遥感构造解译方法及其在研究深部地质过程的浅部响应中的意义

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遥感构造解译方法及其在研究深部地质过程的浅部响应中的意义
２００７年全国岩石学与地球动力学暨化学地球动力学研讨会 武汉 蠢遥感构造解译方法及其在研究深部地质过程的浅部响应中的意义刘吉平１，张秋文２，张 志３，章泽军３
１．武汉大学资源与环境科学学院，武汉４３００００；
２．华中科技大学水电学院武汉４３００００；
３．中国地质大学地球科学学院，武汉４３００７４
本文探讨遥感构造研究的若干方法及其在深部地质过程的浅部响应研究中的意义。其主要内容是研究地质构造特别是隐伏构造的遥感解译方法，包括目视解译和计算机解译而尤以后者为主。藉此将可为进一步查清地壳表层断裂构造形迹的空间分布、进而为岩石圈深部破坏的浅部地质响应提供更丰富的构造资料。一般来说，古老克拉通破坏过程的浅部地质响应是多方面的，包括岩石建造和地质构造等。其中地质构造尤其是断裂构造的响应可能更敏感、更直接，且它们的浅部响应的效应对矿产资源、能源和灾害的控制也更直接。所以通过遥感技术调查地壳的浅部断裂构造（包括地表断裂和隐伏断裂）的空间分布，对于研究深部破坏作用的浅部效应的响应机理，具有重要的科学意义。遥感技术虽然有电磁波对地表穿透力微弱等固有缺陷，但利用其宏观性和综合性等特点，在调查大范围地表构造和揭示一些隐伏构造、弱显示构造方面还是有公认的良好效果的。这里所谓弱显示构造是指构造本身在地表有直接的显示特征，但这些特征十分微弱，难以被目视发现。在隐伏构造和弱显示构造中，隐伏断裂和弱显示断裂（如韧性剪切带）的遥感探测重点研究内容。从遥感影像解译隐伏断裂和弱显示断裂的方法若能获得较大的进展，也将使遥感地质的研究水平取得很有意义进步。１遥感断裂构造解译方法的研究现状断裂构造是地球上最广泛、最重要的地质构造之一，它不仅对岩石圈构造及其演化等基础地质的研究有重要意义，而且对于地质找矿、地质工程、地质灾害等应用问题的研究也有重大实用价值。遥感在构造解译方面有着比其他地质现象的解译更为有效的优势，因此国内外对于遥感地质构造解译做了大量有成效的工作。中国线性构造特别是活动断裂的遥感研究自２０世纪７０年代后期开始，取得了很大的成绩。代表性的成果有：《中国活动构造典型卫星影像集》、《中国主要活动带卫星图像集》等。总结国内外地质构造的遥感解译方法，基本上不外乎目视解译、计算机解译和人机交互解译３类。目视解译的工作程序和方法已趋于完善，其关键在于建立针对不同区域有效的解译标志以及这些标志的充分性。计算机解译还在不断探索和丰富的过程中，目前离实用的目标还有相当大的距离。人机交互解译则是一条较好的折中的途径，因为它可以将人脑的图像认知智能与计算机图像处理和计算的功能进行很好的结合。所以，人机交互解译将是较长时期内地质构造遥感解译的主要途径，一些著名遥感图像处理软件（如ＥＲＤＡＳ、ＰＣＩ、ＥＮＶＩ等）也提供了人机交互解译的良好工具。值得指出，人机交互解译并不是简单地在计算机上“画图”，而是要充分利用人的视觉特点、认知特点与遥感图像中目标特征计算机处理之间的最佳配合。但无论何种解译方式，隐伏断裂和弱显示断裂解译都是最大的困难所在，也是至今遥感地质研究中尚未很好解决的重要科学问题．。至于定量遥感反演方法，由于地质构造主要是以形态特征为标志，目前还很难将以点（像元）的特性为基础的反演方法直接用于构造信息提取，即不能直接反演断裂构造。