遙感信息應用的新理念與地質實踐

劉德長葉發旺 趙英俊 黃賢芳

1 遙感信息應用現狀

遙感技術作為實現“數字地球”的關鍵技術之一，以其特有的優勢在國民經濟建設的各個領域發揮著重要的作用。然而，隨著我國經濟的快速發展，能源短缺、環境惡化等問題的日益突出，各個領域研究問題的不斷深入，遙感技術的優勢發揮在新形勢下受到了嚴重的挑戰，其應用中存在的問題也愈來愈明顯地顯現出來。概括起來，主要有：（1）我國的遙感界存在“重上天，輕應用”的現象，造成遙感數據雖多，但應用程度低，對遙感數據的二次開發和深入應用尤顯不足；（2）在遙感信息處理、解譯與應用方面，目前的研究大多數注重對遙感信息本身的處理和單一應用模式，遙感信息應用的程度大多數還停留在把信息解譯出來的層次，與各應用領域的傳統研究方法提供的信息相結合，對遙感信息進行深化研究不夠，直接影響到遙感信息向各應用領域的滲透，從而影響到遙感信息的產業化進程；（3）目前，在方法集成上有代表性的是遙感技術與GIS技術，GPS技術相結合組成的3S技術，而與其他現代信息技術的最新進展（如三維可視化技術，虛擬現實技術等）以及各領域傳統方法的集成技術還未更多地開發出來。

總之，怎樣加強遙感信息的應用，突破當前以單一方式為主的遙感信息應用模式，開拓遙感技術與各應用領域傳統方法技術相結合,與其他現代信息技術相結合，加強遙感信息及其延伸應用，直接關系到遙感技術真正成為實用化、產業化技術的程度，關系到其在構建和諧社會中所起的作用。

2 后遙感應用技術理念的提出及其內涵

2.1 后遙感應用技術理念的提出

后遙感應用技術是在分析遙感信息應用現狀的基礎上，從地質勘查實踐的角度，通過對下面幾個問題思考的基礎上提出來的。

2.1.1 遙感技術在地質領域應用的優勢和局限性

遙感技術在地質領域的應用，既有其技術優勢，又有明顯的局限性。它的優勢主要表現在：宏觀性、多波段、立體感強、地形、地貌信息明顯、便于定位，并具有識別斷裂構造的長處（在裸露地區可區分巖性）等，能發現和解決用常規地質方法很難發現和解決的地質問題。這就是遙感技術一問世就引起地質工作者極大興趣和熱情的主要原因。但遙感技術在地質領域的應用有它明顯的局限性，主要表現在遙感反映的信息主要是地表信息或地下信息在地表的反映，且受植被影響大，解譯具不確定性等。隨著遙感技術在地質領域應用的深入，這些局限性便突出出來。如果不設法克服這些局限性，長期停留于線狀、環狀構造的解譯、分析等的重復研究，遙感在地質領域的應用勢必會逐漸被邊緣化。特別是由于遙感反映的主要是地表信息，而地質找礦更多涉及的是地下問題。因此，單靠遙感技術本身很難解決復雜的地質找礦問題。這需要將遙感技術與反映地下不同深度和尺度的傳統地學方法結合起來。

2.1.2 地質勘查工作的深入發展

隨著地質勘查工作的深入發展，一方面，出露地表的礦明顯減少，勘查的目標已由地表或近地表轉向地下深處的隱伏礦床，找礦的難度愈來愈大，因此單獨依靠常規地質方法很難奏效。另一方面，各種地學手段取得的信息資源愈來愈豐富，這就為遙感信息與其它地學信息集成，最大限度的挖掘和利用這些信息資源，以提高勘查效果創造了條件。顯然，利用現代信息技術進行信息系統集成，實現以遙感為主的信息化找礦的道路看來是一條重要途徑。

2.1.3 現代信息技術的迅速發展

進入二十一世紀以來，現代信息技術得到了迅速發展，怎樣將這些新進展（如，GIS技術、三維可視化技術、仿真模擬技術、虛擬現實技術等）引入地質勘查領域。而現代信息技術的新進展，為以遙感為主的信息找礦提供了重要的技術支持。因此，遙感技術不僅要與傳統的地學方法相結合，而且還要與上述現代信息技術相結合。

