福建沿海高植被覆盖区构造地质遥感解译应用研究

林 敏

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，武汉，430074；2.福建省地质调查研究院，福州， 350013)

自20世纪70年代起，受益于传感器技术、航空航天技术以及计算机技术的飞速发展，遥感技术突飞猛进，遥感影像的空间、时间、光谱分辨率也越来越高[1-4]，其在国土资源调查监测及空间利用规划、灾害调查、生态环境监测、地质矿产资源等行业都得到了广泛应用[5-7]。充分发挥遥感技术方法在区域地质调查中的作用，不权有效节省人力成本提高工作效率，而且对区域地质背景和控矿规律研究具有重要作用[8-12]。特别是在我国东南沿海植被高覆盖地区，利用构造地质遥感技术方法解译线性构造和与火山构造有关的环状、放射状构造[13-16]，对断裂和火山机构的预判起着至关重要的作用[17-20]。此次依托福建1∶5万佛昙赤湖、港尾幅等3幅区调项目选择美国LandSat-7卫星多光谱数据进行分析研究，通过2014年、2001年2时相影像数据的比对分析，发现2001年时相影像数据更能客观反映研究区的地质背景，有利于该次区域地质遥感、构造地质遥感解译工作的开展。此次研究选用影像编号为LE71190432001063EDC00，轨道号为119/043(行/列号)，影像采集时相为2001-03-04，多光谱/全色波段的空间分辨率分别为30/15 m。研究区影像云、雪等的覆盖量小于全区面积的5%，其质量精度满足工作要求及相应的规范标准[21-25]。

1 高植被覆盖区特征影像组合选择方法研究

在利用遥感数据提取地物信息时，通过分析尽量少的数据就可以提取到有效信息，从而提高效率[26-28]。因过多的影像和其他辅助数据同时参与地物信息提取与分类，会影响对地物信息提取的精度[29-30]。因此，在众多的特征影像中选取最佳波段组合是遥感信息提取与分类过程中必要面对与解决的关键问题之一[31]。研究区位于我国东南沿海植被高覆盖地区，地表植被覆盖率高的地区超过70%，且其地形(地貌)以及地表环境受人类活动影响改变强烈，因此对研究区的特征影像组合开展分析，进而得到最佳波段组合[32-34]。遥感特征影像组合方法选取模型，通常可分为影像物理意义分析法和定量分析法。

1.1 物理意义分析法

基于对遥感影像光谱物理意义了解的基础上，依据研究区的地物光谱特性来定性选择特征影像组合方法。知悉研究区分布的各种地物类型，了解其空间分布范围，获得各类地物的实地高精度光谱信息，要提取多种地物信息则需制定相对应的特征影像组合方法[35-37]。

1.2 定量分析法

对影像组合的选择建立在“量”的基础上，并可以对影像组合进行优劣排序，常用的方法有最佳指数因子法(OIF)、雪氏熵值法以及基于类间可分性的影像选择方法等[38]。研究选用最佳指数因子法确定研究区的影像最佳组合波段。其计算公式如下。

式中：Si为第i个波段的标准差；Rij为第i、ij波段的相关系数。

由于影像数据的标准差S越大，所包含的信息量越大；而波段间相关系数R越小，表明各波段影像数据的独立性越高，信息的冗余度越小；因此OIF值越大，则相对应的影像组合信息量越大，说明该组合方案最优。对含有n个波段的影像数据，通过计算其相关系数矩阵，再分别求出所有可能的3个组合波段对应的OIF值，对OIF值按照大小顺序排列，即可选出最优组合波段。

1.3 定量分析法影像组合选择

在进行OIF计算前，对获取的遥感影像融合预处理，包括大气辐射校正和几何精校正等，利用研究区的标准图框对影像进行裁剪切割，最终获得研究区的遥感影像底图[39-40]。通过计算，研究区影像的各项数据统计结果(表1～4)。

表1 研究区LandSat-7影像基本信息

表2 研究区LandSat-7影像协方差矩阵信息

表3 研究区LandSat-7影像相关系数矩阵信息

表4 研究区LandSat-7影像OIF值统计

续表4

通过上表计算得知研究区影像OIF值最大的为波段5/4/1组合，其次为波段7/4/1组合。而在LandSat-7影像中波段5为短波红外波段，位于2个水体吸收带之间，其对植物、土壤、岩石水分含量敏感；而波段7为短波红外波段，是专为地质调查追加的波段，其对岩石、特定矿物反应敏感，主要用于识别岩石类型、岩矿蚀变带及土壤黏土矿物类型等。因此，综合分析研究区影像的OIF值以及LandSat-7影像各波段的用途因素，考虑到该次研究主要目的为提取研究区的岩性、构造、蚀变等地质信息，采用波段7/4/1组合比波段5/4/1组合更适宜此次研究。因此波段组合方法并不限于以上方法，提取不同的地物信息时，采用的波段组合方法也不尽相同。