但遥感反演的成果可以为断裂构造解译提供辅助信息或间接标志，比如通过地表温度、湿度的反演发现线形分布的温度、湿度异常带等。随着高光谱遥感、微波遥感、多角度遥感技术的成熟和推广，这将是一个值得重视和一１６— 加强的研究方向。２隐伏断裂和弱显示断裂遥感解译的基本思路对于较少植被或第四系覆盖的地区，明显出露地表的构造的解译困难不会太大，但存在隐伏构造和弱显示构造的问题。对于隐伏构造和弱显示构造的识别，我们认为以下５条途径是很有价值的：①通过易识别的地表相关构造来推断。比如构造分析中常用的地层错位、断裂错位、相关地质地貌标志的线性展布等，这主要是利用所谓间接解译标志，是被经常采用的常规解译方法之一。②对易识别小断裂构造的统计分析。大断裂构造所形成的边界条件对区域应力场分布有制约作用，从而对小构造的发育和展布有制约作用，也甚ｐｔＪ?构造与隐伏构造和大构造之间具有内在联系。但由于小构造的具体发生条件是很复杂的，因而在宏观上小构造具有一定的随机性质。这就提供了通过对小构造的统计分析，来揭示其蕴涵的整体性的深层次构造意义的可能，也即通过小构造的宏观统计特征来推断隐伏构造和大构造。事实上地学界一直重视和使用线性构造的统计分析方法，已有一些统计分析的方法获得了较为理想的结果。但这一工作还需深入，比如在统计分析中如何正确区分不同时代和期次、甚至不同力学性质的断裂构造。③通过图像处理和分析的方法增强弱显示构造的地表特征。比如一些韧性剪切带往往在地表的特征不是很明显（表现为糜棱岩化），有的十分微弱，研究表明通过适当的图像处理（如比值处理、ＰＣＡ处理）后可以成为比较醒目的构造。韧性剪切带对了解深部岩石的流变性质和岩石圈演化有重要的意义，华北地台上较多地发育有韧性剪切带，它是观测华北克拉通深部构造及其演化的一个窗口。华北地台韧性剪切带的解译是本项研究中特别要予以关注的内容。④通过遥感反演获取温度异常和湿度异常以推测隐伏断裂。由于大断裂通常可以成为地热和地下水的良好通道，因此对热红外图像上的热异常检测，可能为发现隐伏断裂提供有效的信息。对于现今仍在活动的断裂，热异常检测更有价值，湿度异常也有同样的意义。⑤利用非光学波段的遥感信息。微波雷达和激光雷达都可以提供地表构造的丰富信息，但激光雷达进行区域性探测目前成本太高，而微波雷达数据是值得考虑的。尤其将不同波段或不同极化的ＳＡＲ数据或ＳＡＲ数据与光学遥感数据进行融合处理可以得到良好的构造解译效果。对于有植被和第四系覆盖的地区，构造解译的难度非常大。如下的几种策略有理由考虑加以尝试：⑥运用遥感生物地球化学的方法揭示植被覆盖区的断裂构造。由于深大断裂通常是金属矿液的运移通道，其地表往往富含金属元素，而金属元素进入植物后会引起植物生理的变化，从而可能为遥感所探测到。⑦利用微波雷达数据对植被和干燥覆盖物的一定穿透力揭示隐伏构造。⑧在生物地球化学效应不显著的地区，采用植被掩模等技术处理植被。此外，在构造解译的研究中，应尽可能利用已有的地质和地球物理资料所提供的“先验知识”。３关键科学问题（１）不同地表覆盖类型下的最佳波段选择及其断裂构造解译标志分析。在遥感地质解译研究中，正确的波段选择是保证获取尽可能充分的地质信息的前提条件。关于最佳波段组合的选择，已有较多的研究并提出了一些好的方法（Ｃｈａｖｅｚ，１９８２，１９８４；朱启疆，１９８８）。这些方法的基本出发点是从最大化图像信息量角度考虑的，但图像总信息量最大并不保证对所检测的目标提供的信息量最大。