新型遙感技術(shù)的鈾資源勘查應(yīng)用
劉德長(zhǎng) 楊旭 張杰林
核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京，100029
摘 要: 一系列對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星成功發(fā)射，新型傳感器相繼問(wèn)世，不斷增添具有更高空間分辨率、光譜分辨率和更多極化方式的新型遙感數(shù)據(jù)源。這些數(shù)據(jù)源正以傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)源不具有的優(yōu)勢(shì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用，取得了許多良好的應(yīng)用效果。本文從新型多光譜遙感、高空間分辨率遙感、高光譜遙感、雷達(dá)遙感等四個(gè)方面介紹一下新型遙感數(shù)據(jù)在鈾資源勘查中的應(yīng)用情況及效果。關(guān)鍵詞：新型遙感技術(shù)；鈾資源勘查；應(yīng)用
1 引言
進(jìn)入21世紀(jì)前后近十年，遙感技術(shù)得到了快速發(fā)展。1999 年，NASA成功發(fā)射了承載多種傳感器的Terra 衛(wèi)星；美國(guó)Space Imaging公司成功發(fā)射了全球第一顆高分辨率商業(yè)化遙感衛(wèi)星IKONOS；我國(guó)與巴西合作發(fā)射了我國(guó)第一顆數(shù)字傳輸型資源衛(wèi)星CBERS-1。2000年，美國(guó)NASA發(fā)射了EO-1衛(wèi)星，其上搭載了高光譜成像儀Hyperion；2001年，美國(guó)數(shù)字全球公司成功發(fā)射商用高分辨率衛(wèi)星QuickBird，2002年法國(guó)發(fā)射了SPOT-5衛(wèi)星，2003年中巴資源衛(wèi)星02星成功發(fā)射，2006年1月日本發(fā)射了ALOS衛(wèi)星，2007年我國(guó)又發(fā)射了中巴資源衛(wèi)星02B星。這些衛(wèi)星的成功發(fā)射，使得CBERS-02B，ASTER，ALOS，IKONOS，QuickBird，OBVIEW，Hyperion，TerraSAR，Lidar等多種新型傳感器相繼出現(xiàn)，繼而產(chǎn)生了多種具更高光譜分辨率、空間分辨率，以及更多極化方式的新型遙感數(shù)據(jù)。這些新型遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)促進(jìn)了遙感技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的進(jìn)一步滲透，并已在地球科學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市規(guī)劃、土地利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、考古、軍事等各個(gè)領(lǐng)域有了更加廣泛而深入的應(yīng)用[1]。本文將從新型多光譜遙感、高光譜遙感、高空間分辨率遙感、雷達(dá)等四個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹一下新型遙感數(shù)據(jù)在鈾資源勘查中的應(yīng)用情況及效果。
2 新型遙感技術(shù)的應(yīng)用
2.1 新型多光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用
過(guò)去的二三十年，多光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)源主要是MSS、TM、ETM和SPOT。新世紀(jì)CBERS-02/02B、ASTER和ALOS等新型多光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)為多光譜遙感技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的數(shù)據(jù)源。當(dāng)前，在鈾資源勘查中應(yīng)用最多的是CBERS-02/02B和ASTER等數(shù)據(jù)。
（1）CBERS-02/02B
中巴地球資源02B星（CBERS-02B）搭載有CCD多光譜相機(jī)、高分辨率相機(jī)、寬視場(chǎng)成像儀等遙感傳感器。利用其傳回的高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)，在江西桃山鈾礦田開展了礦田構(gòu)造格架、成礦巖體和熱液蝕變帶等主要成礦要素的遙感信息的提取與分析。
