基于ZY－1 02C星数据的遥感地质解译——以塔吉克斯坦帕米尔地区为例

张 焜，李宗仁，马世斌

(青海省地质调查院，西宁 810012)

0 引言

针对国内日益紧迫的能源资源需求，积极开展国外矿产资源风险勘查，加快实施我国矿产资源勘查开发“走出去”战略将是大势所趋。但是，在境外开展地质工作将面临一系列的困难与挑战，如境外矿产资源勘查热点区域往往地质工作程度极低，且有限的地质、地理资料也难以收集和获取;此外，在国外开展较大范围的地质勘查工作时，受实际条件的限制，往往需要利用遥感技术开展工作。随着遥感图像分辨率的提高，高空间分辨率(简称“高分”)遥感图像在遥感地质研究中，既能发挥宏观、高效的优势，又能揭示微观构造、地层、岩浆岩和矿化蚀变等信息，可以使遥感地质工作者从全新的角度去认识地质构造与成矿作用。21世纪以来，QuickBird，WorldView2等国际商业高分卫星遥感数据已在我国地质勘查领域取得了许多较好的应用效果［1－16］。然而，国际商业卫星在提供境外数据时往往有诸多限制，而传统的地质矿产调查手段亦难以满足实际工作需求;因此，迫切需要在目前确定的境外矿产资源勘查热点区域更多地应用国产卫星等遥感先进技术手段，以此提高境外地质找矿工作的可行性和效率。而“资源一号”(ZY－1)02C(简称ZY－1 02C)星是一颗填补中国国内高分遥感数据空白的卫星，开创了我国民用卫星高分数据分发及应用的新局面，并已开始应用于我国水利行业、矿山遥感监测和土地利用变更调查与监测等工作中［17－22］。本文利用ZY－1 02C星图像对境外地质勘查重点区进行岩性、构造的详细解译，在基岩裸露区识别岩性、构造过程中取得了较好的应用效果，为境外地质矿产勘查开发提供了遥感信息支持。

1 研究区概况

研究区位于塔吉克斯坦南部的帕米尔地区，属于高原中高山区，为剥蚀高原和垅岗地形，山脉相对高度不大，地形较为开阔坦荡。区内气候干旱，植被发育较差，岩石露头较好，是运用卫星遥感技术进行地质研究的理想地区。

研究区地处高加索—昆仑—秦岭造山系，主体由一系列以古生界为主的褶皱系、逆冲断裂带、走滑断裂带和蛇绿混杂岩带组成［23－24］，出露的主要地层单元包括元古宇、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、古近系、新近系和第四系。有大量以古生代为主的花岗岩类及基性—超基性岩类的岩体和岩带贯穿其中。

2 遥感数据与预处理

2.1 ZY－1 02C星图像

ZY－1 02C卫星于2011年12月22日成功发射，搭载有全色/多光谱(P/MS)相机和全色高分辨率(HR)相机。具体技术参数见表1。

表1 ZY－1 02C卫星有效载荷技术指标Tab.1 Payload parameters from ZY－1 02C satellite

本文使用的覆盖研究区的ZY－1 02C图像的获取时间是2012年7月10日至2013年5月10日，共涉及P/MS数据9景和HR数据3景。图像中的云雪覆盖量较少(约占1%);图像数据的辐射畸变、几何畸变及噪声均较小，具有较高的清晰度，总体质量较好，适用于进行遥感地质解译。

2.2 图像预处理

在对ZY－1 02C图像进行遥感地质解译之前，首先对图像进行正射纠正、波段组合选择、图像配准、图像融合、数据镶嵌和图像增强等预处理，旨在为遥感地质解译提供高质量的基础图像。

1)正射纠正。在保证所有遥感数据高精度几何配准的前提下，采用“RPC+DEM+GCP”(“回归多项式校正+数字高程模型+地面控制点”)方法进行正射纠正，纠正对象有HR1，HR2以及P/MS中的全色波段和多光谱数据。GCP的选取工作在Google Earth上进行。

2)波段组合选择。通过对ZY－1 02C星P/MS数据的波段特征及统计分析可知，ZY－1 02C多光谱(MUX)数据中的B2波段(红光)在可见光中是识别土壤边界和地质界线最有利的波段;B3波段(近红外)是标准差最大(即地物的差异表现最大)、信息量最丰富且独立性最大的波段。ZY－1 02C MUX数据有3个波段，在波段组合方式选择上较为简单，仅有6种RGB组合方式。根据最佳波段组合原则，本次研究的波段组合方案为B2(R)B3(G)B1(B)，该组合的假彩色合成图像能最大化地体现地质体特征，更接近于自然色。

