多源地學信息數(shù)字圖像綜合技術及在盛源盆地的應用研究
劉德長 鄒景柯 孫茂榮 王國娟
0 前言
隨著地質工作的深人發(fā)展，遙感、地質、物化探方法綜合應用是現(xiàn)代找礦的主要技術方法。利用計算機對這些找礦方法提供的多源地學數(shù)據(jù)進行綜合研究，是充分發(fā)揮這些地學信息的潛在作用，有效地解決礦產評價預測中各種復雜問題的新途徑。目前．國內外都在積極地進行試驗性研究。
本文開拓了這一方法在鈾資源評價、預測方面的應用研究，同時對地學其它領域也有參考價值。下面將分為處理方法、地質應用及系統(tǒng)建立三個方面作一討論。
1 處理方法研究
多源地學信息數(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，處理方法有三個主要工作階段：
1.1資料輸入處理及網格化
在計算機上做多源地學信息綜合處理，首先遇到的問題是如何把各種形式的地學資料輸入到計算機系統(tǒng)中去。地學資料種類很多，如各類地學圖件，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算機的有力工具。圖件資料按幾何形態(tài)分析，可歸納為點、線、面（即多邊形連通區(qū)）三種形式，分別代表不同的地質實體信息。圖件資料輸入技術就是解決代表不同地質實體含義的各種，幾何形態(tài)的輸人問題。
在數(shù)字化過程中，進入計算機的最初數(shù)據(jù)形式是點序文件，它只能作為一種保存圖件資料的形式留在計算機的貯存空間內，卻不能直接恢復圖形的形態(tài)。要想在計算機內得到直觀的與原圖成比例的圖件記錄形式，還需將點序文件加工成有行列結構和一定比例的網格文件。此時，對線類信息和面類信息將采用不同的網格化步驟。經網格化處理后，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算機內。
1.2資料的配準及插值處理
多源地學信息綜合處理研究的前提是，不同資料在平面位置上嚴格對準。為了保證多次輸入圖件在平面位置上嚴格重疊，需要對點序文件做數(shù)據(jù)配準。配準處理的實質是用兩個不同點序文件控制點對間的坐標關系確定坐標變換關系式，將其中一個點序文件作為基準圖件，將另一個點序文件看做待配圖件。利用確定的坐標變換關系式，將待配圖點序文件中所有點的坐標，變換到基準圖坐標系去，同時待配圖的比例尺也要變成基準圖的比例尺。坐標變換采用x，y的多項式形式。多項式的冪指數(shù)由控制點對的個數(shù)決定。由于點對個數(shù)的不足，有時只能取不完全多項式形式。配準處理是多源地學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點值的新資料。在地學信息處理中，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間距的資料均要進行插值處理。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各點距離平方倒數(shù)加權法。
經配準和插位處理后，不同資料網格文件內某行某列的像素，在實際位置上代表同一個空間坐標，這樣才允許做多變量的信息綜合處理。
1.3多種地學信息的增強、分解、疊合、復合、提取等綜合處理
多源地學信息資料經上述數(shù)字化、配準及插值等處理后，建立了空間像元位置完全對應的數(shù)字影像文件庫。在這個文件庫基礎上，可以應用地質學家們的經驗，采用多元統(tǒng)計方法、概率型方法以及模糊數(shù)學型方法等對多源地學信息進行增強、分解、疊合、復合、分類、提取等綜合處理，形成一個具有專家分析系統(tǒng)性質的綜合分析處理過程。
2 試驗區(qū)的地質應用
試驗區(qū)選定盛源產鈾盆地。該盆地是一個侏羅紀－白堊紀火山－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。盆地范圍內已發(fā)現(xiàn)數(shù)個礦床、礦點及一系列異常點帶，構成我國一個重要鈾礦田。
應用前述的多源數(shù)字圖像綜合技術，對該地區(qū)的遙感、地質、水文、地球物理、地球化學等多源地學資料，經數(shù)字化輸入、配準和插值，并通過圖像顯示系統(tǒng)進行了增強、分解、疊合、復合、分類、提取處理，獲得了一批系列圖件。經綜合地質分析和野外驗證，對這個研究程度較高的老礦區(qū)，在某些重要地質問題上，取得了一些新認識。
圖1 多源地學信息數(shù)字圖像綜合處理過程示意圖
2.1利用信息增強、疊合技術研究成礦的地質構造環(huán)境