在礦田構(gòu)造格架研究方面，由于CBERS-02B多光譜影像的空間分辨率為19.5米，比ETM多光譜波段數(shù)據(jù)的30米的空間分辨率高，識(shí)別斷裂的效果好。在342波段彩色合成影像圖中（圖1），可以明顯看出桃山礦田產(chǎn)于桃山斷裂、羅坑斷裂、釣峰斷裂的構(gòu)造夾持和交匯區(qū)，受這三條主干斷裂控制。在巖體劃分方面，通過(guò)地面光譜測(cè)量結(jié)果表明，不同期次巖體的光譜特征主要是由Fe3+、Fe2+、鈣-OH等引起的，吸收峰波長(zhǎng)位置主要集中在0.5 ~ 0.9μm光譜范圍內(nèi)。由于CBERS-02B多光譜數(shù)據(jù)光譜范圍為0.48-0.89μm。因此，利用由金屬離子引起的可診斷吸收光譜信息，劃分出不同巖體，并圈定了分布范圍。在熱液蝕變信息提取方面，利用CBERS-02B多光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)光譜指數(shù)計(jì)算（B1/B2），可提取Fe3+蝕變信息，桃山礦田范圍為高值區(qū)，代表鐵的含量高，與礦田形成的強(qiáng)烈的堿交代現(xiàn)象相吻合[2]。
圖1 桃山鈾礦田構(gòu)造格架02B星遙感影像構(gòu)造解譯圖
Fig. 1 CBERS-02B image of framework in Taoshan uranium deposit
（2）ASTER數(shù)據(jù)
ASTER傳感器提供了包括可見光一近紅外(VNIR)、短波紅外(SIR)、熱紅外(TIR)共14個(gè)波段的地物波譜數(shù)據(jù)。其中最高分辨率在VNIR波段達(dá)到了15m。另外，在獲得地物波譜數(shù)據(jù)的同時(shí)，它還能利用在03 N波段和03B波段以不同視角獲得的圖像組成立體像對(duì)，從而獲得同一地區(qū)的高程數(shù)據(jù)。這些特點(diǎn)為該數(shù)據(jù)的地質(zhì)應(yīng)用提供了很大的方便。在鈾礦找礦中，主要用于控礦構(gòu)造識(shí)別、蝕變信息提取和巖性劃分等方面的研究。下面以控礦斷裂的識(shí)別和蝕變信息的提取為例，說(shuō)明ASTER數(shù)據(jù)在發(fā)現(xiàn)薩克鈾礦化帶上的應(yīng)用效果。
先是在塔里木盆地北緣薩克地區(qū)，用ETM圖像研究已知航放異常點(diǎn)的控制因素，但由于圖像上所顯示的斷裂構(gòu)造不明顯，其受斷裂帶控制未能引起足夠的重視。后來(lái)采用ASTER圖像研究，由于其空間分辨率比ETM提高一倍，斷裂構(gòu)造顯示非常清楚，當(dāng)將航放異常點(diǎn)投到ASTER圖像上，明顯看出受一條NW向斷裂帶控制（圖2）。
圖2 塔里木盆地北緣薩克地區(qū)ASTER遙感影像
Fig. 2 ASTER image of Sake ares in north of Tarim Basin
（箭頭指向斷裂帶；紅點(diǎn)示已知航放異常點(diǎn)）
根據(jù)巖石裸露區(qū)相同的地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象具有相同的光譜特征，因而在遙感圖像上會(huì)顯示出相同的特征影像的原理，開發(fā)了多光譜遙感影像特征類比提取技術(shù)。利用ASTER具有14個(gè)波段，且地質(zhì)上常用的ETM7波段被劃分為4個(gè)波段的優(yōu)勢(shì)，先選定上述斷裂帶上的兩個(gè)航放異常點(diǎn)為目標(biāo)，對(duì)其特征影像進(jìn)行提取。當(dāng)兩個(gè)航放異常點(diǎn)處都出現(xiàn)紅色斑點(diǎn)（蝕變）時(shí)，在該圖像上又出現(xiàn)兩處紅色斑點(diǎn)區(qū)（圖3）。這兩處紅色斑點(diǎn)（蝕變）地段，作為野外地質(zhì)檢查的重點(diǎn)地段。
圖3 礦化信息影像特征類比技術(shù)處理效果圖
Fig. 3 Ore-search Information extraction based on analogy the Image Features method
（方框內(nèi)為已知航放異常點(diǎn)的紅色斑點(diǎn)；圓圈內(nèi)為具有與已知礦化點(diǎn)相似影像特征的地段）
經(jīng)在上述蝕變地段（圓圈范圍）的重點(diǎn)追索和地面能譜測(cè)量，沿帶又發(fā)現(xiàn)了5處地面能譜異常，最高1000ppm，其余100-500ppm。從而利用ASTER數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了一條鈾的礦化帶。
2.2 高空間分辨率數(shù)據(jù)的應(yīng)用