基于上述考慮，作者提出了“后遙感應用技術”的新理念[1]。

2.2 后遙感應用技術理念的內涵

后遙感應用技術，是指將遙感技術與各學科傳統的方法技術相結合，與其他現代信息技術相結合，對遙感信息進行綜合理解、全面挖掘和深入應用的遙感信息深化應用技術。其研究內容涵蓋信息處理、信息解譯、信息分析、信息表述和信息應用等一整套方法技術體系。它的核心是遙感信息的延伸應用和信息化。它的目的是最大限度的利用信息資源。它的目標是加速遙感信息產業化的進程。

根據上述內涵可以看出，它雖然是從地質勘查的角度提出來的，但可以應用于農業、林業、海洋、城市、環境、災害等廣泛領域。

3 地質勘查后遙感應用技術的方法技術

下面從技術構成、研究內容、應用思路和程序，等3個方面具體論述一下地質勘查后遙感應用技術的方法技術。

3.1 地質勘查后遙感應用技術的構成

在地質勘查領域，后遙感應用技術的技術構成是指，在信息源上集遙感信息，地質信息，地球物理信息，地球化學信息等多源地學信息為一體，在技術方法上集圖像處理技術、GIS 技術、GPS技術、數據庫技術、三維可視化技術、多媒體技術、仿真模擬技術、虛擬現實技術及傳統地學方法為一體的信息綜合，方法集成，表達多維的應用技術。

從技術構成上看，后遙感應用技術既不同于遙感技術本身的應用，因為它融入了傳統的地學方法和信息，也不同于多源地學信息集成技術，因為它引入了仿真—虛擬技術等現代信息技術的新進展。因此，它不僅強調了對信息的綜合分析，而且強調了實現過程和環境的再現，是對多源信息集成技術的發展和升華。另外，后遙感應用技術比多源信息集成技術在提法上體現出“遙感”一詞。這就意味著后遙感應用技術涉及的信息集成不能沒有遙感信息源（通常所講的多源信息集成不一定要有遙感信息源）。

3.2 地質勘查后遙感應用技術的研究內容

3.2.1 礦產資源數字勘查區構建技術

礦產資源數字勘查區的概念是在數字地球框架下，將遙感技術與GIS和虛擬現實技術相結合在礦產資源勘查領域提出的一個新概念[2，3]。它是數字地球理論和方法的特殊應用與拓展，是我國數字地球典型應用系統建設的組成部分。礦產資源數字勘查區構建涉及的主要技術有數據庫技術和虛擬現實技術。

(1) 礦產資源勘查數據庫的開發

在數據庫開發方面，對下述內容進行了研究：

·數據庫開發的技術思路、原則和體系結構；

·數據模型與數據結構；

·數據庫綜合管理系統；

·數據庫應用分析系統。

在上述研究的基礎上，將東勝地區的地質、遙感、地球物理、地球化學等與鈾資源勘查有關的信息數字化、整合，建立了東勝地質鈾資源數字勘查區的多源地學數據庫。圖1是該數據庫的架構圖。

圖1 東勝地區鈾資源多源地學信息系統架構圖

該數據庫與一般數據庫的主要區別是要實現兩方面的服務，一是為信息的綜合分析服務；二是為構建虛擬地質環境服務。

(2) 數字勘查區虛擬地質環境的構建

構建的地質環境，不僅要顯示勘查區的地形、地貌，而且要有地層、巖石、斷層、褶皺、礦化蝕變等地質要素。

，虛擬地質環境建模，并與數據庫連接進行虛擬地質環境功能開發，最后是應用。整個構建流程如圖2。

經上述流程構建了東勝鈾資源勘查區的虛擬地質環境，圖3是從中捕獲一張景觀圖像。

圖2 東勝地區虛擬地質環境構建流程圖

圖3 東勝鈾資源勘查區虛擬地質環境的一角(視角向北)

