0 引言

甘肃北山地区位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木—华北三大板块交接地带^[1]，属于中亚造山带的一部分^[2]；历经加里东期、华力西—印支期多旋回造山运动，产生大量岩浆活动, 晚三叠世—早侏罗世处于碰撞后放松环境^[1-3]；岩体分布广泛，且发育以基性-中基性岩脉为主的岩脉群。

前人对研究区的构造背景、岩体成因、成矿规律以及控矿因素等方面均进行了细致的研究^[1-8]，并且开展了遥感地质解译、遥感蚀变信息提取等工作，但精度和详细程度并未达到大比例尺地质填图的要求^[9-10]。前人对研究区开展了1∶5万、1∶1万地质填图^[11-13]，由于传统地质填图工作是由离散的路线工作及地质点工作连图而成，地质体、构造及岩脉的真实形态可能并未被呈现。本次研究不同于传统填图方法，应用无人机遥感，从宏观、二维和三维相结合的角度解译地质信息。

无人机是一种灵活、轻便的近地面遥感数据获取载荷平台。无人机和照片建模技术的结合，可以产生正射影像、表面模型等多种数据，其分辨率可高达厘米级，远高于卫星影像，可大大提高地质解译的精度，广泛应用于数字地形模型重建、快速数字制图和地物提取^[14-17]，在测绘、矿山、灾害等领域逐渐受到广泛应用^[18-22]。与传统填图方法相比，无人机采集每张图片之间的重复率在60%以上，不存在空白区域，能全面地控制研究区内地质体的分布。无人机遥感在中国兴城、中国泗礁岛、澳洲南部沿海、西澳奥尔巴尼等地进行了地质解译研究，但局限于海滨地带、露头尺度和形态，难以开展大面积工作^[23-26]。

本文选定甘肃北山长流水地区20 km²区域作为目标区，使用大疆精灵4专业版无人机采集图像，利用Photoscan软件合成正射影像以及三维模型，并结合野外地面定点、采样、岩性鉴定工作确定各地质体的解译标志，填绘目标区的精细地质图。最后将其与传统地质图对比，探寻更多的地质内容，总结无人机遥感应用于地质填图的优势。

1 区域地质背景

研究区位于甘肃省酒泉市柳园镇东北部长流水地区，在区域上位于塔里木、华北板块内北山陆源活动带俞井子一柳园陆内裂谷带中。裂谷带南北缘由区域性深大断裂控制，总体走向为东西向(图 1)^[8]。区内褶皱构造多伴随着东西向断裂带发育，轴向为东西向或近东西向。区内分布近东西向的压性、压扭性断裂，并伴生南北向张性和北西、北东向两组扭性断裂构造^[11-13]。北山地区地层有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系，但区内断裂构造发育，岩浆活动频繁，致使地层分布零星^[11-13]。北山地区岩浆岩大致可分为华力西早期、中期以及印支期3个期次，每个岩浆期包含若干次侵入，其中华力西中期岩浆侵入活动最为强烈^[10-12]。岩体数量繁多，规模不等，多呈岩基、岩株和岩墙状产出。岩体岩性复杂，华力西中期形成似斑状花岗岩、正长花岗岩、二长花岗岩、闪长岩等。岩体中发育岩脉群，由印支期辉绿岩脉、花岗斑岩脉、闪长玢岩脉、石英脉等岩脉组成^[11-13]。变质结晶基底为太古宙斜长角闪岩。

2 数据采集、处理及解译 2.1 数据采集及处理

本次野外影像资料采集使用的是大疆精灵4专业版无人机，性能优良，操作简单，可控性好。数据采集工作流程如图 2所示。

无人机遥感通常在10：00—15：00时之间获取的影像更为明亮清晰，且阴影的影响较小。所选飞行日期应避开大风天气。飞行路线要避开天线、高压线等障碍物以及军事用地、机场等禁飞区。

所用无人机最大飞行高度为500 m，同等工作面积下，飞行高度越高，采集影像越快，数据量越小，但影像分辨率越低；而飞行高度越低，影像分辨率越高，但花费的时间和数据量越大。为平衡工作效率以及地质解译所必须的精度，需要选定主要飞行高度。经过25、50、200 m不同高度试飞采集影像，权衡工作所需精度与效率后，选取主要飞行高度为200 m，对疑难地区采用50 m飞行高度。以此高度采集到的影像解析度可达6~7 cm，达到地质解译的精度需求。而商用卫星、航空遥感的最高解析度仅能达到分米级，难以满足精细地质解译的需要(图 3)。以“弓”形轨迹飞行，控制航向重复率在60%~70%之间、旁向重复率在50%~60%之间，以便在数据量最小的前提下保证模型质量。

剔除采集到的模糊、重复影像后，利用Agisoft公司推出的Photoscan软件进行处理。经过特征点匹配、照片对齐、相机位置解算、特征点位计算、空三加密、网格构建、纹理映射得到表面模型，在此基础上进一步生成数字高程模型数据、生成正射影像。

2.2 数据解译

针对前人地质图中的各类地质内容^[10-12]，结合无人机正射影像、表面模型以及地面观察情况(图 4、图 5、图 6)，建立解译标志(表 1)。对正射影像中地质体和构造的特征与解译标志相对应来进行解译。

