遥感信息应用的新理念与地质实践

刘德长叶发旺 赵英俊 黄贤芳

1 遥感信息应用现状

遥感技术作为实现“数字地球”的关键技术之一，以其特有的优势在国民经济建设的各个领域发挥着重要的作用。然而，随着我国经济的快速发展，能源短缺、环境恶化等问题的日益突出，各个领域研究问题的不断深入，遥感技术的优势发挥在新形势下受到了严重的挑战，其应用中存在的问题也愈来愈明显地显现出来。概括起来，主要有：（1）我国的遥感界存在“重上天，轻应用”的现象，造成遥感数据虽多，但应用程度低，对遥感数据的二次开发和深入应用尤显不足；（2）在遥感信息处理、解译与应用方面，目前的研究大多数注重对遥感信息本身的处理和单一应用模式，遥感信息应用的程度大多数还停留在把信息解译出来的层次，与各应用领域的传统研究方法提供的信息相结合，对遥感信息进行深化研究不够，直接影响到遥感信息向各应用领域的渗透，从而影响到遥感信息的产业化进程；（3）目前，在方法集成上有代表性的是遥感技术与GIS技术，GPS技术相结合组成的3S技术，而与其他现代信息技术的最新进展（如三维可视化技术，虚拟现实技术等）以及各领域传统方法的集成技术还未更多地开发出来。

总之，怎样加强遥感信息的应用，突破当前以单一方式为主的遥感信息应用模式，开拓遥感技术与各应用领域传统方法技术相结合,与其他现代信息技术相结合，加强遥感信息及其延伸应用，直接关系到遥感技术真正成为实用化、产业化技术的程度，关系到其在构建和谐社会中所起的作用。

2 后遥感应用技术理念的提出及其内涵

2.1 后遥感应用技术理念的提出

后遥感应用技术是在分析遥感信息应用现状的基础上，从地质勘查实践的角度，通过对下面几个问题思考的基础上提出来的。

2.1.1 遥感技术在地质领域应用的优势和局限性

遥感技术在地质领域的应用，既有其技术优势，又有明显的局限性。它的优势主要表现在：宏观性、多波段、立体感强、地形、地貌信息明显、便于定位，并具有识别断裂构造的长处（在裸露地区可区分岩性）等，能发现和解决用常规地质方法很难发现和解决的地质问题。这就是遥感技术一问世就引起地质工作者极大兴趣和热情的主要原因。但遥感技术在地质领域的应用有它明显的局限性，主要表现在遥感反映的信息主要是地表信息或地下信息在地表的反映，且受植被影响大，解译具不确定性等。随着遥感技术在地质领域应用的深入，这些局限性便突出出来。如果不设法克服这些局限性，长期停留于线状、环状构造的解译、分析等的重复研究，遥感在地质领域的应用势必会逐渐被边缘化。特别是由于遥感反映的主要是地表信息，而地质找矿更多涉及的是地下问题。因此，单靠遥感技术本身很难解决复杂的地质找矿问题。这需要将遥感技术与反映地下不同深度和尺度的传统地学方法结合起来。

2.1.2 地质勘查工作的深入发展

随着地质勘查工作的深入发展，一方面，出露地表的矿明显减少，勘查的目标已由地表或近地表转向地下深处的隐伏矿床，找矿的难度愈来愈大，因此单独依靠常规地质方法很难奏效。另一方面，各种地学手段取得的信息资源愈来愈丰富，这就为遥感信息与其它地学信息集成，最大限度的挖掘和利用这些信息资源，以提高勘查效果创造了条件。显然，利用现代信息技术进行信息系统集成，实现以遥感为主的信息化找矿的道路看来是一条重要途径。

2.1.3 现代信息技术的迅速发展

进入二十一世纪以来，现代信息技术得到了迅速发展，怎样将这些新进展（如，GIS技术、三维可视化技术、仿真模拟技术、虚拟现实技术等）引入地质勘查领域。而现代信息技术的新进展，为以遥感为主的信息找矿提供了重要的技术支持。因此，遥感技术不仅要与传统的地学方法相结合，而且还要与上述现代信息技术相结合。