3.2.2遙感與其它地學信息集成技術

信息的集成包括復合與融合。集成的目的或者是分析信息之間的相互關系，或者是利用信息的互補效應，彌補單信息的不足，最大限度的挖掘和利用信息資源。

作者針對光學遙感圖像在植被覆蓋區識別巖性和蝕變現象效果差，而航空放射性伽瑪能譜數據區分巖性和蝕變現象效果好，且受植被干擾少的技術優勢，通過光學遙感（光譜）與航放數據（能譜）的融合技術，研制出一種光-能譜數據融合的新類型圖像。這種圖像既具有多光譜遙感圖像地形信息豐富，立體感強，便于定位和解決構造問題的長處，又有能譜圖像便于區分巖性、蝕變和鈾及其它礦化的優點。在此基礎上，再與地球物理（航磁、重力、地震）、地球化學、地質、水文等多源地學信息集成，建成光－能譜集成技術系統，為植被覆蓋區的遙感地質填圖和找礦開拓出新途徑[4]。

3.2.3地學信息三維可視化分析技術

地質體一般是三維的，傳統的研究方法常將其簡化為二維，從而影響研究者對地質體的真實狀態的直觀分析、對比和深層次的理解。三維可視化分析技術是指在三維環境下，將地學信息的表達與三維圖形可視化結合起來，對地學數據的多種屬性進行三維直觀顯示和分析的技術。

在鄂爾多斯盆地鈾資源勘查中，先后對重力數據、航磁數據、鉆孔數據、以及多種數據集成進行了三維可視化顯示與分析，并結合鉆孔數據的三維可視化，自主開發了鉆孔自動成圖與信息綜合分析系統。

圖4 鄂爾多斯盆地北部中生代構造層斷塊構造格局立體圖

（據1：20萬重力2km,1km,0.5km,0.25km不同延拓深度重力數據繪制）

3.2.4成礦過程與作用的計算機模擬技術

應用計算機（多媒體技術和仿真模擬技術）對各種地質過程（包括構造變動、沉積演化等）和鈾成礦作用進行計算機模擬，在一定范圍內替代傳統用物理、化學方法進行的構造模擬和成礦實驗，再現地質過程或鈾成礦過程，以提高研究者對鈾成礦作用和其它地質作用的分析水平和認識能力，從而使鈾成礦理論的研究更符合實際，更具科學性。

通過對層間氧化帶型鈾成礦觀點和作者提出的斷隆成礦觀點分別進行了計算機模擬研究，再現了鈾成礦的地質過程，直觀的對比了兩種成礦觀點的異同，豐富了砂巖型鈾成礦理論。

2.5虛擬找礦與虛擬勘探技術

構建數字勘查區虛擬地質環境的目的是探索對礦產資源的虛擬勘查。

虛擬勘查的構想：

(1)在構建的虛擬地質環境基礎上，借助虛擬現實系統，在計算機上對野外地質情況進行觀察，觀察研究區的地形、地貌、河流、交通、地層、構造、礦化等地理和地質現象；

(2)在觀察的過程中，通過點擊，對感興趣的地區和目標進行查詢，對其地表和深部地質情況進行了解；

(3)通過地質情況的了解，然后對成礦條件進行對比、分析、綜合，發現規律，得出認識，圈定有利成礦地區和勘探靶區，并進行評估。

(4)在有利成礦地區進行找礦部署，或在勘探區內進行進位設計，虛擬野外找礦與勘探。通過虛擬對不滿意的方案可以隨時修改和調整，直到滿意為止。

(5)在上述虛擬勘查的基礎上，開展野外地質調查和決策。

針對虛擬勘查的需要，有針對性的開發了虛擬漫游、信息查詢、目標搜索、線路布置、參數測量等功能。

虛擬找礦和虛擬勘探技術將可能深刻改變礦產資源勘查的現有方式，大大促進地質工作的現代化。

.2.6建立地質勘查后遙感數字勘查技術系統

綜合上述研究內容，經進一步系統化和集成化，構建地質勘查后遙感應用技術平臺，并經深化、集成、拓展與提高，建立地質勘查后遙感數字勘查技術系統，實現對礦產資源的快速、有效地勘查與評價。