IKONOS、QuickBird等高空間分辨率數(shù)據(jù)不僅具有多光譜波段的特點(diǎn)，更重要的是具有很高的空間分辨率。因此，這類數(shù)據(jù)的應(yīng)用既可以充分發(fā)揮高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)（1m和0.6m），又可以發(fā)揮高空間分辨率與多光譜相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，大大提高了人們對(duì)地物目標(biāo)的精細(xì)觀測(cè)水平和解譯分析能力。在鈾資源勘查中，利用這一優(yōu)勢(shì)，可以精細(xì)研究鈾礦化帶的組合和蝕變帶的強(qiáng)弱程度。
從IKONOS真彩色合成遙感圖像上可以看出，上述薩克鈾礦化帶的斷裂由黑色線性體和白色線性體重接復(fù)合組成。從QuickBird真彩色合成遙感圖像上，除此之外，還可看到礦化地段圖像色調(diào)呈灰白色斑點(diǎn)。但是，在放大的ETM圖像上連斷裂帶的構(gòu)造痕跡都看不清，更不要說(shuō)斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和旁側(cè)的蝕變現(xiàn)象（圖4）。
 
圖4 新型與傳統(tǒng)遙感圖像薩克鈾礦化帶影像特征對(duì)比圖
Fig. 4 New and traditonal remote sensing contrastive image of Sake area uranium zone
左圖：QuickBird遙感圖像；右圖：ETM遙感圖像
（①黑色線性體；②白色線性體；③灰白色斑點(diǎn)；紅點(diǎn)示已知航放異常點(diǎn)；白框示高分辨率數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)范圍）
經(jīng)野外檢驗(yàn)，黑色線性體為基性巖脈，白色線性體為斷裂帶，反映控礦斷裂由基性巖脈和斷裂帶組成，斷裂帶形成在后，破壞了基性巖脈，二者為重接復(fù)合關(guān)系。斷裂的活動(dòng)導(dǎo)致了深部含鈾熱流體的上升，造成斷裂上盤泥盆系紅色砂巖褪色蝕變（圖5）。蝕變的特點(diǎn)是水云母化、碳酸鹽化和少量硅化，并使三價(jià)鐵減少，從而導(dǎo)致原紅色砂巖變?yōu)榛野咨Ｒ虼�，礦化地段在QuickBird真彩色圖像上顯示淺色調(diào)。
對(duì)高空間分辨率圖像的精細(xì)分析，不僅符合野外觀察的鈾礦化帶呈基性巖脈+斷裂帶+蝕變帶的地質(zhì)組合特點(diǎn)，而且為該鈾礦化帶的區(qū)域搜索建立了影像識(shí)別模式。利用此影像模式和高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)蝕變信息提取，并通過(guò)野外驗(yàn)證，在其外圍又發(fā)現(xiàn)了2條新的類似的鈾礦化帶（圖6）。
圖5 薩克鈾礦化帶野外剖面照片（鏡頭向東南攝）
Fig. 5 profile phote of Sake area uranium zone
（Ⅰ輝綠巖脈；Ⅱ 硅化帶；Ⅲ 蝕變圍巖）
 
圖6 新發(fā)現(xiàn)的鈾礦化帶（局部）的QuickBird遙感影像圖
Fig. 6 QuickBird remote sensing image of new fined uranium zones
（①黑色線性體為基性巖脈；②白色線性體為斷裂帶；③灰白色斑點(diǎn)為褪色蝕變）
從高分辨率的遙感圖像上還可以精細(xì)的解譯出蝕變帶內(nèi)殘留體的多少，從而有利于判斷蝕變的強(qiáng)弱程度[3]。某蝕變帶是由下白堊統(tǒng)紅色砂巖經(jīng)油氣還原蝕變?yōu)榛疑忘S色（灰色遭二次氧化）帶。當(dāng)還原作用不充分時(shí)，仍可見到未蝕變的紅色砂巖。因此，可以根據(jù)紅色砂巖的殘留體的多少來(lái)判斷蝕變的強(qiáng)烈程度。利用QuickBird數(shù)據(jù)提取該蝕變帶內(nèi)的殘留體，可以將蝕變帶分為強(qiáng)烈蝕變、較強(qiáng)烈蝕變和弱蝕變的地段。
2.3 高光譜遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用
高光譜與多光譜遙感技術(shù)相比的明顯優(yōu)勢(shì)在于窄波段成像，光譜分辨率可達(dá)納米級(jí)。因此，波段數(shù)可達(dá)幾百個(gè)。對(duì)于不同的應(yīng)用目的，選擇適當(dāng)?shù)牟ǘ�，可以取得研究�?duì)象圖譜合一的信息。借助高光譜遙感信息的上述優(yōu)勢(shì)，不僅可以提取鈾礦化的蝕變信息，而且可以區(qū)分蝕變帶的蝕變礦物。