3)图像配准。ZY－1 02C卫星P/MS数据的绿、红、近红外波段的成像同步性好，但全色波段与多光谱波段间成像同步性较差。绿、红、近红外3个10 m分辨率波段之间不存在配准误差，而5 m分辨率的全色波段与多光谱波段之间存在较严重的配准误差，需进行几何配准后才可使用。但由于全色波段较其他几个多光谱波段在横向、纵向上都有偏移且偏移量无规律可寻，因此在配准时采用了计算机自动选择控制点的方法。本文采用ERADS平台下的AutoSync模块实现图像配准。

4)图像融合。对ZY－1 02C星HR与P/MS数据、P/MS中的全色波段数据与多光谱数据进行HIS变换、PCA变换和乘积变换等融合方法的实验，结果对比表明:P/MS的多光谱数据与其全色数据融合时，乘积变换法是最佳融合方法;P/MS的多光谱数据与HR数据融合时，Brovey变换法是最佳融合方法。

5)数据镶嵌。利用ERDAS下的Mosaic Images功能实现图像的镶嵌。在镶嵌处理过程中，利用直方图匹配法来保证图像重叠区的色彩匹配和亮度平衡，通过3×3窗口的羽化处理保证图像重叠区内影像色调的平滑过渡，以到达无缝拼接的效果。

6)图像增强。ZY－1 02C星P/MS多光谱数据在各个波段的地物平均反射强度比ETM+数据的平均反射强度低，表现为ZY－1 02C星P/MS传感器数据灰度值比较集中在较低的范围，导致影像整体偏暗［19］。为了改善校正后图像的视觉效果，提高地物的可解译程度，需对图像做进一步增强处理。在本次研究中主要运用了高通滤波、比值拉伸和主成分分析等方法突出目标地物的影像特征，对提取研究区内水体、环形构造和断裂构造等信息的效果较好。

3 遥感地质解译

3.1 解译标志建立

遥感图像空间分辨率的不断提高，使地物精细的空间特征(包括地物的大小、形状、阴影、空间分布、纹理结构、与其他地物的空间关系等)在遥感图像中显示得越来越清楚。地物的空间特征在地物识别中越来越占据主导地位［16］。利用高分卫星遥感数据能够对地层、岩体(岩脉)、构造等地质要素的几何形态、纹理特征以及各要素之间的空间关系等进行分析，可发现原先在中等空间分辨率遥感数据中不能显现或显现不明显的地质现象和找矿信息;也可利用不同岩层反射光谱差异所形成的形态、结构、纹理、色调等影像差异判定岩石露头的物理特性和产出特点，划分不同岩石类型或岩性组合［1－15］，为地质规律分析和矿产勘查提供重要技术手段。当然，由于长期复杂的地质演化过程，即使同一类地质体，也会因所处的不同地理位置、不同构造单元及不同产出状态等原因，常常表现出不同的影像特征。因此，在对岩性进行高分遥感解译前，应结合前人调查成果及野外验证资料，建立主要岩石类型的高分遥感解译标志。本次研究结合中国地质调查局西安地调中心提供的野外实地调查资料，建立了适用于研究区的较为完善的地质体解译标志。

3.1.1 沉积岩

沉积岩以其特有的成层性成为岩性遥感解译中较为容易解译的一类岩石。通常情况下，未变质或浅变质的沉积岩系因具有层理构造，在遥感图像中具有特征性的条带状纹理。ZY－1 02C星HR数据还能对其相变特征、平面延展、空间产出状态等沉积规律有较清晰的显示，尤其是对碎屑岩的粒度、层状构造类型以及特殊成分的岩石具有较好的反映。

1)粗碎屑岩类。在ZY－1 02C星图像中多呈似层状、透镜状或条块状影像，层理不明显，色调较暗。因岩性坚硬、抗风化能力强，沿大型节理方向常常构成垄状小山脊陡崖、阶梯状陡坎和脊状垅岗等微地貌。砾岩分布区残积物少，崩积物多而不均，故影像粗糙，常呈斑状纹理，水系稀疏。砾岩相对于其他岩性具有较强的抗风化能力，因此常凸出于砂岩、粉砂岩等沉积层形成层状凸起的微地貌形态，而且其纹理更加粗糙一些(图1(a))。

