鄂尔多斯盆地西南缘丹霞地貌遥感影像特征

闫颖,杨望暾,2*,王子垚



鄂尔多斯盆地西南缘丹霞地貌遥感影像特征

闫颖1,杨望暾1,2*,王子垚1

1. 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710061 2. 长安大学经济与管理学院, 陕西 西安 710061

鄂尔多斯盆地西南缘地区作为丹霞地貌西北与东南发育区的过渡地带，其发育特征极具代表性。本文通过解译该区域的遥感影像，依据影像中不同的色彩及斑块特征建立解译标志，归纳为5种丹霞地貌遥感影像影纹，解译出3处发育较为集中的丹霞地貌区域，并从形成机制的角度分析每一处丹霞地貌景观的发育类型和分布规律。

遥感解译; 鄂尔多斯盆地西南缘; 丹霞地貌; 形成机制

丹霞地貌是指由变动及其轻微的厚层红砂、砾岩构成，因其所在岩层呈典型块状结构并且含有易透水的垂直节理，经长时间的流水侵蚀和重力崩塌作用而形成峰林、陡崖等地形，以中生代红层为主要成景地层[1]。地层颜色主要呈现为红色系，具体表现出棕黄、褐黄、褐红、紫红、灰紫等不同颜色，Fe3+元素的富集是红层呈现为红色调的主要原因[2]。

遥感影像包含有多波段信息，能够直观、形象、准确的反映出不同尺度上的构造形迹和构造现象[3]，大幅减少了实地勘测的工作量，显著提高工作效率，所采集的遥感影像可直接用于宏观上解译丹霞地貌。因丹霞地貌于红层中发育形成，所对应的遥感图像为红色或粉红色；陡崖、石峰等地貌类型因阳光的照射而在地面上呈现明显的阴影，因此反映在遥感影像上多为黑色或灰黑色。在丹霞地貌景观类型分类和构造发育的研究中，岩层出现众多深大裂隙和多组垂直节理[4]，其区域内密集的垂直节理构造作为典型的遥感影像特征，提供了大量充分的信息用作研究分析。

鄂尔多斯盆地西南缘地区发育有典型的呈区块状分布的丹霞地貌景观，沿盆地边界依次为：陕西省铜川市照金-香山丹霞地貌区、甘肃省平凉市崆峒山丹霞地貌区和宁夏省固原市火石寨丹霞地貌区[5]。本文通过对鄂尔多斯盆地西南缘的遥感影像进行解译和特征分析，建立研究区内丹霞地貌遥感影像解译标志，确定区域内丹霞地貌的集中发育地带，查明各分布区内丹霞地貌景观特征和类型。

1 研究区概况

鄂尔多斯盆地西南缘位于渭北隆起带西段、伊陕斜坡和天环坳陷南部，西接六盘山构造带，南接秦岭-祁连造山带。处于北祁连造山带、秦岭—大别造山带与华北板块交互作用的地区[6]。盆地所在位置为西北、华北两大地质构造单元和地貌的过渡区，其构造动力学机制和演化背景既有古生 代华北地区碳酸盐台地稳定构造演化，同时也叠加有极具西北地域特色的中生代盆山活动构造演化。

2 遥感影像数据解译

2.1 数据来源

本文研究中使用的遥感影像为美国Landsat-5卫星所采集的遥感影像数据。该卫星是目前国际上在轨运行时间最长的光学遥感对地卫星，所采集的光学遥感影像数据具有1景分辨率15 m，空间几何分辨率30.00 m，所采用的投影坐标系为UTM WGS84:s，本文使用的影像数据为该卫星于2008年11月2日采集的TM影像。为方便在ERDAS和ENVI等遥感数据处理软件中操作，特将上述收集到的tiff格式遥感影像转化为img格式。

2.2 遥感影像的选择与处理

研究区位于黄土高原腹地，属北温带半干旱气候，为客观全面地反映该地区内的地貌形态特征，最大程度降低植被的影响，特选择植被覆盖影响最低的秋、冬两季的高清ETM+遥感影像。

