基于多源遥感数据的断裂构造解译方法的探讨—以山东省兰陵铁矿区为例

 摘 要

断裂构造是岩石受地应力作用,当作用力超过岩石本身的抗压强度时就会在岩石的薄弱地带发生破裂的一种现象，是岩石破裂的总称，包括劈理、节理、断层、深大断裂和超壳断裂等[1]。断裂构造的研究具有重要的理论和实际意义,不仅反映区域构造环境,而且与矿产、地热等资源以及地震、滑坡、泥石流等地质灾害密切相关[2]。多源遥感影像可提供涉及地质断层方面更加丰富、互补的信息，同时采用多种遥感影像增强方法，通过建立各种地质体和地质现象的影像解译标志，达到定性，定量分析和识别研究区域断裂构造的目的[3]。
本课题根据研究区域地质概况，结合各种地学资料的综合分析，使用 ASTER,Landsat8-OLI 遥感数据源，在预处理的基础上，利用图像融合制作基础影像图，运用了主成分分析，彩色合成，定向滤波，纹理分析等多种遥感图像处理方法对研究区域进行人工目视解译，通过建立断裂构造的遥感解译标志，包括直接解译标志，如形状，色调，大小，纹理等，以及间接解译标志，如地貌，地形，水系，地层，植被，土壤等相关关系特征，来判断断层的运动方向，力学性质等，同时应用 DEM 数字高程模型数据进行坡度等地形参数计算与三维立体显示等处理，进一步突出断裂构造的地形地貌特征，最后根据解译结果制成地质专题图，并分析该地区的地质断层对于铁矿的挖采的影响和限制，以及避开导水断层，对于采矿人员进行开采提供借鉴和依据。

关键词：遥感，断裂构造，遥感解译，影像增强，解译标志

ABSTRACT
The fault structure is a phenomenon in which the rock is subjected to the stress of the earth. When the compressive strength of the rock exceeds the compressive strength of the rock itself, it is a phenomenon that is broken in the weak area of the rock. It is the general term of the rock rupture, including cleavage, joint, fault, fracture and super-shell fracture.The study of fault structure has important theoretical and practical significance, not only reflects the regional tectonic environment, but also closely related to mineral resources such as mineral resources, geothermal and other geological disasters such as earthquakes, landslides and debris flows.multi-source remote sensing images can provide more abundant and complementary information about geological faults, and adopt a variety of remote sensing image enhancement methods thuogh establishing a variety of geological bodies and geological phenomena of image interpretation to get qualitative, quantitative analysis and identification of the purpose of studying the regional fault structure.
Based on the study of regional geological profiles and the comprehensive analysis of various geoscience data, this paper uses ASTER and Landsat8-OLI
remote sensing data sources, on the basis of preprocessing, the basic image is produced by image fusion，and uses various principal component analysis, color
synthesis, directional filtering, texture analysis and other remote sensing image processing methods to interprete manually the study area.Through the establishment of the remote sensing interpretation of the fault structure, including the direct interpretation of signs, such as shape, color, size, texture, and indirect interpretation of signs, such as topography, terrain, water, stratigraphy, vegetation, soil and other related characteristics to determine the movement of the fault direction, mechanical properties.At the same time, the DEM digital elevation model data are used to calculate the terrain parameters and three-dimensional display, and further highlight the topographic features of the fault structure.Finally, according to the interpretation results, the geological

map was made,the influence and limitation of the geological faults in the area on the excavation of iron ore and the avoidance of hydraulic faults are discussed, which can provide reference and basis for the mining of mining personnel.

KEYWORDS: remote sensing, fault structure, remote sensing interpretation, image enhancement, sign of interpretation

目 录
1绪论 1
1.1选题依据和研究意义 1
1.2国内外研究现状及面临的问题 2
1.3研究内容，方法和研究路线 5
2研究区域概况 8
2.1自然地理环境 8
2.2区域地质环境 9
3遥感基础解译影像制作 11
3.1遥感数据源的准备 11
3.2影像预处理 15
3.3获取基础影像数据 17
4数据增强处理以及建立断裂解译标志 21
4.1遥感影像增强 21
4.2DEM 增强 34
4.3建立断裂构造解译标志 37
5兰陵铁矿区遥感影像主要断裂构造解译分析 41
5.1主要近南北向断裂带 42
5.2主要北北东向断裂 44
5.3主要北东向断裂 45
5.4主要北西向断裂 47
5.5 小结 48
6结论与展望 50
6.1 结论 50
6.2 不足与展望 51
参考文献 53
致谢辞 55

