遥感在多目标地球化学调查中的应用研究

张华平，刘 丽，王增辉，赵西强

(山东省地质调查院，济南 250013)

遥感在多目标地球化学调查中的应用研究

张华平，刘 丽，王增辉，赵西强

(山东省地质调查院，济南 250013)

为丰富地球化学评价相关信息，拓宽地球化学评价研究领域，以常规地球化学调查工作为基础，利用遥感技术开展了山东省多目标地球化学调查(multi－purpose regional geochemical survey，MPRGS)工作。对比了遥感技术与传统地球化学调查方法在采样点布设、样品采集和质量检查中的优势，探讨了运用遥感技术进行地球化学评价的理论基础，归纳了遥感技术在MPRGS中应用的技术流程;并通过几个应用实例，总结了遥感手段在MPRGS中的技术优势及不足，为丰富MPRGS的工作手段做出了有益的尝试。在山东省MPRGS中的应用结果表明，将遥感技术运用到地球化学调查工作中，既可扩大遥感应用研究领域，又能拓宽地球化学研究领域，是今后开展MPRGS的重要工具。

遥感;多目标地球化学调查;地球化学评价

0 引言

从1999年开始，在国土资源部中国地质调查局的领导下，通过省部合作、省独立调查等多种形式，在全国范围内逐步开展了多目标地球化学调查(multi － purpose regional geochemical survey，MPRGS)工作。该项工作是以常规地球化学调查为主要手段，遥感、地质等其他方法为辅助手段的一项综合性基础调查工作［1］。

地球化学研究证实，不同的地物类别或不同区域的同一地物往往具有特定的地球化学元素或元素组合规律;从理论上讲，这些元素或元素组合可以通过不同的地物波谱特征反映出来。结合前人的研究成果可以发现，很多地球化学规律在遥感图像上往往有一定的表现，因此在充分总结调查区地球化学背景与遥感图像之间的联系的前提下，运用遥感技术来指导地球化学调查样品采集、验证地球化学调查成果、解释地球化学异常成因、推测未调查区的地球化学基本背景都是切实可行的。

本文要解决的问题是如何发挥遥感技术的优势，提高地球化学调查中样品采集的质量和效率，尽可能地提高样品的代表性;同时为地球化学评价工作提供更多的相关信息，拓宽地球化学评价的研究领域，在今后的MPRGS工作中逐步取代一些传统的工作方法和生产方式;并以验证区地球化学元素分布与遥感图像波谱特征的对应关系为基础，对未来的MPRGS工作提出依据和建议。

1 理论基础

一个地区或一个流域环境要素的质量主要取决于其所处的地质、地球化学背景，尤其是土壤中地球化学元素含量的高低和元素存在形态的变化从根本上受控于自然地质、地球化学作用过程;只是在局部地区，人类活动在某种程度上加速了这种作用的进程，甚至改变了地球化学元素迁移转化的途径［2］。地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现，各种地物具有的独特的波谱特征是遥感技术应用于地球化学评价的基础。

1.1 土壤波谱特征

根据土壤类型的不同，戴昌达［3］曾对我国4大类型土壤的光谱反射曲线划分进行了研究，由图1可见自然状态下的土壤波谱没有明显的峰谷值。土壤的波谱特征还会受土壤颗粒大小、有机质含量、水分含量及部分化学元素(如Fe3+，Fe2+等)含量的影响，在遥感图像上都会有不同程度的反映。

图1 四种土壤的光谱反射曲线［3］Fig.1 Spectral reflectance curves of the four kinds of soil［3］

1.2 岩石波谱特征

矿物成分是决定岩石波谱特征的最重要因素，许多主要造岩矿物没有明显特殊的波谱特征，岩石内次要成分或蚀变矿物的波谱特征则居于突出地位［4］。岩石的风化程度、含水量、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等也会对岩石波谱曲线的形态产生影响［5］。图2揭示，常见矿物在近红外光谱段的波谱差异性更大，因此在该波段不同岩石的遥感影像特征有更加明显的差异。

图2 常见矿物近红外光谱［6］Fig.2 Near － infrared spectrograms of the common minerals［6］

1.3 植被波谱特征

植被的反射波谱曲线主要分为3段，在可见光波段的0.55 μm处有一个小的反射峰，在其两侧的0.45 μm 和 0.67 μm 处有2 个微弱吸收带，同时，植被也会因为根系吸收了地下某些化学元素而改变其波谱特征。图3是马跃良［7］在广东省河台金矿区和背景区测试的马尾松的典型光谱反射曲线。