黏土化是鈾成礦過(guò)程中常見的蝕變現(xiàn)象。組成黏土化的礦物成分，在進(jìn)行蝕變帶對(duì)比時(shí)十分重要。高嶺石和蒙脫石同為黏土礦物，在2205nm處都有一個(gè)明顯的吸收峰，但高嶺石在2165nm處還有一個(gè)明顯的次級(jí)吸收峰（圖7），利用其就可將高嶺石與蒙脫石區(qū)分開來(lái)。
圖7 高嶺石、蒙脫石參考光譜曲線（USGS光譜庫(kù)）
Fig. 7 Spectrum of Kaolinite and montmorillonite
（紅色示高嶺石；綠色示蒙脫石）
采用的高光譜遙感數(shù)據(jù)是Hyperion衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)，分辨率為30米，由于空間分辨率太低，不宜進(jìn)行礦物的精確區(qū)分。為此，先采用Daubechies小波變換將Hyperion數(shù)據(jù)與IKONOS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（空間分辨率為1米）融合，得到的融合波段不僅很好地保留了空間信息，更重要的是其光譜信息非常完整，為該區(qū)黏土化帶礦物成分的精確區(qū)分奠定了基礎(chǔ)[4]。
為了防止誤分和漏分，采用改進(jìn)式多波段特征擬合技術(shù)進(jìn)行高嶺石和蒙脫石礦物的分類提取研究。改進(jìn)式波譜特征擬合的礦物識(shí)別模式與波譜特征擬合技術(shù)的區(qū)別在于：波譜特征擬合技術(shù)是針對(duì)單一譜帶特征進(jìn)行的礦物識(shí)別[5]，而改進(jìn)式波譜特征擬合技術(shù)充分考慮了具有復(fù)雜成分的礦物在波譜特征上的譜系效應(yīng)，即在對(duì)最典型的吸收特征進(jìn)行擬合的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用離子或基團(tuán)的次要吸收特征進(jìn)行礦物識(shí)別，如果還是無(wú)法達(dá)到較好的區(qū)別效果，再可以對(duì)第三級(jí)特征進(jìn)行擬合。改進(jìn)式波譜特征擬合的礦物識(shí)別技術(shù)既能在細(xì)節(jié)上針對(duì)特征譜帶進(jìn)行擬合，又能考慮到整體波形的影響作用，因此提取離子或基團(tuán)組合復(fù)雜的蝕變礦物具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)上述Hyperion的Band205處理，在黏土化內(nèi)不僅將高嶺石（紅色）和蒙脫石（綠色）區(qū)別開來(lái)（圖8），而且說(shuō)明該黏土化帶主要由高嶺石和蒙脫石組成。
2.4 新型雷達(dá)數(shù)據(jù)與光學(xué)數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用
近年來(lái)，星載雷達(dá)遙感的發(fā)展比較快，出現(xiàn)了許多新的傳感器，總的趨勢(shì)是向高分辨率、多極化的方向發(fā)展。同時(shí)，雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)與光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的融合也是其新的應(yīng)用方向。
研究區(qū)屬于南方多云多雨地區(qū)，依靠太陽(yáng)光源的光學(xué)傳感器在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中受到一定限制，而雷達(dá)傳感器具有全天時(shí)、全天候的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)植被具有穿透性。本文基于ETM
圖8 改進(jìn)式波譜特征二級(jí)擬合結(jié)果圖
Fig. 8 Result of multi-range spectral feature fitting
（紅色—高嶺石；綠色—蒙脫石）影像數(shù)據(jù)與Radarsat精細(xì)模式成像雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用紋理分析和光學(xué)與微波信息融合技術(shù)，開展了研究區(qū)已知鈾礦化分布規(guī)律的研究[6]。
雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理分析算法主要采用二階概率統(tǒng)計(jì)、計(jì)算及提取多種紋理參數(shù)（平均值、變異性、對(duì)比度、相異性、熵、二階矩及相關(guān)性等），分析雷達(dá)影像中不同尺度紋理特征的分布規(guī)律，研究礦田構(gòu)造發(fā)育特征及其與鈾成礦的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用雷達(dá)圖像與ETM圖像信息融合技術(shù)，獲得既包含地形地貌特征和地質(zhì)構(gòu)造等紋理信息，又包含不同巖石光譜信息的光學(xué)和微波信息融合圖像，提高了影像對(duì)構(gòu)造和巖性的綜合識(shí)別能力。在融合圖像（圖9右圖）中，可以明顯看出該區(qū)呈NE向展布的鈾礦床、礦點(diǎn)是沿NE向大斷裂帶分布。顯然，該NE向大斷裂為本區(qū)的主干控礦斷裂，但是在光學(xué)和雷達(dá)圖像上，該斷裂是不清楚的（圖9左圖和中圖）。
圖9光學(xué)與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合圖
Fig. 9 ETM and Radarsat fusion image
左：ETM圖像；中：Radarsat雷達(dá)圖像；右：ETM與Radarsat融合圖像
3 結(jié)語(yǔ)
新型遙感數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)相比，具有更高的空間分辨率、光譜分辨率和更多極化方式等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這些遙感數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)，為遙感技術(shù)在資源勘查、土地利用、城市規(guī)劃、災(zāi)害預(yù)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、考古研究和軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用注入了更強(qiáng)的活力，也促進(jìn)了遙感技術(shù)在鈾資源勘查領(lǐng)域的深入應(yīng)用。
實(shí)踐表明，新型遙感數(shù)據(jù)的采用，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)不能或很難發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象，從而促進(jìn)了地質(zhì)人員的創(chuàng)新思維，導(dǎo)致新概念的產(chǎn)生和鈾礦化規(guī)律新認(rèn)識(shí)的形成，從而提高了遙感技術(shù)的應(yīng)用效果。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：劉德長(zhǎng) 陜西三原人，研究員，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事遙感技術(shù)在鈾資源、核軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。目前正在從事后遙感應(yīng)用技術(shù)的開拓研究。E-Mail: liudc@yeah.net
Application of New Types of Remote Sensing Technology in Uranium Deposit Prosecting
LIU Dechang, YANG Xu, ZHANG Jielin
Beijing research institute of uranium geology, Beijing 100029
Abstract
Abstract: With the development of remote sensing, there are a few new types of sensors from which can acquire abundance new types of remote sensing data. These data has been applied succeedly in many different fields of national economy construction. In this paper, applications of four types remote sensing in uranium deposit prosecting, multi-spectral, high-spatial-resolution, hyperspectral and radar data, have been summarized .
KeyWords: new types of remote sensing technology, Uranium Deposit prosecting, application
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