航空高光譜遙感在地質解譯中的應用研究
——以伊犁尼勒克南部山區遙感地質解譯為例

謝 濤，萬余慶

（西安煤航遙感信息有限公司，陜西西安710054）

一定的地質條件下，地質體的構造特征、巖性特征、蝕變特征，在遙感影像上通常以不同的色調特征、紋理特征、幾何形態特征表現出來，而遙感影像的宏觀性、直觀性、準確性等特點在巖性識別、構造解析、侵入體單元、超單元的劃分等方面具有巨大的優勢。隨著地質勘探工作程度的深入，遙感技術在地質工作應用的精度要求也不斷提高，多光譜影像數據由于其空間分辨率和光譜分辨率的限制，在大比例尺的填圖、高精度蝕變信息提取及精細甚至定量化巖性識別工作中已難以勝任。航空高光譜遙感影像，除了具備高空間分辨率的優勢，還融入了光譜維的信息，更加全面、真實地反映地物光譜特征，使其在遙感地質研究中，既能直觀、高效揭示微觀構造、地層、巖漿巖等特征，又能依據地物光譜特征進行巖性識別、地層的劃分、礦化蝕變信息的提取等。本文利用航空高光譜CASI遙感影像對新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣南部阿布熱勒山前地帶進行地層、構造的詳細解譯，充分發揮航空高光譜影像的優勢，準確揭露研究區地層出露、構造發育情況，為研究區找礦勘探工作提供遙感信息支持。

1 研究區概況

研究區位于新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣西南部阿布熱勒山前地帶，西距伊犁市約110km（圖1），地勢自南向北呈多級階梯，為低山丘陵地貌，研究區基巖出露條件好，遙感地質特征明顯，適合開展遙感地質解譯工作。構造位置位于伊犁盆地北部坳陷構造單元內的阿吾拉勒凸起次級構造單元內。阿吾拉勒凸起是海西期末幕構造運動中產生的盆內二級正向構造單元，侏羅紀初期從博羅科努山前分離出來。區內出露地層單元主要由石炭和二疊系火山—沉積巖系組成，未見古老基底。斷裂構造以近東西、NE、NW向為主。出露的侵入巖以華力西晚期為主，巖體侵入石炭系及下二疊統，多與下二疊統火山巖或次火山巖關系密切。

2 航空高光譜CASI數據獲取及預處理

以飛機為平臺，搭載CASI成像光譜儀，在新疆伊犁尼勒克至鞏留地區開展了航空飛行，獲取了研究區航空高光譜CASI影像數據，同時在地面準同步實測地物光譜定標數據。

CASI數據的預處理包括：第一步，幾何校正和地形校正預處理是通過航空高光譜遙感測量系統配備的數據預處理軟件實現；第二步，利用ENVI軟件的Seamless Mosaic功能，對CASI各航帶數據進行鑲嵌。鑲嵌過程中，由于山區地形影響，不同航帶數據間色調存在差異，但是，相鄰航帶間的重疊率高，利用直方圖匹配法實現多航帶間的色彩匹配和亮度平衡；通過羽化處理，達到航帶間無縫鑲嵌的效果；第三步，利用地面準同步的黑、白布定標光譜數據，采用經驗線性定標（Empirical Line Calibration）方法對CASI數據進行大氣校正。大氣校正后地物光譜曲線與實測地物光譜曲線非常接近，為遙感地質解譯中地層劃分解譯提供了數據支撐。

3 遙感地質解譯

不同地物反射光譜差異會造成形態、紋理、色調等影像差異，鑒于CASI航空高光譜影像的分辨率高達0.8m，可以直觀地依據影像的色調、影紋、紋理、形狀及各要素的排列組合特征、地貌形態、水系、植被及人類活動等信息，對研究區內的不同地質內容進行遙感解譯（圖2）。

3.1 地層解譯

（1）第四系。研究區內第四系主要分布在阿吾拉勒山前，自北向南又細分為全新統沖積堆積（Q4al）、全新統沖積、洪積堆積（Q）及全新統沖積-湖泊堆積（Q），三者在影像上界線清晰，特征明顯，極易區分。

遙感影像上，Q呈淺藍色、綠色、灰白色，紋理稀少，影紋光滑，河道特征明顯，兩側分布灰黑色灌木叢斑點或斑塊；Q呈淺灰色-淺灰綠色，紋理稀少，影紋光滑，可見明顯的房屋、成規模大片的耕地；Q呈淺灰綠色-灰白色，紋理稀少，影紋光滑，多沿溝谷岸坡以上分布，沖洪積特征明顯。

（2）二疊系。二疊系為研究區內出露的主要地層單元，由烏郎組、曉山薩伊組、哈米斯特組、鐵木里克組及巴斯爾干組組成。各組巖石組成不一，遙感影像上形態、紋理、色調等特征存在不同程度的差異，不同地層之間易于區分。