图3 马尾松叶片的反射率曲线［7］Fig.3 Spectral reflectance curves of the leaves of Pinus massoniana［7］

1.4 地物波谱特征与元素地球化学异常的关系

基于地物波谱特征进行元素地球化学异常的探索还处于起步阶段，但研究地物波谱特征与某种元素或某些元素地球化学异常关系的成果还是比较多的。例如，李巨宝等［8］研究发现，根据土壤反射光谱可以预测土壤中 Fe，Zn，Se等3种元素的含量;刘圣伟等［9］通过反演表征植物生理状态的光谱特征参数(红边位置和最大吸收深度)变异，提取了与污染相关的信息;刘苗等［10］探索了应用遥感方法进行Cu元素地球化学异常研究的可行性，并取得了较为满意的结果。上述研究表明，地物波谱特征会因某些地球化学元素含量的改变而改变，这些改变均会在遥感图像上表现出来，至少会有“微弱反映”［11］。

2 遥感应用技术流程

遥感在MPRGS工作中的应用主要是在样品采集、地球化学异常成因分析及异常查证等几个阶段。MPRGS工作中除了常规的遥感手段如遥感图像的收集、校正、镶嵌、定义训练样本、监督分类以及人工解译以外，还需根据该项工作的特点和需要，做一些特殊的处理。根据遥感应用的实际情况，归纳出遥感应用于MPRGS的技术流程(图4)。

图4 遥感应用于多目标地球化学调查技术流程Fig.4 Flow chart of RS application in MPRGS

为了满足MPRGS工作的需求，需要注意以下细节问题:①遥感图像的选择应从地球化学调查取样和特征波谱信息提取2个方面考虑:地球化学调查取样、异常成因分析及异常查证需要空间分辨率较高的数据(以空间分辨率优于5 m为宜);考虑到土壤样品采集的密度为1个/km2，用于特征波谱信息提取图像的空间分辨率不需要太高(TM遥感数据是不错的选择)。②遥感图像需纠正到与MPRGS工作统一的坐标系统下;采样底图需要制作成1∶5万比例尺的标准分幅图像;用于波谱特征提取的图像，只有对同一时相的图像才能进行镶嵌，否则不要进行镶嵌，以免造成图像信息的损失和解译的错误［12］。③遥感图像监督分类中定义训练样本时，应兼顾代表性和完整性，并尽量使训练样本在光谱空间中具有一定程度的间隔［13］;对分类结果图像中出现同类地物中夹杂着零散分布的异类地物的不一致现象(表现为类别噪声［14］)，还需要通过人工解译进行适当的综合和修正。④将遥感图像、解译成果等转换到MapGIS软件平台下，对比地球化学调查成果数据，便于综合研究。

3 遥感技术在样品采集中的应用

在MPRGS工作中，野外调查的核心问题是样品采集。采样物质的基本要求是具有代表性，布点的原则需兼顾均匀性和合理性。样品采集点布设、样品采集和质量检查3个环节决定了样品采集的质量。

3.1 采样点布设

根据中国地质调查局制定的相关地质调查技术标准［15］和MPRGS工作实际情况，合理布置样品采集点对于地质调查成果质量具有极其重要的意义。一方面，合理的布点可以使采样点位尽可能分布均匀，增强样品的代表性;另一方面，可以通过布点控制采集样品的质量，减少移点情况发生的概率，提高采样工作的效率。

以表层土壤样品采集点的布设为例，以往常规布点方法是以1∶5万比例尺地形图为基础，根据图面信息进行采样点布设。该方法最主要的弊端就是地形图比较陈旧(一般为20世纪70—80年代测制的)，与现势情况差异很大。很多布设的采样点位置在旧地形图上还是农业用地，而实际上有很多都已成为建设用地或其他用地，若这种情况出现较多，就失去了采样点布设的初衷和意义。

以现势性较强的中高分辨率遥感图像为基础布设采样点，可以避免上述情况，并使采样点布设更加合理。如图5所示，在原地形图(图5(左))上本来布设得很合理的采样点(红色圆点)，在近期的IRS－P6图像(图5(右))上却明显看出由于土地利用类型的变化已变得不合理，表明若以遥感图像为基础布设采样点，就可以避免这种情况的发生。

