范建偉，倪春中，韓曉東，楊榮森

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

0 引言

遙感作為一項(xiàng)新興技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生活、生產(chǎn)中，在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用也日趨廣泛，作為一種實(shí)時(shí)有效的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，遙感已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于地球科學(xué)、生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)探測(cè)中。對(duì)于野外地質(zhì)工作來說，人工的觀測(cè)技術(shù)和視野是有限的，因此對(duì)于傳統(tǒng)的斷裂和構(gòu)造的認(rèn)識(shí)是不夠全面的，而遙感影像則由于其觀測(cè)區(qū)域廣闊，能客觀、真實(shí)、全面記錄總體和個(gè)體斷裂(層)形跡的地表幾何形態(tài)及其物理特征，信息量大且連續(xù)性好，為研究斷裂總體的空間分布、甚至地下隱伏構(gòu)造提供了充分的信息[1]。

遙感技術(shù)在線性構(gòu)造的分析研究中[2-4]應(yīng)用廣泛。在地質(zhì)圖像中，斷裂、斷層等在風(fēng)力、水流或者其它外力作用下很容易被侵蝕從而形成一些線狀地貌，這些地貌在遙感影像中會(huì)被很好地記錄下來，一般稱為線性構(gòu)造(lineament)，線性構(gòu)造是指在各種遙感圖像上，被認(rèn)為與地質(zhì)作用有關(guān)的直線、弧線、折線性(狀)影像特征[5-6]，強(qiáng)調(diào)其成因與地質(zhì)作用之間的關(guān)系。

線性構(gòu)造研究包括：①各種直線狀或微彎的弧線狀的地質(zhì)界線；②斷裂構(gòu)造成因的線性構(gòu)造；③線狀應(yīng)變帶；④有地形、影紋結(jié)構(gòu)或色調(diào)的線狀變化反映出來的線性形跡，經(jīng)解譯認(rèn)為它的存在與地質(zhì)作用有關(guān)時(shí)，被稱為線性構(gòu)造。遙感影像反映出的不同類型線性構(gòu)造具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，呈現(xiàn)出不同的構(gòu)造活動(dòng)性。從遙感影像提取線性構(gòu)造常借助于計(jì)算機(jī)程序完成，很重要的內(nèi)容是提取出線性構(gòu)造，確定線性構(gòu)造的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、分析研究線性構(gòu)造的方向和長(zhǎng)度等。本文對(duì)個(gè)舊礦區(qū)高松礦田遙感影像進(jìn)行了線性構(gòu)造提取[7-12]和研究，編寫程序進(jìn)行礦田范圍內(nèi)線性構(gòu)造長(zhǎng)度等密度分析[13]，著重開展斷裂構(gòu)造的線素連接，并與實(shí)測(cè)斷層屬性進(jìn)行對(duì)比分析，這不但有利于檢驗(yàn)線段追蹤法提取線性構(gòu)造的精度，而且對(duì)礦區(qū)地質(zhì)工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和地質(zhì)找礦預(yù)測(cè)都有重要意義。

1 個(gè)舊礦區(qū)高松礦田地質(zhì)概況

個(gè)舊礦區(qū)是世界上稀有的多金屬礦床，位于濱太平洋構(gòu)造域邊緣與特提斯構(gòu)造域相接的部位[14]。高松礦田地處個(gè)舊錫礦東區(qū)，北接馬格拉、松樹腳礦田，南鄰老廠礦田。礦區(qū)內(nèi)主要出露二疊系和三疊系，基巖以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主[15]。區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，各種地質(zhì)作用導(dǎo)致多條斷裂發(fā)育，SN向的斷裂有個(gè)舊斷裂、甲介山斷裂，EW向的斷裂有個(gè)松斷裂、背陰山斷裂，在這4條斷裂之間夾著五子山復(fù)背斜北段。斷裂構(gòu)造可細(xì)分為4組，按方向具體可分為EW向、NW向、SN向、NE向斷裂。其中，以近EW向和NE向?yàn)橹?；NE向的自西向東主要有蓮花山斷裂、蘆塘壩斷裂、麒阿西斷裂；NW向的主要為大箐東斷裂、黑碼石斷裂、駝峰山斷裂、阿西寨斷裂、麒阿斷裂；EW向的自北而南有個(gè)松斷裂、麒麟山斷裂、馬吃水?dāng)嗔选⒏甙嗔?、背陰山斷裂，呈近等距離分布，以個(gè)松斷裂和背陰山斷裂規(guī)模較大；SN向斷裂組不發(fā)育。整個(gè)礦區(qū)位于五子山背斜的中北部，其控礦因素也主要是由于上述一級(jí)構(gòu)造(如甲介山斷裂、個(gè)舊斷裂)和二級(jí)構(gòu)造(如背陰山斷裂和個(gè)松斷裂)以及一些主構(gòu)造衍生發(fā)育出來的次級(jí)構(gòu)造所控制(圖1)。本文主要討論高松礦田(區(qū))在遙感影像解譯過程中將這些可以在解譯過程中反映出來的線性構(gòu)造進(jìn)行解譯[16-18]處理并進(jìn)行線素連接，連接后將其與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，觀察處理后的結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性并進(jìn)行分析。

