遙感在多目標地球化學調查中的應用研究

張華平，劉 麗，王增輝，趙西強

(山東省地質調查院，濟南 250013)

遙感在多目標地球化學調查中的應用研究

張華平，劉 麗，王增輝，趙西強

(山東省地質調查院，濟南 250013)

為豐富地球化學評價相關信息，拓寬地球化學評價研究領域，以常規地球化學調查工作為基礎，利用遙感技術開展了山東省多目標地球化學調查(multi－purpose regional geochemical survey，MPRGS)工作。對比了遙感技術與傳統地球化學調查方法在采樣點布設、樣品采集和質量檢查中的優勢，探討了運用遙感技術進行地球化學評價的理論基礎，歸納了遙感技術在MPRGS中應用的技術流程;并通過幾個應用實例，總結了遙感手段在MPRGS中的技術優勢及不足，為豐富MPRGS的工作手段做出了有益的嘗試。在山東省MPRGS中的應用結果表明，將遙感技術運用到地球化學調查工作中，既可擴大遙感應用研究領域，又能拓寬地球化學研究領域，是今后開展MPRGS的重要工具。

遙感;多目標地球化學調查;地球化學評價

0 引言

從1999年開始，在國土資源部中國地質調查局的領導下，通過省部合作、省獨立調查等多種形式，在全國范圍內逐步開展了多目標地球化學調查(multi － purpose regional geochemical survey，MPRGS)工作。該項工作是以常規地球化學調查為主要手段，遙感、地質等其他方法為輔助手段的一項綜合性基礎調查工作［1］。

地球化學研究證實，不同的地物類別或不同區域的同一地物往往具有特定的地球化學元素或元素組合規律;從理論上講，這些元素或元素組合可以通過不同的地物波譜特征反映出來。結合前人的研究成果可以發現，很多地球化學規律在遙感圖像上往往有一定的表現，因此在充分總結調查區地球化學背景與遙感圖像之間的聯系的前提下，運用遙感技術來指導地球化學調查樣品采集、驗證地球化學調查成果、解釋地球化學異常成因、推測未調查區的地球化學基本背景都是切實可行的。

本文要解決的問題是如何發揮遙感技術的優勢，提高地球化學調查中樣品采集的質量和效率，盡可能地提高樣品的代表性;同時為地球化學評價工作提供更多的相關信息，拓寬地球化學評價的研究領域，在今后的MPRGS工作中逐步取代一些傳統的工作方法和生產方式;并以驗證區地球化學元素分布與遙感圖像波譜特征的對應關系為基礎，對未來的MPRGS工作提出依據和建議。

1 理論基礎

一個地區或一個流域環境要素的質量主要取決于其所處的地質、地球化學背景，尤其是土壤中地球化學元素含量的高低和元素存在形態的變化從根本上受控于自然地質、地球化學作用過程;只是在局部地區，人類活動在某種程度上加速了這種作用的進程，甚至改變了地球化學元素遷移轉化的途徑［2］。地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現，各種地物具有的獨特的波譜特征是遙感技術應用于地球化學評價的基礎。

1.1 土壤波譜特征

根據土壤類型的不同，戴昌達［3］曾對我國4大類型土壤的光譜反射曲線劃分進行了研究，由圖1可見自然狀態下的土壤波譜沒有明顯的峰谷值。土壤的波譜特征還會受土壤顆粒大小、有機質含量、水分含量及部分化學元素(如Fe3+，Fe2+等)含量的影響，在遙感圖像上都會有不同程度的反映。

圖1 四種土壤的光譜反射曲線［3］Fig.1 Spectral reflectance curves of the four kinds of soil［3］

1.2 巖石波譜特征

礦物成分是決定巖石波譜特征的最重要因素，許多主要造巖礦物沒有明顯特殊的波譜特征，巖石內次要成分或蝕變礦物的波譜特征則居于突出地位［4］。巖石的風化程度、含水量、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等也會對巖石波譜曲線的形態產生影響［5］。圖2揭示，常見礦物在近紅外光譜段的波譜差異性更大，因此在該波段不同巖石的遙感影像特征有更加明顯的差異。

圖2 常見礦物近紅外光譜［6］Fig.2 Near － infrared spectrograms of the common minerals［6］

1.3 植被波譜特征

植被的反射波譜曲線主要分為3段，在可見光波段的0.55 μm處有一個小的反射峰，在其兩側的0.45 μm 和 0.67 μm 處有2 個微弱吸收帶，同時，植被也會因為根系吸收了地下某些化學元素而改變其波譜特征。圖3是馬躍良［7］在廣東省河臺金礦區和背景區測試的馬尾松的典型光譜反射曲線。

