Hyperion 高光譜遙感巖性識(shí)別填圖

畢曉佳，苗 放，葉成名，李假?gòu)V

（1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.成都市防震減災(zāi)局，成都 610042；3.河南省地質(zhì)測(cè)繪院，鄭州 473000）

Hyperion 高光譜遙感巖性識(shí)別填圖

畢曉佳1，2，苗 放1，葉成名1，李假?gòu)V3

（1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.成都市防震減災(zāi)局，成都 610042；3.河南省地質(zhì)測(cè)繪院，鄭州 473000）

Hyperion高光譜數(shù)據(jù)在蝕變礦物填圖方面已凸顯其優(yōu)越性，而在巖性識(shí)別方面大多仍在探討中。通過(guò)應(yīng)用Hyperion數(shù)據(jù)結(jié)合野外光譜采集，在研究區(qū)進(jìn)行了巖性填圖的試驗(yàn)研究。同時(shí)，敘述了野外采集光譜數(shù)據(jù)的過(guò)程，建立了野外實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，利用野外實(shí)測(cè)巖石光譜作為端元光譜進(jìn)行SAM（Spectral Angle Match）光譜角巖性填圖。這對(duì)于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜地區(qū)的巖性填圖工作具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

Hyperion；高光譜遙感；青藏高原；巖性識(shí)別；填圖

0 前言

高光譜遙感技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)遙感技術(shù)相比，有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。高光譜遙感圖像包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息，在遙感圖像光譜分辨率上更是實(shí)現(xiàn)了突破性的提高。其圖譜合一的特點(diǎn)是在傳統(tǒng)的二維遙感圖像基礎(chǔ)上增加了光譜維，形成了一種獨(dú)特的三維遙感，在地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域（地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)找礦和制圖）應(yīng)用空間廣闊，在巖石出露程度較大的區(qū)域優(yōu)勢(shì)尤為明顯，效果尤為突出。相對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查、找礦制圖的方法，高光譜遙感填圖成本低、消耗低，不及傳統(tǒng)方法費(fèi)用的十分之一，在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，交通不便的青藏高原實(shí)施開(kāi)展高光譜遙感技術(shù)的填圖工作，對(duì)輔助區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)普查，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

作者于2008年7月進(jìn)行了野外光譜數(shù)據(jù)的采集，建立了野外實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合2008年5月～10月在青藏高原東昆侖忠陽(yáng)山地區(qū)獲取的EO－1Hyperion高光譜遙感數(shù)據(jù)，在反射率圖像轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，利用野外實(shí)測(cè)巖石光譜作為端元光譜進(jìn)行了SAM光譜角巖性填圖。

1 Hyperion簡(jiǎn)介

EO－1上搭載的高光譜遙感器Hyperion是第一代航天成像光譜儀的代表，是一個(gè)星載民用成像光譜儀，空間分辨率為30m，在400nm～2 500nm范圍內(nèi)共有242個(gè)波段，其中在可見(jiàn)光～近紅外（400nm～1 000nm）范圍內(nèi)有70個(gè)波段，在短波紅外 （900nm～2 500nm）范圍內(nèi)有172個(gè)波段，是第一個(gè)可以獲取可見(jiàn)光與近紅外以及短波紅外波長(zhǎng)范圍光譜信息的星載高光譜傳感器［1］。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)忠陽(yáng)山位于青藏高原北部東昆侖卡巴紐爾多地區(qū)，隸屬青海省格爾木市管轄，主體位于青藏高原北部的東昆侖造山帶，南北18.5km，東西22.5km，面積約417km2，平均海拔高程為4 500m左右，相對(duì)高差在1 200m～1 500m范圍內(nèi)，最高海拔為5 536m，如圖1所示。

2.1 區(qū)域地層構(gòu)造特征

忠陽(yáng)山地區(qū)位于東昆侖構(gòu)造帶以北，地層極為發(fā)育。研究區(qū)以中新元古代萬(wàn)保溝群、寒武紀(jì)沙松烏拉組、奧陶～志留紀(jì)納赤臺(tái)群、古中元古代苦海巖群為主要的研究地層。

東昆侖造山帶是我國(guó)西部一條規(guī)模宏大的造山帶，造山帶沉積、巖漿、變質(zhì)和構(gòu)造作用十分復(fù)雜。研究區(qū)位于東昆侖造山帶中端，跨越了東昆侖造山帶、阿尼瑪卿縫合帶、巴顏喀拉褶皺帶三個(gè)構(gòu)造帶。區(qū)內(nèi)沉積構(gòu)造類(lèi)型多樣，變質(zhì)作用類(lèi)型復(fù)雜，火山巖漿活動(dòng)頻繁，地殼運(yùn)動(dòng)具多階段、多層次的復(fù)雜構(gòu)造格局［2］。