上述6個方面的技術方法前后銜接，構成一個整體。隨著后遙感應用技術研究的深入，它的內容會更加豐富和實用。

3.3后遙感應用技術的應用思路和程序

3.3.1應用思路

①先對遙感圖像上與鈾成礦有關的信息進行充分理解和分析，發現問題，提出問題（不排斥從其它角度發現問題、提出問題）；

②結合其它地學信息源，對發現的問題進行深化研究；

③對發現和得出的認識進行三維可視化分析，并實現對地學過程和環境的再現，提高對鈾成礦過程和規律的認識；

④進行鈾資源的虛擬勘查，從而為鈾成礦預測提供更加有力的決策支持。

3.3.2應用程序

概括起來，地質勘查后遙感應用技術的應用思路涉及數據準備、數據挖掘、知識發現、虛擬再現、決策和檢驗等6個步驟。其工作程序如圖5。

圖5 地質勘查后遙感應用技術工作程序

后遙感應用技術在應用思路和工作程序中，特別強調了在知識發現之后，對過程和環境進行仿真-虛擬再現，然后進行決策和檢驗。

4 后遙感應用技術的地質應用實例

鄂爾多斯盆地不僅是我國油、氣、煤的重要基地，而且有可能成為鈾資源的重要基地。以鄂爾多斯盆地鈾資源勘查為例，采用上述后遙感應用技術的理念和方法技術，對盆地北部已知礦區的幾個鈾成礦的關鍵地質問題進行了研究，取得了用常規地質方法難以獲得的幾點重要成果。

4.1 含礦層的快速追索

砂巖型鈾礦床含礦層是礦體的一級載體，因此，含礦層的追索與評價是該類型鈾礦勘查的首要問題。東勝地區含礦層為中侏羅統直羅組下段的辮狀河砂巖。為了提高勘查效果，需要從地面和深部對該含礦層進行追索。

4.1.1含礦層的地面追索

利用上述的光-能譜集成技術對含礦層進行了地面追索。根據該地區含礦層的顏色、物質組成、裂隙發育程度和放射性強度等特點，通過多光譜遙感數據進行了主成分分析，將原圖像的高維空間像元亮度值投影到新的低維空間，使信息分解，并提取特征信息。然后從中選出最能體現含礦層特征的光譜信息，與鈾的伽瑪能譜影像圖融合，快速提取出東勝地區含礦層地面影像信息，從而獲得一種從區域上快速查明含礦層的新方法。

4.1.2含礦層深部地質要素的快速追索

在對研究區大量鉆孔剖面逐一解譯的基礎上，建立研究區鉆孔信息（辮狀河、泛濫平原、曲流河、泥巖、砂巖、巖石顏色、不整合面等）數據庫，并借助自主開發的鉆孔數據自動成圖和分析系統，實現了對含礦層的多維（二維和三維）追索，包括對含礦層沉積相的分布、厚度變化、砂百分含量等單要素追索和含礦層砂體厚度的分布與古河道的關系等多要素的追索。

4.2 構造-地球化學障研究

通過遙感圖像解譯，發現東勝地區的鈾礦床不僅受含礦層控制，而且受斷裂構造控制[4]。控礦斷裂為NWW向的斷裂帶。經野外檢驗，在地面表現為陡崖、裂隙帶和斷層等。對其進行厘定后，在建立的GIS多源地學數據庫的基礎上，應用GIS 空間分析功能，研究了該斷裂的切割深度、力學性質、活動時限、與油氣的關系，以及對已知鈾礦床的控制等。認為該斷裂為一深位貫通性的含油氣斷裂，是一條鈾的控礦構造，導致了該區鈾礦床的沿斷裂同方向展布。進一步研究認為，深位貫通性斷裂在鈾成礦中起著如下重要作用：