圖3 馬尾松葉片的反射率曲線［7］Fig.3 Spectral reflectance curves of the leaves of Pinus massoniana［7］

1.4 地物波譜特征與元素地球化學異常的關系

基于地物波譜特征進行元素地球化學異常的探索還處于起步階段，但研究地物波譜特征與某種元素或某些元素地球化學異常關系的成果還是比較多的。例如，李巨寶等［8］研究發現，根據土壤反射光譜可以預測土壤中 Fe，Zn，Se等3種元素的含量;劉圣偉等［9］通過反演表征植物生理狀態的光譜特征參數(紅邊位置和最大吸收深度)變異，提取了與污染相關的信息;劉苗等［10］探索了應用遙感方法進行Cu元素地球化學異常研究的可行性，并取得了較為滿意的結果。上述研究表明，地物波譜特征會因某些地球化學元素含量的改變而改變，這些改變均會在遙感圖像上表現出來，至少會有“微弱反映”［11］。

2 遙感應用技術流程

遙感在MPRGS工作中的應用主要是在樣品采集、地球化學異常成因分析及異常查證等幾個階段。MPRGS工作中除了常規的遙感手段如遙感圖像的收集、校正、鑲嵌、定義訓練樣本、監督分類以及人工解譯以外，還需根據該項工作的特點和需要，做一些特殊的處理。根據遙感應用的實際情況，歸納出遙感應用于MPRGS的技術流程(圖4)。

圖4 遙感應用于多目標地球化學調查技術流程Fig.4 Flow chart of RS application in MPRGS

為了滿足MPRGS工作的需求，需要注意以下細節問題:①遙感圖像的選擇應從地球化學調查取樣和特征波譜信息提取2個方面考慮:地球化學調查取樣、異常成因分析及異常查證需要空間分辨率較高的數據(以空間分辨率優于5 m為宜);考慮到土壤樣品采集的密度為1個/km2，用于特征波譜信息提取圖像的空間分辨率不需要太高(TM遙感數據是不錯的選擇)。②遙感圖像需糾正到與MPRGS工作統一的坐標系統下;采樣底圖需要制作成1∶5萬比例尺的標準分幅圖像;用于波譜特征提取的圖像，只有對同一時相的圖像才能進行鑲嵌，否則不要進行鑲嵌，以免造成圖像信息的損失和解譯的錯誤［12］。③遙感圖像監督分類中定義訓練樣本時，應兼顧代表性和完整性，并盡量使訓練樣本在光譜空間中具有一定程度的間隔［13］;對分類結果圖像中出現同類地物中夾雜著零散分布的異類地物的不一致現象(表現為類別噪聲［14］)，還需要通過人工解譯進行適當的綜合和修正。④將遙感圖像、解譯成果等轉換到MapGIS軟件平臺下，對比地球化學調查成果數據，便于綜合研究。

3 遙感技術在樣品采集中的應用

在MPRGS工作中，野外調查的核心問題是樣品采集。采樣物質的基本要求是具有代表性，布點的原則需兼顧均勻性和合理性。樣品采集點布設、樣品采集和質量檢查3個環節決定了樣品采集的質量。

3.1 采樣點布設

根據中國地質調查局制定的相關地質調查技術標準［15］和MPRGS工作實際情況，合理布置樣品采集點對于地質調查成果質量具有極其重要的意義。一方面，合理的布點可以使采樣點位盡可能分布均勻，增強樣品的代表性;另一方面，可以通過布點控制采集樣品的質量，減少移點情況發生的概率，提高采樣工作的效率。

以表層土壤樣品采集點的布設為例，以往常規布點方法是以1∶5萬比例尺地形圖為基礎，根據圖面信息進行采樣點布設。該方法最主要的弊端就是地形圖比較陳舊(一般為20世紀70—80年代測制的)，與現勢情況差異很大。很多布設的采樣點位置在舊地形圖上還是農業用地，而實際上有很多都已成為建設用地或其他用地，若這種情況出現較多，就失去了采樣點布設的初衷和意義。

以現勢性較強的中高分辨率遙感圖像為基礎布設采樣點，可以避免上述情況，并使采樣點布設更加合理。如圖5所示，在原地形圖(圖5(左))上本來布設得很合理的采樣點(紅色圓點)，在近期的IRS－P6圖像(圖5(右))上卻明顯看出由于土地利用類型的變化已變得不合理，表明若以遙感圖像為基礎布設采樣點，就可以避免這種情況的發生。

