吳 虹，熊 彬

桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004

遙感勘探
——物探學(xué)科新分支

吳 虹，熊 彬

桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004

根據(jù)地質(zhì)勘探和廣義遙感的定義，遙感對地球探測的應(yīng)用，當(dāng)其主要目的在于查明地質(zhì)目標(biāo)的空間存在性及屬性時，應(yīng)屬于勘探地球物理范疇，具有與磁法、重力、電法、地震及放射性等地球物理勘探并列的學(xué)科地位，并可謂之遙感勘探。然而，迄今的地學(xué)學(xué)科分類體系中卻并無遙感勘探的提法，更無其位置，這種狀況影響了遙感技術(shù)與地球物理技術(shù)的融合。本文從學(xué)科定位、理論基礎(chǔ)、反演和多解性四個方面，論證了建立遙感勘探技術(shù)知識體系，并將其歸入地球物理遙感勘探學(xué)科分支的必要性、依據(jù)和意義，給出了遙感勘探知識體系的組成結(jié)構(gòu)，為開拓物探學(xué)科的教學(xué)和科研空間，提供了依據(jù)。

遙感勘探；物探；學(xué)科

remote sensing prospecting; geophysical prospecting; subject

一、問題提出

勘探，英文為Prospecting或Exploration。狹義勘探是指尋找有開采價(jià)值的礦床，查明礦藏分布情況；廣義勘探是通過技術(shù)手段獲取地質(zhì)目標(biāo)的位置、大小、屬性和數(shù)量等信息的方式和過程。鉆探、井探、坑探、槽探、物探和化探都屬于勘探。遙感應(yīng)用于地質(zhì)，當(dāng)主要目的也在于查明地質(zhì)目標(biāo)的存在性及屬性時，亦應(yīng)屬于勘探，即遙感勘探。根據(jù)廣義遙感的定義，遙感勘探屬于勘探地球物理范疇，具有與磁法勘探、重力勘探、電法勘探、地震勘探及放射性勘探等并列的學(xué)科位置。美國勘探地球物理學(xué)家協(xié)會（SGE）早在1992年就將遙感納入地球物理，稱為地球物理遙感[1]。國內(nèi)提出遙感勘探概念起于對金伯利巖和碳酸鹽巖的光譜反射率特征的研究[2]，之后又有一批學(xué)者在遙感找油氣和金礦中采用了遙感勘探概念[3-8]，還在新疆遙感金屬礦找礦采用了遙感地質(zhì)勘查的概念[9]。這些都表明了遙感勘探應(yīng)用已經(jīng)成為一個客觀事實(shí)。然而，迄今地學(xué)專業(yè)分類體系中卻并無遙感勘探的學(xué)科位置。這種情況已經(jīng)不能滿足今天地球科學(xué)發(fā)展的需要，不利于對21世紀(jì)新型物探人才的培養(yǎng)。為此，在地球物理勘探中建立學(xué)科新分支─遙感勘探已勢在必行。本文對此進(jìn)行專門討論。

二、學(xué)科地位趨同

在目前我國的學(xué)科分類與代碼國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/ T 13745-2009）中，遙感與物探的學(xué)科位置是分離的，表現(xiàn)在作為地球科學(xué)的三級學(xué)科的地球物理勘探（簡稱物探）中無遙感分支，即，地球科學(xué)（一級學(xué)科170）/固體地球物理學(xué)（二級學(xué)科170.20）/勘探地球物理（三級學(xué)科170.2065）。而遙感只出現(xiàn)在地球科學(xué)的三級學(xué)科的位置，即地球科學(xué)（一級學(xué)科170）/地質(zhì)學(xué)（二級學(xué)科170.50）/遙感地質(zhì)學(xué)（三級學(xué)科170.2067）?？陀^上形成了遙感與物探無聯(lián)系的學(xué)科格局。然而，遙感與物探無論在理論基礎(chǔ)上還是以不接觸方式獲取勘探信息的技術(shù)方式上卻是一致的。根據(jù)遙感定義，物探屬于廣義遙感范疇[10]。對于以衛(wèi)星或飛機(jī)為平臺的地球重力和地球磁場測量，物探在形式上十分逼近狹義遙感。至于以電磁波為信息載體的航空電法勘探，則無論在原理上和形式上，物探都幾乎與狹義遙感一致了。隨著物探技術(shù)越來越“遙感化”和遙感技術(shù)越來越“物探化”，物探與遙感之間的界限已越來越模糊，技術(shù)趨同不可避免。遙感與物探的這種異同共存的關(guān)系，在中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源航空物探遙感中心（AGRS）部門設(shè)置中也有所體現(xiàn)。該中心既設(shè)立了平行的“物探部”和“遙感部”，又設(shè)立了將物探-遙感捆綁在一起的“航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”[11]。一些院校在學(xué)科設(shè)置上也有類似情況。都反映出在對待遙感與物探關(guān)系的考慮上，既承認(rèn)它們之間的差異，更注重了兩者趨同的特點(diǎn)。遙感勘探就是在這樣的背景下提出來的。

