遥感技术在我国矿产资源预测评价中的应用

第21卷 第2期地 球 物 理 学 进 展V ol.21 N o.22006年6月(页码:588~593)P ROG RESS IN G EOP HY SICSJune. 2006遥感技术在我国矿产资源预测评价中的应用丁建华, 肖克炎(中国地质科学院,北京100037)摘 要 遥感技术作为有效的辅助手段应用于矿产资源预测已有多年历史.随着遥感技术的发展,遥感技术的作用将会变得越来越重要.本文综合叙述了遥感技术在资源预测评价中的应用现状以及应用方法,并对将来遥感技术在资源预测中的应用前景进行了展望.关键词 遥感,矿产资源,评价中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2006)02-0588-06The application of remote rensing inmineral resource assessment areaDING Jian -hua, XIAO Ke -yan(China Ac ade my of G eological Science s,B eij ing 100037,China)Abstract As an effect ive assistant metho d,R emote sensing techno lo gy has been used in miner al resour ce assessment for many years.W ith the develo pment of the technolo gy ,remo te sensing will become mor e and mo re important in re -so ur ce ev aluatio n ar ea.T his paper sho ws t he st atus and method o f r emote sensing used in mineral r eso ur ce assess -ment,and expects mo re using o f remote sensing.Keywords r emo te sensing,mineral recourse,assessment收稿日期 2005-07-11; 修回日期 2005-08-30.基金项目 国土资源大调查(1212010535804)项目资助.作者简介 丁建华,女,1969年生,中国地质科学院矿产普查与勘探专业在读博士,1991年毕业于中南工业大学.(E -m ail:din gzhanzhan@)0 引 言遥感(Remote Sensing )是通过遥感器/遥远0地采集目标对象的数据,并通过对数据的分析来获取有关地物目标或地区的信息的一门科学和技术[1].遥感采集的数据包括电磁波(光、热、无线电等)、力(重力、磁力等)、声波等.文中提到的遥感只涉及电磁波遥感的范畴,包括航空遥感和航天遥感,是指从远距离甚至外层空间的工作平台上,利用可见光、红外、微波等探测仪,通过摄影或扫描的方式,获得地物对电磁波辐射能量的感应特征.遥感在地质学上的应用始于20世纪70年代,人们利用遥感视域宽、信息丰富、具定时性定位性的特点,研究地球表面及表层的地质体、地质现象的电磁辐射特征,识别地质体的物性及运动状态,从而为地质构造研究、矿产资源勘查、区域地质调查、环境和灾害地质监测等研究提供帮助.我国遥感地质起步较早,经历了从航空遥感到航天遥感、从目视解译的/图像遥感0到计算机处理分析的/数字遥感0[2]、从定性解释到定量分析的过程,从而在理论研究及应用方法上均有了长足的发展.