新型遙感技術的鈾資源勘查應用

劉德長 楊旭 張杰林

核工業北京地質研究院，北京，100029

摘 要: 一系列對地觀測遙感衛星成功發射，新型傳感器相繼問世，不斷增添具有更高空間分辨率、光譜分辨率和更多極化方式的新型遙感數據源。這些數據源正以傳統遙感數據源不具有的優勢在國民經濟各領域應用，取得了許多良好的應用效果。本文從新型多光譜遙感、高空間分辨率遙感、高光譜遙感、雷達遙感等四個方面介紹一下新型遙感數據在鈾資源勘查中的應用情況及效果。關鍵詞：新型遙感技術；鈾資源勘查；應用

1 引言

進入21世紀前后近十年，遙感技術得到了快速發展。1999 年，NASA成功發射了承載多種傳感器的Terra 衛星；美國Space Imaging公司成功發射了全球第一顆高分辨率商業化遙感衛星IKONOS；我國與巴西合作發射了我國第一顆數字傳輸型資源衛星CBERS-1。2000年，美國NASA發射了EO-1衛星，其上搭載了高光譜成像儀Hyperion；2001年，美國數字全球公司成功發射商用高分辨率衛星QuickBird，2002年法國發射了SPOT-5衛星，2003年中巴資源衛星02星成功發射，2006年1月日本發射了ALOS衛星，2007年我國又發射了中巴資源衛星02B星。這些衛星的成功發射，使得CBERS-02B，ASTER，ALOS，IKONOS，QuickBird，OBVIEW，Hyperion，TerraSAR，Lidar等多種新型傳感器相繼出現，繼而產生了多種具更高光譜分辨率、空間分辨率，以及更多極化方式的新型遙感數據。這些新型遙感數據的出現促進了遙感技術在國民經濟各領域的進一步滲透，并已在地球科學、農業、林業、城市規劃、土地利用、環境監測、考古、軍事等各個領域有了更加廣泛而深入的應用[1]。本文將從新型多光譜遙感、高光譜遙感、高空間分辨率遙感、雷達等四個方面簡要介紹一下新型遙感數據在鈾資源勘查中的應用情況及效果。

2 新型遙感技術的應用

2.1 新型多光譜遙感技術的應用

過去的二三十年，多光譜遙感技術應用的數據源主要是MSS、TM、ETM和SPOT。新世紀CBERS-02/02B、ASTER和ALOS等新型多光譜遙感技術的出現為多光譜遙感技術在國民經濟各領域的應用提供了新的數據源。當前，在鈾資源勘查中應用最多的是CBERS-02/02B和ASTER等數據。

（1）CBERS-02/02B

中巴地球資源02B星（CBERS-02B）搭載有CCD多光譜相機、高分辨率相機、寬視場成像儀等遙感傳感器。利用其傳回的高質量影像數據，在江西桃山鈾礦田開展了礦田構造格架、成礦巖體和熱液蝕變帶等主要成礦要素的遙感信息的提取與分析。

在礦田構造格架研究方面，由于CBERS-02B多光譜影像的空間分辨率為19.5米，比ETM多光譜波段數據的30米的空間分辨率高，識別斷裂的效果好。在342波段彩色合成影像圖中（圖1），可以明顯看出桃山礦田產于桃山斷裂、羅坑斷裂、釣峰斷裂的構造夾持和交匯區，受這三條主干斷裂控制。在巖體劃分方面，通過地面光譜測量結果表明，不同期次巖體的光譜特征主要是由Fe3+、Fe2+、鈣-OH等引起的，吸收峰波長位置主要集中在0.5 ~ 0.9μm光譜范圍內。由于CBERS-02B多光譜數據光譜范圍為0.48-0.89μm。因此，利用由金屬離子引起的可診斷吸收光譜信息，劃分出不同巖體，并圈定了分布范圍。在熱液蝕變信息提取方面，利用CBERS-02B多光譜數據，通過光譜指數計算（B1/B2），可提取Fe3+蝕變信息，桃山礦田范圍為高值區，代表鐵的含量高，與礦田形成的強烈的堿交代現象相吻合[2]。