①巴斯爾干組。巴斯爾干組由棕黃色、褐色、褐紅色及灰色厚層狀砂、礫巖組成，夾少量灰色泥巖。遙感影像上色調呈灰褐色，局部色調呈褐紅色，紋理多而有序，影紋粗糙，地層走向清晰，地層界線影像輪廓清楚。

②鐵木里克組。鐵木里克組由灰—深灰色薄—中厚層粉、細砂巖、粉砂質泥巖組成，夾少量礫巖和灰巖。影像整體色調呈青灰色，紋理雜亂，影紋粗糙，地層走向不清晰，地層界線影像輪廓清楚。

③哈米斯特組。哈米斯特組巖性主要為中酸性火山巖及火山碎屑巖，由紫紅色、灰紫色砂礫巖、泥巖、安山質凝灰巖、拉斑玄武巖、粗玄巖等組成。影像整體色調呈灰紫色、紫紅色，影紋粗糙，地層走向不清晰，地層界線影像輪廓清楚。

④曉山薩伊組。曉山薩伊組由灰—青灰色含礫砂巖、砂巖、粉砂質泥巖夾灰巖組成，影像色調整體呈青灰色，紋理雜亂，影紋較光滑，地層走向清晰，地層界線影像輪廓清楚。

⑤烏郎組。烏郎組為一套巨厚的陸相中酸性火山巖、火山碎屑巖和凝灰質砂礫巖，地層色調整體偏深，地表風化后呈灰黑色。影像色調呈深紫色、紫褐色，紋理雜亂，影紋粗糙，地層界線影像輪廓部分清晰。

（3）石炭系東圖津河組。東圖津河組巖性為灰色—灰黑色淺海相生物碎屑灰巖、灰巖、泥灰巖、碎眉巖、上部見灰紫色酸性火山碎屑巖，影像色調呈灰紫色，局部色調呈紫黑色，紋理雜亂，影紋粗糙—光滑，地層界線影像輪廓部分清晰。

3.2 構造解譯

（1）線性構造解譯。線性構造主要包括斷層、節理、不整合等具有地質構造涵義的線性體。線性構造的解譯標志包括遙感影像上地質體突然中斷、錯開，地層重復，缺失等直接標志及地質體定向排列，線性特征、色調差異明顯，水系同步彎曲，地形、地貌突變，水系突然中斷，不同植被、土壤直線狀分界，溝谷、河流直線狀延伸等間接標志。基于上述認識，以航空高光譜影像CASI數據為主，輔以Landsat8數據（大斷裂范圍廣，延伸遠，中小比例尺的遙感影像在識別大斷裂有優勢），對研究區的線性構造進行解譯。區內線性構造主要為斷裂構造，構造走向以NW向為主，次為NE向和近EW向。

（2）環形構造解譯。環形構造主要指能夠反映地質現象和地質構造內容的弧形體，它是地球內部活動形跡在地殼中的綜合表現，如隱伏巖體、火山機構、火山口和相關構造作用（如穹窿構造）。在遙感影像上以紋理、結構、色調等顯示為圓形、準圓形、準環形以及未封閉的弧形特征。

研究區內出露多處巖體，在航空高光譜影像上呈環形、準環形影像特征，環形影像內色調呈淺藍紫色，與周邊色調差異較大；巖體成分主要為花崗閃長巖、花崗斑巖、石英二長巖、正長巖、斜長花崗巖，巖體主要侵入石炭系及中下二疊統，多與下二疊統火山巖或次火山巖關系密切。環形構造分布集中，多數環形構造與線性斷裂構造相伴生，反映了研究區內構造—巖漿活動集中和強烈的特點。

4 解譯結果分析

利用CASI數據的高空間分辨率的特點對研究區的地層界線、斷裂構造等進行了細致的解譯；此外，相較于以往遙感解譯工作，除了影像的空間分辨率優于常用的多光譜和高分辨率影像，其高光譜分辨率是本次解譯工作的核心。高光譜影像是在二維遙感影像的基礎上，增加了光譜維的信息，使得遙感影像上反映的地物信息與實際地物更加接近。在解譯過程中，當多光譜和高分辨率影像在面對地層的影像色調、結構、紋理特征差異不明顯時，是難以進行地層的解譯劃分的；但不同地層之間巖石組成不一樣，其反射光譜特征通常會有差異，而光譜定標后的高光譜影像上地物的光譜曲線與對應的實際地物的光譜曲線非常接近，因此，可以基于航空高光譜遙感影像對應地層間光譜特征差異，進行地層解譯劃分。