由于遥感技术可以在短时间内提供区域的宏观数据,以直观清晰的图像显示地物景观,反映大量地表和浅地表的地质信息,还可以通过那些受地下隐伏地质体、隐伏构造控制和影响的地物的异常信息,来间接识别隐伏地质特征,从而对物探、化探、钻探等勘探手段进行有效的补充,在一定程度上弥补了上述勘查手段的不足,因此被广泛应用于地质研究,在/七五0、/八五0期间,经过科技攻关研究和应用实践,将遥感方法广泛应用于大比例尺成矿预测,获得很大成功,形成了一套可操作性较强的方法和标准,并进行推广和应用[3~5]:在基础地质方面,遥感应用2期丁建华,等:遥感技术在我国矿产资源预测评价中的应用图1 矿产资源预测评价工作流程略图F ig.1 Flow char t of minera l reco ur se assessment process于岩性识别和地层分类,取得了较好的效果[6,7],被广泛应用于遥感地质填图.在矿产地质方面,通过计算机图像处理,识别构造、蚀变等与成矿、控矿有关的地质信息,结合地球物理及地球化学资料,进行综合地质找矿,也取得了丰硕成果[8~10].很显然,遥感的技术优势使得它在地学领域尤其是宏观地质研究中起着重要的作用,是无法被其它方法所取代的.2 矿产资源预测评价概述矿产资源预测评价是指从经济和技术两个方面,利用地质工作中所获取的相关数据与资料,应用地质理论和科学的方法,在总结成矿地质条件和成矿规律的基础上,将其转化为矿产资源信息,从而对地壳的某一部分或某一单元内矿产资源的潜力、利用的可能性及其经济价值做出合理的评估.其基本任务是:尽可能多地搜集评价区的信息(地质、地球物理、地球化学、遥感信息等),在现代地质成矿理论的指导下,提取成矿信息,并对所提取的各种成矿信息进行综合分析,以确定成矿有利地区或找矿靶区,并估算其资源量和经济价值.近年来随着对人类生存环境的关注度的提高,评价矿产资源对环境的影响也成为资源预测评价的重要任务之一.作为矿产勘查的基础工作,矿产资源评价的成果对提高矿产勘查工作的经济效益具有重要的意义;作为规划部署的基础工作,矿产资源评价为编制经济发展中长期规划和部署地质工作提供了科学的依据.鉴于矿产资源在经济发展中的作用,世界上许多国家甚至跨国公司均建有自己的矿产资源评价分析机构,进行矿产资源供、需及合理利用方面的研究,为长远的规划、决策服务.从可持续发展角度讲,为确保环境质量以及矿产资源长期利用而进行矿产资源评价,可以帮助决策者有效地、科学地管理矿产资源.进入21世纪,矿产资源在经济发展中的基础地位没有变,保证矿物原料和能源的充分供应,仍然是支撑国民经济持续健康快速发展的基本条件,因此,提高矿产资源对经济社会可持续发展的保障能力就成为新世纪新阶段地质工作者的重要任务.而已知矿产资源的短缺和找矿难度的加大,使得矿产勘查和找矿预测等领域面临着更大的挑战,使得新技术新方法的研究与应用成为必然.目前,资源预测评价已尝试将RS(遥感)、GIS(地理信息系统)、GPS (全球卫星定位系统)、VS (可视化系统)、CS(卫星通讯系统)等技术综合应用[11~14],取得了较好的效果.矿产资源评价的方法各国均有不同,如美国著名资源评价专家Sing er 提出的/三步式0资源评价法、俄罗斯的基于/对象、标志、方法0三要素的/预测普查组合0法,我国赵鹏大提出的/三联式0资源预测评价法[15]等.有关专家(叶天竺等,2004[16])在总结了我国近二十余年的理论及实践,概括出一套集系统性、综合性、实用性于一体的矿产预测评价过程:矿产资源预测评价工作流程略图(如图1).3 遥感技术在矿产资源评价中的应用20多年来,作为辅助手段的遥感技术凭借其宏观、综合、快速、动态、准确、及时的优势,在矿产预测评价尤其是中小比例尺的矿产预测评价中得以广泛应用.地质工作者多年来,针对以典型矿床的线、带、589地球物理学进展21卷色块等遥感信息为依据,构建遥感地质找矿模型的技术方法,已进行了卓有成效的试验研究.