遙感勘探與遙感地質(zhì)學(xué)的關(guān)系是，它們是遙感技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域中的兩個不同的應(yīng)用側(cè)面，遙感地質(zhì)學(xué)主要側(cè)重于從地質(zhì)學(xué)角度的遙感應(yīng)用，內(nèi)容以基于遙感影像特征的直觀地質(zhì)解譯為主；而遙感勘探則主要側(cè)重于地球物理學(xué)角度的遙感應(yīng)用，內(nèi)容以基于天-地一體化模型的定量遙感反演為主。遙感勘探的學(xué)科地位決定了其對于物探的趨同，理所應(yīng)當(dāng)屬于物探。

三、理論基礎(chǔ)一致

事實(shí)上，將遙感勘探納入物探知識框架的最重要的依據(jù)還在于其具有與物探一致的理論基礎(chǔ)─電磁場理論。遙感和物探的所有問題都可以通過電磁場理論描述和解答。麥克斯韋方程組是對電磁場理論的高度概括。微分形式的馬克斯韋爾方程表示為[12-13]：

式中，E為電場強(qiáng)度矢量，D為電位移矢量，H為磁場強(qiáng)度矢量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，ρ為電荷體密度，J為電流體密度矢量，ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率。

通過解麥克斯韋爾方程，可以獲得遙感與物探聯(lián)系的定量表達(dá)，這就是烏莫夫-坡印廷矢量：

式中，S是電磁輻射能量矢量，根據(jù)右手定則，其方向就是電磁波能量傳播的方向，是電場和磁場相互作用形成的二次信息——能量，既包含了電場，也包含了磁場信息，它是構(gòu)成遙感圖像的最重要物理量。實(shí)際上，遙感圖像記錄的基本信息——無論是反射率、透射率還是吸收率，都是地物以不同形式對接收程度的一種測度。因而，根據(jù)能量守恒定律，可以直接推導(dǎo)出反射率、折射率和吸收率的計(jì)算公式?？傊?）表明，遙感與物探、遙感信息與物探信息之間，是相通的。

由此可見，遙感勘探與物探具有共同的理論基礎(chǔ)，差別在于它們對電磁場參量運(yùn)用不同。物探是利用電場和磁場及其派生量，而遙感則是利用電磁場的能量及其派生量，因此形成了遙感與物探的共性和差異關(guān)系。

四、反演是核心問題

反演是物探和遙感勘探共同的核心問題，是聯(lián)系兩者的重要方面。物探反演是通過地球物理場求場源——地質(zhì)實(shí)體[14-25]。遙感勘探反演基于遙感反演理論，但又有區(qū)別。所謂遙感的本質(zhì)就是反演，是指在基于模型知識的基礎(chǔ)之上，依據(jù)可測參數(shù)值反推目標(biāo)的狀態(tài)參數(shù)，即根據(jù)觀測信息和前向物理模型，求解或推算描述地面實(shí)況的目標(biāo)應(yīng)用參數(shù)[26-27]。遙感勘探是通過電磁波影像場求場源——地物實(shí)體，同時具有遙感反演和物探反演的技術(shù)特征。由于遙感勘探反演與物探反演都是從“虛”到實(shí)，從場源信息到場源實(shí)體的探測認(rèn)知過程，從這個角度決定了它們可以歸為相同類型的地球探測技術(shù)，見圖1。但是，物探的反演理論技術(shù)已經(jīng)很成熟，而遙感勘探反演理論技術(shù)尚處于探索發(fā)展階段，這正是遙感勘探理論技術(shù)發(fā)展的空間之所在。