本次研究采用的是LANDSAT-5卫星上装备的能感应地表反射的太阳辐射和热辐射的TM设备所采集到的TM遥感数据，涉及轨道编号为128-35的1景TM数据图像，成像时间为2008年10月24日。该图像数据共计8个波段，每一波段均有其各自的应用领域，具体见表1。

表 1 Landsat卫星TM图像信息特征一览表

表 2 Landsat-5 TM各波段光谱信息统计表（依标准差排序）

依据表2中的计算结果得出结论：标准差从大到小依次为TM5、TM4、TM7、TM3、TM6、TM1以及TM2；亮度差从大到小依次为TM5、TM4、TM7、TM3、TM1、TM2及TM6；通过对比可以发现，两者的大小顺序并不完全一致。若选用单一波段数据，TM5波段中所包含的内容量最大，而TM4波段中所包含内容最为丰富，因此本次数据源中两个较为理想的波段子集分别为TM5波段和TM4波段。

依据标准差和亮度差分析的方法主要用于单波段信息含量的判断，此方法往往存在一定的局限性，因为实际情况中不同波段间大概率有着相类似的内容。综上，我们更应该考虑各波段内容的质量而非数量。

表 3 Landsat-5 TM波段相关系数矩阵表

依据表3中的计算结果可知：TM1、TM2和TM3三个波段中，任意两个波段间的相关系数均高于0.85；相关系数的最高值来自TM5和TM7两个波段之间，为0.959176；TM4波段与其余各波段之间的相关系数则不作为参考。该方法以相关系数的方式量化了不同波段间的差别从而进行更为具体的判别[7]。

本文需要使用遥感影像数据提取研究区内丹霞地貌分布情况、分析构造特征和岩石特性等多个问题。因此最终决定使用TM3、TM4和TM7三个波段组合。分别使用蓝、绿和红三种颜色分别为三个波段上色，使用该方法解译出的彩色图像与真实地物的颜色相差无几，能够做到真实、客观、全面地反映区域内的丹霞地貌分布。其中TM7波段的主要应用为岩性分析和地质构造解译。所以用于本次分析和研究的数据以上述波段组合和TM7波段所含内容为基础。

表 4 Landsat-5 TM各波段组合最佳指数表

3 研究区丹霞地貌遥感影像特征

在遥感影像上需要建立丹霞地貌的解译标志来识别。在遥感解译的过程中，依据丹霞地貌所特有的色彩特征、阴影特征、影纹特征、地质特征、地形地貌特征，当这些特征标志同时出现在遥感影像上即可判断为丹霞地貌[8]。在进行了解译后得到的彩色图像中，砂石、岩体因成景地层为红层的缘故多表现为红色或粉红色粉红色，水系及水体则表现为其本身的蓝色或浅蓝色，森林的植被覆盖则多为绿色或浅绿色，山体则会因为被阳光照射而出现的阴影在图像上表现为黑色或灰黑色。沿整个岩面以及与外部环境相通的裂隙面持久地进行着[9]，工作区内的每一种丹霞地貌景观类型，在遥感影像上都有其特有的用于分辨的特征，如颜色和影纹形状等。通过分析解译过后的研究区遥感影像，与现有的地质图、地形图等图件资料进行对照之后，在研究区内丹霞地貌发育较为集中的区域总结出五种高频率出现的影纹：斑块状影纹、圆丘状影纹、脑状影纹、栅栏状影纹和网格状影纹，每一种影纹分别对应着区域内出现的一种丹霞地貌景观特征，具体分析结果如下。

3.1 斑块状影纹

依据解译过后的彩色遥感图像，砂石和岩体呈现为浅红色。图像中的阴影线纹分布呈明显的斑块状方式排列，阴影颜色较深且极易辨认，两组不同的线纹分别交于不同的方向。根据影纹的排列方式和阴影的特征判定，影像内地质体顶面为锥形，在实际地物中对应残留的山体，对应着石峰或是陡崖之类的丹霞地貌景观。（图1中A ④区域、C ①区域）

