遥感勘探——物探学科新分支

吴 虹，熊 彬

桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541004

遥感勘探
——物探学科新分支

吴 虹，熊 彬

桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541004

根据地质勘探和广义遥感的定义，遥感对地球探测的应用，当其主要目的在于查明地质目标的空间存在性及属性时，应属于勘探地球物理范畴，具有与磁法、重力、电法、地震及放射性等地球物理勘探并列的学科地位，并可谓之遥感勘探。然而，迄今的地学学科分类体系中却并无遥感勘探的提法，更无其位置，这种状况影响了遥感技术与地球物理技术的融合。本文从学科定位、理论基础、反演和多解性四个方面，论证了建立遥感勘探技术知识体系，并将其归入地球物理遥感勘探学科分支的必要性、依据和意义，给出了遥感勘探知识体系的组成结构，为开拓物探学科的教学和科研空间，提供了依据。

遥感勘探；物探；学科

remote sensing prospecting; geophysical prospecting; subject

一、问题提出

勘探，英文为Prospecting或Exploration。狭义勘探是指寻找有开采价值的矿床，查明矿藏分布情况；广义勘探是通过技术手段获取地质目标的位置、大小、属性和数量等信息的方式和过程。钻探、井探、坑探、槽探、物探和化探都属于勘探。遥感应用于地质，当主要目的也在于查明地质目标的存在性及属性时，亦应属于勘探，即遥感勘探。根据广义遥感的定义，遥感勘探属于勘探地球物理范畴，具有与磁法勘探、重力勘探、电法勘探、地震勘探及放射性勘探等并列的学科位置。美国勘探地球物理学家协会（SGE）早在1992年就将遥感纳入地球物理，称为地球物理遥感[1]。国内提出遥感勘探概念起于对金伯利岩和碳酸盐岩的光谱反射率特征的研究[2]，之后又有一批学者在遥感找油气和金矿中采用了遥感勘探概念[3-8]，还在新疆遥感金属矿找矿采用了遥感地质勘查的概念[9]。这些都表明了遥感勘探应用已经成为一个客观事实。然而，迄今地学专业分类体系中却并无遥感勘探的学科位置。这种情况已经不能满足今天地球科学发展的需要，不利于对21世纪新型物探人才的培养。为此，在地球物理勘探中建立学科新分支─遥感勘探已势在必行。本文对此进行专门讨论。

二、学科地位趋同

在目前我国的学科分类与代码国家标准（GB/ T 13745-2009）中，遥感与物探的学科位置是分离的，表现在作为地球科学的三级学科的地球物理勘探（简称物探）中无遥感分支，即，地球科学（一级学科170）/固体地球物理学（二级学科170.20）/勘探地球物理（三级学科170.2065）。而遥感只出现在地球科学的三级学科的位置，即地球科学（一级学科170）/地质学（二级学科170.50）/遥感地质学（三级学科170.2067）。客观上形成了遥感与物探无联系的学科格局。然而，遥感与物探无论在理论基础上还是以不接触方式获取勘探信息的技术方式上却是一致的。根据遥感定义，物探属于广义遥感范畴[10]。对于以卫星或飞机为平台的地球重力和地球磁场测量，物探在形式上十分逼近狭义遥感。至于以电磁波为信息载体的航空电法勘探，则无论在原理上和形式上，物探都几乎与狭义遥感一致了。随着物探技术越来越“遥感化”和遥感技术越来越“物探化”，物探与遥感之间的界限已越来越模糊，技术趋同不可避免。遥感与物探的这种异同共存的关系，在中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心（AGRS）部门设置中也有所体现。该中心既设立了平行的“物探部”和“遥感部”，又设立了将物探-遥感捆绑在一起的“航空地球物理与遥感地质重点实验室”[11]。一些院校在学科设置上也有类似情况。都反映出在对待遥感与物探关系的考虑上，既承认它们之间的差异，更注重了两者趋同的特点。遥感勘探就是在这样的背景下提出来的。