2)中碎屑岩类。按粒度可划分为粗砂岩和细砂岩等。通常以较为典型的平行层状纹理出现，其空间产出状态较易识别。在ZY－1 02C星图像中以较为细腻的平行层状纹理影像特征区别于砾岩。对砂岩的进一步解译分类中，色调和纹理细腻程度是其主要的参考标志(图1(b))。

3)细碎屑岩。可划分为粉砂岩、细粉砂岩和泥质粉砂岩等。一般情况下，粗砂岩和含砾砂岩等的影像细腻度低于细砂岩，粉砂岩的色调则与其他砂岩明显不同(图1(c))。

图1 碎屑岩HR影像特征Fig.1 HR image features of clasolite

4)粘土岩类。可分为页岩和泥岩等，层理常不明显，色调较均匀。该类岩石易被风化剥蚀，在地貌上常形成低矮浑圆、波状起伏的丘岗，平缓坡地，山脊呈浑圆状或馒头状影像(图2(a))。页岩层理较薄，表层多为风化残积粘土，因透水性较差，地表径流发育，常呈密集树枝状水系影像(图2(b))。泥岩则在地质应力的作用下呈塑性形变，其中极少发育断层和节理，多呈较平滑的影像特征(图2(c))。

图2 粘土岩影像特征Fig.2 Image features of clay rock

5)碳酸盐岩类。在ZY－1 02C卫星图像中较易识别解译，常形成典型的“灰岩陡崖”(图3(a))，其色调深浅不一致，多出现格状、龟纹状图形。块状灰岩峰脊分水岭呈尖棱状、层理不明显，植被及水系稀疏(图3(b));厚层状灰岩常呈均一色调，且基本看不到层理(图3(c))。

图3 碳酸盐岩影像特征Fig.3 Image features of carbonatite

3.1.2 变质岩

变质岩区(特别是深变质岩区)一直是地质填图和遥感解译中的技术难点地区。变质深成岩的遥感影像特征仍受其原岩结构成分差异的控制，在遥感图像中可依据不同片麻岩体形成的地形、地貌差异和色调、影纹差异进行变质岩区分［25］。古老的变质岩由于经历了多次变质和变形作用，其物质组成、结构和构造特征已发生了巨大变化，地层的原始层理大多已被强烈置换;尤其是大型板块的结晶基底，含有大量的深成岩体和下地幔物质，因此在遥感图像中大多具有岩浆岩的影像特征［26］。从总体上看，深变质的片麻岩和混合岩的影像特征接近于花岗岩类，由片麻理引起的细纹线构造若隐若现，在ZY－1 02C图像中几乎观察不到有成分层变化的现象，色调较为均匀(图4(a));片岩在ZY－1 02C图像中以发育与片理走向基本一致的平行状纹形、色带为典型特征(图4(b));变砂岩、石英岩多呈似层状影像特征，与原岩相似，常形成较低缓的光秃圆滑垅脊或丘岗，水系稀疏(图4(b));石英岩因其质地致密、坚硬，层理不明显，水系稀疏，具麻斑状纹理，岩石表面残积物少;板岩色调多呈灰、深灰色，地形低缓，垄状或脊状地貌，表现为平行状、梳状水系，有较密集的纹理，代表板理方向(图4(c))。

图4 变质岩P/MS影像特征Fig.4 P/MS image features of metamorphic rock

3.1.3 侵入岩

侵入岩反射率的高低和色调的深浅，与侵入岩的SiO2含量和色率大小的正比关系非常明显。中酸性岩反射率最高，基性及超基性岩反射率较低;岩石中铁镁质暗色矿物含量越高，反射率越低。因此，色调和亮度的变化是侵入岩岩性分类解译的重要标志。通常情况下，自酸性到超基性，即花岗岩→花岗闪长岩→闪长岩→辉长岩→超镁铁质岩，侵入岩的色调由浅变深，亮度由强变弱。中酸性侵入岩岩体在ZY－1 02C图像中的形态多为不规则块状，与围岩接触界线较分明，团状轮廓较清晰，典型树枝状水系发育;普遍具较为细密的斑点状影纹，影纹结构较为平滑;较浅的色调及其与围岩的影纹结构差异构成了它的主要识别标志(图5(a))。

基性、超基性侵入岩常呈团块状、链状或脉状，多沿区域性断裂带产出。在ZY－1 02C图像中色调一般为深灰－灰黑色，植被不发育;岩体内节理不发育，后期侵入的脉岩极少(图5(b))。脉岩具较强的抗风化能力，常形成线状垄岗或陡壁微地貌，在ZY－1 02C图像中常形成比较显著的影像标志(图5(c))。岩脉一般呈长条状、细透镜状或链状成群出现，岩性多样。从影像上很难对脉岩进行岩性的直接甄别，但它们常形成浅色和暗色2个基本色调，可大致判断它们的矿物成分。