1 绪论

1.1选题依据和研究意义

断裂构造是岩石受地应力作用,当作用力超过岩石本身的抗压强度时就会在岩石的薄弱地带发生破裂的一种现象，是岩石破裂的总称，包括劈理、节理、断层、深大断裂和超壳断裂等。断裂构造的研究具有重要的理论和实际意义,不仅反映区域构造环境,而且与矿产、地热等资源以及地震、滑坡、泥石流等地质灾害密切相关[3]。本课题以ft东省兰陵县凤凰ft铁矿区为例，研究该地区的主要断裂构造，其中以各大型，小型断层为主。泰国亚洲理工学院地质学家潘能·瓦尼猜博士曾说，探测地质断层中的活动断层将对地震预报起到无可估量的实用价值，而且由于活动断层分布地区有限，因此监测起来比较省力、有效[4]。
铁矿区经历了多期构造运动，发育各种面状，线状构造及韧性剪切带，地质构造复杂,植被覆盖,对断裂构造的常规野外调查工作费时耗力,而遥感数据具有丰富的光谱信息、较高的空间分辨率、广阔的视域等特点,断裂构造在遥感图像上所反映的线性信息易于识别,相比于常规野外工作,能够改善常规地质方法受限于气候、地形等因素的影响,遥感图像的宏观性特征可弥补常规地质点线观测方法的局限性,因此,遥感技术可作为有效的补充。同时,遥感图像本身具有宏观性特征,可对区域构造背景进行系统性分析,了解其空间展布特征、活动性质,且能对单一断裂构造进行定性定量等具体分析。尤其是南北向构造及其其他构造的交汇部位往往是断裂破碎严重的部位，常常成为导岩导水的通道[5]。
本文综合利用ASTER,Landsat 8—OLI 数据等多源遥感数据以及DEM 数

据进行该地区的断裂构造解译，建立综合解译标志，并结合重力，航磁数据和野外实测数据进行验证，最后根据解译结果分析该地区的地质断层对于铁矿的挖采的影响和限制，以及避开导水断层，对于采矿人员进行开采提供了借鉴和依据。

1.2国内外研究现状及面临的问题

上世纪九十年代起,多源遥感信息开始广泛应用于活动断裂的提取分析中,并随着遥感平台和数据增强处理方法的发展而深入。遥感技术从单一波段的分析应用向利用多波段、多时相的遥感数据的方向发展,遥感卫星从低分辨率向更高的分辨率发展,这些都为断裂构造在遥感图像上的提取提供了可靠的手段,遥感解译已作为一种成熟重要的方法应用到了断裂构造的提取分析方面。遥感图像能够对地表地质构造形迹进行真实、全面、客观的反映,含有大量隐伏断裂构造的特征信息,且信息量大,概括性高,连续性好,有助于将断裂构造系统与区域地质构造有机的结合,根据遥感图像特征信息,能够分析出断裂构造的活动方式、力学性质及与其他断裂构造的交切期次关系。现今,遥感技术研究断裂构造的一个重要方面是对其进行多信息源、多尺度及多层次的提取研究,对此,国内外学者做了大量研究。

1.2.1国内研究现状

张广平等（2013）通过 TM 遥感影像提取了新疆托里县阿克塔木金矿勘查区内主要断裂构造，通过遥感影像数据处理及信息提取，遥感解译，划分了区内地层，解译了主要构造和侵入岩分布情况。结合区域成矿地质特征，圈定了找矿靶区[8]。王晓志（2014）以吉林省和龙地区作为研究区域，

以该区域 ETM、ALOS 和 ASTER 遥感数据作为研究对象，充分利用遥感数据多时相、多波段、多空间分辨率等特点，通过遥感图像处理及遥感信息提取，结合该区已知地质矿产资料，总结了各地质体遥感影像特征，进一步确定了区域地质构造格架，同时利用了遥感多光谱特性进行植被覆盖区矿化蚀变信息提取研究，总结了已知矿床（点）的遥感信息特征，并在区内圈定了 4 个找矿远景区[6]。邹谨敞(1995)等,利用 MSS、SPOT 不同分辨率的遥感卫星图像及航空相片,以祁连ft-河西走廊为研究对象,探讨了活动断裂的解译标志,通过小比例尺的遥感图像判定了活动断裂的规模及展布特征,通过大比例尺的遥感图像及航空照片对断裂的具体活动性质、垂直与水平位移分量及交切关系进行了判定,使用不同分辨率的遥感图像进行优势互补,结合野外实地测量调查及样品采集,最终对研究区的活动断裂进行了很好的识别[7]。张景发(1996)提出通过数字图像处理技术可以提取遥感影像上活动断裂引起的地貌、水系等细微特征,并以鲜水河地区 TM 影像为例,进行了数字图像处理,并提出了活动断裂提取的方法。刘泽东等(2008)利用 SPOT 与 ETM+影像对珠海市的断裂构造开展了调查,采用复合功能增强和空间滤波增强方法提取线性影像特征,并在计算机提取结果的基础上通过目视解译检验线性构造,经野外验证，依据遥感影像解译出的线性构造基本都是断裂构造的反映[7]。张微(2008)等,以昌化-普陀断裂为例,利用 SP0T-5 、ETM+ 两种不同分辨率的遥感图像, 采用波段相关分析法选取
ETM+741 为最佳波段组合,图像地质信息最为丰富,同时结合反差、边缘、比值增强等光学处理方法以及主成分分析、小波变换等图像增强处理方法,对研究区的断裂进行了很好的分析提取,最后结合地震资料、重力资料、钻孔资料及野外实地验证,证明遥感图像的解译识别与实际有很好的一致性。

