新疆温泉县牙马特一带1∶5万区域地质调查的遥感技术应用

张磊，孟令华，周龙涛

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

遥感技术是拥有着广阔的应用前景与良好应用效果的一门高新技术，随着航空、航天技术的发展，遥感影像的空间分辨率和光谱分辨率越来越高。在区域地质矿产调查工作中，遥感技术能宏观、高效地揭示构造、地层、岩浆岩和矿化蚀变等信息，为地质工作者研究各种地质体、地质构造与成矿作用提供一个新的角度，从而推断地质作用过程及其运动状态等[1-18]。遥感地质解译工作可以增强地质工作的预见性，从而有效地部署野外调查研究工作，对提高工作效率、工作质量和填图准确性发挥了不可忽视的作用。前人在遥感对于区调工作的重要性、遥感解译的工作方法及过程等方面论述较多[19-22]，而在数据处理等具体遥感技术应用方面涉及较少。该文结合新疆温泉县牙马特一带1∶5万区域地质调查工作，从遥感数据预处理及影像图制作、遥感解译标志建立、遥感蚀变信息提取等方面来探讨遥感地质解译技术在区调工作中的应用。

“新疆温泉县牙马特一带1∶5万区域地质调查”项目调查区范围1∶5万国际分幅编号及名称：L44E017013(夏日布日格(部分))、L44E018013(昆得仑)、L44E019013(温泉县)、L44E019014(呼和托哈种畜场)，经纬度坐标：①东经81°00′～81°15′；北纬44°50′以北至边境线(L44E017013(部分)、L44E018013)；②东经81°15′～81°30′；北纬44°50′～45°00′(L44E018013、L44E019013)。

图1 数据处理流程图

1 遥感数据预处理及影像图制作

遥感数据源选用Landsat 8的数据，景号为P147-R29一景，时相为2015年7月13日，共计11个波段。云覆盖0.37，数据质量等级9，数据符合专题信息提取的要求。景幅中心太阳方位角为137.06756271°，景幅中心太阳高度角为61.78898612°，数据处理流程如图1所示。

(a)大气校正前植被波谱特征曲线；(b)大气校正后植被波谱特征曲线图2 大气校正前、后植被波谱特征曲线

HtW— 温泉岩群；D2hj1— 汗吉尕组下段；D3ts1-2— 托斯库尔他乌组中段、下段；D3ts2— 托斯库尔他乌组中段；D3ts3—托斯库尔他乌组上段；C1a1— 南部阿克沙克组下段；C1a2—南部阿克沙克组上段；C1aa—北部阿克沙克组第一段；C1ab—北部阿克沙克组第二段；C2dt—东图津河组；C2kg—科古琴山组；P1wl—乌郎组流； E3NC1—昌 吉河群下亚群；E3NC2—昌吉河群上亚群； Qp3Xalp—第四系冲洪积堆积物图3 研究区主要地层单元的遥感影像图

1.1 数据预处理

(1)利用ENVI 5.1软件6S模型，对OLI遥感数据进行大气校正。考虑了大气顶的太阳辐射能量通过大气传递到地表，以及地表的反射辐射通过大气到达传感器的整个辐射传输过程，用5个部分构成了辐射传输模型：太阳、地物与传感器之间的几何关系(用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角4个变量来描述)；大气模式(包括7种模式)；气溶胶模式(定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式)；传感器的光谱特性；地表反射率(定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型)。

首先对OLI进行辐射处理，然后将辐射的数据做FLAASH大气校正。从大气校正前(图2a)和大气校正后(图2b)植被的波谱特征曲线可以看出，校正后的数据符合植被标准曲线的特征，达到了去除大气的影响。

(2)采用二次多项式的方法进行几何精校正。研究区遥感图像采用涉及区内的1∶5万地形图进行校正，从地形图上选择20个地面控制点，进行几何校正。控制点的选择尽量在图上均匀展布。采用二次多项式进行拟合校正，纠正控制点中误差尽量控制在1.5～2个像元以内。

(3)根据遥感数据直方图的情况，分别对各个波段做了线性拉伸增强处理和方差拉伸增强处理，使其直方图的值在正态之间分布，从而达到改善图像对比度的效果。

(4)根据研究区的坐标裁剪和镶嵌图像。利用ArcGIS 10.2软件，按研究区范围经纬度坐标制作研究区shp文件，然后在ERDAS 2013软件中，将shp文件转换成AOI文件，按AOI文件对图像做精确裁剪，得到研究区的遥感图像。