遥感勘探与遥感地质学的关系是，它们是遥感技术在地学领域中的两个不同的应用侧面，遥感地质学主要侧重于从地质学角度的遥感应用，内容以基于遥感影像特征的直观地质解译为主；而遥感勘探则主要侧重于地球物理学角度的遥感应用，内容以基于天-地一体化模型的定量遥感反演为主。遥感勘探的学科地位决定了其对于物探的趋同，理所应当属于物探。

三、理论基础一致

事实上，将遥感勘探纳入物探知识框架的最重要的依据还在于其具有与物探一致的理论基础─电磁场理论。遥感和物探的所有问题都可以通过电磁场理论描述和解答。麦克斯韦方程组是对电磁场理论的高度概括。微分形式的马克斯韦尔方程表示为[12-13]：

式中，E为电场强度矢量，D为电位移矢量，H为磁场强度矢量，B为磁感应强度矢量，ρ为电荷体密度，J为电流体密度矢量，ε为介电常数，μ为磁导率，σ为电导率。

通过解麦克斯韦尔方程，可以获得遥感与物探联系的定量表达，这就是乌莫夫-坡印廷矢量：

式中，S是电磁辐射能量矢量，根据右手定则，其方向就是电磁波能量传播的方向，是电场和磁场相互作用形成的二次信息——能量，既包含了电场，也包含了磁场信息，它是构成遥感图像的最重要物理量。实际上，遥感图像记录的基本信息——无论是反射率、透射率还是吸收率，都是地物以不同形式对接收程度的一种测度。因而，根据能量守恒定律，可以直接推导出反射率、折射率和吸收率的计算公式。总之，（5）表明，遥感与物探、遥感信息与物探信息之间，是相通的。

由此可见，遥感勘探与物探具有共同的理论基础，差别在于它们对电磁场参量运用不同。物探是利用电场和磁场及其派生量，而遥感则是利用电磁场的能量及其派生量，因此形成了遥感与物探的共性和差异关系。

四、反演是核心问题

反演是物探和遥感勘探共同的核心问题，是联系两者的重要方面。物探反演是通过地球物理场求场源——地质实体[14-25]。遥感勘探反演基于遥感反演理论，但又有区别。所谓遥感的本质就是反演，是指在基于模型知识的基础之上，依据可测参数值反推目标的状态参数，即根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的目标应用参数[26-27]。遥感勘探是通过电磁波影像场求场源——地物实体，同时具有遥感反演和物探反演的技术特征。由于遥感勘探反演与物探反演都是从“虚”到实，从场源信息到场源实体的探测认知过程，从这个角度决定了它们可以归为相同类型的地球探测技术，见图1。但是，物探的反演理论技术已经很成熟，而遥感勘探反演理论技术尚处于探索发展阶段，这正是遥感勘探理论技术发展的空间之所在。

图1 遥感勘探与物探技术原理与方式相似性类比示意图

遥感勘探反演按其目的不同，分定位遥感反演与定性遥感反演，简称为定性反演与定量反演。

（1）定位反演。

遥感勘探定位反演是通过遥感定量解译获取勘探对象的赋存空间信息的过程，空间信息内容包括位置坐标、分布范围、尺度和形状等，但不包括埋深。

遥感勘探定位反演的依据是遥感成像理论。依据该理论，目标地质体在遥感图像上的坐标与地面坐标通过遥感成像方程联系。如今地表三维遥感定位技术已经很成熟，随着高空间分辨率、立体测绘、分布式微波干涉测绘等新一代对地观测卫星的投入使用，开展中、大比例尺遥感定位勘探已成为可能。早年国外的高分遥感数据曾是我国开展中、大比例出遥感定位勘探的主要空间信息源，随着我国高分辨率对地观测系统重大专项的实施，现在系列国产高分卫星遥感数据已普及应用，因此，推广基于国产高分遥感影像数据的遥感勘探定位反演将成为可能。