近些年来,遥感技术得到不断发展,表现为:传感器几何分辨率的不断提高,从M SS的80米到QU ICK BIRD 的0.61米,大大提高了地物的可分辨能力;传感器波谱分辨率的不断提高,高光谱及甚高光谱技术的应用,使得混合像元分解和定量分析成为可能[17,18];传感器的不断研制和改进,使得传感器对光谱辐射率的感知更加敏感,从而更有效地屏蔽噪声,提高数据的可靠性;计算机图像及图形处理技术的不断改进,不仅使得人肉眼的分辨能力大大提高,而且还可以通过对图像的配准、增强、变换等处理,提高影像的可解译能力,甚至获得定量化的分析结果.这些进步都使得遥感在矿产资源评价中受到越来越广泛的青睐.根据矿产资源评价的一般过程(图一),遥感技术在矿产资源评价中的作用主要集中于成矿信息提取、构建遥感地质找矿模型以及与地、物、化等多元信息的复合,其中成矿信息的提取主要包括基础地质信息(构造信息、岩性地层信息等)的提取和遥感异常的提取两个方面.3.1构造信息的提取地质构造在遥感图像上常表现为线性与环形特征.线性形迹主要指断裂和节理等构造,它控制着岩浆活动及矿液的运移、储存,对导矿、运矿、储矿起着重要作用.环形构造多是地球内部活动形迹在地壳中的总体表现,如隐伏岩体、火山机构、火山盆地、火山构造带等,它与热液成矿密切相关.线性环形构造及构造交叉部位,又往往是成矿的重要部位,容矿构造常处于线性影像交汇处或线性影像与环形影像交汇处,而线与环两要素组合成的向斜、背斜构造等,更是成矿的有利部位.这些地质特征在遥感影像上多以色调、图形、水系、地貌及组合特征等显示.由于遥感图像具有宏观性与直观性等特点,提取遥感影像中线状影像和环状影像时,遥感技术显得更加直观,特别是在解译一些断裂交汇部位、环状影像与线状影像交切部位时,遥感技术是地面调查所远不能及的.人们通过目视解译和人机交互式方法,对遥感影像进行处理,如边缘增强、灰度拉伸、方向滤波、比值分析等,可以将这些构造信息很明显地突现出来.除此之外,遥感还可能通过地表岩性、构造、地貌、第四纪地层含水程度、水系分布、植被分布等特征,来提取隐伏的构造信息,如褶皱、断裂等.在提取了上述信息之后,还可以进行进一步的特征分析[19],如构造环境特征的趋势分析、局部异常分析等从而提取构造/本底0特征,寻找构造活动规律,推测矿化演化过程.3.2地层信息的提取各类岩石的矿物成分、赋存环境以及抗风化强度决定了它的电磁波谱特征,岩性解译就是利用不同岩层反射光谱差异所形成的形态、结构、纹理、色调等影像差异,来判定出露地面的岩石的物理特性和产出特点,划分不同岩石类型或岩性组合.实际操作中需要通过典型区段或样区的研究,取得研究区地层影像特征,建立岩性解译标志,从而判读岩石类型、产出状况、展布、变化及其相互关系,并尽可能解译出不同岩性分界.在遥感图像上追索含矿赋矿地层或岩脉具有特别重要的意义,可以利用已知矿源层、赋矿地作为训练场,利用机助或目视解译加以追踪圈定.利用某些含矿地层易风化或难风化所形成的特殊地貌、含矿层的特定色调和内部纹理结构等特征,均可对含矿层进行追踪.除此之外,人们还在尝试和探索各种有效的途径和方法,如利用极化雷达[20]、高光谱[21]等进行岩性地层的区分,都取得了较好的效果.3.3遥感矿化异常的提取许多内生矿床具有很强的矿化蚀变,如钨、锡、钼等矿产常与云英岩化有关,铁、铜等多金属多与矽卡岩化或热液作用有关等,因此近矿围岩蚀变早在百年前就已作为找矿标志应用于地质找矿.由于围岩蚀变作用,使得这些蚀变岩石发生内部成份、结构构造的变化,通过在遥感影像上色调、纹理的变化与差异而表现出来,也就为解译提供了可能.多数蚀变矿物中均含有Fe2+、Fe3+、Mn3+以及H2O、OH-、CO2-3等离子基团结构,这些离子团在可见光)近红外波段的某些区间会产生特征的谱带,从而使蚀变矿物在这些波段具有诊断性的强吸收特征,不同矿物混合在一起组成岩石并不能改变矿物的波谱特征.