基于上述考虑，作者提出了“后遥感应用技术”的新理念[1]。

2.2 后遥感应用技术理念的内涵

后遥感应用技术，是指将遥感技术与各学科传统的方法技术相结合，与其他现代信息技术相结合，对遥感信息进行综合理解、全面挖掘和深入应用的遥感信息深化应用技术。其研究内容涵盖信息处理、信息解译、信息分析、信息表述和信息应用等一整套方法技术体系。它的核心是遥感信息的延伸应用和信息化。它的目的是最大限度的利用信息资源。它的目标是加速遥感信息产业化的进程。

根据上述内涵可以看出，它虽然是从地质勘查的角度提出来的，但可以应用于农业、林业、海洋、城市、环境、灾害等广泛领域。

3 地质勘查后遥感应用技术的方法技术

下面从技术构成、研究内容、应用思路和程序，等3个方面具体论述一下地质勘查后遥感应用技术的方法技术。

3.1 地质勘查后遥感应用技术的构成

在地质勘查领域，后遥感应用技术的技术构成是指，在信息源上集遥感信息，地质信息，地球物理信息，地球化学信息等多源地学信息为一体，在技术方法上集图像处理技术、GIS 技术、GPS技术、数据库技术、三维可视化技术、多媒体技术、仿真模拟技术、虚拟现实技术及传统地学方法为一体的信息综合，方法集成，表达多维的应用技术。

从技术构成上看，后遥感应用技术既不同于遥感技术本身的应用，因为它融入了传统的地学方法和信息，也不同于多源地学信息集成技术，因为它引入了仿真—虚拟技术等现代信息技术的新进展。因此，它不仅强调了对信息的综合分析，而且强调了实现过程和环境的再现，是对多源信息集成技术的发展和升华。另外，后遥感应用技术比多源信息集成技术在提法上体现出“遥感”一词。这就意味着后遥感应用技术涉及的信息集成不能没有遥感信息源（通常所讲的多源信息集成不一定要有遥感信息源）。

3.2 地质勘查后遥感应用技术的研究内容

3.2.1 矿产资源数字勘查区构建技术

矿产资源数字勘查区的概念是在数字地球框架下，将遥感技术与GIS和虚拟现实技术相结合在矿产资源勘查领域提出的一个新概念[2，3]。它是数字地球理论和方法的特殊应用与拓展，是我国数字地球典型应用系统建设的组成部分。矿产资源数字勘查区构建涉及的主要技术有数据库技术和虚拟现实技术。

(1) 矿产资源勘查数据库的开发

在数据库开发方面，对下述内容进行了研究：

·数据库开发的技术思路、原则和体系结构；

·数据模型与数据结构；

·数据库综合管理系统；

·数据库应用分析系统。

在上述研究的基础上，将东胜地区的地质、遥感、地球物理、地球化学等与铀资源勘查有关的信息数字化、整合，建立了东胜地质铀资源数字勘查区的多源地学数据库。图1是该数据库的架构图。

图1 东胜地区铀资源多源地学信息系统架构图

该数据库与一般数据库的主要区别是要实现两方面的服务，一是为信息的综合分析服务；二是为构建虚拟地质环境服务。

(2) 数字勘查区虚拟地质环境的构建

构建的地质环境，不仅要显示勘查区的地形、地貌，而且要有地层、岩石、断层、褶皱、矿化蚀变等地质要素。

，虚拟地质环境建模，并与数据库连接进行虚拟地质环境功能开发，最后是应用。整个构建流程如图2。

经上述流程构建了东胜铀资源勘查区的虚拟地质环境，图3是从中捕获一张景观图像。

图2 东胜地区虚拟地质环境构建流程图

图3 东胜铀资源勘查区虚拟地质环境的一角(视角向北)

