顶板均是主要由碳酸盐岩形成的喀斯特地貌,但其喀斯特微地貌仍有差异。顶板碳酸盐岩常常形成坡体相对高差较大的峰丛(林),且仍发育成走向比较清楚的山脊线;而底板碳酸盐岩则常常形成坡体相对高差较小的峰丛(林),且不存在山脊线。含铝岩系就产于这喀斯特微地貌的变化处。

四、结论

矿产资源是人类社会可持续发展的重要物质基础,没有矿产资源作保障,经济就不可能发展,人类社会就不可能进步,我国全面建设小康社会的宏伟目标就无法实现。因此,我们必须充分认识国情和省情,树立和落实科学发展观,要进一步加强矿产资源调查评价与勘查。本文结合贵州当地的矿产资源,利用遥感技术对其进行开发找矿、预测等的探讨,旨在提高矿产资源可供性,实施矿产资源可持续发展战略。

参考文献

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[2]徐水师,谭克龙,曹代勇.中国煤炭资源遥感调查评价理论与技术[M].科学出版社,2009.

[3]童庆禧,张兵,郑兰芬.高光谱遥感的多学科应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[4]张涤.浅析贵州矿产资源及其开发利用[J].贵州地质,2003,(3).

作者简介:黄万宽(1984-),男,河南省地矿局第一水文地质工程地质队助理工程师,研究方向:地质找矿。