水系标志在大兴安岭中生代火山岩识别中的应用

王晓东，边宏业，邢立新，翟锡丹

（1．吉林大学, 吉林 长春130026；2. 武警黄金一总队, 黑龙江 哈尔滨150006）

水系是地表径流侵蚀地表岩土所产生的河槽系统，经过水流的地质作用，形成河流流域、湖泊、还包括冲沟、山谷、溪流等。水系信息的提取在水文和岩石岩性构造等研究方面都是不可或缺的。自然中河流都是以水系网的形式存在，不同的水系类型会形成不同的水系网络[1]。水系的发育受到岩性和地质构造的控制，水系类型、形态（平面和剖面）和密度的差异能够表现岩性的不同以及构造形式，一个地区大的水系稳定的定向延伸，一般均代表这一地区构造线的方向，水系支流的线性展布及水系的异常部分，往往就是线性断裂构造存在的很好的标志。此外，当存在不同岩体时，水系类型还能体现出侵入关系等。

水系是遥感影像非常重要的解译标志之一，在地质解译方面对水系末级的支沟、小溪等水纹网尤为关注，他们对构造分析和岩性解译都很有作用；1975年卢洪谦就对航片上的不同类型水系特征与地质体对应关系进行阐述，20 世纪80年代后期王文锐利用遥感像片分析水系形态与地质构造和地形关系，并将其应用于山区公路选线，王秀乾等从卫星图像的水系特征入手对鄂尔多斯盆地北部进行遥感地质构造解译，并预测了油气富集区，孟伟研究了吉林东部地区水系特征与地质背景的关系。

随着分形几何等数学理论的发展，分形理论被应用于水系特征的自动分析，盘晓东等在2002年对浑江断裂带进行水系的分形研究，证明浑江断裂带具有较强的活动性，邢永丽在2006年研究了不同地质填图单元的水系分维数特征，尝试应用分形分析方法对区域地质调查填图单元进行识别[2]。2009年黄春龙基于纹理信息提取丹东地区水系，并进行了特征分析。

基于数字高程模型（DEM）数据提取水系，利用坡度和坡向的比值，计算流域河谷等因为处于最低点的特定特征值，可以反映出研究区的局部的地形特征；其中主要针对确定流域流向的算法-D8 算法，对于提取水系尤为见效，提取精度高，操作简单，原理易懂，所以被广泛应用，比较成熟[3]。本项研究基于DEM 数据通过D8 算法来提取研究区的水系，对该区域水系类型进行辨别分析与总结，因中生代火山岩具有特殊的水系类型，通过水系类型确定中生代火山岩分布，划分岩性，识别火山岩。

1 研究区概况

1.1 数据源

该项研究以大兴安岭为研究区，基于该地区的DEM 数据对水系进行提取，该数据为2009年ASTER DEM 数据，横轴墨卡托投影，WGS84 坐标系，空间分辨率为30 m（图1）。

图1 大兴安岭研究区DEM

数字高程模型（DEM）采集自USGS，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型；有规则网络结构和不规则三角网2种算法。DEM 的特优点：DEM 的精度恒定，表达形式多样化，以及由于DEM 数据是数字化的，对数据进行增加或是修改，可以由计算机自动完成，所以说他还有实时性。

DEM 数据是可能存有异常的，所以在基于DEM提取水系之前，要对原始数据进行预处理，主要的内容就是伪洼地填充。洼地是不合理的集水区域，是由于DEM 的误差引起的，如果研究区没有岩溶等能产生洼地的情况，那就要把它填平，主要处理时结合实际的地形地貌来进行[4]。该项实验的研究区没有这种情况。如果不进行这种处理，所提取的水系则会是断断续续的，处理后的洼地将成为斜坡的延伸部分，DEM 数据中的几乎所有地形都是由斜坡构成的，这样提取出来的水系才能是连续的。

1.2 研究区概况

研究区内水系发育，植被覆盖度高。区内断层、节理裂隙发育，有北西、北东、东西和南北向线性构造，其中东西向为最早期，北西（北东）向发育最晚或为继承性新的活动，且贯穿全区，控制现代河流发育。

研究区东部区发育中生代侵入体，受构造控制发育似平行状和弧形冲沟；西部区主要地质单元为中生代火山岩，受断裂控制发育丰字形水系，分布很多发育规模不等的放射状、环状水系。