通过对LandSat-7数据的多光谱波段与全色波段(8)进行NND(the nearest neighbor diffusion pan sharpening algorithm)融合，及2%的线性拉伸等增强方法，最终形成研究区1∶5万的LandSat-7假彩色影像底图(空间分辨率为15 m，采用7/4/1波段进行彩色合成)。影像色彩层次较丰富、反差适中，基本能反映地貌特征、地层特征、岩浆岩形态及线性构造等，可识别出岩浆岩、地层、线性构造及第四纪等不同地质填图单元。经以上增强处理方法，影像质量及精度满足1∶5万遥感地质解译的要求[24]。

2 线性构造遥感解译

2.1 线性构造解译标志

区内线性断裂构造发育，可解译程度高，在影像上反映为直线或弧形线性特征；水系特征常表现为直线、折线型的河流与沟谷，串珠状展布泉水、湖泊；格状、角状、平行状水系；河流呈肘状和直角状拐弯等。地貌特征常表现为陡崖、陡坎、三角形山端面连续延伸或直线展布；山体切割，山脊错动和山梁鞍部直线分布等。如深土镇一带受平潭—东山断裂构造控制，在山体低洼处形成了一系列呈北东向狭长带状展布的湖泊，如东风水库、东平水库等。在鸟咀寨至山美水库一带以南，山体被断裂切割呈东西宽700～800 m的较规则格子状，山间谷地狭长平直，沟谷宽度多在20 m左右。区内中北部几个较大的湖泊、水库受断裂作用，整体表现为狭长形，同时受北东、北西向等多组断裂影响，河流湖泊拐弯处多为肘状和直角状，其单体形态则又不尽相同，如前线水库近似“工”型、石过陂水库为“F”型、赤兰溪水库为“七”字型等。

2.2 解译成果

通过遥感解译结果，在研究区内共解译出60余条大小不等断裂构造(照片1)，总体构造 线以北东向(F1、F8、F12)、北西向(F2～F5、F7、F11)断裂为主，南北向(F6、F10)、东西向(F9)断裂次之；区内4组断裂相互交错切割，构造关系复杂。区内发育的主要断裂有北东向的平潭—东山构造带(F1)、北西向的九龙江断裂带(F2)等。根据断裂的空间展布、性质等特征将区内遥感解译的断裂初步分成12组，其中断裂F1至F5延伸长、规模大、切割较深，为区域性主干断裂；断层F6至F12延伸短、规模小或为区域主干断裂的分支断裂，为区内一般性断层。

照片1 研究区区遥感解译构造格架图(LandSat-7影像 7/4/1+8波段组合)Photo.1 Remote sensing interpretation framework in the study area (LandSat-7 Image 7/4/1-8 band combination)

2.3 野外验证

对遥感解译的线性构造进行了野外实地验证，其中对遥感解译的主干断裂进行了验证，确定了各断层性质、空间展布、产状等，重点验证了港尾—湖西北东向断裂(F1-A)和水尾北西向断裂。港尾—湖西北东向断裂遥感影像特征(照片2-a)，解译标志为不连续线状负地形，局部两侧影像影纹截然不同，线状水系沿构造分布；野外实地验证该断裂带发育于研究区中部港尾、马坪、中信山、东平一带，验证点为D6602等10个地质点，由一系列规模不等、近平行的断层组成，走向30°～50°，倾向南东或北西，倾角50°～70°，长约35 km，以张性正断层为主(照片2-b)，后期岩脉侵入。水尾北西向断裂遥感影像特征(照片3-a)，解译标志为具不连续的线状负地形，东侧被北东向断裂所限，具明显线状深色影纹，局部经过冲沟拐折点。野外验证点为D3199，断裂带宽约3 m，总体产状215°∠65°，破碎带中劈理发育，裂面摩擦痕、拉伸痕发育。石英脉沿构造裂隙产出，脉宽2～5 cm，特征表明构造为右行压扭断裂带(照片3-b)。

照片2 港尾—湖西北东向断裂(F1-A)遥感影像特征(a)及野外验证图(b)Photo.2 Remote sensing image features (a) and field verification map (b) of Gangwei-Hubei Northwest-East fault (F1-A)

