多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)及在盛源盆地的應(yīng)用研究
劉德長 鄒景柯 孫茂榮 王國娟
0 前言
隨著地質(zhì)工作的深人發(fā)展，遙感、地質(zhì)、物化探方法綜合應(yīng)用是現(xiàn)代找礦的主要技術(shù)方法。利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些找礦方法提供的多源地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研究，是充分發(fā)揮這些地學(xué)信息的潛在作用，有效地解決礦產(chǎn)評(píng)價(jià)預(yù)測中各種復(fù)雜問題的新途徑。目前．國內(nèi)外都在積極地進(jìn)行試驗(yàn)性研究。
本文開拓了這一方法在鈾資源評(píng)價(jià)、預(yù)測方面的應(yīng)用研究，同時(shí)對(duì)地學(xué)其它領(lǐng)域也有參考價(jià)值。下面將分為處理方法、地質(zhì)應(yīng)用及系統(tǒng)建立三個(gè)方面作一討論。
1 處理方法研究
多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合處理方法的主要過程，可以用下面的框圖表示（圖1）。
從框圖看，處理方法有三個(gè)主要工作階段：
1.1資料輸入處理及網(wǎng)格化
在計(jì)算機(jī)上做多源地學(xué)信息綜合處理，首先遇到的問題是如何把各種形式的地學(xué)資料輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中去。地學(xué)資料種類很多，如各類地學(xué)圖件，各種影像的磁帶記錄或表格數(shù)據(jù)等。不同類型資料要采取不同的輸人方式，數(shù)字化桌是各類不同比例尺圖件輸入計(jì)算機(jī)的有力工具。圖件資料按幾何形態(tài)分析，可歸納為點(diǎn)、線、面（即多邊形連通區(qū)）三種形式，分別代表不同的地質(zhì)實(shí)體信息。圖件資料輸入技術(shù)就是解決代表不同地質(zhì)實(shí)體含義的各種，幾何形態(tài)的輸人問題。
在數(shù)字化過程中，進(jìn)入計(jì)算機(jī)的最初數(shù)據(jù)形式是點(diǎn)序文件，它只能作為一種保存圖件資料的形式留在計(jì)算機(jī)的貯存空間內(nèi)，卻不能直接恢復(fù)圖形的形態(tài)。要想在計(jì)算機(jī)內(nèi)得到直觀的與原圖成比例的圖件記錄形式，還需將點(diǎn)序文件加工成有行列結(jié)構(gòu)和一定比例的網(wǎng)格文件。此時(shí)，對(duì)線類信息和面類信息將采用不同的網(wǎng)格化步驟。經(jīng)網(wǎng)格化處理后，才可供繪圖或顯示，才能成為與原圖成比例的圖像文件保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)。
1.2資料的配準(zhǔn)及插值處理
多源地學(xué)信息綜合處理研究的前提是，不同資料在平面位置上嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。為了保證多次輸入圖件在平面位置上嚴(yán)格重疊，需要對(duì)點(diǎn)序文件做數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。配準(zhǔn)處理的實(shí)質(zhì)是用兩個(gè)不同點(diǎn)序文件控制點(diǎn)對(duì)間的坐標(biāo)關(guān)系確定坐標(biāo)變換關(guān)系式，將其中一個(gè)點(diǎn)序文件作為基準(zhǔn)圖件，將另一個(gè)點(diǎn)序文件看做待配圖件。利用確定的坐標(biāo)變換關(guān)系式，將待配圖點(diǎn)序文件中所有點(diǎn)的坐標(biāo)，變換到基準(zhǔn)圖坐標(biāo)系去，同時(shí)待配圖的比例尺也要變成基準(zhǔn)圖的比例尺。坐標(biāo)變換采用x，y的多項(xiàng)式形式。多項(xiàng)式的冪指數(shù)由控制點(diǎn)對(duì)的個(gè)數(shù)決定。由于點(diǎn)對(duì)個(gè)數(shù)的不足，有時(shí)只能取不完全多項(xiàng)式形式。配準(zhǔn)處理是多源地學(xué)信息綜合處理必不可少的一環(huán)。
