遙感影像三維可視化在白音吉日嘎拉大隊幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

霍潤斌 劉 博 魯 敏 高 源 喻 龍

(中國人民武裝警察部隊黃金第四支隊)

近年來，應(yīng)用遙感影像在自然條件惡劣、工作程度低的裸露地區(qū)以及淺覆蓋區(qū)發(fā)現(xiàn)了一批有意義的找礦線索，為后續(xù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及礦產(chǎn)勘查勘探工作提供了重要依據(jù)[1-4]。以往工作主要在平面圖上進行遙感地質(zhì)解譯，但地質(zhì)現(xiàn)象是1個立體概念，如斷層斷面的產(chǎn)狀、地層之間整合或不整合的接觸關(guān)系等，在平面圖上無法表現(xiàn)[5]。計算機科學(xué)和空間信息科學(xué)的發(fā)展給地球科學(xué)的研究注入了新的活力，實現(xiàn)了從紙質(zhì)地質(zhì)圖—數(shù)字地質(zhì)圖—地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫+數(shù)字地質(zhì)圖—3D地質(zhì)模型的飛躍[6]。高精度遙感三維影像是綜合利用“3S”(RS、GIS、GPS)技術(shù)，通過正射校正、DEM生成和數(shù)據(jù)融合等方法，按照一定的飛行路線和比例尺對3D數(shù)據(jù)集進行飛行瀏覽，將矢量或一幅灰階(或彩色)圖像拖放至數(shù)據(jù)集上后，以線框架、規(guī)則網(wǎng)格或點的形式進行顯示。這相當(dāng)于觀測者乘坐飛行器在設(shè)定的路線和高度進行俯視觀察，通過該方法，工作人員可以較完整地觀察地質(zhì)、地貌形態(tài)，對于宏觀的地質(zhì)現(xiàn)象會有更直觀的認(rèn)識[7-9]。本研究選用WorldView-2遙感影像作為數(shù)據(jù)源，通過構(gòu)建三維遙感影像和線環(huán)構(gòu)造解譯標(biāo)志，對內(nèi)蒙古白音吉日嘎拉大隊幅的構(gòu)造、火山口和第四紀(jì)地貌進行解譯，以提高構(gòu)造解譯精度，降低解譯難度。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部，北與蒙古國接壤，屬內(nèi)蒙古自治區(qū)阿巴嘎旗管轄。區(qū)內(nèi)出露古生代及中生代—新生代地層，有中下泥盆統(tǒng)泥鰍河組(D1-2n)、上石炭統(tǒng)寶力高廟組(C2bl)。中生界地層在區(qū)內(nèi)未出露，新生界地層出露有第四系更新統(tǒng)阿巴嘎組(Qp3a)及全新統(tǒng)松散堆積。

2 研究區(qū)遙感影像三維可視化

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究采用WorldView-2遙感影像(多光譜波段1.84 m，全色波段0.46 m，時相為2014-04-26)和1∶5萬數(shù)字化地形圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 遙感影像處理

本研究采用ENVI4.8軟件對遙感影像進行融合、校正、鑲嵌、拉伸等處理，通過波段相關(guān)性比較，并根據(jù)波譜信息量豐度，組合成WV8、WV5、WV1波段合成圖像，采用主成分分析和HSV顏色變換進行融合。以研究區(qū)1∶5萬地形圖為基準(zhǔn)，選擇目標(biāo)較小、特征明顯、易于識別的道路交叉口、彎曲處設(shè)置控制點，將影像數(shù)據(jù)與地形圖通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進行配準(zhǔn)，并將配準(zhǔn)后的影像經(jīng)過地理坐標(biāo)鑲嵌合成最終影像。

2.3 DEM制作

將收集到的1∶5萬數(shù)字化地形圖矢量化為等高線數(shù)據(jù)，將等高線數(shù)據(jù)(shape文件)轉(zhuǎn)換為ENVI4.8軟件支持的矢量格式(.eve)，設(shè)置研究區(qū)坐標(biāo)參數(shù)，制作為DEM，精度為30 m。

2.4 遙感影像三維可視化實現(xiàn)

將遙感影像影射至相應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)上(圖1)，便形成了3D遙感影像(圖2)。

圖1 遙感影像三維可視化實現(xiàn)流程

圖2 研究區(qū)火山巖區(qū)遙感3D地貌

2.5 動態(tài)參數(shù)設(shè)置

對三維飛行參數(shù)(如航高、時速、縮放、平移和背景等)進行設(shè)置，而后根據(jù)布設(shè)的飛行路線進行動畫瀏覽。

3 遙感影像三維可視化的應(yīng)用

研究區(qū)高差較小，地勢開闊，基巖裸露差，但覆蓋淺。在對構(gòu)造、地層單元、侵入巖進行解譯的過程中，設(shè)計了4～5條飛行路線，對區(qū)內(nèi)地質(zhì)信息的初步認(rèn)識經(jīng)由三維可視化手段進一步進行闡釋。

