[科普中国]-地质遥感

发展情况

地质遥感是遥感技术在地质领域里的应用。是随着遥感技术的发展和地质工作应用和服务范围的不断扩大而迅速发展起来的一门新学科，其发展大致经历了两个阶段。首先是1962～1972年美国使用机载红外扫描仪和红外摄影机、天空实验室进行遥感地质勘测的实验阶段；其次是1972年以来的应用研究阶段，从1972年到80年代初，美国发射了陆地卫星(Landsat)l～3号，地质工作者使用陆地卫星、天空实验室和航空三级平台遥感图像数据，探索和评价遥感资料的地质效果，进行地质遥感基础理论研究、室内和野外各种岩石、矿物的波谱曲线实测。随着遥感数据从陆地Landsat MSS向I如dsat TM、SPOT、HRV的发展及空间分辨率和光谱分辨率的提高，遥感的地质分析能力也不断提高。在数据处理方面．由于微机技术的发展，使模拟机处理功能增强和数字图像处理技术有所普及和通用化；由于采用了电子光学机械设备，特别是计算机图像数字处理软件系统的定性定量解译方法，利用图像自动识别与分类技术进行岩类划分，利用波段比值图像处理技术找矿，在地质效果方面研究线性要素与断裂构造的关系效果颇佳，另在普查矿产、发现油气田、区域地质和水文地质调查方面都取得良好效果。2

由于遥感技术在地质上的应用，使地质工作者能够概观地球全貌，从而对研究和认识整个地壳的结构构造及其发展演化趋势提供重要资料依据；提供更优质的基础图件；多快好省地完成地质找矿任务，并改变常规地质工作方法、程序和相应的规范；应用于战略规划直到解决实地地质问题、研究大范围的地质课题探讨新的地学理论；快速、方便和可重复原地观测的优点，可研究各种地质动态，进行地质灾害调查和预测。另外，在目前和看得见的将来，遥感还只能反映地面信息，因此，在地质找矿方面的应用还必需与物探、化探，地质和其他方法综合运用，建立各种矿产、岩石、构造或其他地、物的遥感和物、化探加地质等的模型或模式，由已知推测未知，更好地发挥其在地质找矿方面的潜力。2

特点及应用范围在地质工作中，地质工作者们经常需要对一些地区进行全面的野外调查和研 究，追溯地质历史和各种地质动力过程，解决地质构造等一系列基础的地质问题，或者探讨成矿条件和规律,为矿产资源的开发提供依据。然而传统的地质考察不仅要耗费大量的人力、物力和时间，而且地质工作者的劳动强度大，进展也很缓慢。 遥感技术的出现给传统地质工作带来了新的改变，卫星传感器可以在短时间内得 到大量的大区域的数据，可以在某种程度上减少野外地质工作者的负担。地质工 作者足不出户就可以得到调査区域的遥感影像并进行分析，从而提髙工作的效率。3

地质工作者在工作中往往需要对诸如植被、地貌、气象等环境因素进行综合分 析，以透过表象提取实质性的信息。遥感图像获取的地面信息正是地面一定范围 内的地物综合信息，反映了大量的地表和浅地表的信息，是对物探、化探和钻探等 手段的一种有效补充，可以说在一定程度上弥补了勘察技术的不足。由于地质遥 感研究的对象复杂多变，而且对地质现象的遥感成像机理认识和探测手段尚未完 全解决，所以地质遥感信息的提取实际上是遥感与地质、地形、地球物理、地球化学 等多种非遥感地学信息综合处理的过程。3

在地质遥感应用中一个使用比较多的技术是髙光谱遥感。高光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，地质也是其应用最成功的领域之一。矿物金属离子 Fe3+、Fe2+、Mn等电子跃迁在可见光、近红外光谱区域形成典型的光谱波形，而矿物中的分子团OH、Si-O等的振动过程在短波红外形成的诊断性的吸收特征是构 成成像光谱识别矿物的理论基础，有助于人们识别不同矿物成分。高光谱数据也 允许通过微分等处理技术提取不同的光谱特征参数，如波段波长位罝、深度和宽 度，以及分解重叠的光谱吸收波段和提取各种目标参数。光谱匹配技术与角度填 图法也是髙光谱遥感在地质中常用的分析技术，用于地质中岩性的识别。3

地质遥感不仅研究矿物质的光谱特性，它在对第四纪松散沉积物、地壳深部的 地质体和构造现象以及隐伏断裂构造的研究中也发挥着重要的作用。这些问题在 传统地质工作中是地质工作者的难题。虽然遥感数据只反映地表和浅地表的各种 地物信息，但这些信息中有一部分是受底下隐伏断裂构造等影响和控制的异常信 息。遥感方法可以快速的发现和识别这些隐伏的地质特征。3