插值處理是將只有少量數(shù)據(jù)信息的資料加密成在平面上逐行逐列均有相應(yīng)點(diǎn)值的新資料。在地學(xué)信息處理中，等值線圖件、不規(guī)則測線測量數(shù)據(jù)以及測線間距大于測點(diǎn)間距的資料均要進(jìn)行插值處理。插值處理的方法不勝枚舉，有最小二乘法、樣條函數(shù)法、克立金估位法以及作用半徑范圍內(nèi)距離平方倒數(shù)法等等，可以根據(jù)不同資料的空間分布情況選用不同的方法。本文采用了作用半徑內(nèi)各點(diǎn)距離平方倒數(shù)加權(quán)法。
經(jīng)配準(zhǔn)和插位處理后，不同資料網(wǎng)格文件內(nèi)某行某列的像素，在實(shí)際位置上代表同一個(gè)空間坐標(biāo)，這樣才允許做多變量的信息綜合處理。
1.3多種地學(xué)信息的增強(qiáng)、分解、疊合、復(fù)合、提取等綜合處理
多源地學(xué)信息資料經(jīng)上述數(shù)字化、配準(zhǔn)及插值等處理后，建立了空間像元位置完全對(duì)應(yīng)的數(shù)字影像文件庫。在這個(gè)文件庫基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用地質(zhì)學(xué)家們的經(jīng)驗(yàn)，采用多元統(tǒng)計(jì)方法、概率型方法以及模糊數(shù)學(xué)型方法等對(duì)多源地學(xué)信息進(jìn)行增強(qiáng)、分解、疊合、復(fù)合、分類、提取等綜合處理，形成一個(gè)具有專家分析系統(tǒng)性質(zhì)的綜合分析處理過程。
2 試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)應(yīng)用
試驗(yàn)區(qū)選定盛源產(chǎn)鈾盆地。該盆地是一個(gè)侏羅紀(jì)－白堊紀(jì)火山－沉積盆地，面積約為400km2。盆地基底主體為震旦一寒武系和侵入其中的加里東期花崗巖體。盆地范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)礦床、礦點(diǎn)及一系列異常點(diǎn)帶，構(gòu)成我國一個(gè)重要鈾礦田。
應(yīng)用前述的多源數(shù)字圖像綜合技術(shù)，對(duì)該地區(qū)的遙感、地質(zhì)、水文、地球物理、地球化學(xué)等多源地學(xué)資料，經(jīng)數(shù)字化輸入、配準(zhǔn)和插值，并通過圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)行了增強(qiáng)、分解、疊合、復(fù)合、分類、提取處理，獲得了一批系列圖件。經(jīng)綜合地質(zhì)分析和野外驗(yàn)證，對(duì)這個(gè)研究程度較高的老礦區(qū)，在某些重要地質(zhì)問題上，取得了一些新認(rèn)識(shí)。
圖1 多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合處理過程示意圖
2.1利用信息增強(qiáng)、疊合技術(shù)研究成礦的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境
從數(shù)字影像技術(shù)系統(tǒng)獲得的該地區(qū)系列增強(qiáng)的衛(wèi)星圖像上可以看出，盆地內(nèi)的環(huán)形影像、塊狀影像和線狀影像均較明顯，且各具特征。
2.1.1環(huán)狀影像特征
從比值和局部增強(qiáng)的衛(wèi)星圖像上可以明顯看出，盆地內(nèi)有一系列環(huán)狀影像。環(huán)狀影像相互包容、切割，組成一環(huán)狀影像群。將這一環(huán)狀影像群與盆地內(nèi)晚侏羅世多旋迥噴發(fā)的火山沉積巖系聯(lián)系起來看，這些環(huán)狀影像似乎反映的是多次噴發(fā)的火山機(jī)構(gòu)，這表明晚侏羅世時(shí)盛源盆地可能為一火山活動(dòng)中心，火山以中心式噴發(fā)為主。過去由于盆地中心被白堊紀(jì)地層覆蓋，而對(duì)其火山機(jī)構(gòu)的面目長期認(rèn)識(shí)不清。