由于技术上的限制，遥感无法实现地下观察，地下定位是遥感勘探的短板。微波遥感虽然具有一定的穿透固体介质的能力，但即便在最理想条件下，微波充其量也只能穿透极薄厚度的干燥地面，对于地质勘查无实用价值。故而对隐伏地质体定位探测，遥感勘探无法与物探的电磁重勘探相比，但并不能因此否定其勘探能力。实际上，化探虽称之为地质化学探矿，其实也只能获取矿体晕的地表二维分布信息，除非作下半空间密集采样，才可能获得晕的地下三维分布图，而这是不可能的。取长补短，高分遥感以其地表精定位的巨大优势可以在某种程度上弥补遥感勘探缺乏地下定位能力的不足。

对定位遥感勘探准确性影响的主要因素是遥感图像的几何畸变，可以通过几何校正处理将畸变控制在勘探工程可接受范围内。对此已有成熟的遥感图像处理方法。

（2）定性反演。

遥感勘探定性反演是指通过遥感分析解译，对勘探对象的地学属性做出推断，如，是矿还是非矿？如果是矿，又是何矿？如果非矿地质体，又是何种非矿地质体？等等。对于找矿勘探，有时探明属性要比探明位置还重要。在无已知参照物和/或对地质条件掌握不足的情况下，物探的定性反演是一个困难的问题，结果往往只能以高/低密度体、强/弱磁性体和高/低阻体等模糊概念来描述场源，而不轻言矿。物探定性反演的困难对于遥感勘探同样面临。虽然在理论上，地物波谱特征具有唯一性，可以凭着地质体具有的唯一波谱特征通过图像识别去发现它们，但由于“同物异谱”、“异物同谱”和“混合像元效应”等等因素影响，也使只能在“视波谱”水平上作遥感识别定性反演。这就决定了遥感勘探的定性反演也是多解性的，同样无法摆脱物探反演多解性的困境。

（3）解决办法。

第一，按照监督分类的思路建立针对不同勘探目标的遥感识别算法模型；第二，增加可以反映勘查地质目标属性特征的遥感图像的独立波段数；第三，采用可以帮助判定勘探对象属性的辅助地质矿产信息，如构造、岩性、蚀变和矿化等。总之，如何构建针对不同实际地质勘查问题的定性遥感勘探算法模型，是定性遥感勘探进入实用需要解决的最大问题。

五、多解性问题

物探的多解性在理论上意义是，基于定解问题的电/磁/重异常场反演（反问题）无唯一解，而是多解。从技术角度，物探多解性表现为，反演可能得到多种场源，这些场源的位置、形状和大小可以不同，但它们可以引起相同的位场异常场。

遥感勘探反演的多解性表现为，同样的影像场存在多种可能的条件下可能的地物（源）相对应，其存在与遥感不确定性有关。遥感不确定性主要来源于遥感成像系统误差、同物异谱、异物同谱和混合像元效应等因素。由于这些因素存在于遥感成像系统全过程中，消除遥感多解性是不可能的，只能尽量减小之[28-31]。办法：第一，提高遥感影像的空间分辨率，从而提高反演的定位精度；第二，增加成像光谱的独立波段数，增加定性约束的自由度，从而提高反演的属性判定准确性，见图2；第三，采用有效的遥感勘探反演算法模型；第四，采用相关非遥感矿产地质信息辅助解译，如，断层、地层、岩性、侵入岩、蚀变和矿化等，减少多解性。

总之，多解性问题是遥感反演理论上固有的问题，伴随反演而存在，消除是不可能的，只能是尽量减少或/和使之稳定，求得准唯一解或视唯一解。这是遥感勘探必须努力的方向，对此，物探有许多经验可以借鉴。

由于多解性是遥感勘探与物探共同具有的特征，尽管产生原理有所差异，但技术形式相同，这成为两者具有联系的又一个重要方面，因而也是将遥感勘探纳入物探技术体系的又一重要依据。