(5)根据工作目的的需要，确定假彩色合成方案。计算子区OLI 2，3，4，5，6，7波段的相关系数见表1，取相关系数最小的波段进行合成。从表1中可以得出，7，6波段的相关性较大；2，3，4波段的相关性较大；5波段相对独立，故应从这3个组中选择合成波段。考虑到地物光谱特征差异，为了突出岩石构造信息及各类与矿化相关的遥感蚀变信息，对各单波段进行对比优选，OLI 7波段为地质波段，有丰富的地质信息，OLI 5为植被特征波段。经过比较发现，752合成相关系数最小，为最佳合成方案，其次为753。因此，以7(R)5(G)2(B)作为工作合成波段，7(R) 5(G) 3(B)作为工作主要参考合成波段。

表1 各波段的相关系数

(6)计算NDVI，确定工作区植被覆盖度。生成NDVI图像并查看统计值(表2)，从NDVI值可以看出，最大值49，均值0.354，故该研究区为植被中等覆盖区，满足蚀变信息提取的要求。

表2 OLI234567波段所求NDVI统计

1.2 专题信息影像图制作

以多景多时相的高分一号卫星多光谱图像(分辨率8m)为信息源与同卫星同时相的全色波段(分辨率2m)进行融合，形成的融合图像具有多光谱图像的色彩和全色图像的高分辨率，完全能够满足1∶5万遥感解译要求，2m的高分辨率可以清晰的反映出地表地层和构造(表3)。

基于高分一号卫星图像自身的特点，首先用30m的DEM对多光谱和全色图像分别进行正射校正，再以2m全色图像为基准，采用双线性内插法，均匀选择控制点对8m多光谱图像进行配准，校正误差小于0.5个像元；然后将多光谱图像和全色图像进行融合处理，生成2m的高分辨率图像。为了更真实的反映地表地层色彩特征，选取3，2，1+PAN真彩色波段合成方案，采用ENVI和Photoshop软件交互式调整方法对图像色彩进行调整和拼接，最后均匀选取地面控制点，对拼接好的图像进行精校正，校正误差满足1∶5万遥感解译图像要求。

表3 高分一号数据

2 遥感解译标志

ETM遥感影像主体色调为浅灰色、深灰色、灰褐色，水系较发育，植被发育程度中等，遥感影像分区划为遥感解译程度较好区。区内地层、侵入岩、构造等建立的宏微观的解译标志，主要表现为以影像色级差别、风化外貌花纹的形态、水系、植被发育情况等特征的不同进行对比区分，建立初步的解译标志。然后以遥感影像为载体，根据已知的地质资料对工作区开展的地质解译是否准确，岩性组合、构造位置、地层单元的边界属性的划分是否准确，需要进行野外验证，重点对典型岩性和构造露头进行野外调查验证，对遥感解译的错漏之处现场修改、补充。通过初步解译—对比分析—野外实地调查—解译修正的原则，建立了最终的遥感解译标志(表4)。主要地质体的最终遥感影像解译见图4、图5。

表4 研究区主要地质体遥感解译标志

HtW—温泉岩群；ηγQbaQ—青白口纪侵入岩第一侵入次侵入体；δοOaH—奥陶纪侵入岩第一侵入次侵入体；δοObH—奥陶纪侵入岩第二侵入次侵入体；晚石炭世侵入岩第五侵 入次侵入体；Qp3Xalp—第四系冲洪积堆积物图4 研究区主要侵入岩体的遥感影像图

图5 研究区断裂构造解译与遥感蚀变信息提取影像图

2.1 地层解译标志

(1)古元古代滹沱纪温泉岩群：岩性主要为片麻岩、片岩、变粒岩、大理岩、石英岩、混合岩等。遥感影像上呈浅灰色—深灰色—褐灰色，面状分布，中高山地貌，水系为网脉状，植被较发育，南部为松树林区，出露较差，花纹较粗糙，并具有相互平行的宽纹理。

(2)中泥盆世汗吉尕组：岩性为砾岩、长石岩屑砂岩、少量粉砂岩。影像色调为浅黄灰色、浅灰色，色调较均匀，面状分布，花纹粗糙，具有相互平行的条纹，水系呈短细密集的网脉状，地貌上为中高山，植被发育。

(3)晚泥盆世托斯库尔他乌组：下段和中段岩性以砾岩、岩屑砂岩、粉砂岩为主，中段碎屑岩粒度较下段细，影像特征相似。中高山区，遥感影像呈灰色、深灰色、褐灰色，面状分布，花纹呈树枝状、羽状，树枝状水系发育。上段以凝灰岩、凝灰质粉砂岩为主，影像色调为灰色、浅灰色，其他特征与下段和中段类似。