2.1.2塊狀影像特征
從對(duì)數(shù)變換和卷積增強(qiáng)的衛(wèi)星圖像上可以看出，盆地范圍內(nèi)具淺色調(diào)和稀斑點(diǎn)狀紋理影像特征，與周圍具深色調(diào)和樹枝狀紋理的地區(qū)明顯不同，且四周被斷裂控制，形成一個(gè)多邊形的塊體。將解譯的斷塊圖與盆地巖性圖相復(fù)合，可見斷塊規(guī)模比晚侏羅世火山一沉積巖地層分布范圍小，而與白堊紀(jì)地層的分布范圍相當(dāng)�？刂茢鄩K的斷裂與晚侏羅紀(jì)地層呈切割關(guān)系，而與白堊紀(jì)地層呈限制關(guān)系。顯然，斷塊活動(dòng)發(fā)生在晚侏羅世之后，控制了白堊紀(jì)地層的發(fā)育。從分布在斷塊上的白堊紀(jì)地層剖面分析，早白堊世時(shí)北部沉積厚度�。s200－300m），而南部沉積厚度大（1000－2000m）；晚白堊世則相反，反映了白堊紀(jì)期間斷塊曾作過翹板式活動(dòng)。第四紀(jì)以來，斷塊繼承晚白堊世時(shí)的特點(diǎn)、繼續(xù)向北翹起，這從斷塊上的水系流向?yàn)閺哪舷虮笨梢哉f明。
2.1.3.線狀影像特征
從濾波增強(qiáng)的衛(wèi)星像片上解譯出的線狀影像，按其走向可分為：NE、NNV、EW、SN共四組，構(gòu)成一米字型的格局。這些線性影像經(jīng)野外驗(yàn)證主要為線狀斷裂反映。將圖像上解譯的線狀影像與常規(guī)地質(zhì)方法所填的斷裂構(gòu)造圖疊合（圖2），可以看到：
圖2 盛源盆地遙感解譯的線狀構(gòu)造與常規(guī)地質(zhì)方法所填斷裂疊合圖
1－解譯的線型構(gòu)造；2－常規(guī)地質(zhì)方法所填的斷裂；3－兩種斷裂重合的地段
（1）白堊紀(jì)地層覆蓋區(qū)常規(guī)地質(zhì)方法沒有填出的斷裂被解譯出來了。
（2）盆地范圍內(nèi)的EW向構(gòu)造明顯分為三個(gè)帶組，其中的中帶組在原地質(zhì)圖上沒有被填出，但物探資料上曾有反映，與遙感資料反映的情況基本相符。
（3） SN向構(gòu)造在原地質(zhì)圖上只有蛛絲馬跡，曾被忽視，但在解譯圖上被反映了出來。為了進(jìn)一步證實(shí)SN向線性影像的存在，作了卷積處理、在卷積的衛(wèi)星圖像上SN向線性影像表現(xiàn)得更加清楚。下面將看到這組SN向斷裂對(duì)航空放射性鈾異常的SN向分布有明顯的控制作用。
圖3 盛源地區(qū)構(gòu)造模型圖
綜上所述，該鈾礦田的構(gòu)造模型為一被米字型線狀斷裂復(fù)雜化了的環(huán)－塊結(jié)構(gòu)（圖3）。 盆地基底主要是加里東期花崗巖體和震旦－寒武紀(jì)地層，為成礦提供鈾源；環(huán)狀影像所反映的巖漿活動(dòng)中心提供熱源，促進(jìn)了基底富鈾建造中鈾的活化；區(qū)域拉張應(yīng)力背景上的斷塊活動(dòng)，造成含鈾熱液的向上遷移和富集；成礦期的線狀斷裂活動(dòng)，控制了礦化的空間分布。上述諸因素的疊加，構(gòu)成了礦田的成礦地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。
2.2利用信息的分解、疊合技術(shù)分析鈾、釷、鉀的分布格局及其地質(zhì)意義
通過數(shù)字圖像處理系統(tǒng)分別對(duì)該區(qū)航空放射性伽瑪能譜鈾、釷、鉀總量圖按數(shù)值的大小進(jìn)行分解（即系統(tǒng)的提�。�，從而發(fā)現(xiàn)鈾、釷、鉀的低場、偏高場、高場的形態(tài)特點(diǎn)是不相同的。釷和鉀在分解過程中從低場→偏高場→高場的變化，主要表現(xiàn)為面狀→小面狀→點(diǎn)狀（或更小的面狀），而鈾則表現(xiàn)為面狀→帶狀和小面狀→點(diǎn)狀。將鈾、釷、鉀的偏高場（包括高場）圖疊合，則可明顯看出三者的分布格局是不相同的。為什么該區(qū)鈾、釷、鉀的偏高場（包括高場）會(huì)具有不同的形態(tài)特點(diǎn)，且分布格局各不相同呢？為此，將它們的偏高場、高場圖與巖性圖、斷裂圖相疊合，發(fā)現(xiàn)它們分別受不同的地質(zhì)因素控制，含有不同的地質(zhì)意義。
（1）釷的偏高場主要受上侏羅統(tǒng)火山－沉積巖層和白堊系紅色砂礫巖層控制，而高場明顯受上侏羅統(tǒng)控制。
