航空高光谱遥感在地质解译中的应用研究<br/>——以伊犁尼勒克南部山区遥感地质解译为例

航空高光谱遥感在地质解译中的应用研究
——以伊犁尼勒克南部山区遥感地质解译为例

2018-05-22万余庆

西部探矿工程 2018年5期

谢涛，万余庆

（西安煤航遥感信息有限公司，陕西西安710054）

一定的地质条件下，地质体的构造特征、岩性特征、蚀变特征，在遥感影像上通常以不同的色调特征、纹理特征、几何形态特征表现出来，而遥感影像的宏观性、直观性、准确性等特点在岩性识别、构造解析、侵入体单元、超单元的划分等方面具有巨大的优势。随着地质勘探工作程度的深入，遥感技术在地质工作应用的精度要求也不断提高，多光谱影像数据由于其空间分辨率和光谱分辨率的限制，在大比例尺的填图、高精度蚀变信息提取及精细甚至定量化岩性识别工作中已难以胜任。航空高光谱遥感影像，除了具备高空间分辨率的优势，还融入了光谱维的信息，更加全面、真实地反映地物光谱特征，使其在遥感地质研究中，既能直观、高效揭示微观构造、地层、岩浆岩等特征，又能依据地物光谱特征进行岩性识别、地层的划分、矿化蚀变信息的提取等。本文利用航空高光谱CASI遥感影像对新疆伊犁哈萨克自治州尼勒克县南部阿布热勒山前地带进行地层、构造的详细解译，充分发挥航空高光谱影像的优势，准确揭露研究区地层出露、构造发育情况，为研究区找矿勘探工作提供遥感信息支持。

1 研究区概况

研究区位于新疆伊犁哈萨克自治州尼勒克县西南部阿布热勒山前地带，西距伊犁市约110km（图1），地势自南向北呈多级阶梯，为低山丘陵地貌，研究区基岩出露条件好，遥感地质特征明显，适合开展遥感地质解译工作。构造位置位于伊犁盆地北部坳陷构造单元内的阿吾拉勒凸起次级构造单元内。阿吾拉勒凸起是海西期末幕构造运动中产生的盆内二级正向构造单元，侏罗纪初期从博罗科努山前分离出来。区内出露地层单元主要由石炭和二叠系火山—沉积岩系组成，未见古老基底。断裂构造以近东西、NE、NW向为主。出露的侵入岩以华力西晚期为主，岩体侵入石炭系及下二叠统，多与下二叠统火山岩或次火山岩关系密切。

2 航空高光谱CASI数据获取及预处理

以飞机为平台，搭载CASI成像光谱仪，在新疆伊犁尼勒克至巩留地区开展了航空飞行，获取了研究区航空高光谱CASI影像数据，同时在地面准同步实测地物光谱定标数据。

CASI数据的预处理包括：第一步，几何校正和地形校正预处理是通过航空高光谱遥感测量系统配备的数据预处理软件实现；第二步，利用ENVI软件的Seamless Mosaic功能，对CASI各航带数据进行镶嵌。镶嵌过程中，由于山区地形影响，不同航带数据间色调存在差异，但是，相邻航带间的重叠率高，利用直方图匹配法实现多航带间的色彩匹配和亮度平衡；通过羽化处理，达到航带间无缝镶嵌的效果；第三步，利用地面准同步的黑、白布定标光谱数据，采用经验线性定标（Empirical Line Calibration）方法对CASI数据进行大气校正。大气校正后地物光谱曲线与实测地物光谱曲线非常接近，为遥感地质解译中地层划分解译提供了数据支撑。

3 遥感地质解译

不同地物反射光谱差异会造成形态、纹理、色调等影像差异，鉴于CASI航空高光谱影像的分辨率高达0.8m，可以直观地依据影像的色调、影纹、纹理、形状及各要素的排列组合特征、地貌形态、水系、植被及人类活动等信息，对研究区内的不同地质内容进行遥感解译（图2）。

3.1 地层解译

（1）第四系。研究区内第四系主要分布在阿吾拉勒山前，自北向南又细分为全新统冲积堆积（Q4al）、全新统冲积、洪积堆积（Q）及全新统冲积-湖泊堆积（Q），三者在影像上界线清晰，特征明显，极易区分。

遥感影像上，Q呈浅蓝色、绿色、灰白色，纹理稀少，影纹光滑，河道特征明显，两侧分布灰黑色灌木丛斑点或斑块；Q呈浅灰色-浅灰绿色，纹理稀少，影纹光滑，可见明显的房屋、成规模大片的耕地；Q呈浅灰绿色-灰白色，纹理稀少，影纹光滑，多沿沟谷岸坡以上分布，冲洪积特征明显。