根据建立的解译标志，对试验区内的全部正射影像进行解译、清绘，得到试验区无人机正射影像解译地质图(图 7)。

由图 7可以看到北山长流水地区各岩体的分布情况：试验区北部分布大片似斑状花岗岩体，中间出露二长花岗岩体，二者影像上的接触关系尚不明确；试验区南部及东南部分布大片斜长角闪岩结晶基底，试验区东北部和南部边界出露正长花岗岩体，由边界形态可以判断正长花岗岩体侵入了斜长角闪岩。

3 方法优势 3.1 有效提取岩脉群产出特征

研究区内分布大量岩脉。利用Photoscan在数据处理时生成的表面模型中选取岩脉上不共线的三点坐标，可以计算获得倾向、倾角数据。经过岩脉筛选、采点、统计，绘制岩脉极点图(图 8)，可以得知北山地区的岩脉以近东西向与北东东向为主，与区域上东西向—近东西向展布的总体构造走向一致^[13]。倾角近直立，有轻微的、对称的震荡。

在无人机正射影像中发现若干处存在穿切关系的岩脉组合，可以用于岩脉期次划分。北西向乳白色石英脉穿切了北东向闪长玢岩脉(图 9a)；北西向乳白色石英脉穿切了北东向以及北西向的辉绿岩脉(图 9b)；北东向花岗斑岩脉穿切了近东西向的辉绿岩脉(图 9c)；花岗斑岩脉穿切了较老的辉绿岩脉，但在同时又被较新的辉绿岩脉所穿切，由此可见，研究区内的辉绿岩脉(深绿色脉体)又可分为2个期次(图 9d)。

根据以上线索，可以初步将北山研究区内的岩脉划分为4个期次，早期辉绿(玢)岩脉>花岗斑岩脉>晚期辉绿(玢)岩脉>石英脉。而前人地质报告中，仅填绘出1个期次的辉绿岩脉^[10]，主要的原因可能为传统路线地质填图的路线之间存在空白区域，遗漏了图 9d中将辉绿(玢)岩脉划分为2期的证据。

3.2 还原地质体真实形态 3.2.1 地质体边界形态

解译得到的地质图与前人1∶10 000地质图体现的地质体分布特征基本吻合，但岩体边界形态有较大的差异(图 10)。正长花岗岩体和斜长角闪岩的接触边界为锯齿状, 并非平滑曲线，并见正长花岗岩脉由边界部位侵入斜长角闪岩之中，二者间的侵入接触关系明显；第四系的边界呈树枝状，而非平直脉状(图 10b)。正射影像解译图能够更为清晰地还原地质体边界的真实形态(图 10c)，而前人地质图中勾绘的地质体边界仅是平滑曲线，岩脉的规模被夸大，且形态全部填绘为透镜状，较为粗略(图 10d)，与事实相差较大。

3.2.2 岩脉形态

北山长流水地区各岩体中发育岩脉群。如图 11所示，岩脉的真实形态为曲折的脉状(图 11b)，其轮廓以及产状变化多端。无人机遥感正射影像解译图能真实反映岩脉的出露形态(图 11c)，而前人1∶10 000地质图将岩脉全部填绘成透镜状(图 11d)，与事实相差较大。

另外，在全部20 km²范围内解译岩脉数量上差距较大，无人机正射影像解译出763条岩脉，而前人地质图中填绘出岩脉169条。如此大的数量差距可能由于前人制图时受填图比例尺限制，过小的图斑没有填绘在地质图上。无人机遥感能够满足比1∶10 000更大精度的地质填图需求。

3.3 解译出微小断裂

北山长流水地区发育小规模断裂，以岩脉为标志层的错动证明了微小断裂的存在(图 12a、b、c)。由于岩脉及断裂的规模较小，传统地质填图地面工作难以填绘微小岩脉的错动(图 12d)。

3.4 效率高

采用大疆精灵4专业版无人机以200 m飞行高度进行影像采集，在每天10:00—15:00时的适宜日照时间且电池准备充足的情况下，每架无人机可以采集3~4 km²的影像。室内的正射影像及表面模型合成工作可以通过多台工作站并行计算压缩计算时间。地质解译和制图工作可以引入人工智能方法^[27]。整体流程比传统填图方法节约大量的人力、物力和时间。

3.5 环境扰动小

研究区年降水量不足50 mm，属于极旱荒漠生态系统，生态环境极易被破坏。前人在研究区开展传统方法地质填图时难免高频度出车碾压、开挖探槽，造成植被退化和水土流失。基于无人机遥感的填图方法可以大幅减少出车路程，减少对生态环境的扰动^[27]。

4 结论

1) 利用无人机对甘肃北山长流水20 km²试验区进行了影像采集，合成正射影像及三维模型，建立解译标志，进行人工目视解译，得到了比前人1∶10 000地质图更精细、全面的地质图。

2) 利用无人机遥感解译出更丰富的岩脉信息，采集产状数据，得到岩脉群的主要走向为近东西向北东东向，倾角为近直立；岩脉群划分出辉绿岩脉>花岗斑岩脉>辉绿岩脉>石英脉4个期次。

3) 此方法还原了地质体的真实形态，解译出更多微小断裂，还具有效率高、环境扰动小等优点，在干旱荒漠地区有着良好的应用前景。