圖5 地形圖(左)與IRS－P6圖像(右)采樣點布設對比Fig.5 Comparison between sample placements based on topographic map(left)and IRS－P6 image(right)

3.2 樣品采集

在土壤樣品的采集過程中，目前采用的主要方法是以手持GPS為導航工具，根據GPS顯示的坐標，人為換算到地形圖上來判斷自己的位置，再通過人機互換方式來尋找預先設置的采樣點位(圖6(左))，過程比較繁瑣。

圖6 GPS(左)與PDA(右)導航效果對比Fig.6 Comparison between navigation effects of GPS(left)and PDA(right)

將制作好的遙感圖像(帶布設采樣點)直接導入PDA(personal digital assistant，個人數字助理)掌上電腦或者具有PDA功能的GPS，經過糾正后，即可直接利用PDA進行導航，該設備可以實時地將采樣人的當前位置轉換到遙感圖像上(圖6(右))，提高采樣工作的效率和質量，同時也降低采樣人員的工作強度。

3.3 質量檢查

MPRGS對采樣工作要求十分嚴格，常規的采樣質量檢查一般包括自檢、互檢和抽檢，將遙感技術應用到質量檢查中，可以大大提高檢查工作的廣度、效率和質量。如目前抽檢方法是隨機挑選一定數量的采樣點進行野外實地檢查，剩余的大多數采樣點則是根據地形圖來判斷其采樣的合理性。若將所有的采樣點全部投影到近期獲取的遙感圖像上，即可根據采樣點的影像特征判斷采樣點是否合理;對于不能直接判斷的采樣點，可以進行外業實地核實，既能全面檢查樣品采集的合理性，又使野外核查有的放矢、檢查效率明顯提高。

4 遙感技術在地球化學評價中的應用

4.1 地球化學異常圖評價

地球化學樣品經化驗形成的數據是離散數據，看起來不直觀，不便于開展地球化學評價，因而需要將這些數據根據數學模型繪制成地球化學等量線圖。常用的方法是對原始數據進行網格化(生成GRD數學模型)。同樣的數據，利用不同網格化方法生成的GRD模型繪制的地球化學圖會有一定的差異［16］。

以往都是根據經驗來判斷哪一種方法繪制的地球化學等量線圖更好，而沒有客觀的衡量標準或參照物。遙感技術的引入可以解決這個問題。將遙感解譯成果和不同方法生成的圖件進行套合，套合程度較高的，可認為該圖與實際情況更為接近，最后便可選定某種方法生成的圖件作為地球化學評價的依據。

4.2 地球化學異常成因分析

將遙感圖像、解譯成果和表層土壤樣品數據生成的化學元素異常圖以及樣品采集點位等其他因子綜合在一個平臺下，借助遙感圖像中豐富的地理、地貌和地質信息，分析地球化學元素異常的形成原因，對異常進行分類，并初步判斷形成異常的源頭，達到對異常進行快速、合理評價的目的。

以山東省MPRGS實際工作為例，說明利用多因子綜合分析進行地球化學異常成因分析的優勢。圖7為遙感圖像與地球化學元素異常對比圖。

圖7 遙感圖像與地球化學異常圖對比Fig.7 Comparison among RS image and geochemical anomaly maps

對地球化學異常成因的分析有以下幾種情況:①遙感影像的色調與地球化學元素的異常呈現相關性，可初步認定為因自然因素造成的異常。圖7(a)中解譯界線內的影像色調基本一致，圖7(b)和(c)的地球化學元素異常圖中紅色的程度代表元素含量高的程度，藍色的程度代表元素含量低的程度，其中Ni，Co，Cr，Cu，MgO 等近 20 種金屬元素及物質含量偏高，Ti，Ba，Rb等近10余種元素及物質含量偏低，表現出高度的一致性;②遙感影像色調一致但與其對應的局部地球化學元素不存在異常。如圖7右下中間一塊較小的解譯圖斑在地球化學異常圖中的對應位置上并未出現局部異常，經核實主要原因是該解譯圖斑較小，地球化學調查精度未能反映出該局部異常;③遙感圖像色調基本一致區域出現一種或幾種元素及物質表現的異常，該情況多為人類活動因素所造成。如圖8所示，僅有Se，Mo等少數幾種元素及物質在該處有含量異常，Se元素形成近乎圓形的異常區且中心異常富集(圖8(a))，這與該區的特殊地理位置相關。從區域TM圖像(圖8(b))中可以看出，該區地勢十分平坦，地表土壤富含水分，圖像光譜特征與周圍基本一致(無異常)，中心有工礦活動(圖8(c)，即圖8(b)中黃框圈定的區域);并且在圓形異常區的外圍，元素含量猛然下降，故初步判斷該圓形異常區是人為活動所致，且異常源為圖中心的工礦區。

