韓學林,王秀芬,郭寶奎,孫偉清,陳國棟,郭超,畢泗棟,陳文韜,韓代成

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013;2.山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250014;3.中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心山東總隊,山東 濟南 250100)

0 引言

衛(wèi)星遙感技術具有快速、準確、經濟、大范圍、可周期性的獲取陸地、海洋和大氣資料的能力,是獲取地表資源信息的高新技術手段[1]。遙感技術應用到實踐中,其主要的特性是實時性、全覆蓋性,快速完成大范圍的監(jiān)測[2-3]。礦產資源勘查是高光譜遙感技術最成功、也是最能發(fā)揮優(yōu)勢的應用領域之一[4-5]。從遙感數據中可以發(fā)現(xiàn)和提取成礦地質背景、成礦地質條件和成礦地質形跡等與成礦地質作用有關的成礦、控礦和找礦信息,建立遙感找礦模型[6]。山東省遙感地質工作開展已有50余年的歷史,前人的區(qū)調遙感工作覆蓋了山東省全部的基巖裸露區(qū),礦產遙感調查重點對魯西、魯東金成礦區(qū)作了大量研究工作,受遙感數據源和圖像處理技術發(fā)展的局限,解譯工作尺度較低(多在1∶20萬至1∶50萬之間)應用范圍受到制約,同時在非金屬找礦方面遙感工作較少,尤其是砂石資源方面尚未開展遙感技術方面的應用研究。本次遙感解譯為山東省砂石資源專項調查項目的重要工作內容,是遙感技術首次在山東省砂石資源調查中的應用,通過對山東省砂石資源進行衛(wèi)星遙感數據解譯,建立砂石資源遙感解譯標志,生成大比例尺(1∶5萬)解譯成果,為快速圈定砂石資源重要調查區(qū)和開發(fā)潛力區(qū)域,全面完成調查工作提供了較好的技術保障和數據支撐。

1 山東省砂石資源概況

山東省域范圍內已發(fā)現(xiàn)并利用的砂石礦產資源主要有建筑石料用灰?guī)r、建筑用白云巖、建筑用砂巖、建筑用砂、建筑用玄武巖、建筑用安山巖、建筑用閃長巖、建筑用花崗巖、建筑用凝灰?guī)r、建筑用大理巖等10種礦產,主要分布于濟南、泰安、淄博、臨沂、濟寧、濰坊、煙臺、威海、日照等地(表1)。其中魯中南等地區(qū)主要以建筑石料用灰?guī)r為主、其次為建筑用花崗巖;魯東地區(qū)主要以建筑用花崗巖為主。

表1 山東省砂石主要賦礦層位(巖體)一覽表

山東省砂石類礦山開采方式為露天開采,公路開拓、汽車運輸,開采方法為自上而下水平分臺階開采。截至2022年底,全省共有建筑砂石類礦山141個,其中大型礦山126個、中型礦山8個,小型礦山7個;按亞礦種分類,建筑石料用灰?guī)r94個,建筑用花崗巖26個,建筑用閃長巖6個,建筑用大理巖4個,建筑用砂3個,建筑用安山巖2個,建筑用白云巖2個,建筑用砂巖2個,建筑用玄武巖1個,建筑用凝灰?guī)r1個,主要分布在臨沂、泰安、濟寧、日照、棗莊、濟南等地。砂石類礦山年度總產量為11648.67萬t,礦山從業(yè)人數為5236人,工業(yè)總產值643843.17萬元,全年銷售收入為628249.11萬元,利潤總額為69504.60萬元。

2 解譯對象的選取

本此工作共收集高分衛(wèi)星遙感影像56景,其中GF1_PMS1 24景、GF1_PMS2 25景、GF2_PMS1 3景、GF2_PMS24景。遙感數據包含多光譜數據(MSS)和全色波段數據(PAN)。選取的各類影像來源自中國地質調查局自然資源航空物探遙感中心,成像時間為2020年11月-2021年4月及2021年10月-2022年4月。云層覆蓋基本少于5%,影像清晰、層次豐富,色調均勻、反差適中。相鄰兩景成像季節(jié)相同或大致相近。各類數據質量均符合技術標準的要求,滿足了本次工作需要。