圖1 個(gè)舊礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch of Gejiu mining district

2 線性構(gòu)造提取及影像處理

在線性構(gòu)造提取前需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波處理，消除圖像中的大部分噪聲，從而避免在后續(xù)圖像處理過程中噪聲對(duì)結(jié)果的影響。本次對(duì)高峰山—松腳地區(qū)約11×8 km范圍內(nèi)影像進(jìn)行構(gòu)造解譯、降噪處理，得到處理后的DEM影像如圖2所示。

圖2 降噪處理后DEM影像圖Fig.2 The denoising-processed DEM image

接下來使用MATLAB軟件編寫程序，將遙感影像的起始坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行線性構(gòu)造提取，得到線性構(gòu)造的分布圖。對(duì)圖像中的線性構(gòu)造進(jìn)行提取，線性構(gòu)造的提取采用線段追蹤法(STA: Segment Tracing Algorithm)[19]，通過搜索衛(wèi)星影像值(DN值)是否連續(xù)及連續(xù)的方向判定像素的脊谷。線素追蹤法包括搜索像素的連續(xù)方向，線素判別以及線素的連接工作，通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素進(jìn)行搜索、判定，然后進(jìn)行連接，就可以得到遙感影像線性構(gòu)造(圖3)；同時(shí)我們將所得線性構(gòu)造的極少數(shù)單個(gè)線素元進(jìn)行刪除，并將其它線素按照將線素之間距離小于0.8 km、角度小于20°的線素進(jìn)行連接的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所得的線性構(gòu)造進(jìn)行連接處理，得到的解譯結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，線性構(gòu)造的主要部分分布在礦區(qū)中部，但僅憑肉眼只可見得這些線素排列較為混亂，同時(shí)其數(shù)據(jù)的真實(shí)和準(zhǔn)確性我們也無從得知，為了驗(yàn)證線性構(gòu)造結(jié)果對(duì)于個(gè)舊礦區(qū)斷裂解譯的準(zhǔn)確性，我們將連接后的結(jié)果進(jìn)行提取，得到處理后的線素計(jì)算解譯結(jié)果，如圖5所示。

圖3 線性構(gòu)造提取及連接結(jié)果Fig.3 Map showing extraction and connection of linear structures

圖4 線性構(gòu)造連接結(jié)果提取Fig.4 Extraction of linear structure connection

圖5 線素計(jì)算解譯結(jié)果Fig.5 Interpretation result of line element calculation

經(jīng)過對(duì)線性構(gòu)造線素的連接，可以清楚地看到每條裂隙的伸展和發(fā)育情況，為了驗(yàn)證經(jīng)過連接后的裂隙長(zhǎng)度真實(shí)性，我們使用軟件對(duì)于圖中的每條小的裂隙進(jìn)行一系列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取，從而得出每條裂隙的長(zhǎng)度，再對(duì)其進(jìn)行匯總。所得到的裂隙長(zhǎng)度分布數(shù)據(jù)直方圖情況如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)提取后長(zhǎng)度分布直方圖Fig.6 Histogram of the extracted length distribution

3 討論

由圖6中大致可以看出連接后的裂隙長(zhǎng)度大部分位于500 m以下，這與真實(shí)情況較為吻合，這與我們所預(yù)測(cè)的情況也較為接近。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，將解譯后的線性構(gòu)造與實(shí)測(cè)斷層[20]進(jìn)行比較和分析，經(jīng)過結(jié)合實(shí)際情況的計(jì)算解譯，可以看到一些實(shí)測(cè)斷層，包括駝峰斷裂、麒麟山斷裂、麟阿斷裂、個(gè)松斷裂、蓮花山斷裂、背陰山斷裂和大箐東斷裂等都得到了很好的解譯。線性構(gòu)造的線素連接結(jié)果往往分布在這些實(shí)測(cè)斷裂的兩邊，可以從圖中清楚地看到各個(gè)裂隙的走向和長(zhǎng)度，尤其是近EW向的斷裂，如背陰山斷裂，長(zhǎng)度大，連續(xù)性較好，很好地解譯出了此斷裂的存在，同時(shí)礦區(qū)內(nèi)的NE向和NW向的線性構(gòu)造延伸較好，相對(duì)而言比較集中。本次較好地解譯了蘆塘壩斷裂、麒麟山斷裂、背陰山斷裂和大箐東斷裂的分布情況，這幾條斷裂交匯處周圍的裂隙都很發(fā)育。眾所周知，礦脈和礦帶一般都產(chǎn)生在裂隙發(fā)育的地質(zhì)體中及其附近，所以線性構(gòu)造的解譯結(jié)果越好，對(duì)于成礦靶區(qū)的預(yù)測(cè)效果越好。