（2）鉀的偏高場主要受上白堊統(tǒng)紅色砂礫層和花崗巖體控制，高場受白堊統(tǒng)控制。
（3）鈾的偏高場呈帶狀者主要受SN和EW向斷裂控制，呈面狀者受加里東花崗巖體控制，高場受斷裂或斷裂與有利巖性的交切部位控制。
總之，礦田內(nèi)鈾、釷、鉀的分布具不同格局，且代表不同地質(zhì)意義。特別是鈾異常的分布呈SN和EW向，受同方向斷裂控制，這對(duì)礦田內(nèi)進(jìn)一步找礦有重要意義。
2.3利用信息復(fù)合、提取技術(shù)初選找礦靶區(qū)
對(duì)盆地地區(qū)礦床找礦判據(jù)進(jìn)行了復(fù)合與提取研究，通過對(duì)該區(qū)地質(zhì)資料的綜合分析，提出有利巖性、地殼裂度、成礦斷裂、鈾的航放異常、釷鈾比值、鈾的水化異常、地形絕對(duì)標(biāo)高、地貌低洼地帶等八條基礎(chǔ)判據(jù)，并將這些判據(jù)分別組合為三項(xiàng)組合判據(jù)，即富集條件、富集標(biāo)志和保礦條件（見簡表）。鈾源是進(jìn)行成礦預(yù)測的首要條件，但由于本文涉及的范圍僅限于礦田內(nèi)，礦田內(nèi)既已發(fā)現(xiàn)有礦床，說明鈾源的存在已被肯定。在確認(rèn)鈾源條件具備之后，著重考慮的是富集條件，即礦液富集的環(huán)境或場所，但是具備富集條件的地段并非都有鈾的富集，因此，找礦還要看是否有富集標(biāo)志，只有當(dāng)富集條件與富集標(biāo)志充分合拍時(shí)，才可能找到鈾礦床。此外，形成的鈾礦床能否得以保存，還需要考慮保礦條件。只有當(dāng)成礦條件和保礦條件都有利的地段，才是最有希望找到礦床的地段。
表1 盛源盆地地區(qū)礦床找礦判據(jù)簡表 基底富鈾層體
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1鈾源條件 |
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基底富鈾層體 |
| 火山活動(dòng)中心 |
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2富集條件 |
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巖性有利度（依次為序）：J3d；J3e；Z；C；J3s；K1；γ；K2 |
| 地殼裂度：斷裂的總和 |
| 成礦斷裂：SN, EW, NE |
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3富集標(biāo)志 |
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鈾的航空放射性伽瑪能譜偏高場或高場 |
| Th/U<3 |
| 鈾的水化異常 |
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4保礦條件 |
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現(xiàn)代地形的絕對(duì)標(biāo)高：0－l00m；100－200m；200－300m |
| 地形低注地帶 |
表中所述的富集條件、富集標(biāo)志、保礦條件按信息源分類、分別屬于地質(zhì)判據(jù)、物化探判據(jù)和地形地貌判據(jù)。它們的組合反映了找礦判據(jù)的多源信息復(fù)合。
找礦判據(jù)的復(fù)合過程如圖4所示。配準(zhǔn)復(fù)合提取數(shù)據(jù)圖形化（形成平面圖）
圖4 找礦判據(jù)多源信息復(fù)合過程略圖
值得強(qiáng)調(diào)的是，首先要將通過地質(zhì)分析確定的找礦判據(jù)圖形化，亦即形成平面圖。為了實(shí)現(xiàn)信息復(fù)合，有的平面圖需要預(yù)處理成適合影像化的圖件，如線狀斷裂，環(huán)狀構(gòu)造圖等需要預(yù)處理成等密度或等頻度圖等，然后才能進(jìn)行后面程序的處理。
先后采用了地質(zhì)觀點(diǎn)加權(quán)疊加和主成分分析兩種不同方法的復(fù)合研究，分別得到加權(quán)疊加復(fù)合影像圖（彩圖A）和主成分分析復(fù)合影像圖（彩圖B）。經(jīng)監(jiān)督提取，即以己知礦床為標(biāo)誰，以影像圖灰階分布直方圖為參照進(jìn)行提取，再得到這兩種方法相應(yīng)的提取圖（彩圖C和彩圖D）。