解譯主要對山東省域范圍內發(fā)現(xiàn)砂石礦產資源主要有建筑石料用灰?guī)r、建筑用白云巖、建筑用砂巖、建筑用玄武巖、建筑用安山巖、建筑用閃長巖、建筑用花崗巖、建筑用凝灰?guī)r、建筑用大理巖等9類礦種賦礦層位巖性組邊界位置進行遙感解譯。

3 遙感影像處理及影像圖制作

3.1 技術路線及方法

本次遙感工作在充分收集已有地質礦產資料的基礎上,以GF1數據融合圖像(空間分辨率為2m)為主,輔助少量GF2數據融合圖像(空間分辨率為0.8m),運用光譜分析、紋理特征分析、地貌特征分析、野外驗證等方法,建立不同巖性和構造的遙感解譯標志,利用ArcGIS、ENVI等軟件平臺,以目視解譯法及人機交互手段獲取相關地質礦產信息,在正射影像圖基礎上進行巖性識別,以巖性要素遙感解譯為主要內容,形成調查區(qū)的巖性遙感解譯圖。遙感解譯步驟:初步解譯→野外踏勘→詳細解譯→野外調查驗證→成果編制。

3.2 遙感影像處理

GF有多光譜和全色兩個數據,MSS是多光譜的,PAN是全色的,多光譜的分辨率低(GF1為8m、GF2為4m),全色的高(GF1為2m、GF2為0.8m),需要把這2個數據融合,融合之前需要做定標等處理。具體流程見圖1。

圖1 遙感數據處理流程圖

(1)多光譜影像處理。 在對收集的遙感數據進行處理時,進行了輻射定標、大氣校正、正射校正工作。其中正射校正是正射處理級幾何校正,采用數據自帶的RPC模型進行校正[7],影像圖幾何校正采集控制點是在1∶5萬地形圖上選取的,采用三次卷積技術重采樣進行糾正,投影參數采用高斯—克呂格投影,2000國家大地坐標系。

(2)全色波段影像處理。由于全色波段分辨率較高,在對收集的遙感影像進行處理時,只進行了正射校正工作,影像圖幾何校正采集控制點是在1∶5萬地形圖上選取的,采用3次卷積技術重采樣進行糾正。

幾何校正采用多項式擬合,校正后的影像圖上隨機抽取地物點的平面位置中誤差≤0.50mm±,個別情況下≤0.75mm±。

(3)圖像融合處理。 將校正后的多光譜影像和全色波段影像采用3次卷積技術進行融合,形成既有高空間分辨率又有多光譜信息的遙感影像。

(4)圖像拼接處理。 對融合處理后的影像進行了圖像裁切、圖像鑲嵌、圖像拉伸、顏色校正等工作,最終形成調查區(qū)礦產遙感地質影像圖。制作的遙感影像圖層次豐富,色調均勻、反差適中、地物清晰。

4 建立遙感解譯標志

遙感解譯標志是指能直接反映、判別地物地質信息的影像特征[8],建立遙感解譯標志是解譯工作的關鍵之一[9-10]。由于巖石中礦物成分及其他特性的不同,其電磁波譜的特征也各有不同[11],在實際的操作過程中,通過對樣本區(qū)的演示特征進行研究,就能得出相應的地層影響并建立起可對巖性進行解釋的標志,從而可進一步對巖石的詳細情況進行判斷并最終找出不同的巖性分界[12]。遙感解譯標志按特征分為直接解譯標志和間接解譯標志2種[13-16],基于地類自身特征建立的遙感解譯標志為直接解譯標志,包括地物類別在影像上反映的顏色、亮度、形狀、紋理、陰影等;基于環(huán)境特征建立的遙感解譯標志為間接解譯標志,特征包括地物類別周邊地形、地貌、氣候,其他地物類別及人文活動等[17]。

針對本次調查工作對象不同遙感特征的識別分析,結合不同巖石類型的獨特地質特征,從地質體光譜特征(色調)、影紋特征(影紋)、形態(tài)特征(地貌)、水系、植被等重要信息(表2),建立了建筑石料用灰?guī)r、建筑用花崗巖、建筑用白云巖、建筑用砂巖、建筑用玄武巖、建筑用安山巖、建筑用閃長巖、建筑用凝灰?guī)r、建筑用大理巖等9類礦種的遙感解譯標志。