遥感手段的连续性也为地质灾窖的监测提供了有效的手段，如地连对周围环 境造成的破坏和影响，滑坡、泥石流等地质灾害形成过程中地质体的变形和位移 等。遥感手段正是这样一种帮助地质工作者们获取地质现象的动态信息并掌握其 变化规律的可连续观测的方法。3

遥感信息解译遥感图像解译是从遥感图像上获取目标地物信息的过程。目前，遥感地质解译主要包括纯粹的地质专家目视解译和计算机解译。目视解译是指地学专家依据地物目标在遥感图像的波谱、时相、空间等方面特征及所掌握的各种地学规律，采用肉眼观察方式来识别地物目标，采集地学专题的特征信息。其任务是判读出遥感图像中有哪些地物，分布在哪里，并对其数量特征给予粗略的估计。目视解译是遥感图像理解(计算机解译)的基础，不了解影像的地学意义，就不可能得到正确的计算机解译结果。4

如前所述，不同地质体和地质现象有不同的遥感图像特征，其差别缘自岩石的反射光谱特征。遥感信息具有多源性、宏观性、周期性、综合性和量化等特点，其中，能用于识别地质体和地质现象，并能说明其属性和相互关系的图像特征，称为地质解译标志，包括直接地质解译标志和间接地质解译标志。能直接见到的图像特征，如形状、大小、色调、阴影、花纹等，称为直接地质解译标志；而需要通过分析和判别才能获知的图像特征，称为间接地质解译标志。4

由于遥感图像是对一定区域地物的高度综合槪括，能直观、综合的反映地面物 体的特点，所以利用遥感技术方法研究地质构造是地质遥感工作的主要领域之一， 遥感图像经常被用来判断某一地区的地质构造，特别是线形和环形的地质形迹。 常见的地质构造形态单元都有独特的遥感识别标志。3

色调和形态是我们判断地质构造形态的主要依据之一，例如褶皱带中各种岩 性的不同会使褶皱沿构造展布方向呈现不同的光谱信息。断裂构造两侧地质地貌 现象的差异也会使断层两侧的影像色调出现差异。底下一定深度的地质信息，通 过水，土壤和植被等表现，在遥感图像上也会以不同的色调显示出来。

断层崖和断层三角面往往在遥感影像上表现为暗色调，阴影比较明显。断裂 的垂直差异活动往往会形成陡峭的断层崖或发育成排列整齐的断层三角面。断层 崖与断层三角面一般是断裂垂直差异错动的重要标志。断层的垂直高度也可以从 遥感影像上测出。3

水系特征由于在遥感图像上影像清晰，样式突出，易于辨认，是直接反映地球 地壳运动的最主要影响标志之一。如根据河流形态的平面形态变化如弯曲特征可 以判断出断层的平移性质；由于垂直差异显著的断裂带两侧的水系形式常常不同, 活动断裂带往往成为两种水系的转折点，因此我们可以根据水系的形状不同来确 定垂直活动断裂带的存在。如格状水系往往能显示两组直交断层存在的可能。3

洪积扇的标志：由于断裂活动中断裂的两盘往往形成地形反差大的地貌类型, 其中抬升的一盘成为山地，下降的一盘则发育了一系列的洪积扇，根据这些洪积扇 的排列特征，我们可以判断出断裂的存在。

地质构造活动特征点的分布，如火山口、洪积扇顶点、湖河岸线、岛屿、山脉和 平原高原的边界线等的分布，都可以指示线形构造形迹的存在。3

数据处理方法目前，遥感技术作为先进的对地观测手段之一，已经广泛应用于区域地质调查、矿产地质勘查、工程地质勘察、环境地质勘察，以及地质灾害监测和预警中，成为地质信息技术体系的雨要组成部分，并且发展成为专门学科——遥感地质学。遥感地质信息的处理是以地质特征标志和地质模型研究为基础，结合物理手段和数学方法，对所获得的地球表层的遥感数据进行分析、解译，以求获得各种地质要素和矿产资源时空分布特征信息，从而揭示地壳结构、地质构造及矿产资源分布及其发生发展规律的一门综合性技术。在此将简要介绍地质遥感数据的计算机处理方法与应用。4

遥感图像的地质信息处理分为3个层次：①利用计算机完成遥感图像的复原处理，补偿、校正遥感仪器在获取数据过程中产生的误差、畸变和干扰，即遥感图像预处理；②根据各种应用目的，对遥感图像进行增强处理和分类，改善影像的视觉效果和可判识性；③采用人工干预方式，进行机助目视判读，完成目标地物的识别和提取。遥感图像地质信息处理的基本方法是数字图像的数值变换，包括预处理、增强和分类。4