2 水系信息提取

2.1 提取方法

水系提取有4个基本过程：提取水流方向，汇流累积量，栅格河网的提取及矢量河网生成[5]。

计算水流方向，就是计算每一个栅格单元的水的流向，栅格的水流方向指的是水流离开栅格单元时的指向。水流方向的计算是基于D8 算法实现的，D8 算法流向确定法，是假设单个网格中的水流只有8种可能的流向，也就是流入与对象象元相邻的8个网格中，水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定，距离权落差是指中心栅格的高程差除以栅格间的距离。用其中最陡坡度法来确定水流方向的，最陡坡原则为单元格坡度的最佳代表值是8个坡度中的最大数值，水流方向就是其坡度最陡的方向。2个相邻单元格i 和j 之间的坡度计算公式：

式中，hi 和hj 为2个单元格的高程值，D 为2个单元格中心之间的距离。通过计算得来的水流方向来判断洼地，对于伪洼地要根据洼地深度计算来设定一个阈值将之填充。以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，计算汇流累积量从而得出地表径流漫流模型然后提取河网。

2.2 水系提取

该项实验目的为提取水系，根据水系分布结合图像上相关的色调、地貌形态、高程等等来识别火山岩，技术路线如图2 所示。

图2 火山岩识别技术路线

其中洼地填充过程中sinkdep 阈值设定为他的最大值加上一；河流提取的阈值根据汇流累积量的计算结果设定为1 000[6]；基于以上步骤得到研究区水系如图3 所示。

图3 大兴安岭研究区水系

遥感影像分辨率高，地形起伏明显，是实体地物的真实记录，从影像上可以清晰地目视解译水系，但基于遥感影像提取出来的水系效果不佳，因此该项研究基于DEM 对同实验区域的水系进行提取，经验证DEM 数据中提取的水系结果与遥感影像上的水系基本吻合，并将二者叠加，如图4 所示。

图4 遥感影像水系叠加图

3 应用分析

水系形式平面划分主要是依据图形形状命名，研究区水系提取可达五级，水系标志为圈定岩性（相）界线、解译构造格局提供准确的依据。岩性与构造的差异形成不同的水系格局，其中有典型的倒钩状、异常拐点、“丰”字型、放射状、环状水系等形式（表1）。

表1 水系形式与影像特征及其所代表的地质意义

研究区的东部三分之一区域主要岩性为花岗岩侵入体，水系多发育为树枝状（似平行状）水系，多处发育倒钩状水系，因此是断层发育区。以十里长岭—瓦拉里北西向断裂带控制着地质体与地质现象的分布，其断裂带的北东部区域主要以侵入体发育为主，该区后期构造很发育，地形切割强烈，致使岩体具有“条带状”地形[7]。而断裂带南西区域则以中生代火山岩为主，具有特征的放射状断裂。

研究区域的西部三分之二区域为中生代火山岩分布区，受北东向贯穿全区的塔河断裂带控制[8]，及与之基本呈直角相交的一系列北西向断裂控制的沟谷构成典型的“丰”字型，两侧发育规模不等的火山机构和岩相。形成与火山机构形成有关的典型环状、放射状水系，如地形中心隆起水系向四周散开的放射状水系，可以推断绝大多数的放射状水系与环状放射状水系均为火山口、火山锥。

4 结论

该项研究基于DEM 数据，以大兴安岭为研究区，对区内的水系基于D8 算法进行了提取，提取效果较为理想，水系级别达到五级，经过与1∶50 000 的遥感影像叠加对比，DEM 所提取的水系与影像上基本吻合，这说明对1∶50 000 遥感影像提取水系可以利用同区的DEM 来代替，但建议用遥感影像采取好的处理办法提取会更好。提取的水系对研究区内的地质构造、岩性岩相划分提供了重要依据。

研究区的水系类型丰富，成因不同，放射状水系与环状水系最为多见，结合研究区多为中生代火山岩的地质背景，放射状水系多为火山口、火山锥；还有一些丰字形水系、倒钩状水系、似平行状水系，均与岩性差异和线性构造相关联。通过水系类型，准确的识别火山岩，使得植被覆盖率高的地区能够得到有效的地质解译。

[1]陈华慧.遥感地质学[M].北京：地质出版社，1984.74-197.

[2]黄春龙，邢立新，韩冬.基于纹理特征的水系信息提取[J].吉林大学学报，2008，(38)：227-228.

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[8]周其林，王献忠，吉 峰，等.大兴安岭中生代火山岩地层对比[J].地质评论，2013，(59)：1077-1084.