色調:遙感影像色調是指影像的相對明暗程度(相對亮度),在彩色影像上色調表現(xiàn)為五顏六色的顏色,是地物的電磁波特性在圖像上中的直觀反映,地物的屬性、幾何形狀、分布范圍和規(guī)律都通過色調差異反映在遙感圖像上,因而在常規(guī)目視遙感解譯中通過發(fā)現(xiàn)有別于其他地質體的色帶、色塊、色斑、色暈等色調差異來識別目標。

影紋:遙感影像中的影紋是指圖像具有相同或相似形態(tài)影像組合顯示出一種特征的紋形圖案。這些紋形圖案是相同或相似巖性構成的微地形地貌、影紋結構、水系類型等地物景觀影像的直接表現(xiàn)。紋理通常呈現(xiàn)斑點、斑塊狀、條帶狀。

地貌形狀:地貌形狀是指地物外部輪廓的形狀在影像上的反映。不同類型的地面目標有其特定的地貌形狀,主要分為山頂、山坡、山谷形狀,比如饅頭狀、單面山、山脊、溶蝕地貌等。因此地物影像的地貌形狀是界定和識別目標物的重要解譯標志。

水系:水系是水流作用所形成的水流形跡,即地面流水的渠道,不同巖性上發(fā)育的水系特征很不相同。若水系發(fā)育,則影像上呈現(xiàn)樹杈狀、格狀影像特征。水系標志在地質解譯中應用最廣泛,可以用來區(qū)分巖性、構造等地質現(xiàn)象。

表2 遙感解譯標志一覽表

5 遙感解譯及驗證

本次解譯主要結合野外踏勘及遙感解譯標志,開展遙感目視解譯,圈定了60個重要調查區(qū)內建筑石料用灰?guī)r等9類礦種巖層、巖體分布位置。根據遙感影像的色調、紋理、形態(tài)等特征,利用直判法、對比法和鄰比法等方法,通過人機交互解譯獲取解譯區(qū)塊等,進行詳細解譯。

通過野外調查、查證,進一步確定各類解譯標志是否正確;驗證室內圈定的9類礦種賦礦層位巖性組、巖性及邊界位置是否準確,對解譯不準確部分進行現(xiàn)場修正和補充,從而提高解譯資料與成果圖件的可靠程度。本次工作中野外驗證60條線路,其中石灰?guī)r驗證80處,花崗巖驗證70處,安山巖驗證15處,大理巖驗證12處,閃長巖驗證11處,凝灰?guī)r驗證10處,白云巖驗證8處,安山驗證巖10處,玄武巖驗證10處,合計224處。驗證比例23.23%,驗證正確212處,驗證正確率94.64%,總體滿足質量需要(表3)。

表3 野外驗證結果

通過野外驗證本次建立的遙感解譯標志對沉積巖、侵入巖解譯效果較好,而對變質巖、火山巖等解譯效果相對較差,主要原因為:地質體存在覆蓋、出露較小;賦礦巖體與周圍地質體光譜特征、紋理特征相似等,使得部分巖體界線不易判別,但野外路線地質調查所見到的標志性巖石較多,對解譯建標作用與意義重大,可進一步完善解譯標志和遙感解譯圖。

6 砂石類礦產遙感特征

(1)建筑石料用灰?guī)r:在遙感影像上呈現(xiàn)不均勻的灰色、淺藍色、淺綠色等色調,但以灰色為主基調?；疑?、淺藍色為石灰?guī)r分布處,淺綠色為植被發(fā)育處,與周圍淺褐色調的農田及淺褐色調的頁巖分界清晰。另外還可見大小不等的灰白色調采石場。由于灰?guī)r層理發(fā)育、出露良好,在遙感影像上呈現(xiàn)明顯的條帶狀紋理,影紋粗糙,在陡崖處同時伴有陰影。采石場在遙感影像上呈現(xiàn)邊界不規(guī)則灰白色調斑塊影紋。由于灰?guī)r出露良好,水平巖層在遙感圖像上呈現(xiàn)平頂山及陡坎,傾斜巖層多形成單面山地貌,具有地形陡峻的特征。另外還可見大小不等的采石場采坑(圖2)。水系不發(fā)育,故植被不發(fā)育。