几十年的探索中,人们已经总结了一些有效的提取蚀变异常的方法,如:比值分析法, T M(ET M)3/1对提取含Fe2+、Fe3+的蚀变矿物效果较好,T M(ETM)5/7对提取含OH-、CO2+3的蚀变矿物效果较好[22];另外常用的还有彩色空间变换、主成份分析法、光谱角法等以及多种方法的结合,马建文等[23]曾总结出一套T M掩膜+主成分变换+分类的识别提取矿化蚀变信息的方法,并有效地应用于实践.由于高光谱图像的光谱分辨率可达纳米级,大大缩小了遥感光谱与实验室光谱之间的5902期丁建华,等:遥感技术在我国矿产资源预测评价中的应用表1遥感影像地质信息提取遥感影像解译内容提取信息线性影像1、展布、延伸方向2、波折、弯曲、分叉、复合特征3、影像间的穿插、交切、限制关系4、影像两侧位移、牵引、旋扭等现象5、与邻区构造影像的相互关系1、按地质属性分类、命名2、断裂要按构造性质分类,按方向统计分组,要划分等级,尽可能确定相对时序并划分体系环形影像1、影像内外色彩、结构、构造特点及变化2、相关联环形影像之间的包容、叠加、切割、镶嵌、串联、辐射等空间分布关系3、与相关线性影像间的交切、限制等同生、衍生关系1、按地质属性分类2、与岩浆及热液活动有关的应习题鉴别岩体产状、埋深和相对侵入时序3、与构造侵位、底劈有关的应查明不同级次的构造控制作用4、与褶皱变形有关的应据影像边界条件及节理特点探索形变期次块状影像1、影像结构、构造特点2、影像内色调的变化及色调异常的分布特点1、按地质属性分类2、沉积岩类和浅变质岩类要研究岩层的岩性、岩相、厚度、接触关系和产状变化3、侵入岩类尽可能分解岩体接触关系,圈定接触变质带的范围4、火山岩类要追踪火山机构,划分不同岩石区带5、深变质岩类要划分岩性分区,研究接触关系和构造形变特点差距,利用高光谱数据区分地质体也成为一种有效的方法[24],中国地质大学就曾在河北赤城地区进行试验研究,运用成像光谱图像数据成功地识别了该区金矿化蚀变带[25].后期的动力风化和侵蚀作用所形成的各具特征的地貌,也是一种蚀变带的间接识别标志,如硅化、矽卡岩化、次生石英岩化等蚀变作用,往往使岩石变得更坚硬而抗风化,在经过后期风化作用后常表现为条带状或不规则状的正地形,而高岭土化、云母化、绿泥石化等蚀变作用后的岩石,则因为易遭剥蚀而常表现为不同色调的负地形.此外,实践表明,黄铁矿化、粘土矿化、高岭土化、硅化、碳酸岩化等蚀变,在彩红外航空摄影像片上可以得到较好的识别和追踪.而且矿化蚀变矿物在风化、剥蚀、淋滤和运移过程中形成范围广的/污染异常0以及一些矿床的矿化蚀变具有分带性的特殊组合,也能在遥感图像上得到较好的反映[26].3.4遥感地质找矿模型的建立在矿产资源预测中,遥感建模也已从探索阶段走向应用阶段[27].在已知的矿床、点的分布区,分析已知的控矿地质因素,并提取有关的线、带、色、块、环等遥感信息,优选其中特征的具诊断性的信息作为建模标记,从而建立二维或三维的遥感地质找矿模型,为资源预测提供依据.4遥感用于矿产资源预测评价的工作方法矿产资源预测评价过程中,遥感地质工作的程序如图2,包括图像数据收集、数据预处理、信息提取、遥感异常圈定、遥感地质编图等过程.图2遥感矿产预测工作流程F ig.2Flow char t of using remo te sensingin mineral pr og no sis4.1资料收集及信息源选择矿产资源预测近些年较常用的遥感数据一般为陆地卫星TM、ET M数据,作为辅助手段,也用到航591地球物理学进展21卷空摄影影像以及雷达影像,随着成像光谱技术的发展,高光谱遥感使得利用光谱信息直接识别地物成为可能,高光谱遥感影像将得到越来越多的应用.