為了體現航空高光譜影像在遙感地質解譯工作中的效果，以1∶20萬區調成果作為參考，結合野外調查驗證工作，對解譯結果進行分析。

（1）地層界線修正。利用遙感解譯結果對1∶20萬區調成果的地層界線進行了修正，主要表現在2個方面，一是第四系界線范圍與1∶20萬區調成果差異較大，這是由于時間的變遷，地貌發生變化，引起第四系界線范圍發生變化，通過航空高光譜影像能夠清晰解譯出第四系界線范圍，不做重點討論。二是基巖出露區解譯地層界線與1∶20萬區調成果不吻合。例如，遙感解譯結果顯示，曉山薩伊組和東圖津河組遙感解譯地層界線較1∶20萬區調成果北偏約200m，遙感影像上，1∶20萬區調成果曉山薩伊組和東圖津河組地層界線處為一套灰紫色地層，與東圖津河組整體色調相近，與曉山薩伊組整體色調有明顯差異，但灰紫色地層中仍夾青灰、灰色調地層。解譯過程中，利用航空高光譜影像，分別采樣了灰紫色地層光譜曲線和東圖津河組地層光譜曲線（圖3），對比發現，2套地層的光譜曲線的形態和趨勢有差異，表明2套地層巖石組成可能不一致。野外調查發現，灰紫色地層為一套厚層的含礫砂巖沉積建造，礫石成分以火山碎屑巖為主，風化后表面成灰—深紫色；而與之色調接近的東突津河組巖性為一套深灰色、灰綠色玄武安山巖、安山玢巖，2套地層巖性差異明顯，形成原因更是截然不同。同時，在解譯地層界線附近，發現兩者地層間呈明顯的角度不整合接觸關系，因此，從地層成因、巖性組合以及構造接觸關系來看，該套灰紫色地層應屬于曉山薩依組。

圖3 灰紫色地層與東圖津河組光譜曲線對比

（2）地層劃分確認及修正。地層解譯劃分時發現同一套地層在遙感影像上表現為不同的色調、紋理等特征，而不同地層卻表現為相近的色調、紋理特征，在解譯過程中，利用地層間的光譜曲線特征進行對比分析，結合野外驗證結果，對上述問題的地層劃分進行了確認和修正。

曉山薩伊組由灰—青灰色砂巖、粉砂質泥巖夾灰巖組成，影像色調整體呈青灰色，底部為一套灰色厚層含礫砂巖，風化后表面呈灰黑-灰紫色。研究區內某處，地層色調呈紫紅色，1∶20萬區調成果認為該地層屬于曉山薩伊組，但是，從直觀的色調解譯標志而言，紫紅色地層應不屬于曉山薩伊組。為此，在航空高光譜數據中，分別采樣了已確認的曉山薩伊組地層的光譜曲線和紫紅色地層的光譜曲線（圖4），對比發現，這2套地層的光譜曲線在形態和趨勢上幾乎完全一致，野外調查驗證結果顯示，紫紅色地層的巖性為一套厚層含礫粗砂巖，礫石成分以火山碎屑巖為主，與曉山薩伊組地層底部的巖性是一致的；巖層表面覆蓋了古近系紫紅色泥巖，使得影像色調呈紫紅色，通過高光譜數據采樣光譜曲線特征對比及野外調查驗證結果，證實了紫紅色地層確實為曉山薩伊組，驗證了20萬區調成果的準確性。

此外，研究區內某處，紫褐色地層對應的1∶20萬區調成果地層為烏郎組，該套地層色調、紋理特征與烏郎組、哈米斯特組相似。結合該套地層上覆、下伏地層出露情況，從地層、構造角度分析，認為該套地層劃分為烏郎組值得商榷。為此，在航空高光譜影像上，分別采樣了烏郎組、哈米斯特組和該套地層的光譜曲線，對比發現，其光譜曲線形態、趨勢與哈米斯特組較為一致，與烏郎組有差異（圖5）。野外調查驗證顯示，該套地層出露的巖性為暗灰、灰紫、灰色玄武巖和粗面巖，出露巖性與哈米斯特組巖性一致，與烏郎組巖性不吻合，綜合光譜特征分析、野外調查結果，將該套紫褐色地層修正為哈米斯特組。

圖4 紫紅色地層與曉山薩伊組光譜曲線對比

圖5 紫褐色地層與曉山薩伊組光譜曲線對比

5 結論

（1）航空高光譜影像的空間分辨率高，宏觀上能夠直觀、高效獲取地質體的色調、形狀等特征，微觀上能夠精細的識別地質體紋理、幾何結構特征，在地層劃分、巖性識別、線性及環形構造解譯上有較好的應用效果。

（2）航空高光譜影像的光譜分辨率高，光譜定標后的航空高光譜影像能夠較為真實地反映地物光譜信息，利用不同地層間光譜特征差異，結合野外調查驗證，對研究區內1∶20萬區調成果中3處地層界線進行了修正，確認了1處地層歸屬的劃分，修正了1處地層歸屬劃分。

通過本文的研究，表明航空高光譜影像的優勢，將使其在大比例尺地質填圖、精細礦物識別、蝕變信息提取等遙感地質工作中將發揮重大作用，為地質找礦工作提供更精確的遙感信息支持。

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