1—張夏組石灰?guī)r;2—饅頭組頁巖;3—地質界線圖2 沂南縣界湖鎮(zhèn)清泉峪村南石灰?guī)r遙感影像

(2)建筑用花崗巖:建筑用花崗巖多呈巖墻、巖株和巖脈產出,面積較小,具有比較特殊的色調。清晰的圓狀、透鏡狀、啞鈴狀和不規(guī)則形態(tài),分布均勻的斑塊狀紋理,樹枝狀或向心狀水系及與圍巖的不協(xié)調關系是侵入巖的主要解譯標志。在遙感影像上呈現(xiàn)均一的淺紅色、淺褐紫色調,局部呈淺灰綠色調。淺紅色、淺褐紫色為花崗巖分布處,淺灰綠色為植被發(fā)育處,與周圍淺褐色調的農田及淺灰色調的變粒巖分界清晰。另外還可見幾處大小不等的灰白色調采石場。呈分布均勻的斑塊狀紋理,影紋總體光滑,局部夾有斑點狀影紋。采石場在遙感影像上呈現(xiàn)邊界不規(guī)則灰白色調斑塊影紋。地貌上呈清晰的近圓狀、透鏡狀形態(tài)地形,巖體輪廓清晰。由于巖石堅硬,抗風化剝蝕能力強,易形成陡壁懸崖地貌,在陡崖處同時伴有陰影。另外還可見大小不等的采石場采坑。水系較發(fā)育,水系多呈樹枝狀、向心狀,偶見有鉗狀溝頭的特征(圖3)。由于花崗巖屬于酸性巖漿巖,地表風化后形成亞黏土或黏土,土壤肥沃,植物較發(fā)育。

1—寨東單元細粒正長花崗巖;2—八畝地凝灰?guī)r質砂礫巖; 3—地質界線圖3 萊西市姜山鎮(zhèn)斜山正長花崗巖遙感影像

(3)建筑用玄武巖:在遙感影像上呈現(xiàn)較為均一的深藍色調特征,色調較暗;影紋呈現(xiàn)似帶狀紋理,局部呈斑點狀或斑塊狀紋理特征,影紋粗糙;地貌上呈橢圓狀形態(tài)。水系多受斷裂和裂隙控制,植被不發(fā)育(圖4)。與安山巖區(qū)分一般通過環(huán)狀影像區(qū)與層狀影像區(qū)的影像特征差異進行解譯,然后根據影像特征變化劃分巖石類型或巖石組合類型。時代較新的火山巖主要通過被狀、繩狀火山熔巖流與下伏巖層的不協(xié)調分布關系,以及呈錐形、環(huán)形洼地的火山機構等標志進行解譯;時代較老的火山巖只能通過殘留的火山機構的形態(tài)特征,以及不同巖石組合類型的影像結構差異進行區(qū)分,解譯難度較大。

1—牛山組玄武巖;2—田家樓組砂巖、粉砂巖;3—地質界線圖4 沂水縣圈里鎮(zhèn)河西村玄武巖遙感影像

(4)建筑用安山巖:在遙感影像上呈現(xiàn)不均勻的灰褐色調特征,局部呈現(xiàn)綠色調,灰褐色為安山巖分布處,綠色為植被發(fā)育處,局部可見灰綠色坑塘水體。與周圍淺土黃色調的農田分界清晰;呈斑點狀或斑塊狀紋理特征,地貌上多呈圓—橢圓狀、透鏡狀形態(tài)(圖5)。與建筑用玄武巖區(qū)分一般通過環(huán)狀影像區(qū)與層狀影像區(qū)的影像特征差異進行解譯,然后根據影像特征變化劃分巖石類型或巖石組合類型。水系多受斷裂和裂隙控制,植被不發(fā)育。

