何虎軍,楊興科,李煜航,李永壽,王 麗

(長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安710054)

0 引言

區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、公益性、綜合性極強(qiáng)的基礎(chǔ)地學(xué)工作,也是地學(xué)領(lǐng)域地面數(shù)據(jù)獲取的主要方法之一。全面系統(tǒng)地取全、取準(zhǔn)野外第一手資料是進(jìn)行地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查與填圖工作的基礎(chǔ)和首要任務(wù)。隨著地質(zhì)礦產(chǎn)勘查技術(shù)的發(fā)展,信息的來(lái)源和種類越來(lái)越多,在信息的實(shí)際應(yīng)用中,單一的信息源所提供的信息往往是片面的,數(shù)據(jù)融合(Data Fusion)技術(shù)用于多源數(shù)據(jù)的處理,它可以使不同地質(zhì)手段的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),有效消除數(shù)據(jù)中信息的不確定因素,提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,使融合結(jié)果比它的各組成部分有更充分的信息[1-3],在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中充分發(fā)揮綜合實(shí)力。筆者結(jié)合新疆維吾爾自治區(qū)1:50 000區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目的實(shí)際,充分利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)特長(zhǎng),在全面收集區(qū)內(nèi)地質(zhì)、遙感圖像、地球化學(xué)等有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,對(duì)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行了研究及探討。

1 多源數(shù)據(jù)融合

所謂數(shù)據(jù)融合,實(shí)質(zhì)上就是運(yùn)用一定手段和技術(shù)方法,將從研究對(duì)象獲取的所有信息全部統(tǒng)一在時(shí)空體系內(nèi)所進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)。換句話說(shuō),就是將從不同側(cè)面,用不同手段得到的統(tǒng)一地質(zhì)體的信息,皆視為統(tǒng)一地質(zhì)體的不同表征[4]。其目的是吸收各種數(shù)據(jù)源的優(yōu)點(diǎn),從中提取更加豐富的信息,也可以稱之為“1+1=3”[5]。在區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查過(guò)程中主要進(jìn)行的是多源遙感數(shù)據(jù)的融合及多源遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)的融合。在區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中,應(yīng)用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的目的是通過(guò)融合后的圖像進(jìn)行綜合解譯分析,提取區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所需要的地層、構(gòu)造、巖漿巖、礦產(chǎn)等專題信息,指導(dǎo)區(qū)調(diào)工作的合理部署。多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中應(yīng)用的流程如圖1,整個(gè)過(guò)程通過(guò)人機(jī)交互操作、查詢及決策反復(fù)調(diào)試加以實(shí)現(xiàn)。

圖1 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中應(yīng)用流程Fig.1 Application Workflow of Multi-source Data Fusion Technology in G eological and Mineral Survey

1.1 數(shù)據(jù)選擇

在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合時(shí),合理選擇數(shù)據(jù)對(duì)象是進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合的首要步驟,這直接關(guān)系到多源數(shù)據(jù)融合處理的效果和是否滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此,首先要根據(jù)具體用途及目的選擇合適的遙感數(shù)據(jù)及非遙感數(shù)據(jù)。遙感圖像類型選擇的依據(jù)為地面分辨率、光譜分辨率和時(shí)相分辨率,其中地面分辨率、光譜分辨率為圖像優(yōu)選的主要依據(jù)。當(dāng)前,不論航天遙感數(shù)據(jù)還是航空遙感數(shù)據(jù)(黑白航空相片、彩色紅外航空相片、紅外多光譜等),均可作為區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的基礎(chǔ)信息源,尤以TM/ETM最佳[5]。同時(shí)結(jié)合實(shí)際需要收集研究區(qū)相關(guān)的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等方面的資料。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合之前,首先必須對(duì)地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理、遙感等不同類型數(shù)據(jù)和圖件進(jìn)行預(yù)處理,包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、柵格圖矢量化、屬性分離歸納、遙感影像幾何校準(zhǔn)、不同來(lái)源圖件地理配準(zhǔn),然后再轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的圖像格式(Imagic或Tiff),而且所有預(yù)處理皆應(yīng)以能使已有的各類數(shù)據(jù)相互溝通為目的,從而保證各類數(shù)據(jù)能夠在同一工作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)融合[6-7]。同時(shí),針對(duì)研究目標(biāo)對(duì)不同類型的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化處理和圖像增強(qiáng)處理:如遙感數(shù)據(jù)的光譜信息和空間信息提取、空間濾波、頻率濾波、主成分分析、分形分析、紋理分析等處理方法;對(duì)于物探數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化的極化、延拓、匹配濾波、垂向二次導(dǎo)數(shù)等數(shù)值處理,形成圖像,提取目標(biāo)體不同特征的結(jié)構(gòu)信息;地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理的目的是找出化探異常區(qū),關(guān)鍵問(wèn)題是確定異常下限,通過(guò)多種計(jì)算方法,得到異常區(qū)的分布圖像。以上處理結(jié)果只做灰階處理,以便于下一步的融合[8]。

