哈密黑山口地區(qū)遙感蝕變信息提取特征波段優(yōu)選研究

段宗恩，朱谷昌，張思穎，姬祥永，隗含濤，朱莉莉

(1．中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙410083;2．有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京100012)

哈密黑山口地區(qū)遙感蝕變信息提取特征波段優(yōu)選研究

段宗恩1，2，朱谷昌1，2，張思穎1，姬祥永1，隗含濤1，朱莉莉1

(1．中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙410083;2．有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京100012)

在遙感蝕變信息提取研究中，特征波段的選取是主要的技術(shù)關(guān)鍵。本文以新疆哈密市黑山口地區(qū)為研究區(qū)，利用ETM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，在光譜數(shù)據(jù)空間幾何結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上，通過對七個(gè)多光譜波段的回歸偏度分析，評價(jià)蝕變信息的客觀存在性，從而選取出針對不同蝕變類型的特征波段，然后采用主成分分析、最優(yōu)密度分割等方法，提取出礦化蝕變信息，并對結(jié)果信息進(jìn)行了評價(jià)。通過野外地質(zhì)調(diào)查和光譜測量的實(shí)地驗(yàn)證，提取的蝕變信息與實(shí)地情況吻合性好，取得了較理想的效果。結(jié)論認(rèn)為，次級斷裂構(gòu)造帶上含礦化蝕變的鐵鎂質(zhì)巖體找礦前景較好。

遙感蝕變信息二維散點(diǎn)圖回歸偏度特征波段黑山口

Duan Zong－en，Zhu Gu－chang，Zhang Si－ying，Ji Xiang－yang，Wei Han－tao，Zhu Li－li．Selection of characteristic bands in alteration information extraction from remote sensing images for the Heishankou area，Hami，Xinjiang［J］．Geology and Exploration，2012，48(4):0823－0828．

引言

遙感蝕變信息提取需要兩個(gè)條件:第一，研究區(qū)客觀上應(yīng)該存在著礦化蝕變的成礦地質(zhì)背景;第二，礦化蝕變信息在遙感圖像上至少應(yīng)該有弱的反應(yīng)(張遠(yuǎn)飛，2008)。遙感弱蝕變信息提取主要依賴于合適的算法模型，常用的方法有比值法和主成分分析方法。趙元洪等提出了波段比值的主成分復(fù)合法(趙元洪，1991)，劉慶生等采用“主成分分析+比值法+分類+混合像元分解”成功地提取了內(nèi)蒙哈達(dá)門溝金礦區(qū)山前鉀化帶遙感信息(劉慶生，1999)。目前國內(nèi)外學(xué)者主要集中于蝕變信息提取算法研究(荊鳳等，2005)，缺乏對遙感信息結(jié)構(gòu)等內(nèi)在信息機(jī)理研究，本文從回歸偏度和二維散點(diǎn)圖等方面入手對蝕變信息進(jìn)行分析。

針對多光譜遙感蝕變信息提取技術(shù)，主要是以巖石礦物的電磁波特征反射譜帶作為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，從遙感圖像數(shù)據(jù)中提取出礦化蝕變信息(李紅，2010)。本文以新疆哈密市黑山口地區(qū)為研究區(qū)，利用ETM多光譜遙感數(shù)據(jù)，首先通過波段序偶的二維散點(diǎn)圖分析，對背景、干擾和蝕變信息三個(gè)主要對象的光譜空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，檢測蝕變信息的客觀存在性;再應(yīng)用回歸偏度理論，計(jì)算各波段的回歸偏度值，從而優(yōu)選出存在蝕變信息的特征波段;然后采用主成分分析、最優(yōu)密度分割等方法，提取出反映客觀實(shí)際的蝕變信息。

1 研究區(qū)概況

哈密黑山口地區(qū)位于哈密市東南約150 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)94°45'～95°;北緯41°10'～41°20'。區(qū)內(nèi)地形較緩，低山丘陵居多，無常年流水，干溝發(fā)育。

該區(qū)大地構(gòu)造位置處于塔里木板塊與哈薩克斯坦－準(zhǔn)噶爾板塊活動大陸邊緣膠結(jié)帶，中亞造山帶東天山東段。近東西向的黃山斷裂是控制成礦巖體的主要斷裂構(gòu)造，侵入巖為華力西晚期的橄欖巖、蘇長巖、輝石巖、閃長巖等，含鎂鐵－超鎂鐵質(zhì)巖體侵位于下石炭統(tǒng)干洞組，干洞組主要為細(xì)碧巖、砂礫巖、砂礫灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r。該區(qū)的巖體鐵染和礦床圍巖碳酸巖化、綠泥石化強(qiáng)烈。本區(qū)賦礦巖體包含四套巖體組合，主要為含礦橄欖巖－輝長巖組合(傅飄兒，2009)(見圖1)。