圖1 桃山鈾礦田構造格架02B星遙感影像構造解譯圖

Fig. 1 CBERS-02B image of framework in Taoshan uranium deposit

（2）ASTER數據

ASTER傳感器提供了包括可見光一近紅外(VNIR)、短波紅外(SIR)、熱紅外(TIR)共14個波段的地物波譜數據。其中最高分辨率在VNIR波段達到了15m。另外，在獲得地物波譜數據的同時，它還能利用在03 N波段和03B波段以不同視角獲得的圖像組成立體像對，從而獲得同一地區的高程數據。這些特點為該數據的地質應用提供了很大的方便。在鈾礦找礦中，主要用于控礦構造識別、蝕變信息提取和巖性劃分等方面的研究。下面以控礦斷裂的識別和蝕變信息的提取為例，說明ASTER數據在發現薩克鈾礦化帶上的應用效果。

先是在塔里木盆地北緣薩克地區，用ETM圖像研究已知航放異常點的控制因素，但由于圖像上所顯示的斷裂構造不明顯，其受斷裂帶控制未能引起足夠的重視。后來采用ASTER圖像研究，由于其空間分辨率比ETM提高一倍，斷裂構造顯示非常清楚，當將航放異常點投到ASTER圖像上，明顯看出受一條NW向斷裂帶控制（圖2）。

圖2 塔里木盆地北緣薩克地區ASTER遙感影像

Fig. 2 ASTER image of Sake ares in north of Tarim Basin

（箭頭指向斷裂帶；紅點示已知航放異常點）

根據巖石裸露區相同的地質體或地質現象具有相同的光譜特征，因而在遙感圖像上會顯示出相同的特征影像的原理，開發了多光譜遙感影像特征類比提取技術。利用ASTER具有14個波段，且地質上常用的ETM7波段被劃分為4個波段的優勢，先選定上述斷裂帶上的兩個航放異常點為目標，對其特征影像進行提取。當兩個航放異常點處都出現紅色斑點（蝕變）時，在該圖像上又出現兩處紅色斑點區（圖3）。這兩處紅色斑點（蝕變）地段，作為野外地質檢查的重點地段。

圖3 礦化信息影像特征類比技術處理效果圖

Fig. 3 Ore-search Information extraction based on analogy the Image Features method

（方框內為已知航放異常點的紅色斑點；圓圈內為具有與已知礦化點相似影像特征的地段）

經在上述蝕變地段（圓圈范圍）的重點追索和地面能譜測量，沿帶又發現了5處地面能譜異常，最高1000ppm，其余100-500ppm。從而利用ASTER數據發現了一條鈾的礦化帶。

2.2 高空間分辨率數據的應用

IKONOS、QuickBird等高空間分辨率數據不僅具有多光譜波段的特點，更重要的是具有很高的空間分辨率。因此，這類數據的應用既可以充分發揮高空間分辨率的優勢（1m和0.6m），又可以發揮高空間分辨率與多光譜相結合的優勢，大大提高了人們對地物目標的精細觀測水平和解譯分析能力。在鈾資源勘查中，利用這一優勢，可以精細研究鈾礦化帶的組合和蝕變帶的強弱程度。

從IKONOS真彩色合成遙感圖像上可以看出，上述薩克鈾礦化帶的斷裂由黑色線性體和白色線性體重接復合組成。從QuickBird真彩色合成遙感圖像上，除此之外，還可看到礦化地段圖像色調呈灰白色斑點。但是，在放大的ETM圖像上連斷裂帶的構造痕跡都看不清，更不要說斷裂帶的內部結構和旁側的蝕變現象（圖4）。

圖4 新型與傳統遙感圖像薩克鈾礦化帶影像特征對比圖

Fig. 4 New and traditonal remote sensing contrastive image of Sake area uranium zone

左圖：QuickBird遙感圖像；右圖：ETM遙感圖像

（①黑色線性體；②白色線性體；③灰白色斑點；紅點示已知航放異常點；白框示高分辨率數據對應范圍）

經野外檢驗，黑色線性體為基性巖脈，白色線性體為斷裂帶，反映控礦斷裂由基性巖脈和斷裂帶組成，斷裂帶形成在后，破壞了基性巖脈，二者為重接復合關系。斷裂的活動導致了深部含鈾熱流體的上升，造成斷裂上盤泥盆系紅色砂巖褪色蝕變（圖5）。蝕變的特點是水云母化、碳酸鹽化和少量硅化，并使三價鐵減少，從而導致原紅色砂巖變為灰白色。因此，礦化地段在QuickBird真彩色圖像上顯示淺色調。