照片3 水尾北西向断裂(F7-5)遥感影像特征(a)及野外验证图(b)Photo.3 Remote sensing image features (a) and field verification map (b) of Shuiwei Northwest fault (F7-5)

研究区遥感地质解译分析发现，研究区自西北至东南，构造特征与地形(地貌)类别联系紧密，因此依据构造组合样式、地形(地貌)等特征，以平潭—东山构造带的主干断裂(F1-A、F1-B)为主要界线，将研究区的构造自西向东、自北向南分为3区6带。3区分别为低山区(Ⅰ)、丘陵河谷区(Ⅱ)、滨海平原区(Ⅲ)，6带分别为大瑁山—大湖山一带(Ⅰ1)、石凤山—岩山一带(Ⅱ1)、扬美水库—岭脚新村一带(Ⅱ2)、岭脚新村—东平水库一带(Ⅱ3)、太武山—下仓水库一带(Ⅲ1)、下仓水库—山美水库一带(Ⅲ2)。其中低山区为南北向低山中部夹丘陵，其间主要发育北西向断裂(F2-B、F3、F4、F7)与近南北向断裂(F6)。在大瑁山—大湖山一带(Ⅰ1)，北西向、南北向断裂切割低山多形成狭长平直的沟谷，在丘陵地区则多发育串珠状的泉水、湖泊；该带内北西向、南北向断裂至平潭—东山构造带的主干断裂(F1-B)截止，未切穿F1-B。丘陵河谷区主要为丘陵夹河谷盆地地貌，在岭脚新村—东平水库海拔有所抬升形成低山，该区以平潭—东山构造带的主干断裂(F1)为界与东西两侧构造区相邻。北部石凤山—岩山一带(Ⅱ1)，北西、南北向断裂的构造行迹在遥感影像上较为明显，主要控制湖泊、泉水的空间分布，而北东向断裂的线性行迹在影像上不明显，说明北东向断裂在该区内后期活动较弱。扬美水库—岭脚新村一带(Ⅱ2)则主要发育北东向断层，构造特征相对简单。至南部岭脚新村—东平水库一带(Ⅱ3)地势隆起，为低山地貌，北东向、北西向断裂活动强烈，构造行迹明显，在影像上以形成北东向、北西向的串珠状湖泊、泉，且2组断裂交互切割山体，形成典型的网格状切割影像特征。研究区东部濒临台湾海峡，地貌主要为滨海小平原、滩涂、岛礁，除北部、南部低山地区外，主要发育第四纪的冲洪积-海积砂土、砾石以及新近纪佛昙组玄武岩。该区低山地带太武山—下仓水库一带(Ⅲ1)构造活动相较滨海平原区强烈，构造行迹明显，主要发育北西西向(F2)、北西向(F11)、北东向(F2、F12)断层；滨海平原区(Ⅲ2)构造活动相对较弱，构造行迹在影像上不明显。

平潭—东山构造带呈北东向平行海岸线分布，其规模较大，是一条区域性断裂带，由一系列高角度韧性断层组成，在不同地段其影像特征不同。在漳浦深土以北，受北东向断裂控制形成一系列狭长状河流或湖泊，如欧塘水库、庙后水库、东风水库、赤岭水库、东坪水库等，呈近平行状等间距分布。此外，区内北东向与北西向断裂活动发育，2组断层切割深土北部低山呈网格状，北东向断裂在影像上表现为近平行状等间距分布的狭长平直的沟谷特征(照片4-a)。在港尾镇一带形成一狭长的新生断陷盆地，盆地北东及南西2侧均受断裂控制，在影像上表现为平直的低山-盆地地貌单元分界线(照片4-b)。区域上在石壁水库一带，受北东向和北西向断裂活动控制，形成多“丰”字形湖泊(照片4-c)。在聚龙山一带，北东向断裂切割山体形成一系列平直细长的沟谷，影像上线性特征明显(照片4-d)。

照片4 平潭—东山北东向构造带不同地段影像特征Photo.4 Image features of different areas of Pingtan-Dongshan NE structural belta—深土镇一带影像特征；b—港尾镇一带三维影像特征；c—“丰”字形湖泊影像特征；d—聚龙山段影像特征

