水系標志在大興安嶺中生代火山巖識別中的應用

王曉東，邊宏業，邢立新，翟錫丹

（1．吉林大學, 吉林 長春130026；2. 武警黃金一總隊, 黑龍江 哈爾濱150006）

水系是地表徑流侵蝕地表巖土所產生的河槽系統，經過水流的地質作用，形成河流流域、湖泊、還包括沖溝、山谷、溪流等。水系信息的提取在水文和巖石巖性構造等研究方面都是不可或缺的。自然中河流都是以水系網的形式存在，不同的水系類型會形成不同的水系網絡[1]。水系的發育受到巖性和地質構造的控制，水系類型、形態（平面和剖面）和密度的差異能夠表現巖性的不同以及構造形式，一個地區大的水系穩定的定向延伸，一般均代表這一地區構造線的方向，水系支流的線性展布及水系的異常部分，往往就是線性斷裂構造存在的很好的標志。此外，當存在不同巖體時，水系類型還能體現出侵入關系等。

水系是遙感影像非常重要的解譯標志之一，在地質解譯方面對水系末級的支溝、小溪等水紋網尤為關注，他們對構造分析和巖性解譯都很有作用；1975年盧洪謙就對航片上的不同類型水系特征與地質體對應關系進行闡述，20 世紀80年代后期王文銳利用遙感像片分析水系形態與地質構造和地形關系，并將其應用于山區公路選線，王秀乾等從衛星圖像的水系特征入手對鄂爾多斯盆地北部進行遙感地質構造解譯，并預測了油氣富集區，孟偉研究了吉林東部地區水系特征與地質背景的關系。

隨著分形幾何等數學理論的發展，分形理論被應用于水系特征的自動分析，盤曉東等在2002年對渾江斷裂帶進行水系的分形研究，證明渾江斷裂帶具有較強的活動性，邢永麗在2006年研究了不同地質填圖單元的水系分維數特征，嘗試應用分形分析方法對區域地質調查填圖單元進行識別[2]。2009年黃春龍基于紋理信息提取丹東地區水系，并進行了特征分析。

基于數字高程模型（DEM）數據提取水系，利用坡度和坡向的比值，計算流域河谷等因為處于最低點的特定特征值，可以反映出研究區的局部的地形特征；其中主要針對確定流域流向的算法-D8 算法，對于提取水系尤為見效，提取精度高，操作簡單，原理易懂，所以被廣泛應用，比較成熟[3]。本項研究基于DEM 數據通過D8 算法來提取研究區的水系，對該區域水系類型進行辨別分析與總結，因中生代火山巖具有特殊的水系類型，通過水系類型確定中生代火山巖分布，劃分巖性，識別火山巖。

1 研究區概況

1.1 數據源

該項研究以大興安嶺為研究區，基于該地區的DEM 數據對水系進行提取，該數據為2009年ASTER DEM 數據，橫軸墨卡托投影，WGS84 坐標系，空間分辨率為30 m（圖1）。

圖1 大興安嶺研究區DEM

數字高程模型（DEM）采集自USGS，是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型；有規則網絡結構和不規則三角網2種算法。DEM 的特優點：DEM 的精度恒定，表達形式多樣化，以及由于DEM 數據是數字化的，對數據進行增加或是修改，可以由計算機自動完成，所以說他還有實時性。

DEM 數據是可能存有異常的，所以在基于DEM提取水系之前，要對原始數據進行預處理，主要的內容就是偽洼地填充。洼地是不合理的集水區域，是由于DEM 的誤差引起的，如果研究區沒有巖溶等能產生洼地的情況，那就要把它填平，主要處理時結合實際的地形地貌來進行[4]。該項實驗的研究區沒有這種情況。如果不進行這種處理，所提取的水系則會是斷斷續續的，處理后的洼地將成為斜坡的延伸部分，DEM 數據中的幾乎所有地形都是由斜坡構成的，這樣提取出來的水系才能是連續的。

1.2 研究區概況

研究區內水系發育，植被覆蓋度高。區內斷層、節理裂隙發育，有北西、北東、東西和南北向線性構造，其中東西向為最早期，北西（北東）向發育最晚或為繼承性新的活動，且貫穿全區，控制現代河流發育。

研究區東部區發育中生代侵入體，受構造控制發育似平行狀和弧形沖溝；西部區主要地質單元為中生代火山巖，受斷裂控制發育豐字形水系，分布很多發育規模不等的放射狀、環狀水系。