（2）二叠系。二叠系为研究区内出露的主要地层单元，由乌郎组、晓山萨伊组、哈米斯特组、铁木里克组及巴斯尔干组组成。各组岩石组成不一，遥感影像上形态、纹理、色调等特征存在不同程度的差异，不同地层之间易于区分。

①巴斯尔干组。巴斯尔干组由棕黄色、褐色、褐红色及灰色厚层状砂、砾岩组成，夹少量灰色泥岩。遥感影像上色调呈灰褐色，局部色调呈褐红色，纹理多而有序，影纹粗糙，地层走向清晰，地层界线影像轮廓清楚。

②铁木里克组。铁木里克组由灰—深灰色薄—中厚层粉、细砂岩、粉砂质泥岩组成，夹少量砾岩和灰岩。影像整体色调呈青灰色，纹理杂乱，影纹粗糙，地层走向不清晰，地层界线影像轮廓清楚。

③哈米斯特组。哈米斯特组岩性主要为中酸性火山岩及火山碎屑岩，由紫红色、灰紫色砂砾岩、泥岩、安山质凝灰岩、拉斑玄武岩、粗玄岩等组成。影像整体色调呈灰紫色、紫红色，影纹粗糙，地层走向不清晰，地层界线影像轮廓清楚。

④晓山萨伊组。晓山萨伊组由灰—青灰色含砾砂岩、砂岩、粉砂质泥岩夹灰岩组成，影像色调整体呈青灰色，纹理杂乱，影纹较光滑，地层走向清晰，地层界线影像轮廓清楚。

⑤乌郎组。乌郎组为一套巨厚的陆相中酸性火山岩、火山碎屑岩和凝灰质砂砾岩，地层色调整体偏深，地表风化后呈灰黑色。影像色调呈深紫色、紫褐色，纹理杂乱，影纹粗糙，地层界线影像轮廓部分清晰。

（3）石炭系东图津河组。东图津河组岩性为灰色—灰黑色浅海相生物碎屑灰岩、灰岩、泥灰岩、碎眉岩、上部见灰紫色酸性火山碎屑岩，影像色调呈灰紫色，局部色调呈紫黑色，纹理杂乱，影纹粗糙—光滑，地层界线影像轮廓部分清晰。

3.2 构造解译

（1）线性构造解译。线性构造主要包括断层、节理、不整合等具有地质构造涵义的线性体。线性构造的解译标志包括遥感影像上地质体突然中断、错开，地层重复，缺失等直接标志及地质体定向排列，线性特征、色调差异明显，水系同步弯曲，地形、地貌突变，水系突然中断，不同植被、土壤直线状分界，沟谷、河流直线状延伸等间接标志。基于上述认识，以航空高光谱影像CASI数据为主，辅以Landsat8数据（大断裂范围广，延伸远，中小比例尺的遥感影像在识别大断裂有优势），对研究区的线性构造进行解译。区内线性构造主要为断裂构造，构造走向以NW向为主，次为NE向和近EW向。

（2）环形构造解译。环形构造主要指能够反映地质现象和地质构造内容的弧形体，它是地球内部活动形迹在地壳中的综合表现，如隐伏岩体、火山机构、火山口和相关构造作用（如穹窿构造）。在遥感影像上以纹理、结构、色调等显示为圆形、准圆形、准环形以及未封闭的弧形特征。

研究区内出露多处岩体，在航空高光谱影像上呈环形、准环形影像特征，环形影像内色调呈浅蓝紫色，与周边色调差异较大；岩体成分主要为花岗闪长岩、花岗斑岩、石英二长岩、正长岩、斜长花岗岩，岩体主要侵入石炭系及中下二叠统，多与下二叠统火山岩或次火山岩关系密切。环形构造分布集中，多数环形构造与线性断裂构造相伴生，反映了研究区内构造—岩浆活动集中和强烈的特点。