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彩圖A加權(quán)疊加影像復(fù)合圖 |
彩圖B 主成分分析影像圖 |
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彩圖C 加權(quán)疊加提取圖 |
彩圖D 加權(quán)和主成分分析提取疊加圖 |
提取圖上所反映的異常地段為與已知礦床有類似找礦判據(jù)條件的地段，這些地段是該區(qū)最有希望找到礦床的成礦有利地段。
2.4利用信息的分類技術(shù)進(jìn)行盆地鈾資源總體評(píng)價(jià)
對(duì)上述找礦判據(jù)加權(quán)疊加復(fù)合影像圖，在用閾值區(qū)分類別的基礎(chǔ)上，不同類別賦以不同顏色，最后得到一張盛源盆地地區(qū)鈾資源總體評(píng)價(jià)圖（由彩色合成影像圖轉(zhuǎn)繪，見圖5）。
通過上述多源地學(xué)信息數(shù)字圖像的綜合研究，有針對(duì)性地進(jìn)行了野外地質(zhì)調(diào)查，特別是對(duì)找礦判據(jù)復(fù)合提取的初選靶區(qū)。在野外地質(zhì)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最后對(duì)找礦靶區(qū)作了優(yōu)選，在盛源試驗(yàn)區(qū)預(yù)測了3個(gè)一級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)，2個(gè)二級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)和1個(gè)三級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)。
圖5 盛源盆地地區(qū)鈾資源評(píng)價(jià)圖（由彩色影像圖轉(zhuǎn)繪）
1－成礦最有利地段；2－成礦有利地段；3－成礦比較有利地段；4－成礦不利地段
3 鈾資源數(shù)字圖像綜合技術(shù)系統(tǒng)的建立
通過上述方法和應(yīng)用研究，初步建立起鈾資源數(shù)字圖像綜合技術(shù)系統(tǒng)（圖6）。按照這個(gè)系統(tǒng)研究一個(gè)地區(qū)，首先是盡可能全面地搜集該區(qū)的多源信息資料，包括各類圖件、影像磁帶、各種表格，并根據(jù)任務(wù)的需要進(jìn)行預(yù)處理，然后輸人到計(jì)算機(jī)內(nèi)形成圖像文件庫（或文件包）。通過專用機(jī)（圖像顯示系統(tǒng)）或通用機(jī)（包括繪圖系統(tǒng)）對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、分解、疊合、復(fù)合、分類、提取等綜合處理，獲得一套新組合的系列圖件，在此甚礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析及初步評(píng)價(jià)預(yù)測。根據(jù)初步研究結(jié)果，有針對(duì)性地進(jìn)行野外驗(yàn)證。最后將驗(yàn)證結(jié)果或者通過顯示和照相，形成軟片和照片；或者通過繪圖系統(tǒng)形成彩色圖或多色圖。
該系統(tǒng)的重要作用在于將一個(gè)地區(qū)已有的多種地學(xué)信息，通過計(jì)算機(jī)和圖像顯示系統(tǒng)的上述綜合處理后，可以產(chǎn)生新的系列圖件。這些圖件可以提供大量過去未曾涉及的、新的綜合派生信息，以促進(jìn)地質(zhì)人員進(jìn)行創(chuàng)造性思維，導(dǎo)致新的地質(zhì)概念的形成或完善，以期發(fā)現(xiàn)新礦床。
圖6 鈾資源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)系統(tǒng)
衛(wèi)星、航空、地面的立體探測技術(shù)，再加上多源地學(xué)信息的計(jì)算機(jī)綜合分析，是今后地質(zhì)工作發(fā)展的新動(dòng)向。
參考文獻(xiàn)
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