圖8 人為地球化學異常與遙感圖像對比Fig.8 Comparison among anthropogenic geochemical anomaly map and RS images

4.3 地球化學異常查證

地球化學異常查證的主要任務是:復核異常是否存在，了解異常的地質、生態環境，初步查明引起異常的原因，判定異常的類別，初步追蹤異常源，為MPRGS資料的推斷解釋、區域生態環境質量評價、農業區劃、資源潛力預測等提供依據，為區域生態地球化學評價工作部署提出具體建議。

在地球化學異常查證中引入遙感技術手段可以解決以下問題:①能充分利用遙感圖像的直觀性了解地球化學異常所處的地質、生態環境，根據實際情況確定需要查證的地點以及查證的工作方法。如圖7中引起地球化學元素異常的原因是地質背景造成的，根據遙感影像特征判斷3處異常形成的原因完全一致，因而可以只選擇其中的一部分進行野外查證，以提高工作效率;②通過遙感圖像中豐富的信息找到地球化學元素異常源，進行直接定位查證。如圖8(c)中的高分辨率遙感圖像與疑似異常源有關，可根據影像特征確定疑似異常源的位置;③根據調查區地球化學異常查證區在遙感圖像上的分布，制定合適的工作方案，妥善安排查證的路線。

4.4 未來工作區預測

通過對已有工作區地球化學異常與遙感圖像的對應關系開展研究，建立相應的遙感解譯標志，對未來工作區的遙感圖像進行解譯，形成元素分布的預判，實踐表明對多數元素及物質的預測還是與實際調查結果比較吻合的。以此為基礎，可以對未來工作區和已完成初步調查、需要進行更大比例尺調查的工作區進行有針對性的工作部署，對今后開展MPRGS工作有一定的指導意義。

5 結論

1)遙感技術應用于多目標地球化學調查(MPRGS)工作可以大大提高樣品采集階段的工作效率和樣品采集質量，增強樣品的代表性，使采集的樣品能更加真實地反映調查區地球化學元素的分布狀況。

2)通過遙感圖像解譯可初步分析部分地球化學元素異常形成的原因，大致確定異常源位置，從而提高地球化學異常查證的工作效率。

3)通過研究遙感圖像波譜特征與元素地球化學異常的對應關系，分析地球化學異常的成因，可以為未開展地球化學調查區域和在已調查區域中開展更高精度的地球化學調查工作部署提供依據;對某些地球化學元素異常(特別是對找礦有指導意義的異常)，通過分析該異常區域遙感圖像的波譜特征，可以推廣到其他未知區域，對找礦工作有一定的指導意義。

4)MPRGS取得的成果是很寶貴的資料，為系統地研究地物波譜特征與元素地球化學異常的關系奠定了基礎，但在這方面還有很多有待深入討論的問題需要專門研究。

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Application of Remote Sensing to Multi－purpose Regional Geochemical Survey

ZHANG Hua－ping，LIU Li，WANG Zeng－hui，ZHAO Xi－qiang
(Shandong Institute of Geological Survey，Jinan 250013，China)

In order to enrich the information and broaden the research field of the geochemical evaluation，the authors carried out multi－purpose regional geochemical survey(MPRGS)by using the remote sensing(RS)technology based on the regular geochemical survey.The authors compared the advantages between the RS technology and the traditional geochemical investigation methods in such aspects as sampling point arrangement，sample acquisition and quality evaluation.The theoretical basis of the RS application in geochemical evaluation was discussed.With several examples，the technical procedures of the RS application in MPRGS work were summarized，which was a useful attempt to enrich the means of the MPRGS work.The application results of the RS technology in the MPRGS work show that using the RS technology in geochemical survey can help us expand the field of the RS application research and widen the field of geochemical research，and therefore the RS technology will surely become an important tool for the MPRGS work in the future.

remote sensing(RS);multi－purpose regional geochemical survey(MPRGS);geochemical evaluation

TP 79

A

1001－070X(2012)04－0132－06

2012－02－27;

2012－04－05

山東省國土資源大調查項目“山東省東部地區農業生態地球化學調查”(編號:2006709)資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.22

張華平(1980－)，男，山東省地質調查院信息遙感所工程師，2003年以來一直從事多目標地球化學調查、遙感應用和數據庫建設等工作。E－mail:zhp014991@163.com。

(責任編輯:劉心季)