3.2 圆丘状影纹

依据解译过后的彩色遥感图像，该区域内红层多直接暴露在地表，两组不同的阴影线纹之间以网状形态交织从而构成影纹，阴影规模不大但颜色较深。图像中影纹所对应的山体整体高度不高，主要由于古夷平面侵蚀作用。山顶部分呈现浑圆或平顶状，对应以石寨或峰林为主的丹霞地貌景观。（图1中A ⑤区域、B ①部分区域、C ②区域）

3.3 脑状影纹

依据解译过后的彩色遥感图像，该区域内红层的分布规律为红色或粉红色的斑点，阴影线纹模糊而且相互间规律不清晰，多表现为紧密的条带型。其中山体影纹所在范围和其坡度均不大，山间沟谷与山体之间的影纹颜色极淡，说明该区域内山体的发育明显不成规模，且相对高程较小，所对应的丹霞地貌景观类型多为石寨或石峰。（图1 A①区域、B ①部分区域、C ③区域）

3.4 栅栏状影纹

依据解译过后的彩色遥感图像，区域内分布有规律明显的条带状影纹，说明该地区山谷和山体依次平行排列，反映在影纹上表现为相间分布的平行栅格状影纹。地表山体阴影较长，说明该山体山脊线较长。与之相匹配的景观类型多为石墙、石壁等。图1中A ②区域、B ②③区域、C ④区域）

3.5 网格状影纹

依据解译过后的彩色遥感图像，该类影像中的线纹突出分布且有较宽的阴影，多表现为大面积块状影纹并存在一定的分布规律。零星存在的一些次级影纹基本被多条主影纹分隔，反映该区域内山体由大块岩石组成而且存在一定的垂直高差，山体之间无沟谷发育，巨型山体岩块由高大且平坦的岩层构建而成，多表现为梳状和鱼脊状。与之相匹配的景观类型多为石梁。（图1中A ③区域、B ④区域、C ⑤区域）

图 1 研究区内丹霞地貌遥感解译结果图

A: 铜川照金-香山丹霞地貌遥感解译结果图 The image of interpretation of Danxia landform in Zhaojin-Xiangshan, Tongchuan. B: 平凉崆峒山丹霞地貌遥感解译结果图 The image of interpretation of Danxia landform in Kongtong Mountain, Pingliang. C: 固原火石寨丹霞地貌遥感解译结果图 The image of interpretation of Danxia landform in Huoshizhai, Guyuan

4 解译结果

鄂尔多斯盆地西南缘区域的丹霞地貌主要集中在盆地边界地区，通过对遥感影像进行解译识别出区域内3处丹霞地貌集中分布地区。依次为：陕西省铜川市照金-香山丹霞地貌区、甘肃省平凉市崆峒山丹霞地貌区及宁夏省固原市火石寨丹霞地貌区。

4.1 陕西省铜川市照金-香山丹霞地貌区

陕西省铜川市照金-香山丹霞地貌区因地处渭北隆起带，其丹霞地貌的形成主要受控于该地带内地层特征、岩性及构造演化特性。该区域解译出的彩色图像特征为红色或粉红色的斑块，图像中存在圆丘状、脑状、栅栏状和斑块状4种不同的特征影纹，其中圆丘状影纹规模最为庞大，反映出区域内地貌主要为石寨、石峰等；栅格状影纹较为稀少，反映出区域内山间沟谷及其断裂带无明显发育。在区域内的古河流地带上崖壁处发现有洞穴发育，证明了该地区丹霞地貌发育到后期其改造的主要动力为流水侵蚀。通过对铜川照金-香山丹霞地貌区遥感影像的全面分析，发现丹霞地貌发育集中的地点共计13处。