1.3 數(shù)據(jù)融合

1.3.1 多源遙感數(shù)據(jù)融合

多源遙感數(shù)據(jù)融合的目的,就是通過(guò)圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多波段、多傳感器、多平臺(tái)、多時(shí)相、多分辨率遙感影像進(jìn)行綜合處理,以期增強(qiáng)衛(wèi)星圖像的應(yīng)用效果。它主要有多光譜遙感數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合、高低分辨率遙感數(shù)據(jù)的融合以及不同多光譜數(shù)據(jù)間的融合等。目前,多源遙感數(shù)據(jù)融合有3種基本方法:基于像素級(jí)的融合、基于特征級(jí)的融合、基于決策級(jí)的融合[9],表1列出了幾種融合的方法。在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查過(guò)程中,要根據(jù)具體目的選擇合適的融合方法,例如提取線性構(gòu)造信息的方法主要為濾波,可以在假彩色合成、主成分分析、比值等各種圖像上進(jìn)行,反差擴(kuò)展或直方圖調(diào)整以及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析也是遙感線性構(gòu)造研究的重要輔助手段;比值融合法、Crosta技術(shù)以及基于圖像監(jiān)督分類的光譜角法等[10-14],是礦化蝕變信息提取的主要方法。至于哪種方法好用,依具體情況而言,在實(shí)際應(yīng)用中不囿于一些理論束縛,可依據(jù)具體情況對(duì)原方法進(jìn)行靈活、合理地改動(dòng),同時(shí)要綜合多種方法處理圖像。

1.3.2 多源遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)融合

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中,所用的信息有遙感信息和地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等非遙感信息。遙感信息具有高的光譜信息、色彩鮮艷、視域廣、直觀性強(qiáng)和綜合信息豐富的特點(diǎn),對(duì)地面地質(zhì)特征(地層、巖性、構(gòu)造等)、地形地貌和巖石裸露、水系分布均可直接提取,地質(zhì)與物化探信息則對(duì)具體目標(biāo)有指示能力,后者可以看作一種傳感器數(shù)據(jù)源,與遙感信息通過(guò)某種技術(shù)方法融合,從而獲得更豐富的信息。參與融合的地學(xué)圖像可以是單一的,也可以是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)初步處理的綜合信息[8]。

表1 幾種融合方法Tab.1 Several Merging Methods

1.4 綜合結(jié)果分析

由于多源數(shù)據(jù)融合方法的多樣性以及同一種融合方法對(duì)不同圖像融合效果的多變性,使得對(duì)最終多源數(shù)據(jù)融合結(jié)果進(jìn)行綜合分析顯得十分重要。一定要在圖像處理及地質(zhì)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,以野外踏勘與實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面為依據(jù),本著從已知到未知的原則,給其一個(gè)客觀、正確的評(píng)價(jià)分析,以充分發(fā)揮多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中的作用,對(duì)有代表性的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)研究,最終建立研究區(qū)的各類地質(zhì)模型。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于北山山系西段地區(qū),行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾自治區(qū)若羌縣管轄,本區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,在研究區(qū)北部黑山嶺南麓,斷裂構(gòu)造的走向以近東西向?yàn)橹?在研究區(qū)中南部,斷裂構(gòu)造走向?yàn)楸睎|—南西向,區(qū)內(nèi)規(guī)模較大斷裂有黑山嶺南斷裂、淤泥河隱伏斷裂、矛頭山斷裂和鹽灘斷裂,沿黑山嶺南坡斷裂和矛頭山斷裂分別發(fā)育動(dòng)力變質(zhì)帶。研究區(qū)隸屬于塔里木板塊東北緣北山古生代裂谷西段,在新疆優(yōu)勢(shì)金屬礦產(chǎn)成礦規(guī)律與成礦預(yù)測(cè)圖上劃為北山金、銅、鎳、鐵成礦帶,以白洼地—淤泥河大斷裂為界,以北為依格孜塔格(筆架山—黑山嶺)銅、鎳、金、鐵礦帶,以南為因尼卡拉塔格金、銅、鐵礦帶。