圖1 遙感勘探與物探技術(shù)原理與方式相似性類比示意圖

遙感勘探反演按其目的不同，分定位遙感反演與定性遙感反演，簡稱為定性反演與定量反演。

（1）定位反演。

遙感勘探定位反演是通過遙感定量解譯獲取勘探對象的賦存空間信息的過程，空間信息內(nèi)容包括位置坐標(biāo)、分布范圍、尺度和形狀等，但不包括埋深。

遙感勘探定位反演的依據(jù)是遙感成像理論。依據(jù)該理論，目標(biāo)地質(zhì)體在遙感圖像上的坐標(biāo)與地面坐標(biāo)通過遙感成像方程聯(lián)系。如今地表三維遙感定位技術(shù)已經(jīng)很成熟，隨著高空間分辨率、立體測繪、分布式微波干涉測繪等新一代對地觀測衛(wèi)星的投入使用，開展中、大比例尺遙感定位勘探已成為可能。早年國外的高分遙感數(shù)據(jù)曾是我國開展中、大比例出遙感定位勘探的主要空間信息源，隨著我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)的實(shí)施，現(xiàn)在系列國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已普及應(yīng)用，因此，推廣基于國產(chǎn)高分遙感影像數(shù)據(jù)的遙感勘探定位反演將成為可能。

由于技術(shù)上的限制，遙感無法實(shí)現(xiàn)地下觀察，地下定位是遙感勘探的短板。微波遙感雖然具有一定的穿透固體介質(zhì)的能力，但即便在最理想條件下，微波充其量也只能穿透極薄厚度的干燥地面，對于地質(zhì)勘查無實(shí)用價(jià)值。故而對隱伏地質(zhì)體定位探測，遙感勘探無法與物探的電磁重勘探相比，但并不能因此否定其勘探能力。實(shí)際上，化探雖稱之為地質(zhì)化學(xué)探礦，其實(shí)也只能獲取礦體暈的地表二維分布信息，除非作下半空間密集采樣，才可能獲得暈的地下三維分布圖，而這是不可能的。取長補(bǔ)短，高分遙感以其地表精定位的巨大優(yōu)勢可以在某種程度上彌補(bǔ)遙感勘探缺乏地下定位能力的不足。

對定位遙感勘探準(zhǔn)確性影響的主要因素是遙感圖像的幾何畸變，可以通過幾何校正處理將畸變控制在勘探工程可接受范圍內(nèi)。對此已有成熟的遙感圖像處理方法。

（2）定性反演。

遙感勘探定性反演是指通過遙感分析解譯，對勘探對象的地學(xué)屬性做出推斷，如，是礦還是非礦？如果是礦，又是何礦？如果非礦地質(zhì)體，又是何種非礦地質(zhì)體？等等。對于找礦勘探，有時探明屬性要比探明位置還重要。在無已知參照物和/或?qū)Φ刭|(zhì)條件掌握不足的情況下，物探的定性反演是一個困難的問題，結(jié)果往往只能以高/低密度體、強(qiáng)/弱磁性體和高/低阻體等模糊概念來描述場源，而不輕言礦。物探定性反演的困難對于遙感勘探同樣面臨。雖然在理論上，地物波譜特征具有唯一性，可以憑著地質(zhì)體具有的唯一波譜特征通過圖像識別去發(fā)現(xiàn)它們，但由于“同物異譜”、“異物同譜”和“混合像元效應(yīng)”等等因素影響，也使只能在“視波譜”水平上作遙感識別定性反演。這就決定了遙感勘探的定性反演也是多解性的，同樣無法擺脫物探反演多解性的困境。