九龙江断裂一般指沿九龙江下游发育的北西向延伸的深大断裂，向东南延伸，经厦门岛后进入台湾海峡，全长400 km，宽大于10 km。漳州九龙江下游的西溪和北溪2条支流的两岸，均由多条北西向断裂组成，在江东桥附近，断层面上擦痕清晰，多次活动的迹象明显，其中九龙江断裂西溪部分切穿研究区北部，后进入台湾海峡。区域上，九龙江断裂在江东桥附近新村—倒马城一带，其影像特征主要表现为一系列小型湖泊呈北西向串珠状展布，如大坑水库、天成水库、狮岩水库、鬼仔坑水库等均呈狭长状展布，整体则呈北西向带状发育。受断裂带控制，北溪、马洋溪在多个地段发生截弯取直呈北西流向。在研究区北部及外围浮宫镇—东坑园一带，九龙江断裂带的典型影像特征主要表现为一系列小型湖泊呈北西向串珠状展布以及不同地貌间形成的明显分界线。如溪东水库与伍风山水库、院前水库在空间位置上分别与东坑园前线水库的北部、南部相连呈北西向线状展布，在寨仔以北牛围水库、雁石水库、小暗水库等呈串珠状的北西向分布，受九龙江断裂带控制影响，龙海平原在浮宫镇—港尾镇一线与南部的低山形成一明显的北西向直线状地貌分界线。

3 环状构造遥感解译

3.1 环形构造解译标志

区内环形构造较为发育，在影像上主要表现为由色调、水系、影纹结构等标志显示出的近圆形、空心的环形或未封闭的弧形等形态，其影像特点主要通过微地貌和影像色调异常表现出来。如大瑁山地区的环形构造H1在影像上主要表现为山顶呈浅褐色的圆形，而与周边山体的翠绿色明显区别；岭头地区的环形构造H3虽然颜色上与周边地物区别不大，但其边界处发育的弧形沟谷和湖泊特征明显。

3.2 解译成果

研究区区域上属我国东南沿海环太平洋火山活动带的一部分，晚侏罗世-早白垩世时期是一个安第斯型活动大陆边缘，火山活动十分频繁。通过遥感解译共解译出6个环形构造，其成因与火山喷发活动及岩浆侵入活动密切相关。区内环形构造形态较为简单，既有单个的环形构造(封闭、未封闭)，也有2个或多个规模相近的环形构造互相作用形成的多环复合形态，包括切接式、大环包小环式发育。此外，与环形构造配套的环形断裂及放射性断裂在研究区内较不发育，局部可见围绕环形构造形成的小型水洼地或湖泊。通过遥感共解译出6个环形构造，并进行了野外验证，验证发现H1、H5、H6、H7等4个环形构造成因上与火山喷发中心有关，H2、H3 2个环形构造成因上则与岩浆侵入活动相关。如大瑁山环形影像(H1)，直径3 km，解译标志为平面形态近圆形(照片5-a)，主要由弧形沟谷组成，放射状构造较发育，初步解译为火山机构；野外验证为火山喷发中心(照片5-b)，主体地层为南园组，火口外围爆发相、喷溢相、呈环形，喷发-沉积相呈弧形展布，火山通道被流纹英安质角砾晶屑熔结凝灰岩占据，环状断层发育，放射状水系发育。岭头环形影像(H3),直径2.5 km，解译标志为环状构造，平面形态近圆形(照片6-a)，主要由弧形沟谷组成，发育2层环形构造，内部构造发育较差。野外验证为早白垩世侵入岩出露(照片6-b)，主体为中细粒花岗岩、细粒花岗岩、含斑细粒花岗岩，中心出露细粒花岗岩，呈近圆形，中细粒花岗岩、含斑细粒花岗岩呈环状在外围出露，放射状构不发育。

照片5 研究区大瑁山环状构造(H1)遥感影像特征(a)野外验证地质图(b)Photo.5 Remote sensing image characteristics (a) and verified geological map (b) of the Damaoshan annular structure (H1) in the study area

照片6 研究区岭头环状构造(H3)遥感影像特征(a)及野外验证地质图(b)Photo.6 Remote sensing image characteristics (a) and verified geological map (b) of the Lingtou annular structure (H1) in the study area

4 岩石地层单元遥感解译

4.1 地层界线解译标志

研究区内地层出露简单，主要发育侏罗纪南园组、中新世佛昙组以及第四系等地层单元。遥感解译标志是某一填图单元具代表性的遥感影像特征，是开展全区地质解译的基础和标准，在整个解译工作中具有控制和指导作用。不同的填图单元由于岩石组合不同，影像特征在色调、形态、纹理、地貌以及水系上均有不同的特点，可建立不同的遥感解译标志。以 LandSat-7 7/4/1-8波段经NND融合的假彩色影像底图为基准影像，通过色形纹貌等特征建立了区内出露较好的岩石地层单元的遥感解译标志，如南园组第二段影像为浅粉红色夹杂褐色(照片7)，块状影纹，树枝状水系发育，岩石片理化强烈，在影像上表现为碎块，表面粗糙，沟谷细密短小；南园组第三段影像为浅褐色夹杂浅粉红色(照片8)，块状影纹，多发育树枝状水系，植被覆盖厚，沟谷较长，切割较浅。