图5 地形图(左)与IRS－P6图像(右)采样点布设对比Fig.5 Comparison between sample placements based on topographic map(left)and IRS－P6 image(right)

3.2 样品采集

在土壤样品的采集过程中，目前采用的主要方法是以手持GPS为导航工具，根据GPS显示的坐标，人为换算到地形图上来判断自己的位置，再通过人机互换方式来寻找预先设置的采样点位(图6(左))，过程比较繁琐。

图6 GPS(左)与PDA(右)导航效果对比Fig.6 Comparison between navigation effects of GPS(left)and PDA(right)

将制作好的遥感图像(带布设采样点)直接导入PDA(personal digital assistant，个人数字助理)掌上电脑或者具有PDA功能的GPS，经过纠正后，即可直接利用PDA进行导航，该设备可以实时地将采样人的当前位置转换到遥感图像上(图6(右))，提高采样工作的效率和质量，同时也降低采样人员的工作强度。

3.3 质量检查

MPRGS对采样工作要求十分严格，常规的采样质量检查一般包括自检、互检和抽检，将遥感技术应用到质量检查中，可以大大提高检查工作的广度、效率和质量。如目前抽检方法是随机挑选一定数量的采样点进行野外实地检查，剩余的大多数采样点则是根据地形图来判断其采样的合理性。若将所有的采样点全部投影到近期获取的遥感图像上，即可根据采样点的影像特征判断采样点是否合理;对于不能直接判断的采样点，可以进行外业实地核实，既能全面检查样品采集的合理性，又使野外核查有的放矢、检查效率明显提高。

4 遥感技术在地球化学评价中的应用

4.1 地球化学异常图评价

地球化学样品经化验形成的数据是离散数据，看起来不直观，不便于开展地球化学评价，因而需要将这些数据根据数学模型绘制成地球化学等量线图。常用的方法是对原始数据进行网格化(生成GRD数学模型)。同样的数据，利用不同网格化方法生成的GRD模型绘制的地球化学图会有一定的差异［16］。

以往都是根据经验来判断哪一种方法绘制的地球化学等量线图更好，而没有客观的衡量标准或参照物。遥感技术的引入可以解决这个问题。将遥感解译成果和不同方法生成的图件进行套合，套合程度较高的，可认为该图与实际情况更为接近，最后便可选定某种方法生成的图件作为地球化学评价的依据。

4.2 地球化学异常成因分析

将遥感图像、解译成果和表层土壤样品数据生成的化学元素异常图以及样品采集点位等其他因子综合在一个平台下，借助遥感图像中丰富的地理、地貌和地质信息，分析地球化学元素异常的形成原因，对异常进行分类，并初步判断形成异常的源头，达到对异常进行快速、合理评价的目的。

以山东省MPRGS实际工作为例，说明利用多因子综合分析进行地球化学异常成因分析的优势。图7为遥感图像与地球化学元素异常对比图。

图7 遥感图像与地球化学异常图对比Fig.7 Comparison among RS image and geochemical anomaly maps

对地球化学异常成因的分析有以下几种情况:①遥感影像的色调与地球化学元素的异常呈现相关性，可初步认定为因自然因素造成的异常。图7(a)中解译界线内的影像色调基本一致，图7(b)和(c)的地球化学元素异常图中红色的程度代表元素含量高的程度，蓝色的程度代表元素含量低的程度，其中Ni，Co，Cr，Cu，MgO 等近 20 种金属元素及物质含量偏高，Ti，Ba，Rb等近10余种元素及物质含量偏低，表现出高度的一致性;②遥感影像色调一致但与其对应的局部地球化学元素不存在异常。如图7右下中间一块较小的解译图斑在地球化学异常图中的对应位置上并未出现局部异常，经核实主要原因是该解译图斑较小，地球化学调查精度未能反映出该局部异常;③遥感图像色调基本一致区域出现一种或几种元素及物质表现的异常，该情况多为人类活动因素所造成。如图8所示，仅有Se，Mo等少数几种元素及物质在该处有含量异常，Se元素形成近乎圆形的异常区且中心异常富集(图8(a))，这与该区的特殊地理位置相关。从区域TM图像(图8(b))中可以看出，该区地势十分平坦，地表土壤富含水分，图像光谱特征与周围基本一致(无异常)，中心有工矿活动(图8(c)，即图8(b)中黄框圈定的区域);并且在圆形异常区的外围，元素含量猛然下降，故初步判断该圆形异常区是人为活动所致，且异常源为图中心的工矿区。