（3）解決辦法。

第一，按照監(jiān)督分類的思路建立針對不同勘探目標(biāo)的遙感識別算法模型；第二，增加可以反映勘查地質(zhì)目標(biāo)屬性特征的遙感圖像的獨(dú)立波段數(shù)；第三，采用可以幫助判定勘探對象屬性的輔助地質(zhì)礦產(chǎn)信息，如構(gòu)造、巖性、蝕變和礦化等?？傊绾螛?gòu)建針對不同實(shí)際地質(zhì)勘查問題的定性遙感勘探算法模型，是定性遙感勘探進(jìn)入實(shí)用需要解決的最大問題。

五、多解性問題

物探的多解性在理論上意義是，基于定解問題的電/磁/重異常場反演（反問題）無唯一解，而是多解。從技術(shù)角度，物探多解性表現(xiàn)為，反演可能得到多種場源，這些場源的位置、形狀和大小可以不同，但它們可以引起相同的位場異常場。

遙感勘探反演的多解性表現(xiàn)為，同樣的影像場存在多種可能的條件下可能的地物（源）相對應(yīng)，其存在與遙感不確定性有關(guān)。遙感不確定性主要來源于遙感成像系統(tǒng)誤差、同物異譜、異物同譜和混合像元效應(yīng)等因素。由于這些因素存在于遙感成像系統(tǒng)全過程中，消除遙感多解性是不可能的，只能盡量減小之[28-31]。辦法：第一，提高遙感影像的空間分辨率，從而提高反演的定位精度；第二，增加成像光譜的獨(dú)立波段數(shù)，增加定性約束的自由度，從而提高反演的屬性判定準(zhǔn)確性，見圖2；第三，采用有效的遙感勘探反演算法模型；第四，采用相關(guān)非遙感礦產(chǎn)地質(zhì)信息輔助解譯，如，斷層、地層、巖性、侵入巖、蝕變和礦化等，減少多解性。

總之，多解性問題是遙感反演理論上固有的問題，伴隨反演而存在，消除是不可能的，只能是盡量減少或/和使之穩(wěn)定，求得準(zhǔn)唯一解或視唯一解。這是遙感勘探必須努力的方向，對此，物探有許多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

由于多解性是遙感勘探與物探共同具有的特征，盡管產(chǎn)生原理有所差異，但技術(shù)形式相同，這成為兩者具有聯(lián)系的又一個重要方面，因而也是將遙感勘探納入物探技術(shù)體系的又一重要依據(jù)。

圖2 遙感影象的獨(dú)立波段維數(shù)越高對定性勘探越有利的示意圖a. 三維波段約束定性；b. n維波段約束定性

六、知識系統(tǒng)組成

作為物探學(xué)科的新分支，遙感勘探應(yīng)具有獨(dú)立自成體系的知識結(jié)構(gòu)，包括如下方面：

（1）理論知識，包括遙感勘探物理基礎(chǔ)、遙感勘探數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、地質(zhì)礦產(chǎn)地物波譜理論、地質(zhì)礦產(chǎn)遙感信息理論、遙感勘探反演理論、遙感勘探找礦理論等。

（2）技術(shù)知識，包括熱紅外遙感勘查技術(shù)、微波遙感勘查技術(shù)、多光譜遙感勘查技術(shù)、高光譜遙感勘查技術(shù)、特種遙感勘查（如紫外遙感勘查、近感勘查技術(shù)）遙感與傳統(tǒng)物探方法復(fù)合技術(shù)等。其中，面向應(yīng)用的遙感勘探技術(shù)包括金屬礦遙感勘查和非金屬礦勘查遙感，它們各自又分為內(nèi)生型金屬礦遙感勘查、沉積型金屬礦遙感勘查、變質(zhì)型金屬礦遙感勘查等?？梢越Y(jié)合現(xiàn)代礦產(chǎn)勘查學(xué)內(nèi)容和新一代遙感技術(shù)實(shí)際，作平行設(shè)置。