图2 遥感影象的独立波段维数越高对定性勘探越有利的示意图a. 三维波段约束定性；b. n维波段约束定性

六、知识系统组成

作为物探学科的新分支，遥感勘探应具有独立自成体系的知识结构，包括如下方面：

（1）理论知识，包括遥感勘探物理基础、遥感勘探数学基础、地质矿产地物波谱理论、地质矿产遥感信息理论、遥感勘探反演理论、遥感勘探找矿理论等。

（2）技术知识，包括热红外遥感勘查技术、微波遥感勘查技术、多光谱遥感勘查技术、高光谱遥感勘查技术、特种遥感勘查（如紫外遥感勘查、近感勘查技术）遥感与传统物探方法复合技术等。其中，面向应用的遥感勘探技术包括金属矿遥感勘查和非金属矿勘查遥感，它们各自又分为内生型金属矿遥感勘查、沉积型金属矿遥感勘查、变质型金属矿遥感勘查等。可以结合现代矿产勘查学内容和新一代遥感技术实际，作平行设置。

（3）工程应用知识，包括相应的技术设计规范、技术法规以及如何与其他勘探技术结合使用规则等，可参照相关已经成熟的地质、物探、遥感地质学等技术规范，通过应用实践建立完善之。

总而言之，遥感勘探作为物探的学科新分支，具有自成体系的独立知识结构，其出现填补了物探技术空白，完善了地学知识体系。为满足于培养21世纪新型物探人才需要，有必要在大学物探专业中开设专门的“遥感勘探”课程。

七、结论

（1）根据广义遥感的定义，遥感勘探属于勘探地球物理范畴，具有与磁法勘探、重力勘探、电法勘探、地震勘探及放射性勘探等并列的学科位置。随着物探技术越来越“遥感化”和遥感技术越来越“物探化”，物探与遥感之间的界限已越来越模糊，物探与遥感技术趋同不可避免。

（2）遥感勘探与物探具有共同的电磁场理论基础，物探是利用电场和磁场及其派生量，遥感则是利用电磁场的能量及其派生量。将遥感勘探纳入物探知识体系，成为与电法、磁法和重力等并列的物探技术方法，在理论上是成立的。

（3）反演是物探和遥感勘探共同的核心问题。物探反演是通过地球物理场求场源─地质实体，遥感勘探反演是通过电磁波影像场求场源─地物实体，两者都是一种从“虚”到“实”的认知理解过程，表明了遥感勘探与物探不仅在理论上，而且在应用技术方式上也一致。

（4）遥感勘探通过定位反演与定性反演实现。遥感勘探定位反演是通过遥感定量解译获取勘探对象的赋存空间信息的过程。遥感勘探定性反演是指通过遥感分析解译，对勘探对象的地学属性做出推断的过程。现有遥感技术为实施各种比例尺的遥感勘探定位与定性反演提供了可能。

（5）多解性是联系遥感勘探与物探的又一个特征。遥感勘探反演的多解性表现为同样的影像场可能存在多种可能的地物（源解答）相对应，其产生与遥感不确定性有关。消除多解性是不可能的，只能尽量将其化为少解，甚至唯一解。这是遥感勘探必须努力的方向。

（6）遥感勘探作为物探的学科新分支，具有自成体系的独立知识结构，其出现填补了物探技术空白，完善了地学知识体系。为满足于培养21世纪新型物探人才需要，有必要在大学物探专业中开设专门的“遥感勘探”课程。

一言以蔽之，建立遥感勘探知识体系，将其纳入物探的学科框架，有利于地学学科发展，有利于物探技术开发，有利于21世纪新型物探人才培养，势在必行。

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G642

A

1006-9372（2017）02-0007-05

2017-02-26；

2017-04-15。

本文为广西高等教育教学改革工程项目“IITC环境下遥感地质学类教学研究与实践”（编号：2013JGB160）资助的成果。

吴虹，男，教授，博士研究生导师，主攻研究方向为地质遥感、环境遥感、遥感综合地学信息找矿预测、地貌学及第四纪地质学等。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

吴虹，熊彬.遥感勘探─物探学科新分支[J].中国地质教育，2017，26（2）：7-11.

Title:Remote Sensing Prospecting: A New Subject Branch of Geophysical Prospecting

Author(s):WU Hong, XIONG Bin