图5 侵入岩P/MS影像特征Fig.5 P/MS image features of intrusive rock

3.1.4 地质构造

地质构造解译是遥感解译的优势［27－32］。地质构造在遥感图像中通常表现为线性与环形特征。线性构造形迹主要指断裂和节理等;环形构造多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、火山盆地等。地质构造在ZY－1 02C图像中多以色调、图形特征、水系展布、地貌形态及其组合得以显示。

1)断裂构造。在ZY－1 02C图像中主要表现为线性的色调异常及不同色调的分界面呈线状延伸。断裂构造解译依据断层两盘相对运动方向可划分为:正断层、逆断层、平移断层及性质不明断层。①正断层。在ZY－1 02C图像中常形成较典型的微地貌特征，由不同地貌截然相接显示的折线状影像，反映出上盘下降的正断层形迹。影像中正断层的断层线较为平直，断层两侧色调和地貌形态截然不同，上升盘多为深色调、形态起伏的山地，往往形成断层陡崖或断层三角面，局部地区可形成断陷盆地及地堑构造。在相对宏观的尺度上，地垒、地堑和放射状断层的断层组合是正断层的重要组合形式。图6(a)是一条呈NW—SE延展的正断层的典型遥感影像，该断层线较为平直，表现为阶地前缘陡坎，断层倾向SW;断层上盘为全新统冲洪积，水系密集且突然展宽;断层下盘为晚更新统冲洪积，水系稀疏、粗大;②逆断层。在ZY－1 02C图像中逆断层的断层线多呈舒缓波状，影像特征十分清晰，线性形迹较明显，延伸方向较稳定，通常表现为具有一定宽度的色调异常带(图6(b));③平移断层。在ZY－1 02C图像中往往可直接通过被其平移错断的各类地质体进行解译判定，图像中可见断层两侧的山体、地层被错断，断层带旁侧发育的牵引褶皱指示着两盘滑动的方向(图6(c));④性质不明断层。性质不明断层是指在遥感解译中其断层性质无法确定的断层。图7(a)中所显示的性质不明断裂，断层两侧界线规则笔直，断层特征十分明显。在ZY－1 02C图像中尚可识别破碎蚀变带(图7(b))。

图6 断裂构造P/MS影像特征Fig.6 P/MS image features of fault structure

2)节理。节理常见于脆性岩石，是两侧岩块没有明显位移的断裂;其长度由几cm到几十m，在岩石中常成群而有规律地以节理组的形式出现(图7(c))。

图7 断裂构造及节理影像特征Fig.7 Image features of fault structure and joint

3)环形构造。环形影像是遥感图像中独特的一类影像，在ZY－1 02C图像中较易识别，并可以大致判别其成因类型，多表现为圆形、椭圆形、半圆形等环状形迹(图8(a))。

4)褶皱构造。褶皱表现为不同颜色条状图案的重复出现，图案纹理均匀。在ZY－1 02C图像中，组成褶皱的不同地层以不同颜色区分，呈狭长条带状(图8(b));以新(向斜)、老(背斜)地层为中心，褶皱两侧的地层对称出现。标志层的色带呈圈闭的圆形、椭圆形、长条形或马蹄形等，是确定褶皱的重要标志。在ZY－1 02C图像中可对褶皱两翼以及核部地层的产状特征进一步观察，从图8(c)可清晰地看到褶皱两翼岩层的三角面尖端指向相背，单面山缓坡朝内倾，由地层三角面所显示的地层产状相向;转折端的岩层倾向核部，显示为一个较为典型的向斜构造。

图8 环形构造及褶皱P/MS影像特征Fig.8 P/MS image features of ring structure and fold

3.2 解译效果及适宜性分析

对ZY－1 02C星P/MS和HR数据的地质解译的效果和适宜性，主要通过对研究区内的矿业活动解译、第四系成因划分、岩性识别、层状构造识别、断裂构造判识和宏观解译等方面的解译效果进行对比分析。

3.2.1 遥感解译的正确率

解译结果的野外验证主要在研究区的北部和东南部2个区域开展，共有验证点43处;其中仅有5处第四系覆盖面积较大的验证点的解译结果与野外验证不一致，遥感解译正确率约为88.37%。