（3）工程應(yīng)用知識，包括相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范、技術(shù)法規(guī)以及如何與其他勘探技術(shù)結(jié)合使用規(guī)則等，可參照相關(guān)已經(jīng)成熟的地質(zhì)、物探、遙感地質(zhì)學(xué)等技術(shù)規(guī)范，通過應(yīng)用實(shí)踐建立完善之。

總而言之，遙感勘探作為物探的學(xué)科新分支，具有自成體系的獨(dú)立知識結(jié)構(gòu)，其出現(xiàn)填補(bǔ)了物探技術(shù)空白，完善了地學(xué)知識體系。為滿足于培養(yǎng)21世紀(jì)新型物探人才需要，有必要在大學(xué)物探專業(yè)中開設(shè)專門的“遙感勘探”課程。

七、結(jié)論

（1）根據(jù)廣義遙感的定義，遙感勘探屬于勘探地球物理范疇，具有與磁法勘探、重力勘探、電法勘探、地震勘探及放射性勘探等并列的學(xué)科位置。隨著物探技術(shù)越來越“遙感化”和遙感技術(shù)越來越“物探化”，物探與遙感之間的界限已越來越模糊，物探與遙感技術(shù)趨同不可避免。

（2）遙感勘探與物探具有共同的電磁場理論基礎(chǔ)，物探是利用電場和磁場及其派生量，遙感則是利用電磁場的能量及其派生量。將遙感勘探納入物探知識體系，成為與電法、磁法和重力等并列的物探技術(shù)方法，在理論上是成立的。

（3）反演是物探和遙感勘探共同的核心問題。物探反演是通過地球物理場求場源─地質(zhì)實(shí)體，遙感勘探反演是通過電磁波影像場求場源─地物實(shí)體，兩者都是一種從“虛”到“實(shí)”的認(rèn)知理解過程，表明了遙感勘探與物探不僅在理論上，而且在應(yīng)用技術(shù)方式上也一致。

（4）遙感勘探通過定位反演與定性反演實(shí)現(xiàn)。遙感勘探定位反演是通過遙感定量解譯獲取勘探對象的賦存空間信息的過程。遙感勘探定性反演是指通過遙感分析解譯，對勘探對象的地學(xué)屬性做出推斷的過程?，F(xiàn)有遙感技術(shù)為實(shí)施各種比例尺的遙感勘探定位與定性反演提供了可能。

（5）多解性是聯(lián)系遙感勘探與物探的又一個特征。遙感勘探反演的多解性表現(xiàn)為同樣的影像場可能存在多種可能的地物（源解答）相對應(yīng)，其產(chǎn)生與遙感不確定性有關(guān)。消除多解性是不可能的，只能盡量將其化為少解，甚至唯一解。這是遙感勘探必須努力的方向。

（6）遙感勘探作為物探的學(xué)科新分支，具有自成體系的獨(dú)立知識結(jié)構(gòu)，其出現(xiàn)填補(bǔ)了物探技術(shù)空白，完善了地學(xué)知識體系。為滿足于培養(yǎng)21世紀(jì)新型物探人才需要，有必要在大學(xué)物探專業(yè)中開設(shè)專門的“遙感勘探”課程。

一言以蔽之，建立遙感勘探知識體系，將其納入物探的學(xué)科框架，有利于地學(xué)學(xué)科發(fā)展，有利于物探技術(shù)開發(fā)，有利于21世紀(jì)新型物探人才培養(yǎng)，勢在必行。

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2017-02-26；

2017-04-15。

本文為廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“IITC環(huán)境下遙感地質(zhì)學(xué)類教學(xué)研究與實(shí)踐”（編號：2013JGB160）資助的成果。

吳虹，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主攻研究方向?yàn)榈刭|(zhì)遙感、環(huán)境遙感、遙感綜合地學(xué)信息找礦預(yù)測、地貌學(xué)及第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等。

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吳虹，熊彬.遙感勘探─物探學(xué)科新分支[J].中國地質(zhì)教育，2017，26（2）：7-11.

Title:Remote Sensing Prospecting: A New Subject Branch of Geophysical Prospecting

Author(s):WU Hong, XIONG Bin