照片7 研究区南园组第二段遥感影像特征及野外验证地质图Photo.7 The characteristics of remote sensing images and the verified geological map in the second section Nanyuan formation of the study area

照片8 研究区南园组第三段遥感影像特征野外验证地质图Photo.8 The characteristics of remote sensing images and the verified geological map in the third section Nanyuan formation of the study area

4.2 解译成果

对解译的全新世长乐组、更新世龙海组、新近纪佛昙组、晚罗世南园组等地层界线，经验证与野外实地调查界线大致吻合。

5 侵入岩遥感解译

5.1 侵入岩体解译标志

与成层岩系相比，花岗岩类多呈块状，内部无层理显示，边缘不规则，多发育树枝状水系，由于裂隙发育和植被的影响通常呈暗色调。受差异风化常形成下列地形地貌：①具有环形影像特征的穹状山丘，或在中低山地区内出现带有剥蚀残丘的丘陵盆地；②较特殊的影纹图案(如粗斑状、姜块状、鸡爪状)；③由丁球形风化和节理对冲沟、小水系发育的控制，钳状-树枝状、菱格状-树枝状以及放射状、环状水系发育。对出露规模较大的中酸性侵入体可研究其水系类型、密度。一般花岗岩类侵入体具有典型树枝状水系的影像特征，但这通常表现在地表出露面积大、没有经过后期构造改造或改造较弱的侵入岩体中。通常大多数侵入岩体都有受后期构造活动改造的特点，如岩体发育定向的节理、劈理带。因此通过侵入岩体构造变形和水系异常形态的对比分析，确定不同类型侵入岩体的构造变形特征，并以此为依据划分侵入岩体，比单独比较水系形态更为有效。

区内主要发育晚侏罗世、早白垩世侵入岩，岩性以花岗岩为主。受工作植被覆盖厚、分布广、发育密等因素影响，此次遥感解译在侵入岩方面的解译较为粗略，以下仅对研究区出露较好、影像特征较明显的岩体作简单介绍。花岗闪长岩影像特征为浅肉红色，为蠕虫状、斑块状影纹(照片9)，受断裂影响，整体呈北东向延伸，多分布在河谷盆地中或形成丘陵地貌，发育树枝状水系，沟谷较短小，不甚发育；正长花岗岩影像特征为浅肉红色夹杂浅棕色(照片10)，斑块状影纹，树枝状水系发育，沟谷细密短小较平直，切割不深，多形成低山地貌。

照片10 研究区正长花岗岩影像特征Photo.10 Imaging features of syenite granite in the study area

5.2 解译成果

侵入岩经野外实地验证和同位素年龄的测定，晚侏罗世花岗闪长岩验证为早白垩世花岗闪长岩，晚侏罗世正长花岗岩验证为早白垩世早期正长花岗岩，早白垩世正长花岗岩验证为晚白垩世正长花岗岩和晚白垩世晶洞花岗岩，早白垩世二长花岗岩验证为早白垩世晚期二长花岗岩。

6 结论

(1)综合分析研究区影像的OIF值以及LandSat-7影像各波段的用途因素，认为采用波段7/4/1组合相较波段5/4/1组合更适宜高植被覆盖区的遥感解译，其在解译线性构造和环形构造方面表现突出。

(2)研究区共解译出60条大小不等断裂构造，以F1为界，将研究区构造分为3区6带。解译出6个环形构造，野外验证发现4个环形构造成因上与火山喷发中心有关；2个环形构造成因上与岩浆侵入活动相关。

(3)较好得解译出全新世长乐组、更新世龙海组、新近纪佛昙组、晚侏罗世南园组等地层单元，经野外实地验证，遥感解译界线与野外调查界线大致吻合。

(4)解译出晚侏罗世花岗闪长岩和正长花岗岩、早白垩世正长花岗岩和二长花岗岩的界线。经野外验证和结合同位素测定，晚侏罗世花岗闪长岩验证为早白垩世花岗闪长岩，晚侏罗世正长花岗岩验证为早白垩世早期正长花岗岩，早白垩世正长花岗岩验证为晚白垩世正长花岗岩和晚白垩世晶洞花岗岩，早白垩世二长花岗岩验证为早白垩世晚期二长花岗岩。