2.2 構(gòu)造信息提取

主要收集了TM(時(shí)相為1993年6月)和ETM (時(shí)相為2000年6月)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),兩種數(shù)據(jù)配合使用。在應(yīng)用之前,首先對(duì)遙感影像進(jìn)行了幾何校正、坐標(biāo)配準(zhǔn)、亮度值動(dòng)態(tài)拉伸等預(yù)處理[15]。地質(zhì)構(gòu)造行跡主要表現(xiàn)為線性和環(huán)形特征。線性、環(huán)形構(gòu)造及構(gòu)造交叉部位,是成礦、找礦的重要條件,而它們?cè)谶b感圖像上多以特定的色調(diào)、形態(tài)、圖形結(jié)構(gòu)、水系展布、地貌組合等線性、環(huán)形影像特征得以顯示。通過(guò)多次試驗(yàn),根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)并結(jié)合圖像的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或巖石的波譜特征,最終選取對(duì)巖性信息反映明顯的TM5、TM7波段和對(duì)植被反映明顯的TM4波段以及一個(gè)可見(jiàn)光TM1波段進(jìn)行假彩色合成及處理。在構(gòu)造信息提取過(guò)程中,主要經(jīng)過(guò)對(duì) TM7、TM4、TM1波段進(jìn)行主成分變換的PC1分別進(jìn)行北西、北東、東西和北南方向?yàn)V波后進(jìn)行線性和環(huán)形構(gòu)造解譯。最終解譯結(jié)果如圖2,其中底襯圖像為T(mén)M7、TM4、TM1波段假彩色合成圖像。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造解譯Fig.2 Structure Interpretation in Study Area

2.3 礦化蝕變信息的提取及找礦靶區(qū)的圈定

遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)通過(guò)融合可以做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),尤其在礦化蝕變信息的提取中,筆者根據(jù)不同數(shù)據(jù)源特點(diǎn)及在研究中的要求,對(duì)地物化數(shù)據(jù)和遙感圖像數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行了配準(zhǔn)疊合,并進(jìn)行了融合處理與疊合顯示,取得了較好的地質(zhì)效果。采用TM1、TM4、TM5、TM7波段組合提取含羥基(OH-)、含碳酸根離子等的礦物遙感蝕變異常; TM1、TM3、TM4、TM5波段組合提取含氧化鐵(Fe3+、Fe2+)遙感異常,作主成分分析,根據(jù)主成分分析的特征向量組合確定PC4主成分分量提取效果最好,突出可能的礦化蝕變部位,與TM7、TM4、TM1波段合成的假彩色影像圖套合生成蝕變信息提取專題影像圖;將合成的圖像與1:50 000化探金、銅的柵格數(shù)據(jù)圖以幾何平均方式融合,這樣既保留了遙感圖像特征又較準(zhǔn)確地突出了金、銅化探異常。同時(shí)根據(jù)研究區(qū)及鄰區(qū)已知礦產(chǎn)的分布規(guī)律、地質(zhì)、地球化學(xué)、成礦條件及控礦因素等特征,參照前人已有的研究成果,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)礦產(chǎn)特征及野外地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查結(jié)果,進(jìn)行找礦靶區(qū)的圈定。經(jīng)綜合研究后最終在本區(qū)內(nèi)劃分出5個(gè)找礦靶區(qū)(圖3)。通過(guò)對(duì)所提取的蝕變信息及控礦構(gòu)造、已知礦床點(diǎn)在空間上的相關(guān)關(guān)系分析和野外實(shí)地查證,所提取的遙感蝕變信息,與已知礦(化)點(diǎn)基本吻合。

圖3 研究區(qū)礦化蝕變信息及靶區(qū)分布Fig.3 Distribution of Mineralizing Alteration Information and Target in Study Area

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查過(guò)程中主要進(jìn)行的是多源遙感數(shù)據(jù)融合及多源遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)的融合,目的是通過(guò)對(duì)融合后的圖像進(jìn)行綜合解譯分析來(lái)提取區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所需要的地層、構(gòu)造、巖漿巖、礦產(chǎn)等專題信息,指導(dǎo)區(qū)調(diào)工作的合理部署。

(2)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合的實(shí)施步驟:①合理選擇數(shù)據(jù)對(duì)象;②分別對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,達(dá)到在同一工作平臺(tái)上的數(shù)據(jù)統(tǒng)一;③根據(jù)具體目的選擇不同的融合方法,并且在實(shí)際應(yīng)用中不囿于一些理論束縛,靈活、合理的依據(jù)具體情況經(jīng)常對(duì)原方法有所改動(dòng),同時(shí)要綜合多種方法處理圖像;④對(duì)融合結(jié)果進(jìn)行客觀分析評(píng)價(jià)。

(3)隨著空間信息科學(xué)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)水平的不斷提高,多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)用來(lái)處理地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中的海量數(shù)據(jù),能夠有效消除數(shù)據(jù)中信息的不確定因素,提高對(duì)目標(biāo)或環(huán)境的描述、解釋分析和表示結(jié)果的準(zhǔn)確性,獲得比單一信息有更充分的融合結(jié)果。

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