1.2.2国外研究现状

Walker R.T.(2006)利用 ASTER、SRTM 等遥感图像研究了伊朗东南部克尔曼省南部的活动褶皱和断裂,主要采用彩色合成、主成分分析、阴影法、三维显示等多种断裂构造的增强处理方法,通过卫星图像上走滑断层陡坎以及水系的同步弯曲等地貌特征,解译了克尔曼省南部的多条大型走滑断层并对其进行了分析,结果发现伊朗东南部克尔曼省存在一个主要的倾斜褶皱冲断带[8]。活动断裂似乎连接着伊朗东南部的右旋走滑断层和国家内部的其他走滑断层,沿褶皱北部边界最近的冲积层中的悬崖表明该逆冲达到了地表并在当今活跃,同时 GPS 表明,目前变形率较低。Dericks P S 等
(2012)运用遥感技术和数字高程模型DEM,观察到了喜马拉雅构造活动ft区的新构造运动迹象,如由新构造抬升运动创造的 EW 向的断层崖。利用 DEM分析得到的坡度和坡向,进一步确定了 EW 向的最新活动断裂,并分析了其对南部活动断裂的控制作用[8]。
本文研究区域位于ft东省兰陵铁矿区，是ft东省较大的铁矿开采区，而本区域所产生的大量的活动断裂构造对开采工作带来一些困难和风险，而国内外学者并没有太多研究本区域的断裂构造，因此，本文对其的活动性研究就变得具有一定的实际意义。

1.2.3面临的问题

目前，应用于地质断裂构造的遥感手段的方法在不断的完善，在提取断裂构造信息方面体现在：一是对于应用常规手段如工作人员进行野外实地考察，无法实现断裂的信息提取的区域，使用遥感手段可以进行遥感图像的目视解译甚至是自动提取；二是对于实地考察难以全面的进行研究区

域的断裂构造信息解译的，可以辅以遥感影像对断裂构造的延伸，分布，区域构造格架等进行分析。
其次，对于植被覆盖度较高的区域，如本课题研究区域，凤凰ft地区，由于植被覆盖，使得遥感影像的光谱辨识度降低，给地质断裂构造信息提取带来困难，同时断裂构造的某些细节问题在中低等分辨率影像不易识别，而获取一些高分辨率遥感影像存在费用较高的问题也是遥感手段进行断裂信息提取的一大问题。

1.3 研究内容，方法和研究路线

1.3.1研究内容

本文以ft东省兰陵铁矿区主要地质断层为主要研究对象，以多源遥感图像 OLI、ASTER、DEM 等为数据源,ENVI4.8、ERDAS 图像处理软件和地理信息系统为技术平台,着重研究本地区的断裂构造，采用遥感图像的增强处理,结合研究区已有的地质资料,如重力，航磁数据，根据遥感图像上的光谱信息和空间结构特征提取断裂信息,并分析断裂构造的活动方式,进一步确定区域地质构造格架，分析成矿分布，圈定成矿区，主要内容包括：
1.对多源遥感数据的图像进行预处理和影像增强处理，分析不同方法的解译效果，获取基础影像数据断裂构造解译结果，包括主成分分析，彩色合成，纹理分析，图像融合，定向滤波等。
2.进行室内详细判读，主要包括：建立断裂构造解译标志；利用 ARCGIS进行人机交互式遥感解译；获得初步解译成果图。
3.将 DEM 数据与遥感影像数据结合，对 DEM 数据进行一系列处理，如
各项地形参数计算，渲染着色等，并生成三维立体显示，便于对断裂构造

进行全方位立体观测,增强解译能力,提高解译精度。
4.根据断裂活动的影像特征，必要的资料分析和野外验证，对断裂构造进行性质判定，验证解译精度，制作相应的专题图，并分析其对铁矿的分布和开采以及周围水系分布形态的影响。

1.3.2研究方法和路线

本文选择ft东省兰陵铁矿区作为研究区域,拟利用多源遥感数据对区内主要地质断层进行遥感地质解译，针对研究区植被覆盖，地形较为复杂，光谱信息较为丰富，拟对遥感影像采用彩色合成，主成分分析，图像融合，定向滤波，比值变换等增强方法,对 DEM 采用坡度计算、地貌晕渲，三维显示等增强分析。根据遥感影像的色调、影纹、地层、地貌、水系、土壤、植被等通用线性构造解译标志,初步提取断裂构造的形迹,建立区域性断裂构造解译标志。利用高分辨率遥感影像、重力，航磁数据以及野外地质调査对解译标志和初步解译成果进行验证、修改和补充,以获得准确的活动断裂分布情况,便于最终进行动断裂性质分析。
研究方法：
（1）宏观上整体进行解译，进行大体上的遥感图像处理，解译出较为明显的断裂，再在细节上对某小范围的断裂进行其他方法的处理，进行详细解译，将宏观与微观解译相结合，找到有效果的解译方法。
（2）对整个研究区范围判断断裂构造的数量，并对大的断裂构造进行位置，性质等的详细判定，将定量解译与定性解译相结合。
（3）将人工目视解译与验证相结合，解译过程中不断参照 Google
Earth 进行验证，进而提高解译精度。