我国的中巴资源卫星CBERS-1数据虽然影像效果在一定程度上还有待改进,但由于其价格便易,也有相当多的用户.4.2资料预处理遥感影像的预处理包括:1、大气校正,用以消除由大气辐射效应带来的辐射失真,经过大气校正后的影像将增加图像的对比度,消除雾霾感.2、几何校正,指消除遥感数据非系统畸变的精校正,以地形图为参照,将图像坐标按一定的精度要求变换到地形图的地理坐标中,并选择恰当的抽样方法对像元重新作亮度赋值,从而显著改变遥感影像的几何精度.3、数据镶嵌,根据工作需要,将相邻且互有重叠的数幅数据图像拼接成一个在几何形态和色调分布上协调一致的新图像.4、数据放大,主要用于制作大比例尺的卫星像片,按一定的插值原理对数字图像进行采样点内插加密,使像元密度增加,从而改善像质,起到提高地面分辨率的作用(实际信息并未增加).4.3信息提取矿产预测中遥感信息的提取要以矿地质理论为指导,从实际出发,具体确定线、环、带、块、色等影像的地质含义,并分析成矿有利构造部位,同时,运用和研究适合于工作区地质岩性特征的方法,提取与工作矿种有关的蚀变异常区.一般的解译内容如表1.4.4遥感异常的圈定根据上述工作基础,选择不同类型、不同矿种的典型矿区作为训练场,提取与训练场光谱特征类似的遥感影像区,结合地质特征选取成矿有利构造区和蚀变异常区,从而圈定出有望的遥感异常靶区,有待与物探、化探等信息复合,并进行野外验证.4.5遥感地质编图主要包括:1、遥感影象地图,表征预测区地理景观、地质全貌,作为遥感预测工作的底图.2、遥感地质解释图,以线、环、带等表示的地质体边界、构造等.3、遥感矿产预测图,是根据遥感地质解译信息圈定的成矿预测区.5综述遥感矿产预测是矿产预测评价中的重要手段,是对物探、化探、钻探等找矿预测手段的有效补充.它以直观清晰的图像显示现代地表景观,反映大量地表和浅地表的地质信息.由于地物反射波谱信息较微弱,易于受环境因素干扰,再加上遥感地质研究对象的复杂多变性,以及目前对地质现象的遥感成像机理的认识及对遥感数据信息的认识尚未彻底,常常导致遥感解译结果的多解性和不确定性,还会出现同一种方法在某些地区应用效果较好,在另外一些地区应用效果则不好的现象,但并不会因此而抹煞遥感在矿产资源预测评价中的作用.为了弥补遥感技术的这些不足,人们将遥感地质找矿预测与地质、地形、地球物理、地球化学等多种非遥感信息综合利用,有效地消除了数据中的不确定因素,取得更好的解译效果[28~30],能够更客观地反映地质体的本质及其相互间的联系.核工业北京地质研究院就曾将遥感数据与能谱数据结合,应用于辽宁连山地区矿产预测[31],取得了很好的预测效果.随着RS(遥感)、GIS(地理信息系统)、GPS(地理定位系统)的发展,遥感数据的可解译程度与解译速度得到进一步提高,影响遥感解译的不确定性因素在不断减少,有理由相信,在矿产资源预测评价方面,尤其是在自然环境比较恶劣的地区,遥感的应用将进入/矿产资源调查评价的配角到主角的新阶段0 (杨建民等,2003)[32].参考文献(References):[1]Floyd F,Sabins J R.Remote s ens ing principles an d interp reta-tion,second edition,W.H.Freeman an d C om pany,New York,1986:2.[2]赵鹏大,陈建平.地质异常理论与遥感地质研究[J],大自然探索,1996,15(56):29~34.[3]楼性满,葛榜军.遥感找矿预测方法[M],北京,地质出版社,1994.[4]周维屏,陈克强,简人初,等.1:5万区域地质填图新方法[M],武汉,中国地质大学出版社,1993:15.[5]薛重生.遥感技术在区域地质调查中的应用研究进展[J],地质科技情报,1997,16(增刊):15~22.[6]甘甫平,王润生,江思宏,张宗贵,郭小方,王青华.基于完全波谱特征的成像光谱遥感岩矿识别技术及其应用[J],地质科学, 2000,35(3):376~384.[7]迟国彬,李岩.成矿地质环境遥感信息识别方法及其应用研究[J],环境遥感,1996,11(2):94~101.[8]植起汉,王严,朱谷昌.