1、遥感图像的预处理

由于各种因素的影响，遥感图像存在一定的辐射量失真和几何畸变现象。预处理就是对原始数据的初步处理，目的是标定图像的辐射度量，校正几何畸变及去除噪声。

预处理主要包括遥感图像的辐射量校正、遥感图像的几何校正等。

2、遥感图像的运算与增强处理

图像增强处理是指借助光学技术或电子计算机技术，来增强感兴趣 地物和周围地物图像间的反差的一种处理技术。两幅或多幅单波段图像，完成空间配准后，通过一系列数学运算，可以使图像更为清晰.目标地 物的标志更为明显突出，更易于识别，从而实现图像的增强，达到提取某 些信息或去掉不必要信息的目的。

图像增强处理也属于空间分析范畴，是指借助光学技术或电子计算 机技术，来增强感兴趣地物和周围地物图像间的反差的一种处理技术。两幅或多幅单波段图像，完成空间配准后，通过一系列数学运算，可以使 图像更为清晰，目标地物的标志更为明显突出，更易于识别，从而实现图 像的增强，达到提取某些信息或去掉不必要信息的目的。4

图像的运算与增强处理的主要方法有彩色合成法、对比度变换法、波段组合法、差值增强法、比值增强法、主成分分析法、图像线性拉伸与直方图均衡化增强法、HIS彩色空间变换法、空间滤波法、掩膜法、多源数据融合法、高光谱遥感地质信息处理等。

3、遥感图像的分类

遥感图像分类是一种按属性特征将图像的所有像元分为若干个类别的技术。对地球表面的遥感图像数据进行属性的识别和分类，可以达到识别图像所对应的实际地物，提取所需地物信息的目的。多光谱遥感图像分类是以每个像元的多光谱矢量数据为基础进行的。遥感图像的特征包括光谱特征和纹理特征，其分类方法有多种，其中基于光谱特征的统计分类法——监督分类、非监督分类，是最常用的方法。4

数据处理的应用1、区域地质调查中遥感信息处理的应用

在区域基础地质调查中，利用遥感图像的宏观视角优势，结合地面实际调查进行多层次的影像地质解译，能够在整体上提高对工作区域地质特征的认识，解决突出的地质问题和与成矿有关的关键问题，加快填图速度，提高成图质量。5

遥感数据的地质解译贯穿于整个调查工作的始终，是一个循序渐进、反复进行和逐级深化的过程。不同卫星的遥感数据，有不同的空间分辨率，应根据任务的比例尺要求来选择。对于1：25万和更小比例尺的区域地质调查，可选用TM、SPOT等的数据；对于1：5万区域地质调查，则应选用航空遥感图像或空间分辨率优于10 m的卫星遥感数据。在一些多云多雨和植被、雪覆盖严重的区域可以选用星载SAR等微波遥感数据，遥感区域地质调查填图工作程序如图5-26所示。5

2、矿产资源遥感信息的处理和处理的应用

矿产资源勘查是一项综合性的系统科学工程，尤其是当今的找矿勘查已进入到深部隐伏矿床的找矿预测阶段，更需要运用地质、遥感、物探、化探等多种方法的有机配合，并对其综合信息进行计算机复合处理，从中提取常规方法难以获取的特征信息和多源数据组合信息。

遥感地质找矿就是在成矿理论指导下，根据遥感影像特征，识别与成矿控矿有关的多个地质信息，如地层岩性、线环形构造、构造交叉部位、蚀变带(岩)以及有关的地貌、土地、植被等相关信息。这些信息往往是十分复杂多变的，难以用确定的亮度值或概率密度函数来描述它们，需要有上述多种方法所获取的信息来配合。5

3、地质灾害遥感信息处理的应用

我国地质灾害种类繁多，主要包括地震、崩滑流(崩塌、滑坡和泥石流)、地面变形(地面沉降、地面塌陷和地裂缝)、水土流失与土地沙漠化、盐碱(渍)化、冻融、海洋灾害(海面上升、海水入侵、海岸侵蚀、海啸、海底滑动和风暴潮)、矿坑灾害(矿坑突水突泥、煤层自燃、岩爆和瓦斯爆炸)、特殊土灾害(湿陷性黄土、膨胀土和淤泥质软土)、水土环境异常(地方病)、地下水变异(浸没、冷浸田和水质污染)和河湖(水库)灾害(淤积、坍岸、渗漏和诱发地震)等。其中地震、崩塌、滑坡和泥石流是发生最频繁、造成损失最直接的几种严重地质灾害。地质灾害具有突发性和巨大破坏性，常常使受灾地区遭受惨重损失。遥感技术可以快速和有效地收集所需的各种灾情资料，而且通过对灾区一定周期内多时相数据的对比，还可以分析灾害发生过程和孕育机制，为防灾减灾提供决策依据。5