4.2 甘肃省平凉市崆峒山丹霞地貌区

甘肃省平凉市崆峒山丹霞地貌区位于贺兰山-六盘山径向构造带与秦岭-祁连纬向造山带交汇处的东北角，地处鄂尔多斯盆地西缘构造带南部，区域内丹霞地貌的形成主要受控于鄂尔多斯盆地西缘构造带南段的地层特征、岩性及构造演化特性。依据遥感影像解译出的彩色图像，存在脑状影纹、栅栏状影纹、网格状影纹和圆丘状影纹共计4种不同的特征影纹。研究区南部存在成一定规模密集分布且单个面积较为巨大的圆丘状、网格状的特征影像；而研究区的西北边则分布有绵延数百上千米的大范围石墙。通过对遥感影像的全面分析，发现丹霞地貌发育集中的地点共计16处。

4.3 宁夏省固原市火石寨丹霞地貌区

宁夏省固原市火石寨丹霞地貌区位于中国黄土高原地区，宁夏省南部，固原市西吉县月亮山主脉最东端，该区域内的丹霞地貌的成因是其西侧六盘山。该山脉存在一定规模的红层盆地。区域内地貌类型外围属黄土丘陵，中心为土石山中山。区域内丹霞地貌的形成的主要因素为鄂尔多斯盆地西缘构造及六盘山盆地的沉积演化。通过分析遥感影像解译出的彩色图像，影纹大多呈连片分布的脑状影纹和块状影纹；在研究区的边缘地带，解译出的图像主要为红色和粉红色脑状影纹，与之相对应的丹霞地貌景观类型为石峰；而中部则出现突出的网格状影纹，区域内丹霞地貌景观以石墙、石壁为主要类型。通过对遥感影像的全面分析，发现丹霞地貌发育集中的地点共计18处。

5 结 论

（1）建立丹霞地貌遥感解译标志，通过对研究区域遥感影像的解译识别出3处成明显区块分布的发育区，既存在石梁、丛峰、峰丘、孤峰等宏观景观，同时也发育有石寨、石峰、石墙、石柱等微观景观。整个研究区内地貌类型发育全典型，多样，完整；

（2）将鄂尔多斯盆地西南缘发育的丹霞地貌总结为五类特征影像：斑块状影像、圆丘状影像、脑状影像、栅格状影像、网格状影像，用于丹霞地貌景观类型的分辨；

（3）不同区域丹霞地貌的形成受控于各自的构造运动和沉积演化，因此在遥感影像上具有不同的特征。铜川照金-香山地区的遥感影像中圆丘状影纹出现最多，区域内丹霞地貌主要以石寨、石峰为主；平凉崆峒山地区遥感影像呈现圆丘状和格状影纹的集中分布，且单个区域面积相对较大，固原火石寨地区边缘地带的遥感影像呈现脑状影纹，对应石峰丹霞地貌特征，而区域正中则呈网格状，丹霞地貌以峰林等为主要特征。大尺度的风化作用与岩石中矿物微观化学风化作用存在密切联系[10]。

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Characteristics of Remote Sensing Images of Danxia Landform in Southwestern Margin of Ordos Basin

YAN Ying1, YANG Wang-tun1,2*, WANG Zi-yao1

1.710061,2.710061,

The southwestern margin of the Ordos Basin is a transitional area between Chinese northwestern and southeastern in Danxia landform, where regarded as a represent of the Danxia landform development zone in China. By interpreting the remote sensing images in this area, the interpretation characteristics of different colors and patches were established as interpretation signs to conclude to 5 kinds patterns of Danxia landform remote sensing images, concentrated three zones in development were interpreted and analyzed on types and distribution rules of Danxia landform landscape from the formation mechanism perspective, respectively.

Remote sensing interpretation; southwestern margin of Ordos Basin; Danxia Landform; formation mechanism

P407.8

A

1000-2324(2018)05-0889-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.034

2017-10-10

2017-10-26

国家自然基金项目:秦岭森林景观与生态系统服务时空演变研究(31070664);秦岭火地塘森林景观土壤微生物空间格局(31670549);长安大学中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(310823170433)

闫颖(1975-),女,博士研究生,主要从事地质遥感解译等方面的研究. E-mail:yanyingasd123@126.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:wangtun@chd.edu.cn