2.2 研究區(qū)巖石地層信息

東昆侖造山帶巖體成份變化大，種類(lèi)繁多，不同巖性之間常常呈漸變過(guò)渡關(guān)系。研究區(qū)主要地層巖石特征如下：

（1）奧陶～志留紀(jì)納赤臺(tái)群：為青海東昆侖布爾汗達(dá)山一帶出露的一套變質(zhì)綠片巖夾碳酸鹽巖地層。具體巖性為①哈拉巴依溝組：灰黑色片理化鈣質(zhì)千枚巖、絹云母千枚巖，次為灰色石英片巖；②石灰廠組：灰白色（糜棱巖化）白云石大理巖、淺灰色中厚層狀粉晶白云巖、淺灰色中厚層狀粉晶～細(xì)晶白云巖、灰白色片理化微晶白云巖；③灰褐、灰綠色含構(gòu)造角礫片理化蝕變流紋巖、灰綠色片理化蝕變流紋巖。

（2）古元古代苦海巖群：灰黑色條帶狀眼球狀二云斜長(zhǎng)片麻巖、灰白色含白云母白云石大理巖、灰色黑云方解石英千枚巖、灰黑色絹云母白云石英片巖、深灰色變細(xì)砂巖，上部夾變形礫巖。

（3）中新元古代萬(wàn)保溝群：時(shí)代為震旦～奧陶紀(jì)，①碎屑巖夾火山巖組：灰黑色條帶狀眼球狀二云斜長(zhǎng)片麻巖、灰白色含白云母白云石大理巖、灰色黑云方解石英千枚巖、灰黑色絹云母白云石英片巖、深灰色變細(xì)砂巖，上部夾變形礫巖；②碳酸鹽巖巖組：灰白色（糜棱巖化）白云石大理巖、淺灰色中厚層狀粉晶白云巖、淺灰色中厚層狀粉晶～細(xì)晶白云巖、灰白色片理化微晶白云巖夾少量灰白色微晶～粉晶白云巖和灰色條帶狀結(jié)晶灰?guī)r。

（4）寒武紀(jì)沙松烏拉組：下部為灰黑色碳質(zhì)千枚巖及變粉砂巖，上部為灰色石英千枚巖，參見(jiàn)區(qū)域地質(zhì)圖2（見(jiàn)下頁(yè)）。

圖1 交通位置圖Fig.1 Location map of research area

圖2 1∶200000區(qū)域地質(zhì)圖Fig.2 Regional geology map

3 野外光譜采集

3.1 測(cè)量?jī)x器

本次野外光譜測(cè)量中，我們所使用的儀器是美國(guó)ASD公司的最新產(chǎn)品（FieldSpec FR便捷式地物光譜儀）。此儀器不僅具有攜帶方便、速度快、高信噪比、高可靠性、高重復(fù)性、操作簡(jiǎn)單和軟件包功能強(qiáng)勁等特點(diǎn)，而且它還可以作實(shí)時(shí)測(cè)量和觀察輻射、輻射度、CIE顏色、反射和透射［3］。

3.2 光譜采集

作者在2008年7月18日至23日開(kāi)展了本次野外光譜數(shù)據(jù)采集工作，因?yàn)槊磕?月～9月該地區(qū)的大氣、空氣濕度、風(fēng)、光照和云層覆蓋等條件適宜于野外光譜數(shù)據(jù)采集，而且采集到的數(shù)據(jù)和選用的遙感圖像數(shù)據(jù)時(shí)間匹配性好，滿足研究精度要求和填圖需要。

光譜數(shù)據(jù)采集采用野外和室內(nèi)測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量方法，作者在研究區(qū)域內(nèi)選擇多個(gè)具有代表性的開(kāi)闊地帶作為平場(chǎng)進(jìn)行了多次重復(fù)光譜測(cè)量。并針對(duì)高海拔對(duì)儀器電子元器件的影響，采用室內(nèi)測(cè)量和降低海拔多次測(cè)量相結(jié)合的綜合測(cè)量方法，使測(cè)量值最大限度地接近實(shí)地測(cè)量值，以滿足測(cè)量精度要求和后期圖像處理與填圖工作的需要。

采集內(nèi)容包含研究區(qū)域內(nèi)花崗巖、巖漿巖、變質(zhì)巖、流紋巖、千枚巖、大理巖、板巖、頁(yè)巖、鐵礦石、銅礦石、金礦石、鉛礦石、鋅礦石等達(dá)一百多種不同類(lèi)型，以及同種類(lèi)型不同狀態(tài)（如：巖礦石的風(fēng)化面、新鮮面等）的巖礦石的光譜數(shù)據(jù)室內(nèi)和野外采集工作，并且經(jīng)過(guò)系統(tǒng)編號(hào)整理建立了各種巖礦石與其光譜數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)表，極大地縮短了后期數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，并為以后的填圖工作提供了較為完備的野外實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)采集同等重要，在這里數(shù)據(jù)的預(yù)處理即地物光譜輻射能力到反射能力的初步處理。