對高空間分辨率圖像的精細分析，不僅符合野外觀察的鈾礦化帶呈基性巖脈+斷裂帶+蝕變帶的地質組合特點，而且為該鈾礦化帶的區域搜索建立了影像識別模式。利用此影像模式和高空間分辨率遙感數據，經蝕變信息提取，并通過野外驗證，在其外圍又發現了2條新的類似的鈾礦化帶（圖6）。

圖5 薩克鈾礦化帶野外剖面照片（鏡頭向東南攝）

Fig. 5 profile phote of Sake area uranium zone

（Ⅰ輝綠巖脈；Ⅱ 硅化帶；Ⅲ 蝕變圍巖）

圖6 新發現的鈾礦化帶（局部）的QuickBird遙感影像圖

Fig. 6 QuickBird remote sensing image of new fined uranium zones

（①黑色線性體為基性巖脈；②白色線性體為斷裂帶；③灰白色斑點為褪色蝕變）

從高分辨率的遙感圖像上還可以精細的解譯出蝕變帶內殘留體的多少，從而有利于判斷蝕變的強弱程度[3]。某蝕變帶是由下白堊統紅色砂巖經油氣還原蝕變為灰色和黃色（灰色遭二次氧化）帶。當還原作用不充分時，仍可見到未蝕變的紅色砂巖。因此，可以根據紅色砂巖的殘留體的多少來判斷蝕變的強烈程度。利用QuickBird數據提取該蝕變帶內的殘留體，可以將蝕變帶分為強烈蝕變、較強烈蝕變和弱蝕變的地段。

2.3 高光譜遙感數據的應用

高光譜與多光譜遙感技術相比的明顯優勢在于窄波段成像，光譜分辨率可達納米級。因此，波段數可達幾百個。對于不同的應用目的，選擇適當的波段，可以取得研究對象圖譜合一的信息。借助高光譜遙感信息的上述優勢，不僅可以提取鈾礦化的蝕變信息，而且可以區分蝕變帶的蝕變礦物。

黏土化是鈾成礦過程中常見的蝕變現象。組成黏土化的礦物成分，在進行蝕變帶對比時十分重要。高嶺石和蒙脫石同為黏土礦物，在2205nm處都有一個明顯的吸收峰，但高嶺石在2165nm處還有一個明顯的次級吸收峰（圖7），利用其就可將高嶺石與蒙脫石區分開來。

圖7 高嶺石、蒙脫石參考光譜曲線（USGS光譜庫）

Fig. 7 Spectrum of Kaolinite and montmorillonite

（紅色示高嶺石；綠色示蒙脫石）

采用的高光譜遙感數據是Hyperion衛星高光譜遙感數據，分辨率為30米，由于空間分辨率太低，不宜進行礦物的精確區分。為此，先采用Daubechies小波變換將Hyperion數據與IKONOS衛星遙感數據（空間分辨率為1米）融合，得到的融合波段不僅很好地保留了空間信息，更重要的是其光譜信息非常完整，為該區黏土化帶礦物成分的精確區分奠定了基礎[4]。

為了防止誤分和漏分，采用改進式多波段特征擬合技術進行高嶺石和蒙脫石礦物的分類提取研究。改進式波譜特征擬合的礦物識別模式與波譜特征擬合技術的區別在于：波譜特征擬合技術是針對單一譜帶特征進行的礦物識別[5]，而改進式波譜特征擬合技術充分考慮了具有復雜成分的礦物在波譜特征上的譜系效應，即在對最典型的吸收特征進行擬合的基礎上，進一步利用離子或基團的次要吸收特征進行礦物識別，如果還是無法達到較好的區別效果，再可以對第三級特征進行擬合。改進式波譜特征擬合的礦物識別技術既能在細節上針對特征譜帶進行擬合，又能考慮到整體波形的影響作用，因此提取離子或基團組合復雜的蝕變礦物具有獨特的優勢。經用該項技術對上述Hyperion的Band205處理，在黏土化內不僅將高嶺石（紅色）和蒙脫石（綠色）區別開來（圖8），而且說明該黏土化帶主要由高嶺石和蒙脫石組成。