銅鎳硫化物礦床賦存于橄欖巖輝長巖和閃長巖組成的鎂鐵－超鎂鐵質(zhì)雜巖體中，含礦巖體巖相發(fā)育完全，橄欖巖相發(fā)育，是鐵鎂－超鐵鎂質(zhì)成礦巖漿作用的典型區(qū)域。

圖1 哈密黑山口地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig．1 Geological sketch map of the Heishankou area in Hami，Xinjiang

2 遙感波段數(shù)據(jù)分析

2．1 遙感數(shù)據(jù)特征

本文選用ETM數(shù)據(jù)。以ETM為代表的Landsat類多光譜遙感數(shù)據(jù)，由于其地面覆蓋范圍寬，空間分辨率、光譜分辨率能滿足1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)信息提取的要求，數(shù)據(jù)形式易于處理，多波段優(yōu)化組合的圖像信息豐富。ETM的各個(gè)波段各自針對著不同的探測對象和探測目的。對于地質(zhì)應(yīng)用而言各個(gè)波段都能提供地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌信息。波段1～4能夠區(qū)分巖石中鐵、錳礦物和含鐵、錳礦物的相對含量，尤其是第4波段對于含三價(jià)鐵的礦物比較敏感，往往借此區(qū)分巖性;第5波段對綠簾石族礦物的特征譜帶敏感;第6波段識別地?zé)岙惓?、巖石和構(gòu)造的含水性，鑒別地質(zhì)構(gòu)造有一定的用途;第7波段對于羥基礦物等具明顯的光譜吸收性。

2．2 光譜空間結(jié)構(gòu)特征分析

光譜數(shù)據(jù)的二維散點(diǎn)圖所包含著豐富的信息:

(1)二維散點(diǎn)圖是兩個(gè)波段的聯(lián)合概率密度分布的幾何表達(dá)，表達(dá)了二維變量數(shù)據(jù)空間的聚類結(jié)構(gòu);

(2)二維散點(diǎn)圖可以作為主成分分析的幾何解釋，其中Pc1為第一主成分軸，Pc2為第二主成分軸。

(3)橫坐標(biāo)表示具有吸收峰的波段，縱坐標(biāo)表示具有反射峰的波段。每個(gè)散點(diǎn)位置坐標(biāo)(bx，by)。坐標(biāo)點(diǎn)位于對角線上方，必定有，反之，對角線下方的點(diǎn)，必定有于對角線上方的點(diǎn)才表示存在蝕變信息。

基于波段序偶的二維散點(diǎn)圖，下面對研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜空間結(jié)構(gòu)幾何特征分析(圖2、圖3)。

圖中箭頭直線表示背景主軸，虛線表示對角線。大氣散射影響地物光譜反射曲線(主要為ETM1、ETM4波段)，由此導(dǎo)致(ETM1、ETM3波段)光譜空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(背景主軸不經(jīng)過原點(diǎn))，大氣散射影響了地物在光譜特征空間中的分布位置，但并不影響典型地物間的空間分布關(guān)系。由于鐵化巖石在ETM1、ETM2或ETM4波段具有吸收帶，而在ETM3波段具有反射峰，那么它在ETM3波段的反射率必定大于其它具有吸收帶的波段(ETM1或ETM2或ETM4波段)，因此，在ETM3、ETM1二維光譜空間中，具有鐵化的巖石散點(diǎn)位于對角線的上方，則可以從圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)意義上判別該研究區(qū)有鐵化信息存在。由于泥化巖石在ETM5為強(qiáng)反射，在ETM7為強(qiáng)吸收，那么它在ETM5、7組合中必然會位于對角線的上方，從統(tǒng)計(jì)意義上可以判斷存在泥化蝕變信息。

黑山口地區(qū)地表主要為裸巖，圖2大的橢圓表示該區(qū)域的巖石背景。圖2中大部分散點(diǎn)位于對角線上方，該區(qū)存在鐵化異常信息的可信度較高。游離于背景橢圓之外的綠線橢圓位于對角線上方，為干擾或蝕變信息，滿足信息提取的基本條件。圖3中對角線與背景主軸幾乎重合，圖像左下角有散點(diǎn)分布在背景大橢圓周邊，遠(yuǎn)離背景橢圓中心，并且存在于對角線上方，可以推斷ETM5、ETM7波段含有泥化蝕變信息。