2 水系信息提取

2.1 提取方法

水系提取有4個基本過程：提取水流方向，匯流累積量，柵格河網的提取及矢量河網生成[5]。

計算水流方向，就是計算每一個柵格單元的水的流向，柵格的水流方向指的是水流離開柵格單元時的指向。水流方向的計算是基于D8 算法實現的，D8 算法流向確定法，是假設單個網格中的水流只有8種可能的流向，也就是流入與對象象元相鄰的8個網格中，水流的流向是通過計算中心格網與鄰域格網的最大距離權落差來確定，距離權落差是指中心柵格的高程差除以柵格間的距離。用其中最陡坡度法來確定水流方向的，最陡坡原則為單元格坡度的最佳代表值是8個坡度中的最大數值，水流方向就是其坡度最陡的方向。2個相鄰單元格i 和j 之間的坡度計算公式：

式中，hi 和hj 為2個單元格的高程值，D 為2個單元格中心之間的距離。通過計算得來的水流方向來判斷洼地，對于偽洼地要根據洼地深度計算來設定一個閾值將之填充。以規則格網表示的數字地面高程模型每點處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流往低處的自然規律，根據區域地形的水流方向數據計算每點處所流過的水量數值，計算匯流累積量從而得出地表徑流漫流模型然后提取河網。

2.2 水系提取

該項實驗目的為提取水系，根據水系分布結合圖像上相關的色調、地貌形態、高程等等來識別火山巖，技術路線如圖2 所示。

圖2 火山巖識別技術路線

其中洼地填充過程中sinkdep 閾值設定為他的最大值加上一；河流提取的閾值根據匯流累積量的計算結果設定為1 000[6]；基于以上步驟得到研究區水系如圖3 所示。

圖3 大興安嶺研究區水系

遙感影像分辨率高，地形起伏明顯，是實體地物的真實記錄，從影像上可以清晰地目視解譯水系，但基于遙感影像提取出來的水系效果不佳，因此該項研究基于DEM 對同實驗區域的水系進行提取，經驗證DEM 數據中提取的水系結果與遙感影像上的水系基本吻合，并將二者疊加，如圖4 所示。

圖4 遙感影像水系疊加圖

3 應用分析

水系形式平面劃分主要是依據圖形形狀命名，研究區水系提取可達五級，水系標志為圈定巖性（相）界線、解譯構造格局提供準確的依據。巖性與構造的差異形成不同的水系格局，其中有典型的倒鉤狀、異常拐點、“豐”字型、放射狀、環狀水系等形式（表1）。

表1 水系形式與影像特征及其所代表的地質意義

研究區的東部三分之一區域主要巖性為花崗巖侵入體，水系多發育為樹枝狀（似平行狀）水系，多處發育倒鉤狀水系，因此是斷層發育區。以十里長嶺—瓦拉里北西向斷裂帶控制著地質體與地質現象的分布，其斷裂帶的北東部區域主要以侵入體發育為主，該區后期構造很發育，地形切割強烈，致使巖體具有“條帶狀”地形[7]。而斷裂帶南西區域則以中生代火山巖為主，具有特征的放射狀斷裂。

研究區域的西部三分之二區域為中生代火山巖分布區，受北東向貫穿全區的塔河斷裂帶控制[8]，及與之基本呈直角相交的一系列北西向斷裂控制的溝谷構成典型的“豐”字型，兩側發育規模不等的火山機構和巖相。形成與火山機構形成有關的典型環狀、放射狀水系，如地形中心隆起水系向四周散開的放射狀水系，可以推斷絕大多數的放射狀水系與環狀放射狀水系均為火山口、火山錐。

4 結論

該項研究基于DEM 數據，以大興安嶺為研究區，對區內的水系基于D8 算法進行了提取，提取效果較為理想，水系級別達到五級，經過與1∶50 000 的遙感影像疊加對比，DEM 所提取的水系與影像上基本吻合，這說明對1∶50 000 遙感影像提取水系可以利用同區的DEM 來代替，但建議用遙感影像采取好的處理辦法提取會更好。提取的水系對研究區內的地質構造、巖性巖相劃分提供了重要依據。

研究區的水系類型豐富，成因不同，放射狀水系與環狀水系最為多見，結合研究區多為中生代火山巖的地質背景，放射狀水系多為火山口、火山錐；還有一些豐字形水系、倒鉤狀水系、似平行狀水系，均與巖性差異和線性構造相關聯。通過水系類型，準確的識別火山巖，使得植被覆蓋率高的地區能夠得到有效的地質解譯。

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