從數(shù)字影像技術系統(tǒng)獲得的該地區(qū)系列增強的衛(wèi)星圖像上可以看出，盆地內的環(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
從比值和局部增強的衛(wèi)星圖像上可以明顯看出，盆地內有一系列環(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)的火山機構，這表明晚侏羅世時盛源盆地可能為一火山活動中心，火山以中心式噴發(fā)為主。過去由于盆地中心被白堊紀地層覆蓋，而對其火山機構的面目長期認識不清。
2.1.2塊狀影像特征
從對數(shù)變換和卷積增強的衛(wèi)星圖像上可以看出，盆地范圍內具淺色調和稀斑點狀紋理影像特征，與周圍具深色調和樹枝狀紋理的地區(qū)明顯不同，且四周被斷裂控制，形成一個多邊形的塊體。將解譯的斷塊圖與盆地巖性圖相復合，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，而與白堊紀地層的分布范圍相當。控制斷塊的斷裂與晚侏羅紀地層呈切割關系，而與白堊紀地層呈限制關系。顯然，斷塊活動發(fā)生在晚侏羅世之后，控制了白堊紀地層的發(fā)育。從分布在斷塊上的白堊紀地層剖面分析，早白堊世時北部沉積厚度小（約200－300m），而南部沉積厚度大（1000－2000m）；晚白堊世則相反，反映了白堊紀期間斷塊曾作過翹板式活動。第四紀以來，斷塊繼承晚白堊世時的特點、繼續(xù)向北翹起，這從斷塊上的水系流向為從南向北可以說明。
2.1.3.線狀影像特征
從濾波增強的衛(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，構成一米字型的格局。這些線性影像經野外驗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)地質方法所填的斷裂構造圖疊合（圖2），可以看到：
圖2 盛源盆地遙感解譯的線狀構造與常規(guī)地質方法所填斷裂疊合圖
1－解譯的線型構造；2－常規(guī)地質方法所填的斷裂；3－兩種斷裂重合的地段
（1）白堊紀地層覆蓋區(qū)常規(guī)地質方法沒有填出的斷裂被解譯出來了。
（2）盆地范圍內的EW向構造明顯分為三個帶組，其中的中帶組在原地質圖上沒有被填出，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向構造在原地質圖上只有蛛絲馬跡，曾被忽視，但在解譯圖上被反映了出來。為了進一步證實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)構造模型圖
綜上所述，該鈾礦田的構造模型為一被米字型線狀斷裂復雜化了的環(huán)－塊結構（圖3）。 盆地基底主要是加里東期花崗巖體和震旦－寒武紀地層，為成礦提供鈾源；環(huán)狀影像所反映的巖漿活動中心提供熱源，促進了基底富鈾建造中鈾的活化；區(qū)域拉張應力背景上的斷塊活動，造成含鈾熱液的向上遷移和富集；成礦期的線狀斷裂活動，控制了礦化的空間分布。上述諸因素的疊加，構成了礦田的成礦地質構造環(huán)境。
2.2利用信息的分解、疊合技術分析鈾、釷、鉀的分布格局及其地質意義
通過數(shù)字圖像處理系統(tǒng)分別對該區(qū)航空放射性伽瑪能譜鈾、釷、鉀總量圖按數(shù)值的大小進行分解（即系統(tǒng)的提取），從而發(fā)現(xiàn)鈾、釷、鉀的低場、偏高場、高場的形態(tài)特點是不相同的。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→點狀（或更小的面狀），而鈾則表現(xiàn)為面狀→帶狀和小面狀→點狀。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）會具有不同的形態(tài)特點，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因素控制，含有不同的地質意義。
（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，礦田內鈾、釷、鉀的分布具不同格局，且代表不同地質意義。特別是鈾異常的分布呈SN和EW向，受同方向斷裂控制，這對礦田內進一步找礦有重要意義。
2.3利用信息復合、提取技術初選找礦靶區(qū)