2.4 新型雷達數據與光學數據的融合應用

近年來，星載雷達遙感的發展比較快，出現了許多新的傳感器，總的趨勢是向高分辨率、多極化的方向發展。同時，雷達遙感數據與光學遙感數據的融合也是其新的應用方向。

研究區屬于南方多云多雨地區，依靠太陽光源的光學傳感器在數據采集過程中受到一定限制，而雷達傳感器具有全天時、全天候的技術優勢，并對植被具有穿透性。本文基于ETM

圖8 改進式波譜特征二級擬合結果圖

Fig. 8 Result of multi-range spectral feature fitting

（紅色—高嶺石；綠色—蒙脫石）影像數據與Radarsat精細模式成像雷達數據，利用紋理分析和光學與微波信息融合技術，開展了研究區已知鈾礦化分布規律的研究[6]。

雷達數據紋理分析算法主要采用二階概率統計、計算及提取多種紋理參數（平均值、變異性、對比度、相異性、熵、二階矩及相關性等），分析雷達影像中不同尺度紋理特征的分布規律，研究礦田構造發育特征及其與鈾成礦的關系。在此基礎上，利用雷達圖像與ETM圖像信息融合技術，獲得既包含地形地貌特征和地質構造等紋理信息，又包含不同巖石光譜信息的光學和微波信息融合圖像，提高了影像對構造和巖性的綜合識別能力。在融合圖像（圖9右圖）中，可以明顯看出該區呈NE向展布的鈾礦床、礦點是沿NE向大斷裂帶分布。顯然，該NE向大斷裂為本區的主干控礦斷裂，但是在光學和雷達圖像上，該斷裂是不清楚的（圖9左圖和中圖）。

圖9光學與雷達數據融合圖

Fig. 9 ETM and Radarsat fusion image

左：ETM圖像；中：Radarsat雷達圖像；右：ETM與Radarsat融合圖像

3 結語

新型遙感數據與傳統遙感數據相比，具有更高的空間分辨率、光譜分辨率和更多極化方式等技術優勢。這些遙感數據源的出現，為遙感技術在資源勘查、土地利用、城市規劃、災害預測、環境監測、考古研究和軍事等領域的應用注入了更強的活力，也促進了遙感技術在鈾資源勘查領域的深入應用。

實踐表明，新型遙感數據的采用，往往會發現傳統遙感數據不能或很難發現的地質體或地質現象，從而促進了地質人員的創新思維，導致新概念的產生和鈾礦化規律新認識的形成，從而提高了遙感技術的應用效果。

參考文獻

[1] 劉德長，葉發旺. 新型衛星遙感數據的應用現狀[J]. 衛星應用，中國空間技術研究院，北京：2009年第1期

[2] 張杰林，趙英俊，張靜波等. CBERS-02B星數據質量評價及鈾成礦要素解譯應用研究[J].國土資源遙感，2009，79（1）：69-73

[3] 楊旭，劉德長，張杰林. 基于高分辨率衛星數據鈾礦找礦信息提取[J]. 世界核地質科學, 2008，25（3）：167-171

[4] 楊旭. 新疆烏恰-庫車地區鈾成礦要素多源遙感信息提取技術研究及集成應用[D]. 核工業北京地質研究院博士論文，2008

[5] 甘甫平，王潤生著.遙感巖礦信息提取基礎與技術方法研究[J]. 北京，地質出版社，2004

[6] 張杰林，劉德長.曹代勇.基于信息融合的鈾礦床遙感數據挖掘技術[J]. 地理與地理信息科學，2004，(3)：89-91

作者簡介：劉德長 陜西三原人，研究員，博士生導師，長期從事遙感技術在鈾資源、核軍事等領域的應用研究。目前正在從事后遙感應用技術的開拓研究。E-Mail: liudc@yeah.net

Application of New Types of Remote Sensing Technology in Uranium Deposit Prosecting

LIU Dechang, YANG Xu, ZHANG Jielin

Beijing research institute of uranium geology, Beijing 100029

Abstract

Abstract: With the development of remote sensing, there are a few new types of sensors from which can acquire abundance new types of remote sensing data. These data has been applied succeedly in many different fields of national economy construction. In this paper, applications of four types remote sensing in uranium deposit prosecting, multi-spectral, high-spatial-resolution, hyperspectral and radar data, have been summarized .

KeyWords: new types of remote sensing technology, Uranium Deposit prosecting, application