3.2.2遥感与其它地学信息集成技术

信息的集成包括复合与融合。集成的目的或者是分析信息之间的相互关系，或者是利用信息的互补效应，弥补单信息的不足，最大限度的挖掘和利用信息资源。

作者针对光学遥感图像在植被覆盖区识别岩性和蚀变现象效果差，而航空放射性伽玛能谱数据区分岩性和蚀变现象效果好，且受植被干扰少的技术优势，通过光学遥感（光谱）与航放数据（能谱）的融合技术，研制出一种光-能谱数据融合的新类型图像。这种图像既具有多光谱遥感图像地形信息丰富，立体感强，便于定位和解决构造问题的长处，又有能谱图像便于区分岩性、蚀变和铀及其它矿化的优点。在此基础上，再与地球物理（航磁、重力、地震）、地球化学、地质、水文等多源地学信息集成，建成光－能谱集成技术系统，为植被覆盖区的遥感地质填图和找矿开拓出新途径[4]。

3.2.3地学信息三维可视化分析技术

地质体一般是三维的，传统的研究方法常将其简化为二维，从而影响研究者对地质体的真实状态的直观分析、对比和深层次的理解。三维可视化分析技术是指在三维环境下，将地学信息的表达与三维图形可视化结合起来，对地学数据的多种属性进行三维直观显示和分析的技术。

在鄂尔多斯盆地铀资源勘查中，先后对重力数据、航磁数据、钻孔数据、以及多种数据集成进行了三维可视化显示与分析，并结合钻孔数据的三维可视化，自主开发了钻孔自动成图与信息综合分析系统。

图4 鄂尔多斯盆地北部中生代构造层断块构造格局立体图

（据1：20万重力2km,1km,0.5km,0.25km不同延拓深度重力数据绘制）

3.2.4成矿过程与作用的计算机模拟技术

应用计算机（多媒体技术和仿真模拟技术）对各种地质过程（包括构造变动、沉积演化等）和铀成矿作用进行计算机模拟，在一定范围内替代传统用物理、化学方法进行的构造模拟和成矿实验，再现地质过程或铀成矿过程，以提高研究者对铀成矿作用和其它地质作用的分析水平和认识能力，从而使铀成矿理论的研究更符合实际，更具科学性。

通过对层间氧化带型铀成矿观点和作者提出的断隆成矿观点分别进行了计算机模拟研究，再现了铀成矿的地质过程，直观的对比了两种成矿观点的异同，丰富了砂岩型铀成矿理论。

2.5虚拟找矿与虚拟勘探技术

构建数字勘查区虚拟地质环境的目的是探索对矿产资源的虚拟勘查。

虚拟勘查的构想：

(1)在构建的虚拟地质环境基础上，借助虚拟现实系统，在计算机上对野外地质情况进行观察，观察研究区的地形、地貌、河流、交通、地层、构造、矿化等地理和地质现象；

(2)在观察的过程中，通过点击，对感兴趣的地区和目标进行查询，对其地表和深部地质情况进行了解；

(3)通过地质情况的了解，然后对成矿条件进行对比、分析、综合，发现规律，得出认识，圈定有利成矿地区和勘探靶区，并进行评估。

(4)在有利成矿地区进行找矿部署，或在勘探区内进行进位设计，虚拟野外找矿与勘探。通过虚拟对不满意的方案可以随时修改和调整，直到满意为止。

(5)在上述虚拟勘查的基础上，开展野外地质调查和决策。

针对虚拟勘查的需要，有针对性的开发了虚拟漫游、信息查询、目标搜索、线路布置、参数测量等功能。

虚拟找矿和虚拟勘探技术将可能深刻改变矿产资源勘查的现有方式，大大促进地质工作的现代化。

.2.6建立地质勘查后遥感数字勘查技术系统

综合上述研究内容，经进一步系统化和集成化，构建地质勘查后遥感应用技术平台，并经深化、集成、拓展与提高，建立地质勘查后遥感数字勘查技术系统，实现对矿产资源的快速、有效地勘查与评价。