目标信息量的最大化需要针对具体目标类型及其环境（如断裂构造发生地区的岩性、覆盖物等）来考虑，也就是它可能随目标所在区域的变化而变化。此外，信息量最大也不一定就是对目标而言的最佳波段，如主成分分析中低序次的主成分信息量大，但与目标的弱信息关联的主成分却往往包含在信息量小的高序次主成分中。因此，针对目标类型及其环境选择最佳波段以建立相应的解译标志，才是更有效的波段选择方法和建立更可靠解译标志的途径。在波段选择确定后，彩色图像合成方式也是需要考虑的因素，这与人的视觉生理心理因素有关。断裂构造的解译标志除了涉及颜色、亮度、纹理、空间关系等可视化的图像特征外，还要包括对象的光谱曲线特征以及其空间剖面光谱曲线特征。这些光谱特征虽然会表现在图像可视化特征上，但细微的差异可能不易为视觉觉察，同时颜色只反映了３个波段，而光谱曲线则可以是３个以上的波段。利用遥感软件解译时，光谱曲线特征是很容易用交互式图形工具察看的。（２）隐伏构造和弱显示构造解译的最佳波段选择及其信息增强方法。隐伏构造是在地表没有直接标志信息显示的构造，对它的解译需要依赖间接的信息。隐伏断裂构造在不同的地物覆盖区的间接标志有哪些？如何有针对性地选择波段并增强它？一】７一隐伏断裂构造与地表物理参数异常（温度异常、湿度异常等）有怎样的量的关系？弱显示构造的信息包含在哪些波段中？如何增强它？这些问题的回答有赖于对波段的地物波谱意义的理解和对信息处理方法的研究。解决这些问题对于解译隐伏构造和弱显示构造显然是至关重要的。图像增强对于解译效果的意义已被很多例子所证明，近期如ＨｅｉｋｏＺｕｍｓｐｒｅｋｅｌ（２０００）对ＴＭ使用比值、主成分分析和选择法彩色合成等增强方式，获得了目视地质解译的良好效果；ＫｒｉｔＷｏｎ－Ｉｎ（２００３）通过多种图像增强处理后，对越南南部中古生代的地层构造进行了有效的解译；Ｓ．Ｋ．Ｐａｌ（２００７）将ＰＣＡ方法运用于ＳＡＲ数据的融合，也得到了很好的结果；本文第一作者（２００２）也曾经运用ＰＣＡ方法很好地增强了韧性剪切带的弱信息。（３）遥感解译断裂构造的可信度评估。用遥感解译方法得到的构造，在多大程度上反映了客观真实？这是遥感解译中一个引入关注的重要而困难的问题。大部分的遥感构造解译不会如同在地面看得到擦痕、阶步、断裂构造岩等直接的断裂特征那样“证据凿凿”，也很难对每条解译断裂都进行地面核实（对较大规模的少数断裂是可以的），这样可信度问题就是一个无法回避的问题。对这个问题也已有前人涉及，但还没有得到一个理想的结果。所以我们把它列为关键科学问题之一。我们考虑从两个方面进行研究，一是可信度评价的指标体系，包括解译标志的多少、组合情况，解译标志对确定解译结果的重要性以及解译标志本身存在的可靠性（在多大程度上存在某解译标志）。二是可信度评价的数学模型。涉及不确定性的数学模型有很多，我们初步认为似然函数的信任函数（张尧庭等，１９９８）或盲数的可信度（刘开第等，１９９９）可以作为基本的评价模型。一１８— 遥感构造解译方法及其在研究深部地质过程的浅部响应中的意义作者： 刘吉平， 张秋文， 张志， 章泽军作者单位： 刘吉平(武汉大学资源与环境科学学院,武汉 430000)， 张秋文(华中科技大学水电学院武汉 430000)， 张志 ,章泽军(中国地质大学地球科学学院,武汉 430074) )

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