4 解译结果分析

利用CASI数据的高空间分辨率的特点对研究区的地层界线、断裂构造等进行了细致的解译；此外，相较于以往遥感解译工作，除了影像的空间分辨率优于常用的多光谱和高分辨率影像，其高光谱分辨率是本次解译工作的核心。高光谱影像是在二维遥感影像的基础上，增加了光谱维的信息，使得遥感影像上反映的地物信息与实际地物更加接近。在解译过程中，当多光谱和高分辨率影像在面对地层的影像色调、结构、纹理特征差异不明显时，是难以进行地层的解译划分的；但不同地层之间岩石组成不一样，其反射光谱特征通常会有差异，而光谱定标后的高光谱影像上地物的光谱曲线与对应的实际地物的光谱曲线非常接近，因此，可以基于航空高光谱遥感影像对应地层间光谱特征差异，进行地层解译划分。

为了体现航空高光谱影像在遥感地质解译工作中的效果，以1∶20万区调成果作为参考，结合野外调查验证工作，对解译结果进行分析。

（1）地层界线修正。利用遥感解译结果对1∶20万区调成果的地层界线进行了修正，主要表现在2个方面，一是第四系界线范围与1∶20万区调成果差异较大，这是由于时间的变迁，地貌发生变化，引起第四系界线范围发生变化，通过航空高光谱影像能够清晰解译出第四系界线范围，不做重点讨论。二是基岩出露区解译地层界线与1∶20万区调成果不吻合。例如，遥感解译结果显示，晓山萨伊组和东图津河组遥感解译地层界线较1∶20万区调成果北偏约200m，遥感影像上，1∶20万区调成果晓山萨伊组和东图津河组地层界线处为一套灰紫色地层，与东图津河组整体色调相近，与晓山萨伊组整体色调有明显差异，但灰紫色地层中仍夹青灰、灰色调地层。解译过程中，利用航空高光谱影像，分别采样了灰紫色地层光谱曲线和东图津河组地层光谱曲线（图3），对比发现，2套地层的光谱曲线的形态和趋势有差异，表明2套地层岩石组成可能不一致。野外调查发现，灰紫色地层为一套厚层的含砾砂岩沉积建造，砾石成分以火山碎屑岩为主，风化后表面成灰—深紫色；而与之色调接近的东突津河组岩性为一套深灰色、灰绿色玄武安山岩、安山玢岩，2套地层岩性差异明显，形成原因更是截然不同。同时，在解译地层界线附近，发现两者地层间呈明显的角度不整合接触关系，因此，从地层成因、岩性组合以及构造接触关系来看，该套灰紫色地层应属于晓山萨依组。

图3 灰紫色地层与东图津河组光谱曲线对比

（2）地层划分确认及修正。地层解译划分时发现同一套地层在遥感影像上表现为不同的色调、纹理等特征，而不同地层却表现为相近的色调、纹理特征，在解译过程中，利用地层间的光谱曲线特征进行对比分析，结合野外验证结果，对上述问题的地层划分进行了确认和修正。

晓山萨伊组由灰—青灰色砂岩、粉砂质泥岩夹灰岩组成，影像色调整体呈青灰色，底部为一套灰色厚层含砾砂岩，风化后表面呈灰黑-灰紫色。研究区内某处，地层色调呈紫红色，1∶20万区调成果认为该地层属于晓山萨伊组，但是，从直观的色调解译标志而言，紫红色地层应不属于晓山萨伊组。为此，在航空高光谱数据中，分别采样了已确认的晓山萨伊组地层的光谱曲线和紫红色地层的光谱曲线（图4），对比发现，这2套地层的光谱曲线在形态和趋势上几乎完全一致，野外调查验证结果显示，紫红色地层的岩性为一套厚层含砾粗砂岩，砾石成分以火山碎屑岩为主，与晓山萨伊组地层底部的岩性是一致的；岩层表面覆盖了古近系紫红色泥岩，使得影像色调呈紫红色，通过高光谱数据采样光谱曲线特征对比及野外调查验证结果，证实了紫红色地层确实为晓山萨伊组，验证了20万区调成果的准确性。

此外，研究区内某处，紫褐色地层对应的1∶20万区调成果地层为乌郎组，该套地层色调、纹理特征与乌郎组、哈米斯特组相似。结合该套地层上覆、下伏地层出露情况，从地层、构造角度分析，认为该套地层划分为乌郎组值得商榷。为此，在航空高光谱影像上，分别采样了乌郎组、哈米斯特组和该套地层的光谱曲线，对比发现，其光谱曲线形态、趋势与哈米斯特组较为一致，与乌郎组有差异（图5）。野外调查验证显示，该套地层出露的岩性为暗灰、灰紫、灰色玄武岩和粗面岩，出露岩性与哈米斯特组岩性一致，与乌郎组岩性不吻合，综合光谱特征分析、野外调查结果，将该套紫褐色地层修正为哈米斯特组。