闹牛山次火山岩铜矿靶区的遥感综合评价[J],矿产与地质,1997,11(3):179~186.[9]朱小鸽.多重主成分分析及在地质构造信息提取中的应用[J],遥感学报,2000,4(4):299~303.[10]陈松岭,卢福宏,高光明,吴德文.华北地台北缘内蒙古段金矿围岩蚀变的遥感识别[J],国土资源遥感,2001,(2):13~18. [11]肖克炎,朱裕生,宋国耀.矿产资源GIS定量评价[J],中国地质,2000,278(7):29~32.[12]杜灵通,吕新彪.GIS在矿产资源评价中的应用[J],地质找矿5922期丁建华,等:遥感技术在我国矿产资源预测评价中的应用论丛,2003,18(4):275~278.[13]葛良胜,邢俊兵.基于3S技术的矿产资源评价数字化工作[J],地质找矿论丛,2003,18(4):214~219.[14]朱思才,吴家齐,刘和发.GIS技术在区域矿产资源勘查评价中的应用[J],有色金属矿产与勘查,1999,8(6):618~618. [15]赵鹏大./三联式0资源定量预测与评价[J],地球科学-中国地质大学学报,2002,27(5):482~489.[16]叶天竺.固体矿产预测评价方法技术[M],北京,中国大地出版社,2004:1~9.[17]张宗贵,王润生.基于谱学的成像光谱遥感技术发展与应用[J],国土资源遥感,2000,(1):16~37.[18]Freek V M.Imaging s pectrometry for geological remote sen s-in g[J],Geologie en M ijnb ouw,1998,77(2):137~151. [19]迟国彬,李岩.成矿地质环境遥感信息识别方法及其应用研究[J],环境遥感,1996,11(2):94~101.[20]王翠珍,郭华东.极化雷达目标分解方法用于岩性分类[J],遥感学报,2000,4(3):219~223.[21]燕守勋,张兵,等.高光谱遥感岩矿识别填图的技术流程与主要技术方法综述[J],遥感技术与应用,2004,19(1):52~63. [22]张玉君,曾朝铭,陈薇.E TM+(T M)蚀变遥感异常提取方法技术[A],航天遥感图像数据索引及应用实例[C],中国地质调查局,2004:37~59.[23]马建文.利用T M数据快速提取含矿产蚀变带方法研究[J],遥感学报,1997,1(3):208~213.[24]王晋年,郑兰芬,童庆禧.成像光谱图像光谱吸收鉴别模型与矿物填图研究[J],环境遥感,1996,11(1)20~31.[25]甘甫平,王润生,郭小方,张宗贵,王青华,杨苏明.利用成像光谱遥感技术识别和提取矿化蚀变信息)以河北省赤城-祟礼地区为例[J],2000,14(4):465~469.[26]朱亮璞.遥感地质学[M],北京,地质出版社,1994:105~110.[27]罗富生,崔振奎,徐双,王国娟.金矿床遥感影像模式及证据权法在找矿预测中的应用[J],国土资源遥感,1994,(4):23~29.[28]肖克炎,朱裕生,张晓华,等.矿产资源评价中的成矿信息提取与综合技术[J],矿床地质,1999,18(4):379-384.[29]刘星,胡光道.多源数据融合技术在成矿预测中的应用[J],地球学报,2003,24(5):463~468.[30]张宝生,张晓帆,陈川,等.RS和GIS技术在新疆地质和矿产资源评价中的应用[J],新疆大学学报(自然科学版),2002,19(3):333~340.[31]刘德长.航天遥感信息应用途径的新进展)光-能谱集成技术在铀资源勘查中的应用[A],第九届遥感技术学术交流会论文集[C],成都,1995:175~183.[32]杨建民,张玉君,陈薇,王志良,姜立丰,姬厚贵,韩春明.ETM+(T M)蚀变遥感异常技术方法在东天山戈壁地区的应用[J],矿床地质,2003,22(3):278~286.593。