(1)減壓帶作用 導致含鈾、含氧地下水向壓力低的斷裂帶方向驅動。

(2)排泄帶作用 保證了含鈾、含氧地下水不斷地向斷裂帶定向的流動，從而形成了有利鈾成礦的地下水循環系統。

(3)溝通帶作用 溝通了深部的氣、水、油等還原性流體，形成了有利于鈾沉淀富集的環境。

(4)活動帶作用 斷裂的多次活動，導致了鈾成礦的多期性（經夏毓亮同位素年齡測定，該區鈾成礦年齡分別為：124+6Ma，85+5Ma，20+2Ma和8+2Ma等）

通過上述研究認為，正是由于這類斷裂及其活動，一方面導致含鈾、含氧地下水向斷裂帶的定向流動，另一方面導致了地下深處油氣等還原物質的沿斷裂向上運移，造成斷裂帶附近地球化學條件的改變，引起鈾的沉淀富集。二者的聯合作用，控制了鈾礦化的沿斷裂帶分布。作者將這種砂巖型鈾礦控礦模式命名為構造--地學化學障模式。認為它不同于傳統的氧化帶前鋒—地球化學障模式，是今后鄂爾多斯盆地找鈾礦值得重視的一種目標類型。

4.3兩種不同成因類型鈾 礦化的發現

在構建的鄂爾多斯盆地鈾資源多源空間數據庫的基礎上，利用自主開發的鉆孔數據自動成圖與分析系統的多參數綜合分析等模塊，對數據庫中373 個鉆孔數據進行了綜合研究，發現研究區存在兩種不同類型的鈾礦化：一種是分布在黃色（氧化）與灰色（末蝕變巖石）帶之間的氧化帶前鋒—地球化學障類型的鈾礦化，礦帶呈北西—南東方向展布，受東北高、西南低的地形控制明顯；另一種是分布在灰色帶和藍（綠）色蝕變帶之間的構造—地球化學障類型的鈾礦化，礦帶呈近東西向展布，受NWW向斷裂控制明顯。兩種成因類型的發現，反映了該區成礦的多樣性，也提出了該區找礦的多途徑。

4.4 斷隆構造成礦觀點的提出

在構建的多源空間數據庫的基礎上，首先對東勝-杭錦旗地區的遙感圖像進行分析解譯，發現該區處于一斷塊隆起（斷隆）的區域地質構造背景上。利用數據庫的分析功能，將遙感信息與重、磁、航放、地質等地學信息進行系統集成和綜合分析，目的是對斷隆構造進行深化研究，先后研究了斷隆構造的深部結構、地層構成與剝蝕程度、含鈾性和鈾的遷移趨勢、內部的斷裂構造、構造熱事件以及斷隆構造的發生與發展等。在此基礎上，通過進一步研究，不僅發現已知鈾礦床產于斷隆構造環境，而且發現鈾礦的形成與斷隆構造的發生和發展息息相關，已知鈾礦區受斷隆邊緣斷裂控制，礦的形成與油氣關系密切，并形成了既具有層間氧化帶類型某些特點，又不具其特點的獨具特色的復合性鈾礦化，從而提出斷隆成礦的新觀點。斷隆成礦觀點的提出不僅解釋了為什么該區繼外流型盆地之后，仍發生成礦作用，為什么早期的鈾礦發生了改造。為什么多期成礦，為什么礦化具復合型等一系列鈾成礦的重要地質問題，而且建立了新的斷隆構造區域找礦模式，提出在鄂爾多斯盆地圍繞斷隆構造及其邊緣找礦的新思路和新判據。

遙感信息在各個領域的深入應用是促進我國遙感信息產業化的重要途徑，遙感信息如何在各個領域深入應用，是遙感研究者十分關注的問題。后遙感應用技術理念的提出為遙感信息的深化應用開拓出了一條重要途徑。實踐表明，在地質勘查領域，后遙感應用技術比起單一遙感技術，具有更大的應用價值和更佳的應用效果。它提出的遙感信息及其延伸應用的技術思路也值得地球科學其它領域借鑒。

參考文獻

1] 劉德長，葉發旺. 后遙感應用技術的提出與思考[J].世界核地質科學,2004,21(1):33-37

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3] 劉德長，趙英俊，等.核工業鈾資源勘查遙感應用的創新與數字勘查技術系統研究[J].國外鈾金地質,2002,19(3):152-156

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