(4)早石炭世阿克沙克组：调查区南部阿克沙克组下段岩性主要为砾岩、中细粒岩屑砂岩、粉砂岩、中粗粒岩屑砂岩夹少量凝灰质粉砂岩及流纹质玻屑凝灰岩，局部可见少量灰岩。影像色调灰色、灰褐色，面状分布，花纹较粗糙，水系不发育，地貌上为中低山，山体呈较大的垄状山体，植被稀疏；上段岩性主要为生物碎屑灰岩、含生屑粉泥晶灰岩、含生屑鲕粒灰岩、中细粒岩屑砂岩、粉砂岩等。影像色调呈浅灰色、灰白色，易于区别，带状、面状分布，图案为细腻宽纹状。水系不发育，植被稀疏。调查区北部阿克沙克组第一段岩性多为岩屑砂岩、粉砂岩。影像色调浅灰色、灰色，面状分布，水系为树枝状，花纹较粗糙，为斑点纹理。中低山地貌，植被稀疏；第二段岩性主要为角岩化中细粒长石岩屑砂岩、板岩。影像色调深灰色、灰绿色，色调不均匀，面状分布，花纹较粗糙，呈树枝网纹状，个别地段可见由层理所组成的黑白相间的细条纹，树枝状水系发育。地貌上为中高山，山体高大，一般呈不规则垄状排列，山脊线比较明显而且较长，另外在山体北坡多有阴影出现，植被较发育。

(5)晚石炭世东图津河组：岩性主要为砾岩、岩屑砂岩、粉砂岩、生物碎屑灰岩、粉泥晶灰岩等。影像色调为浅灰色，面状分布，水系呈网脉状，中低山地貌，植被不发育。

(6)晚石炭世科古琴山组：岩性主要为一套灰色—灰紫色砾岩夹岩屑砂岩。由于该组出露范围有限，影像特征不明显，仅个别地段略呈细带状断续出露，影像色调为灰色、浅灰色，面状分布，花纹较粗糙，植被不发育。

(7)早二叠世乌郎组：岩性主要为红褐色流纹岩、灰褐色蚀变辉石安山岩、辉石石英安山岩。影像色调为紫褐色、灰绿色、灰色，面状分布，具斑状花纹，线性影纹较发育，与附近地质体较易区分，水系为网脉状，地貌上为中高山，呈不规则垄状排列，山脊线较明显，植被稀疏。

(8)新—古近纪昌吉河群：下亚群岩性主要为紫红色中厚层—块状粉砂质泥岩、粉砂岩夹少量砾岩，影像色调为浅黄色，带状分布，树枝状花纹，低山—丘陵地貌，羽状水系发育。上亚群岩性主要为灰黄色中厚层—块状砾岩夹少量砂质泥岩，影像色调呈灰色、浅灰色，带状分布，树枝状图案，羽状水系发育。

(9)第四系松散堆积物：中更新世冰碛堆积物由漂砾和砂砾石组成，遥感影像上为浅灰、灰白色，面状分布，水系、植被不发育，地貌上为低山—丘陵，纹理较粗糙。晚更新世新疆群冲洪积堆积物由砾石、砂砾石、砂及亚砂土组成，遥感影像上为浅灰色、黄灰色，扇状分布，发育细小脉状水系，束状花纹。全新世冲积堆积物主要由少量砾石、砂、含砾粉砂土、砂质黏土等组成，位于河流两侧一级阶地、漫滩及低阶地，遥感影像上呈浅灰色、灰色，呈条带状、方格状，水系不发育，图案为宽平行花纹。全新世洪积—沼泽堆积物主要由大小不一的砾石、砂砾石、黏土组成，遥感影像上呈浅蓝、浅灰色，带状分布，水系为主干河，为现代河床，表面较平坦。全新世沼泽堆积物主要由砂土、淤泥及黏土组成。遥感影像上呈浅褐灰色，块状分布，地貌上为沼泽地，地势低洼，植被较发育。

2.2 侵入岩解译标志

研究区内分布青白口纪、奥陶纪、晚石炭世三期侵入岩，影像特征与地层明显不同，其形态及边界大多较清晰。

(1)青白口纪侵入岩：岩性主要为浅肉红色—灰白色中细粒二长花岗岩、细粒二云二长花岗岩，影像色调较浅，呈灰白色、浅灰色，块状分布，花纹呈粗糙网纹状，显斑点状花纹和网格状影纹，水系不发育，地貌上为中低山，植被稀疏。

(2)奥陶纪侵入岩：岩石类型主要为灰绿色闪长岩—石英闪长岩、灰白色、灰色花岗闪长岩。影像色调较深，呈灰色、灰绿色，面状分布，花纹较粗糙，呈树枝状，水系多为平行状及树枝状，地貌上为中高山，山体高大，山脊较尖锐，山坡较陡，植被较发育。

(3)晚石炭世侵入岩：岩性为中粗粒—中细粒斑状二长花岗岩、细粒二云二长花岗岩，影像色调呈灰绿色，面状分布，花纹较细，水系冲沟较发育，呈树枝状，地貌上为高山，山脊呈浑圆状，山坡较平缓，植被发育。