图8 人为地球化学异常与遥感图像对比Fig.8 Comparison among anthropogenic geochemical anomaly map and RS images

4.3 地球化学异常查证

地球化学异常查证的主要任务是:复核异常是否存在，了解异常的地质、生态环境，初步查明引起异常的原因，判定异常的类别，初步追踪异常源，为MPRGS资料的推断解释、区域生态环境质量评价、农业区划、资源潜力预测等提供依据，为区域生态地球化学评价工作部署提出具体建议。

在地球化学异常查证中引入遥感技术手段可以解决以下问题:①能充分利用遥感图像的直观性了解地球化学异常所处的地质、生态环境，根据实际情况确定需要查证的地点以及查证的工作方法。如图7中引起地球化学元素异常的原因是地质背景造成的，根据遥感影像特征判断3处异常形成的原因完全一致，因而可以只选择其中的一部分进行野外查证，以提高工作效率;②通过遥感图像中丰富的信息找到地球化学元素异常源，进行直接定位查证。如图8(c)中的高分辨率遥感图像与疑似异常源有关，可根据影像特征确定疑似异常源的位置;③根据调查区地球化学异常查证区在遥感图像上的分布，制定合适的工作方案，妥善安排查证的路线。

4.4 未来工作区预测

通过对已有工作区地球化学异常与遥感图像的对应关系开展研究，建立相应的遥感解译标志，对未来工作区的遥感图像进行解译，形成元素分布的预判，实践表明对多数元素及物质的预测还是与实际调查结果比较吻合的。以此为基础，可以对未来工作区和已完成初步调查、需要进行更大比例尺调查的工作区进行有针对性的工作部署，对今后开展MPRGS工作有一定的指导意义。

5 结论

1)遥感技术应用于多目标地球化学调查(MPRGS)工作可以大大提高样品采集阶段的工作效率和样品采集质量，增强样品的代表性，使采集的样品能更加真实地反映调查区地球化学元素的分布状况。

2)通过遥感图像解译可初步分析部分地球化学元素异常形成的原因，大致确定异常源位置，从而提高地球化学异常查证的工作效率。

3)通过研究遥感图像波谱特征与元素地球化学异常的对应关系，分析地球化学异常的成因，可以为未开展地球化学调查区域和在已调查区域中开展更高精度的地球化学调查工作部署提供依据;对某些地球化学元素异常(特别是对找矿有指导意义的异常)，通过分析该异常区域遥感图像的波谱特征，可以推广到其他未知区域，对找矿工作有一定的指导意义。

4)MPRGS取得的成果是很宝贵的资料，为系统地研究地物波谱特征与元素地球化学异常的关系奠定了基础，但在这方面还有很多有待深入讨论的问题需要专门研究。

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Application of Remote Sensing to Multi－purpose Regional Geochemical Survey

ZHANG Hua－ping，LIU Li，WANG Zeng－hui，ZHAO Xi－qiang
(Shandong Institute of Geological Survey，Jinan 250013，China)

In order to enrich the information and broaden the research field of the geochemical evaluation，the authors carried out multi－purpose regional geochemical survey(MPRGS)by using the remote sensing(RS)technology based on the regular geochemical survey.The authors compared the advantages between the RS technology and the traditional geochemical investigation methods in such aspects as sampling point arrangement，sample acquisition and quality evaluation.The theoretical basis of the RS application in geochemical evaluation was discussed.With several examples，the technical procedures of the RS application in MPRGS work were summarized，which was a useful attempt to enrich the means of the MPRGS work.The application results of the RS technology in the MPRGS work show that using the RS technology in geochemical survey can help us expand the field of the RS application research and widen the field of geochemical research，and therefore the RS technology will surely become an important tool for the MPRGS work in the future.

remote sensing(RS);multi－purpose regional geochemical survey(MPRGS);geochemical evaluation

TP 79

A

1001－070X(2012)04－0132－06

2012－02－27;

2012－04－05

山东省国土资源大调查项目“山东省东部地区农业生态地球化学调查”(编号:2006709)资助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.22

张华平(1980－)，男，山东省地质调查院信息遥感所工程师，2003年以来一直从事多目标地球化学调查、遥感应用和数据库建设等工作。E－mail:zhp014991@163.com。

(责任编辑:刘心季)