根據(jù)物理學(xué)中對(duì)反射率的定義，要確定一種物質(zhì)反射能力的大小，需要同時(shí)測(cè)量參考物和目標(biāo)物的光譜反射能量，兩者相除可消除同時(shí)出現(xiàn)在目標(biāo)物和參照物光譜響應(yīng)中的放大參數(shù)。例如光源（通常為太陽(yáng)）的光譜輻射和光譜儀自身的光學(xué)輸出，得到目標(biāo)物相對(duì)于參考板的相對(duì)反射率，即：

式中 r為所測(cè)物體的反射率；Bi為目標(biāo)物的反射能量；B0為參考板的反射能量。

由于自然界中不存在反射率為100%的物體，因此要得到被測(cè)物體的絕對(duì)反射率，還應(yīng)用相對(duì)反射率乘以參考板的反射系數(shù)［4］，而野外所采集到的ASD數(shù)據(jù)就是表征所需要的各種巖礦石的輻射能力的數(shù)據(jù)?；谝陨显聿⒔柚鄳?yīng)的軟件，對(duì)所測(cè)得的巖石光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、USGS光譜庫(kù)對(duì)比驗(yàn)證、統(tǒng)計(jì)分析、篩選、提純、求均值、野外水汽強(qiáng)吸收波段處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，得到了各種巖礦石的反射率。經(jīng)過(guò)編輯整理初步建立了相應(yīng)的光譜庫(kù)，為后期研究工作的順利進(jìn)展提供了基本依據(jù)。圖3所示為圖5分類(lèi)結(jié)果中顏色依次對(duì)應(yīng)的幾種巖性類(lèi)野外實(shí)測(cè)光譜。

4 高光譜遙感巖性分類(lèi)識(shí)別與填圖

高光譜遙感巖性分類(lèi)識(shí)別是一種快速、有效的巖性填圖方法，遙感圖像真實(shí)地記錄了巖石的空間幾何形態(tài)特征以及光譜輻射特征。然而，不同地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景條件不同，巖石的風(fēng)化程度和覆蓋程度也有所差異，這就使得巖石的形態(tài)特征和光譜特征具有了較大的變化。所以識(shí)別巖石類(lèi)型，確定其形態(tài)和分布范圍，是遙感地質(zhì)填圖重要的目標(biāo)［5］。

巖性分類(lèi)識(shí)別的方法選擇光譜角度匹配法SAM（Spectral Angle Match），即通過(guò)計(jì)算一個(gè)測(cè)試光譜（像元光譜）與一個(gè)參考光譜之間的“角度”來(lái)確定兩者之間的相似性。參考光譜可以是實(shí)驗(yàn)室光譜或野外測(cè)定光譜，或是從圖像上提取的像元光譜［6］。SAM分類(lèi)法通過(guò)比較地物光譜形態(tài)特征的相似性進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，是一種基于自身的光譜分類(lèi)方法。SAM用到的參考端元光譜可以來(lái)自于ASCII文件、光譜庫(kù)、統(tǒng)計(jì)文件，或直接從圖像中抽?。ㄈ鏡OI平均波譜）［7］。作者在本文將野外實(shí)測(cè)地物光譜庫(kù)中的終端元光譜之間的角度與N維空間中的每個(gè)像元向量進(jìn)行比較，角度越小，表示與之匹配的參照光譜越接近。由于與矢量的模無(wú)關(guān)，光譜角度對(duì)增益不敏感，對(duì)亮度影響也不是很敏感，從而能夠減弱因地形和照度引起的增益變化。SAM方法能有效避免因巖石礦物光譜漂移或光譜變異而造成的單個(gè)光譜特征的不匹配，并能充分綜合利用弱的光譜信息［7］，是處理高光譜數(shù)據(jù)一種有效的分類(lèi)方法。