3.1 構(gòu)造判別

線性構(gòu)造解譯的主要依據(jù)為影像中常表現(xiàn)為線性的色調(diào)及兩側(cè)巖層色調(diào)差異或2種不同色調(diào)的分界面呈線性延伸。對圖3進行解譯可知：白音吉日嘎拉大隊幅內(nèi)的伊和霍布斷裂延伸約20 km，影像中該線性影像表現(xiàn)出與基巖背景的不同色調(diào)，南側(cè)原NE向水系向東發(fā)生偏轉(zhuǎn)成近SN向；該斷裂呈NW向展布，切割了上石炭統(tǒng)寶力高廟組二段、三段、四段火山巖及晚石炭世的流紋斑巖，NWW端被更新統(tǒng)沖洪積物覆蓋，SEE端延伸至鄰幅，中部錯斷NE向斷層；斷裂兩側(cè)伴有“人”字型分支斷裂，河流轉(zhuǎn)彎，局部地貌形態(tài)也顯示為線性溝谷。

圖3 伊和霍布斷裂3D遙感影像

經(jīng)野外地質(zhì)調(diào)查，經(jīng)野外調(diào)查，判定該斷裂性質(zhì)為扭性平移斷層，并在裂經(jīng)過之處發(fā)現(xiàn)了多處斷層面(圖4)，總體傾向NNE向，傾角較陡，近直立，均大于80°，局部傾向相反，產(chǎn)狀為203°∠75°，在斷面上可見擦痕及階步(圖5)。根據(jù)擦痕及階步的性質(zhì)，可推斷斷裂總體呈水平運動，南西盤向NW向運動，局部見有斜移特征，平移斷層性質(zhì)即為扭性，斷層附近的巖石中破劈理也較發(fā)育，走向多與斷裂一致，反映了斷裂構(gòu)造在走向上的穩(wěn)定性。

圖4 伊和霍布經(jīng)過處的斷層陡崖

圖5 伊和霍布斷層面上的階步和擦痕

對研究區(qū)褶皺構(gòu)造進行遙感解譯時，應(yīng)宏觀觀察其總體輪廓，判別其兩翼走向及轉(zhuǎn)折端特征，不同巖性風(fēng)化后產(chǎn)生的色彩、地形地貌、植被等差異等。該類信息在遙感影像上常表現(xiàn)為地形及色調(diào)的條帶狀影像呈封閉或半封閉的圓形、半圓形、長條形，并呈明顯的對稱性分布；巖層三角面、單面山等構(gòu)造地貌沿某一界面對稱性重復(fù)出現(xiàn)[10]。為更直觀地分析褶皺兩翼的形態(tài)和產(chǎn)狀，本研究將圖6圈定區(qū)域的遙感影像進行三維可視化處理后逆時針旋轉(zhuǎn)90°。由圖7可知：同種顏色、形態(tài)的巖層呈條帶狀彎曲，形成半圈閉橢圓形，對稱并重復(fù)出現(xiàn)，產(chǎn)狀清晰，據(jù)此可有效確定褶皺軸向和兩翼特征，并可進一步分析其受力作用和運動軌跡。

圖6 褶皺遙感影像

圖7 褶皺遙感3D影像

古火山經(jīng)過后期構(gòu)造變動變形、沉積作用掩蓋、風(fēng)化作用剝蝕，準(zhǔn)確恢復(fù)其原始形態(tài)在現(xiàn)實和虛擬空間難度均較大。現(xiàn)代火山受構(gòu)造影響較小，形態(tài)保留較完整，通過遙感三維可視化技術(shù)不僅可以有效再現(xiàn)火山地貌的三維景觀特征，而且可以對火山景觀進行旋轉(zhuǎn)、漫游、視景變換等操作。經(jīng)解譯，研究區(qū)內(nèi)形態(tài)完好的阿巴嘎組火山機構(gòu)其環(huán)形東南側(cè)有一熔巖流出口，環(huán)形中心有3個干涸湖盆(經(jīng)驗證，其為3個火山噴出口)呈線性分布，熔巖沿火山口向南東溢流(圖8)。

圖8 阿巴嘎組火山機構(gòu)3D遙感影像

3.2 地層解譯

研究區(qū)南部舒特音輝特溫多爾一帶石炭系寶力高廟組一段沉積巖與寶力高廟組二段基性火山巖及全新統(tǒng)沖洪積物的分布情況如圖9所示。經(jīng)解譯可知：寶力高廟組一段沉積巖層理發(fā)育，地貌起伏不大；研究區(qū)北側(cè)寶力高廟組二段基性火山巖在影像上表現(xiàn)為凸起的斑狀影紋，渾圓狀山包地貌由1條線性構(gòu)造引起拉伸的長條形湖泊與南側(cè)寶力高廟組一段沉積巖分隔。

圖9 舒特音輝特溫多爾一帶地層分布

圖10為研究區(qū)1處形態(tài)較好的第四系沉積地貌，洪積扇扇柄兩側(cè)高地貌為季節(jié)性流水提供了通道，水流山口堆積了大量顆粒較大、磨圓度差、層理不明顯、透水性強的松散砂礫。在三維遙感影像中，殘留體為暗藍(lán)色影紋，根據(jù)暗藍(lán)色影紋的方向性特點，可判斷其流向和規(guī)模。

4 結(jié) 語

以內(nèi)蒙古1∶5萬白音吉日嘎拉大隊幅為例，基于Worldview-2遙感影像，對遙感影像三維可視化技術(shù)進行了分析，并對區(qū)內(nèi)構(gòu)造、地層進行了遙感解譯。研究表明：采用遙感三維可視化技術(shù)有助于提高構(gòu)造、地層的解譯精度，在自然條件惡劣、工作程度低的裸露地區(qū)以及淺覆蓋區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。

圖10 洪積扇遙感3D影像