1—八畝地組安山巖;2—臨沂組粉砂、粉砂質亞黏土; 3—地質界線圖5 青島市萊西市店集鎮(zhèn)孫家溝村安山巖

(5)建筑用閃長巖:建筑用閃長巖在遙感影像上呈現(xiàn)較均勻的淺褐灰色調特征,局部呈現(xiàn)淺綠色調。不均勻的淺褐灰色為閃長巖分布處,局部淺綠色為植被發(fā)育處。影紋總體光滑,呈現(xiàn)分布均勻的斑塊狀紋理,局部夾有斑點狀影紋。地貌上呈清晰的橢圓狀、透鏡狀形態(tài)(圖6)。由于巖石堅硬,抗風化剝蝕能力強,易形成陡壁懸崖地貌。水系較發(fā)育,水系多呈樹枝狀、向心狀,偶見有鉗狀溝頭的特征。頂部植被發(fā)育。

1—晚遠古代晉寧期榮成序列滕家單元閃長巖;2—炒米店組石 灰?guī)r;3—地質界線;4—斷層圖6 臨沂市費縣朱田鎮(zhèn)崮山前村西閃長巖

1—張格莊組二段變粒巖;2—張格莊組三段大理巖;3—地質界線圖7 萊州市東宋鎮(zhèn)游優(yōu)山大理巖

(6)建筑用大理巖:建筑用大理巖在遙感影像上呈現(xiàn)不均勻的灰白色調,與周圍淺褐色調的風化強烈的變粒巖分界清晰;呈斑點狀或斑塊狀紋理特征,影紋粗糙,在陡坎處同時伴有陰影。呈透鏡狀或似層狀分布,地形陡峻,多呈單面山地貌特征(圖7)。水系不發(fā)育,植被不發(fā)育。解譯標志與未變質的碳酸鹽巖非常相似,常具有陡峻的地形。大部分低級變質巖是分布于結晶基底之上的線變質巖系。影像特征與沉積巖非常相似。

1—臨沂組黃色亞黏土;2—三山子組白云巖;3—地質界線圖8 沂南縣依汶鎮(zhèn)三山子組白云巖

(7)建筑用白云巖:建筑用白云巖遙感特征與建筑用石灰?guī)r相似。在遙感影像上呈現(xiàn)均勻的淺褐色、灰白色、淺綠色等色調。與周圍土黃色、褐紫色調的農田分界清晰,另外還可見大小不等的灰白色調采石場。由于白云巖層理發(fā)育、出露良好,在遙感影像上呈現(xiàn)明顯的條帶狀紋理,影紋粗糙。在遙感圖像上基本不顯示明顯的條帶狀紋理特征(圖8)。采石場在遙感影像上呈現(xiàn)邊界不規(guī)則灰白色調斑塊影紋。水平巖層在遙感圖像上呈現(xiàn)平頂山及陡坎,具有地形陡峻的特征。另外還可見大小不等的采石場采坑。水系不發(fā)育。影像特征與石灰?guī)r差別不大。

1—法家塋組長石砂巖;2—石前莊組凝灰?guī)r;3—地質界線圖9 諸城市瓦店鎮(zhèn)尚莊村北凝灰?guī)r

1—李官組石英砂巖;2—佟家莊組頁巖;3—地質界線圖10 沂南縣張莊鎮(zhèn)羅圈崖村東石英砂巖

(8)建筑用凝灰?guī)r:在遙感影像上呈現(xiàn)藍紫色、淺紫色調特征,但以藍紫色為主基調。與周圍淺灰白色調的法家塋組長石砂巖分界清晰,呈斑點狀或斑塊狀紋理特征,地貌上呈平緩的不規(guī)則的橢圓地形地貌(圖9)。水系較發(fā)育,具有稀疏的樹枝狀或鉗狀樹枝狀水系特征,植被不發(fā)育。多出露于火山機構的邊緣地帶,大部分巖石成層性好,影像特征與細砂砂巖、粉砂巖和黏土巖類相近,可根據區(qū)域地質資料和巖石產狀來區(qū)分。通常凝灰?guī)r組成平緩的地形,具有稀疏的樹枝狀或鉗狀樹枝狀水系,常有似條紋狀的紋理。