圖3 野外實(shí)測(cè)光譜Fig.3 Field measured spectral

研究區(qū)地形地貌復(fù)雜，沉積構(gòu)造類(lèi)型多樣，變質(zhì)作用類(lèi)型復(fù)雜，火山巖漿活動(dòng)頻繁，同質(zhì)異狀化極其嚴(yán)重，所以作者采用野外實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了巖性的分類(lèi)填圖。野外實(shí)測(cè)光譜曲線與USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線經(jīng)對(duì)比分析具有相似性，已經(jīng)排除了一些自然因素對(duì)光譜曲線的影響，在具有診斷性光譜特征的波段具有比標(biāo)準(zhǔn)光譜更加顯著的光譜特征，以白云巖為例（如圖4所示）。在分類(lèi)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，巖石類(lèi)型的多樣性及其復(fù)雜性決定了巖石光譜的多樣性，所選巖石光譜數(shù)量一般要多于巖石類(lèi)型。我們可以選用具有較好診斷性光譜特征的光譜曲線進(jìn)行分類(lèi)，在圖4中，白云巖在2 300nm附近處存在一個(gè)明顯的吸收谷，在2 360nm附近存在一個(gè)明顯的吸收峰，在2 450nm～2 500nm波段范圍內(nèi)亦存在一些細(xì)小的吸收特征。

圖4 野外實(shí)測(cè)白云巖與USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線對(duì)比圖Fig.4 Field data of the dolomites compared with theUSGS standard spectrogram curve

由野外實(shí)測(cè)地物光譜直接作為端元光譜進(jìn)行SAM光譜角填圖，需要注意的是：在運(yùn)用SAM填圖分類(lèi)的過(guò)程中，最大光譜角的設(shè)置，會(huì)對(duì)分類(lèi)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，需要通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)確定取得適當(dāng)?shù)拈撝翟O(shè)定，針對(duì)不同的類(lèi)別設(shè)置的閾值也不同。作者在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)五類(lèi)地物的閾值設(shè)定分別為0.2、0.3、0.25、0.15、0.20，并且①對(duì)得到的初步分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行了后續(xù)處理，包括對(duì)分類(lèi)圖像使用了majority analysis多數(shù)分析，改變一個(gè)大型單一類(lèi)中的雜散像元；②Clump Classes類(lèi)別集群，運(yùn)用形態(tài)學(xué)算子將臨近的類(lèi)似分類(lèi)區(qū)域合并成塊，被選的分類(lèi)首先用一個(gè)擴(kuò)大的操作合并到一塊，然后用指定了大小的變換核對(duì)分類(lèi)圖像進(jìn)行侵蝕操作，解決了分類(lèi)圖像經(jīng)常缺少空間相關(guān)性的問(wèn)題，通過(guò)低通濾波平滑了圖像；③Sieve Classes篩選類(lèi)，通過(guò)用斑點(diǎn)分組消除隔離的被分類(lèi)的像元解決分類(lèi)圖像中孤島的出現(xiàn)。這一方法需要觀察周?chē)乃膫€(gè)或八個(gè)像元，判定一個(gè)像元是否與周?chē)耐?lèi)。如果一類(lèi)中被分組的像元數(shù)少于輸入的值，那些像元就會(huì)被從類(lèi)中刪除。Combine Classes結(jié)合并類(lèi)，用于在已經(jīng)分類(lèi)了的圖像中選擇性地進(jìn)行類(lèi)的結(jié)合，注記結(jié)合分類(lèi)或消除“未被分類(lèi)”的類(lèi)有效地刪除了那些單個(gè)類(lèi)，最后得到的巖性分類(lèi)結(jié)果如圖5所示。在圖5中白色空白處是由于忠陽(yáng)山南邊高山上數(shù)據(jù)影像的積雪及山體陰影造成的未識(shí)別分類(lèi)的像元。由于作者經(jīng)過(guò)野外數(shù)據(jù)的采集和已有勘探資料，已對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖石地層信息較為熟悉，所以采用了研究區(qū)內(nèi)主要的數(shù)種巖石的光譜進(jìn)行了分類(lèi)。由分類(lèi)結(jié)果分析得知對(duì)于巖石出露程度較大的深變質(zhì)巖分類(lèi)結(jié)果較好，分布范圍與已有的資料較吻合。

圖5 巖性分類(lèi)圖Fig.5 Lithological classification map

5 結(jié)論

作者在本文利用野外實(shí)測(cè)地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，在高光譜影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行SAM基于光譜角的巖石分類(lèi)識(shí)別及填圖，這對(duì)于地理環(huán)境復(fù)雜的，交通不便利又多屬無(wú)人區(qū)的青藏高原忠陽(yáng)山地區(qū)開(kāi)展填圖工作具有一定的應(yīng)用價(jià)值。特別是針對(duì)較為熟知的巖石出露程度較大的深變質(zhì)巖地區(qū)開(kāi)展大、中比例尺的填圖工作，能夠取到較好效果。

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P 627

A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.18

1001—1749（2012）05—0599—05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41001253）；中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所地質(zhì)大調(diào)查工作項(xiàng)目（1212010711510）

2012－01－10 改回日期：2012－06－01

畢曉佳（1982－），女，吉林人，博士，工程師，地球探測(cè)與信息技術(shù)。