對盆地地區(qū)礦床找礦判據(jù)進行了復合與提取研究，通過對該區(qū)地質資料的綜合分析，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、地形絕對標高、地貌低洼地帶等八條基礎判據(jù)，并將這些判據(jù)分別組合為三項組合判據(jù)，即富集條件、富集標志和保礦條件（見簡表）。鈾源是進行成礦預測的首要條件，但由于本文涉及的范圍僅限于礦田內，礦田內既已發(fā)現(xiàn)有礦床，說明鈾源的存在已被肯定。在確認鈾源條件具備之后，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志，只有當富集條件與富集標志充分合拍時，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)代地形的絕對標高：0－l00m；100－200m；200－300m |
| 地形低注地帶 |
表中所述的富集條件、富集標志、保礦條件按信息源分類、分別屬于地質判據(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)的多源信息復合。
找礦判據(jù)的復合過程如圖4所示。配準復合提取數(shù)據(jù)圖形化（形成平面圖）
圖4 找礦判據(jù)多源信息復合過程略圖
值得強調的是，首先要將通過地質分析確定的找礦判據(jù)圖形化，亦即形成平面圖。為了實現(xiàn)信息復合，有的平面圖需要預處理成適合影像化的圖件，如線狀斷裂，環(huán)狀構造圖等需要預處理成等密度或等頻度圖等，然后才能進行后面程序的處理。
先后采用了地質觀點加權疊加和主成分分析兩種不同方法的復合研究，分別得到加權疊加復合影像圖（彩圖A）和主成分分析復合影像圖（彩圖B）。經監(jiān)督提取，即以己知礦床為標誰，以影像圖灰階分布直方圖為參照進行提取，再得到這兩種方法相應的提取圖（彩圖C和彩圖D）。
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彩圖A加權疊加影像復合圖 |
彩圖B 主成分分析影像圖 |
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彩圖C 加權疊加提取圖 |
彩圖D 加權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進行盆地鈾資源總體評價
對上述找礦判據(jù)加權疊加復合影像圖，在用閾值區(qū)分類別的基礎上，不同類別賦以不同顏色，最后得到一張盛源盆地地區(qū)鈾資源總體評價圖（由彩色合成影像圖轉繪，見圖5）。
通過上述多源地學信息數(shù)字圖像的綜合研究，有針對性地進行了野外地質調查，特別是對找礦判據(jù)復合提取的初選靶區(qū)。在野外地質檢驗的基礎上，最后對找礦靶區(qū)作了優(yōu)選，在盛源試驗區(qū)預測了3個一級遠景區(qū)，2個二級遠景區(qū)和1個三級遠景區(qū)。
圖5 盛源盆地地區(qū)鈾資源評價圖（由彩色影像圖轉繪）
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)字圖像綜合技術系統(tǒng)的建立
通過上述方法和應用研究，初步建立起鈾資源數(shù)字圖像綜合技術系統(tǒng)（圖6）。按照這個系統(tǒng)研究一個地區(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)任務的需要進行預處理，然后輸人到計算機內形成圖像文件庫（或文件包）。通過專用機（圖像顯示系統(tǒng)）或通用機（包括繪圖系統(tǒng)）對圖像進行增強、分解、疊合、復合、分類、提取等綜合處理，獲得一套新組合的系列圖件，在此甚礎上進行綜合分析及初步評價預測。根據(jù)初步研究結果，有針對性地進行野外驗證。最后將驗證結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地區(qū)已有的多種地學信息，通過計算機和圖像顯示系統(tǒng)的上述綜合處理后，可以產生新的系列圖件。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，以促進地質人員進行創(chuàng)造性思維，導致新的地質概念的形成或完善，以期發(fā)現(xiàn)新礦床。
圖6 鈾資源地學信息數(shù)字圖像綜合技術系統(tǒng)
衛(wèi)星、航空、地面的立體探測技術，再加上多源地學信息的計算機綜合分析，是今后地質工作發(fā)展的新動向。
參考文獻
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