為了判斷解譯結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，本次將礦區(qū)內(nèi)幾處斷層解譯結(jié)果的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)斷層的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。表1為礦區(qū)內(nèi)各主要斷裂的名稱、實(shí)測(cè)長(zhǎng)度、實(shí)測(cè)走向、提取的斷裂長(zhǎng)度和斷裂走向等數(shù)據(jù)，將表中實(shí)測(cè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和提取長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總對(duì)比，得到對(duì)比長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)長(zhǎng)度對(duì)比直方圖(圖7)；將表中實(shí)測(cè)走向和提取走向進(jìn)行玫瑰花圖繪制，得到對(duì)比走向和實(shí)測(cè)走向?qū)Ρ让倒寤▓D(圖8)。

從圖7、圖8不難看出，提取的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還是有所差距，有必要對(duì)提取數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)，這里采用Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)來表示。Pearson相關(guān)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，兩者之間的相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越接近于1和-1，其正相關(guān)和負(fù)相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)度越弱。對(duì)提取的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到的結(jié)果如表2和表3所述，兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.670、0.987，接近于1；雙尾顯著性值分別為0.048和0，小于顯著水平0.05和0.01。以上表明，兩者相關(guān)性較強(qiáng)，為強(qiáng)相關(guān)性；解譯得到的線性構(gòu)造連接結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近。同時(shí)，從表1中的走向和長(zhǎng)度的提取數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也可以看出，除麟阿斷裂的走向和個(gè)松斷裂長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有少許出入外，大部分?jǐn)嗔训慕庾g數(shù)據(jù)都與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相近，這也說明所提取的線性構(gòu)造對(duì)于真實(shí)斷裂的解譯結(jié)果完成度較高。

表1 個(gè)舊礦區(qū)高松礦田主要斷裂產(chǎn)狀規(guī)模統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Result of calculation of occurrence and size of major faults in Gaosong ore field of Gejiu mining district

圖7 對(duì)比長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)長(zhǎng)度對(duì)比Fig.7 Comparison of comparative length and the measured length

表2 長(zhǎng)度Pearson相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson correlation coefficient of length

圖8 對(duì)比走向和實(shí)測(cè)走向?qū)Ρ让倒寤▓DFig.8 Rose diagram of comparative strike and the measured strike

表3 走向Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficient of strike

4 結(jié)論

通過個(gè)舊高松礦田遙感影像線性構(gòu)造解譯結(jié)果和實(shí)測(cè)斷層數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

(1)STA線段追蹤法可以很好地識(shí)別出遙感影像上的線性構(gòu)造，解譯結(jié)果與實(shí)測(cè)斷層間的吻合程度較高，可以提取出大部分高松礦田主要的線性構(gòu)造并且從中可看出實(shí)測(cè)構(gòu)造的真實(shí)情況，其中麒麟山斷裂、背陰山斷裂、蓮花山斷裂的長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)，延伸也較好，這與解譯得到的結(jié)果基本相似。

(2)研究區(qū)的東北區(qū)影像解譯的連接結(jié)果并不是很好，個(gè)松斷裂的部分線性構(gòu)造并沒有被提取出來，部分在進(jìn)行線素連接時(shí)被直接忽略；有些線素連接的結(jié)果無法有效地表現(xiàn)出裂隙和斷裂之間的聯(lián)系，一些連接結(jié)果還需要人工的修訂和改正。同時(shí)部分?jǐn)嗔训淖呦蛟诮庾g過程中也出現(xiàn)偏差。

(3)遙感影像處理工作中的圖像降噪不完善和線性構(gòu)造提取中的程序參數(shù)設(shè)定不準(zhǔn)確，對(duì)于線性構(gòu)造提取的影響不容小覷。對(duì)線素連接之間的連接和聯(lián)系進(jìn)行優(yōu)化，使其可以提高對(duì)于裂隙的解譯程度；對(duì)線性構(gòu)造提取的程序進(jìn)一步細(xì)化，使其可以提取更多能表達(dá)實(shí)測(cè)斷裂的線性構(gòu)造，這些問題有待于在下一步的工作中逐步完善。