2.3 构造解译标志

研究区断裂构造遥感地质特征：线状分布，连续或断续分布，穿过不同的地貌单元；断层三角面及陡崖分割不同地貌单元。断裂构造的线性影像特征明显，以EW向、NE向断裂构造为主，NW向、SN向断裂次之，该次共解译出4组42条线性断层(图5)。其中EW向断裂多为区内的基底断裂，以推覆断裂为主；NE向断裂多为左旋切割；NW向断裂为右旋切割；SN向断裂为区内最晚期。断裂形迹在影像图上显示较为清晰，两侧地质体在色调、纹理上亦有差别，沿断层发育有断崖和线状分布的谷地。区内褶皱形态基本无显示。

3 遥感蚀变信息提取

3.1 蚀变信息提取的方法

鉴于ETM/OLI是一种宽波段传感器，不具备矿物种属的区分能力，目前利用波段比值及主成分分析进行蚀变填图只能将热液蚀变信息划分为含羟基或碳酸盐矿物、含铁矿物异常两大类。

遥感图像增强方法中，比值和主成分分析在对干旱—半干旱地区进行多光谱蚀变信息增强提取是有效的[23-24]。通过遥感蚀变信息定量提取的研究确定蚀变信息的提取选用比值法进行。

比值组合的选择不仅符合蚀变矿物的波谱特征，而且能够扩大不同地物之间的差异，更好地进行蚀变矿物(程度)的分级，起到了“蚀变指数”的作用，称其为“蚀变因子”。

根据区内蚀变特征，选择了多个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，以便从中优选矿化蚀变因子。

根据实验所获得各单波段灰度及蚀变矿物亮度值(表5、表6)，除孔雀石类外，其他几类蚀变矿物的相对亮度值均是OLI 4，大于OLI 2；另一方面除含Fe3+氧化物类外，其他几类蚀变矿物的相对亮度值则表现为OLI 6，大于OLI 7；在热液矿床中普遍存在的含羟基蚀变矿物(褐铁矿或黄钾铁矾)，同时具有OLI 4>OLI 2，OLI 6>OLI 7的特征。故OLI 4/2和OLI 6/7包括了不同类型的蚀变。因此，可将OLI 4/2，OLI 6/7，OLI(6+4)/(7+2)定义为最佳的蚀变指数，分别称其为铁化因子IFE=OLI 4/2，泥化因子IOH=OLI 6/7，综合蚀变因子I综合=OLI (6+4)/(7+2)。

表5 各波段灰度值统计

表6 不同类型蚀变矿物亮度值相对大小特征

3.2 专题信息提取处理

采用基于OLI数据矿化蚀变信息定量提取的方法流程，分别计算铁化因子(OLI 4/2)、泥化因子(OLI 6/7)进行分析(表7)，利用“均值+标准偏差”作为下限进行蚀变圈定，采用最优分割方法分级值进行分级。

表7 调查区蚀变因子统计

铁化因子(OLI 4/2)：最小值为-76，最大值为76，均值为1.475，标准偏差为0.229，异常下限为1.704，其频率直方图符合正态分布。利用最优法计算其分级数为5，取其第一级为圈定的蚀变分布图。泥化因子(OLI 6/7)最小值为-8，最大值为5.271，均值为1.450，标准偏差为0.339，异常下限为1.789，其频率直方图符合正态分布。利用最优算法其最佳分级为5，取其第一级为圈定的遥感蚀变异常分布图。综合蚀变因子(OLI (6+4)/(7+2))由OLI (6+4)/(7+2)比值所揭示的异常包括了OLI 4/2和OLI 6/7的异常的范围。

从遥感蚀变信息提取专题影像图(图5)可以看出，泥化蚀变主要分布在博尔塔拉河谷地两岸的第四系中，意义不大。铁化蚀变除分布在第四系中外，还分布于北部晚石炭世斑状二长花岗岩体内、早石炭世阿克沙克组及新—古近纪昌吉河群下亚群内，以强蚀变为主，可能与岩体侵入引起的接触变质及后期蚀变有关，具有一定的找矿指示意义。

4 结论

遥感技术在新疆温泉县牙马特一带1∶5万区域地质调查工作中具有不可替代的重要作用，通过遥感数据处理、专题信息影像图制作、遥感地质解译、遥感蚀变信息提取等工作，可以有效补充基础地质及找矿工作中的不足，成效显著。

(1)以Landsat 8 OLI为遥感数据源，结合高分一号多光谱卫星图像，对遥感数据进行了预处理，并制作遥感影像图，可达到较好的遥感解译效果。

(2)建立了不同地质体的遥感解译标志，提高了填图工作效率、工作质量及准确性。

(3)明确了遥感蚀变信息提取的方法，分别提取了泥化及铁化蚀变信息，制作遥感蚀变信息提取专题影像图，对找矿工作具有指示意义。