上述6个方面的技术方法前后衔接，构成一个整体。随着后遥感应用技术研究的深入，它的内容会更加丰富和实用。

3.3后遥感应用技术的应用思路和程序

3.3.1应用思路

①先对遥感图像上与铀成矿有关的信息进行充分理解和分析，发现问题，提出问题（不排斥从其它角度发现问题、提出问题）；

②结合其它地学信息源，对发现的问题进行深化研究；

③对发现和得出的认识进行三维可视化分析，并实现对地学过程和环境的再现，提高对铀成矿过程和规律的认识；

④进行铀资源的虚拟勘查，从而为铀成矿预测提供更加有力的决策支持。

3.3.2应用程序

概括起来，地质勘查后遥感应用技术的应用思路涉及数据准备、数据挖掘、知识发现、虚拟再现、决策和检验等6个步骤。其工作程序如图5。

图5 地质勘查后遥感应用技术工作程序

后遥感应用技术在应用思路和工作程序中，特别强调了在知识发现之后，对过程和环境进行仿真-虚拟再现，然后进行决策和检验。

4 后遥感应用技术的地质应用实例

鄂尔多斯盆地不仅是我国油、气、煤的重要基地，而且有可能成为铀资源的重要基地。以鄂尔多斯盆地铀资源勘查为例，采用上述后遥感应用技术的理念和方法技术，对盆地北部已知矿区的几个铀成矿的关键地质问题进行了研究，取得了用常规地质方法难以获得的几点重要成果。

4.1 含矿层的快速追索

砂岩型铀矿床含矿层是矿体的一级载体，因此，含矿层的追索与评价是该类型铀矿勘查的首要问题。东胜地区含矿层为中侏罗统直罗组下段的辫状河砂岩。为了提高勘查效果，需要从地面和深部对该含矿层进行追索。

4.1.1含矿层的地面追索

利用上述的光-能谱集成技术对含矿层进行了地面追索。根据该地区含矿层的颜色、物质组成、裂隙发育程度和放射性强度等特点，通过多光谱遥感数据进行了主成分分析，将原图像的高维空间像元亮度值投影到新的低维空间，使信息分解，并提取特征信息。然后从中选出最能体现含矿层特征的光谱信息，与铀的伽玛能谱影像图融合，快速提取出东胜地区含矿层地面影像信息，从而获得一种从区域上快速查明含矿层的新方法。

4.1.2含矿层深部地质要素的快速追索

在对研究区大量钻孔剖面逐一解译的基础上，建立研究区钻孔信息（辫状河、泛滥平原、曲流河、泥岩、砂岩、岩石颜色、不整合面等）数据库，并借助自主开发的钻孔数据自动成图和分析系统，实现了对含矿层的多维（二维和三维）追索，包括对含矿层沉积相的分布、厚度变化、砂百分含量等单要素追索和含矿层砂体厚度的分布与古河道的关系等多要素的追索。

4.2 构造-地球化学障研究

通过遥感图像解译，发现东胜地区的铀矿床不仅受含矿层控制，而且受断裂构造控制[4]。控矿断裂为NWW向的断裂带。经野外检验，在地面表现为陡崖、裂隙带和断层等。对其进行厘定后，在建立的GIS多源地学数据库的基础上，应用GIS 空间分析功能，研究了该断裂的切割深度、力学性质、活动时限、与油气的关系，以及对已知铀矿床的控制等。认为该断裂为一深位贯通性的含油气断裂，是一条铀的控矿构造，导致了该区铀矿床的沿断裂同方向展布。进一步研究认为，深位贯通性断裂在铀成矿中起着如下重要作用：