3.2.2 矿业活动解译

利用ZY－1 02C星HR数据能够识别矿山开发中的地下开采点;图像中固体废弃物与周边其他用地的色调差异明显、微地貌清晰;通往开采点的矿山道路清晰可辨，较易提取，且根据固体废弃物和矿区道路的色调差异能够判别该矿山的开发状态。基于P/MS数据所提取的地下开采点则效果相对较差，图像中固体废弃物和矿区道路的边界不像实际地物那样的光滑弧线，而是呈锯齿状，且难以判别固体废弃物和矿区道路的色调差异，因而利用P/MS数据识别的地下开采点准确率较低。

3.2.3 第四系成因划分

构造地貌、区域地貌以及第四系与现代沉积物的划分更加清晰、准确。在第四系遥感解译中，ZY－1 02C星HR数据所反映的微地貌、纹理及细节更为清晰，可利用该数据将不同成因的第四系及其空间展布准确地识别与圈定。同时，利用它们之间的相互切割关系还可对其接触关系进行准确的解译判定。本次研究中根据不同的色调和纹理差异，利用HR数据能够识别出多级河流阶地;而P/MS数据所显示的河流阶地的纹理则不是很清晰。

3.2.4 岩性识别

在岩性组合特征差异明显、构造较简单的地区，岩性识别效果较好。ZY－1 02C星HR数据的空间分辨率较高，反映的空间结构信息较为精细，对粗碎屑岩的几何结构和纹理信息显示更加明显;粗碎屑岩(包括火山碎屑岩)因其岩性坚硬，相对于其他岩性具有较强的抗风化能力，故常形成层状凸起的微地貌形态，而且其纹理更为粗糙一些。图9(左)中HR数据所反映的火山碎屑岩色调较暗、影像粗糙、微地貌清晰，与其两侧的花岗岩和砂岩易于区分;而在P/MS数据(图9(右))中则因难以判识碎屑岩的粒度而不易与北部的砂岩区分。

图9 HR数据(左)和P/M S数据(右)所显示的岩性对比Fig.9 Com parison between lithology disp layed in HR(left)and P/M S(right)im ages

3.2.5 层状构造识别

岩石的矿物成分、结构构造和孔隙度等有关的微观差异与ZY－1 02C星HR图像中的影像单元有较好的对应关系，从HR图像中常可以直接通过成分层变化所引起的平行状色带，或粒度变化造成的纹形或影像粗糙—细腻程度的平行变化进行识别，并能判别岩层的产状、层理、地层三角面和不整合等(图10(左));而在P/MS数据中，对局部细微的影像特征(包括岩层的层理)则无法识别(图10(右))。

图10 HR数据(左)和P/MS数据(右)所显示的层理对比Fig.10 Com parison between stratification displayed in HR(left)and P/MS(right)images

3.2.6 断裂构造判识

断裂构造的可解译程度较高，解译出的断裂构造远远超过了常规地质调查资料中的信息量。地质调查资料中的已知断裂，在ZY－1 02C图像中均有显示;且新发现2处破碎蚀变带及大量的断裂构造，并根据断层两盘的相对运动方向对断层的性质进行了判识。

3.2.7 宏观解译

岩石大类的边界均具有易于识别的宏观岩石标志，在ZY－1 02C图像中，这种边界标志显示为特殊的色调和纹形等宏观影像标志。HR数据中地物的影像差异较明显(图11(左))，而P/MS数据中地物的对比度较强烈，色调差异更为明显(图11(右))，对这种宏观影像单元有更加清晰的反映。

图11 HR(左)和P/MS(右)数据宏观解译对比Fig.11 Com parison between macro－interpretation from HR(left)and P/MS(right)images

4 结论

1)ZY－1 02C星遥感数据的空间分辨率较高，能够获取地质体的精细几何结构和纹理特征信息，在识别岩性、破碎蚀变带、节理、断裂和岩脉等成(控)矿要素方面有较好的应用效果。

2)通过ZY－1 02C星P/MS和HR数据的遥感地质解译效果对比，发现P/MS数据中地质体的色调差异比较明显，易于建立研究区的构造格架和进行岩石大类解译分区;而HR数据反映的空间特征(形状、大小、阴影、纹理、图形、位置和布局)更为精细，在几何特征上，不同地质体的微地貌、纹理及细节更为清晰，易于进一步识别各类岩性及小型构造，尤其对碎屑岩的粒度、层状构造类型、第四系、矿业活动以及特殊成分的岩石等具有较好的反映。

志谢:感谢中国地质调查局西安地调中心杨博博士为本文研究提供了实地验证资料及前苏联帕米尔地区1∶20万地质图。

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