(9)建筑用砂巖:在遙感影像上呈現(xiàn)不均勻的淺灰白色、淺灰綠色調,但以淺灰白色為主基調。淺灰白色為石英砂巖分布處,淺灰綠色為植被發(fā)育處,與周圍淺褐色調的巖性及淺紅色調的花崗巖分界清晰。另外還可見大小不等的灰白色調采石場。由于石英砂巖層理發(fā)育不很明顯,在遙感影像上帶狀紋理不明顯,大多呈現(xiàn)不規(guī)則斑塊狀影紋,局部呈斑點狀影紋,影紋粗糙。采石場在遙感影像上呈現(xiàn)邊界不規(guī)則灰白色調斑塊影紋(圖10)。由于石英砂巖出露良好,水平巖層在遙感圖像上呈現(xiàn)平頂山及陡坎,傾斜巖層多形成單面山地貌,具有地形陡峻的特征。另外還可見大小不等的采石場采坑。水系不發(fā)育,多為平行羽狀、束狀水系等。大部分地段植被不發(fā)育,但由于石英砂巖組分含量的變化,局部地段巖石抗風化能力弱,易風化,植被發(fā)育。

7 解譯成果及應用

通過本次工作共解譯出9類礦種60個重點調查區(qū),遙感解譯區(qū)塊的數量合計965處,面積合計2050.79km2。其中建筑石料用灰?guī)r解譯區(qū)塊合計532處,面積合計747.71km2;建筑用花崗巖解譯區(qū)塊281處,面積合計1081.52km2;建筑用白云巖解譯區(qū)塊73處,面積合計39.50km2;建筑用大理巖解譯區(qū)塊28處,面積合計19.27km2;建筑用砂巖解譯區(qū)塊16處,面積合計47.99km2;建筑用安山巖解譯區(qū)塊16處,面積合計34.64km2;建筑用閃長巖解譯區(qū)塊10處,面積合計37.85km2;建筑用玄武巖解譯區(qū)塊4處,面積合計31.31km2;建筑用凝灰?guī)r解譯區(qū)塊5處,面積合計8.01km2。

通過遙感解譯和野外調查,避開永久基本農田保護紅線、生態(tài)保護紅線、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、各類自然保護地等因素的影響,在遙感解譯的60個重點調查區(qū)內初步圈定了142處近期可利用砂石區(qū)塊,提交了60 幅砂石資源遙感解譯成果圖及調查區(qū)內區(qū)塊面積、范圍的成果附表及報告等,為進一步開展砂石資源專項調查及開發(fā)利用和布局優(yōu)化等提供重要基礎資料和依據。

8 結論及建議

(1)通過本次遙感工作建立了建筑石料用灰?guī)r、建筑用花崗巖、建筑用白云巖、建筑用砂巖、建筑用玄武巖、建筑用安山巖、建筑用閃長巖、建筑用凝灰?guī)r、建筑用大理巖等9類礦種的遙感解譯標志庫。解譯標志包含了地質體光譜特征(色調)、影紋特征(影紋)、形態(tài)特征(地貌)、水系、植被等重要信息,為后期開展山東省砂石資源遙感研究及砂石資源專項地質工作等方面提供重要參考和技術支持,同時為砂石土類礦業(yè)權的區(qū)塊設置提供了一種較為快速準確的方法。

(2)通過野外驗證本次建立的遙感解譯標志對沉積巖、侵入巖解譯效果較好,而對變質巖、火山巖等解譯效果相對較差。具體表現(xiàn)在凝灰?guī)r、玄武巖等巖性界線不明顯,存在不同程度的誤判。主要原因是①地質體存在覆蓋,出露較小;②與周圍地質體光譜特征、紋理特征相似,影像特征差異不明顯。在野外驗證過程中,應充分結合驗證區(qū)內的標志性巖石特征,進一步完善解譯標志和遙感解譯圖。

(3)在巖性解譯中,由于地表復雜的外動力地質作用影響和遙感探測技術本身存在的局限性,常形成“同物異譜”或“異物同譜”的現(xiàn)象。建議在今后研究工作中,充分結合已有1∶5萬地質圖成果,對解譯圖像中局部地段與地質圖不一致的地方,要充分結合野外現(xiàn)場查驗找出原因并進行合理解釋,不斷完善在地質體光譜特征(色調)、影紋特征(影紋)、形態(tài)特征(地貌)、水系、植被等遙感解譯標志方面的深化研究。