(1)减压带作用 导致含铀、含氧地下水向压力低的断裂带方向驱动。

(2)排泄带作用 保证了含铀、含氧地下水不断地向断裂带定向的流动，从而形成了有利铀成矿的地下水循环系统。

(3)沟通带作用 沟通了深部的气、水、油等还原性流体，形成了有利于铀沉淀富集的环境。

(4)活动带作用 断裂的多次活动，导致了铀成矿的多期性（经夏毓亮同位素年龄测定，该区铀成矿年龄分别为：124+6Ma，85+5Ma，20+2Ma和8+2Ma等）

通过上述研究认为，正是由于这类断裂及其活动，一方面导致含铀、含氧地下水向断裂带的定向流动，另一方面导致了地下深处油气等还原物质的沿断裂向上运移，造成断裂带附近地球化学条件的改变，引起铀的沉淀富集。二者的联合作用，控制了铀矿化的沿断裂带分布。作者将这种砂岩型铀矿控矿模式命名为构造--地学化学障模式。认为它不同于传统的氧化带前锋—地球化学障模式，是今后鄂尔多斯盆地找铀矿值得重视的一种目标类型。

4.3两种不同成因类型铀 矿化的发现

在构建的鄂尔多斯盆地铀资源多源空间数据库的基础上，利用自主开发的钻孔数据自动成图与分析系统的多参数综合分析等模块，对数据库中373 个钻孔数据进行了综合研究，发现研究区存在两种不同类型的铀矿化：一种是分布在黄色（氧化）与灰色（末蚀变岩石）带之间的氧化带前锋—地球化学障类型的铀矿化，矿带呈北西—南东方向展布，受东北高、西南低的地形控制明显；另一种是分布在灰色带和蓝（绿）色蚀变带之间的构造—地球化学障类型的铀矿化，矿带呈近东西向展布，受NWW向断裂控制明显。两种成因类型的发现，反映了该区成矿的多样性，也提出了该区找矿的多途径。

4.4 断隆构造成矿观点的提出

在构建的多源空间数据库的基础上，首先对东胜-杭锦旗地区的遥感图像进行分析解译，发现该区处于一断块隆起（断隆）的区域地质构造背景上。利用数据库的分析功能，将遥感信息与重、磁、航放、地质等地学信息进行系统集成和综合分析，目的是对断隆构造进行深化研究，先后研究了断隆构造的深部结构、地层构成与剥蚀程度、含铀性和铀的迁移趋势、内部的断裂构造、构造热事件以及断隆构造的发生与发展等。在此基础上，通过进一步研究，不仅发现已知铀矿床产于断隆构造环境，而且发现铀矿的形成与断隆构造的发生和发展息息相关，已知铀矿区受断隆边缘断裂控制，矿的形成与油气关系密切，并形成了既具有层间氧化带类型某些特点，又不具其特点的独具特色的复合性铀矿化，从而提出断隆成矿的新观点。断隆成矿观点的提出不仅解释了为什么该区继外流型盆地之后，仍发生成矿作用，为什么早期的铀矿发生了改造。为什么多期成矿，为什么矿化具复合型等一系列铀成矿的重要地质问题，而且建立了新的断隆构造区域找矿模式，提出在鄂尔多斯盆地围绕断隆构造及其边缘找矿的新思路和新判据。

遥感信息在各个领域的深入应用是促进我国遥感信息产业化的重要途径，遥感信息如何在各个领域深入应用，是遥感研究者十分关注的问题。后遥感应用技术理念的提出为遥感信息的深化应用开拓出了一条重要途径。实践表明，在地质勘查领域，后遥感应用技术比起单一遥感技术，具有更大的应用价值和更佳的应用效果。它提出的遥感信息及其延伸应用的技术思路也值得地球科学其它领域借鉴。

参考文献

1] 刘德长，叶发旺. 后遥感应用技术的提出与思考[J].世界核地质科学,2004,21(1):33-37

[2].承继成，等.数字地球导论{M}.科学出版社,2000

3] 刘德长，赵英俊，等.核工业铀资源勘查遥感应用的创新与数字勘查技术系统研究[J].国外铀金地质,2002,19(3):152-156

[4] 刘德长,孙茂荣,等.以航放为主的多源地学信息数字图像综合技术及应用.见《中俄核科学家论文集》P98-112,原子能出版社,1994

5].刘德长,张杰林,等.砂岩型铀矿区构造-地球化学障的后遥感应用技术研究[J].世界核地质科学,2005,22(1):50-54