2．3 回歸偏度分析

對于遙感影像的參數(shù)與圖形分析，本文主要采用序結(jié)構(gòu)分析技術(shù)(張遠(yuǎn)飛，2009，2010)，序結(jié)構(gòu)分析是對序列數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征與變化規(guī)律的研究。ETM七個(gè)波段數(shù)據(jù)可以構(gòu)成波段序列，波段之間的相似性大小主要取決于兩個(gè)波段的相近程度和對地物光譜響應(yīng)的差異程度。波長越相近，則越相似，對地物光譜響應(yīng)差異程度越小則越相似，這種相似性在波段之間是漸變的。回歸偏度分析是序結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的方法之一。回歸偏度計(jì)算是基于兩波段，兩波段回歸散點(diǎn)圖的回歸軸兩側(cè)圖形是不對稱的，回歸偏度值也是對這種不對稱性的數(shù)學(xué)描述。從理論上講，這種兩側(cè)的不對稱性是由于異常信息的存在引起的。由于異常信息存在而得到的回歸偏度值在理論上有正常范圍，且不同地域的回歸偏度值正常范圍不一，不同蝕變類型的回歸偏度值正常范圍也有所不同。若兩個(gè)波段(比如ETM6和ETM7)不相關(guān)，計(jì)算出來的回歸偏度太大，這種大的回歸偏度值就不是因?yàn)楫惓Ｐ畔⒌拇嬖诙鴮?dǎo)致的。

回歸偏度值太高可能是不相關(guān)的體現(xiàn)。

設(shè)有線性回歸方程:

則實(shí)測數(shù)據(jù)中^yi的與回歸值^yi之間的偏差(yi－^yi)的平方和為

n為觀測點(diǎn)數(shù)，Q值改寫成如下形式

Q值稱之為回歸偏度，回歸偏度較大預(yù)示著蝕變信息存在。

2．4 蝕變信息客觀存在性評

對研究區(qū)波段數(shù)據(jù)作回歸偏度分析來選擇信息提取的特征波段，表1為六個(gè)波段的回歸偏度矩陣。ETM6波段屬于熱紅外(10．4～12．5μm)，與其他波段呈負(fù)相關(guān)，所以不對其進(jìn)行回歸偏度分析?；貧w偏度矩陣中，0值表示某波段和自身的回歸偏度。

表1 TM123457波段回歸偏度矩陣Table1 Bands(TM123457)partial regression matrix

ETM3、ETM5、ETM7三波段的回歸偏度較大，此三波段集中了主要光譜信息。由地物波譜的物理機(jī)制可知，ETM1和ETM3是兩個(gè)重要的鐵化蝕變特征波譜帶。ETM3的偏度較大，表明該地區(qū)的三價(jià)鐵離子在該波段存的反射特征很明顯，信息豐富，預(yù)示鐵化信息的存在。ETM3和ETM7的回歸偏度最高。ETM5和ETM7是羥基礦物蝕變特征波譜帶，從圖中可知，ETM5、ETM7這兩個(gè)波段偏度較大，說明它們載荷了較多的泥化信息。本區(qū)的特征波段選擇方案如下:

(1)鐵化蝕變異常信息主要在ETM1、ETM3波段;

(2)泥化蝕變異常信息主要在ETM5、ETM7波段。

3 遙感蝕變信息提取

3．1 主成分分析

多光譜各波段是高度相關(guān)的，相鄰波段相關(guān)系數(shù)更高。因此，要去除一些相關(guān)信息。主成分分析(K－L變換)就是在一定程度上保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，消除數(shù)據(jù)冗余，將相關(guān)的波段轉(zhuǎn)化成不相關(guān)的幾個(gè)主成份。將研究區(qū)數(shù)據(jù)作主成分分析得到:

對ETM1、ETM3、ETM4、ETM5做主成分分析(見表2)。一般而言，含鐵礦物在第1波段波譜具有吸收特性，在第3波段具有反射特性(張建國，2005)。表1中PC1和PC2載荷較多的背景信息。PC3、PC4主分量中ETM1和ETM3中符號相反。PC4中ETM3的絕對值大于PC3，因此可認(rèn)為PC4中載有較高的鐵的反射率，可以看出鐵化異常信息位于第四主分量，最后選擇PC4做最優(yōu)密度分割，提取鐵化信息。同樣選取ETM1、ETM4、ETM5、ETM7做主成分分析(見表3)，PC1和PC2載荷較多的背景信息。PC4中ETM5、ETM7波段符號相反，反射大于吸收，對PC4做最優(yōu)密度分割提取泥化蝕變信息。

表2 1、3、4、5波段主成分分析表Table2 Principal component analysis for bands 1，3，4，and 5

表3 1、4、5、7波段主成分分析表Table3 Principal component analysis for bands 1，4，5，and 7

3．2 最優(yōu)密度分割

最優(yōu)密度分割方法是將數(shù)學(xué)地質(zhì)中有序地質(zhì)量的最優(yōu)分割法引入到遙感圖像的彩色密度分割中，并加以變化改進(jìn)(吳德文，2002)。密度分割是遙感信息分級的主要方法之一，該方法類似于多級閾值法，即根據(jù)圖像的灰度值及其概率分布(直方圖)特征選擇幾個(gè)分割點(diǎn)，將灰度值分成幾個(gè)級別，分別代表不同的地物覆蓋類型(張遠(yuǎn)飛，2010)。

對主成分分析的PC4做最優(yōu)密度分割。當(dāng)分割段數(shù)達(dá)到12后，曲線趨于平衡，因此選12為合理分割段數(shù)，最優(yōu)12段分割區(qū)間。分析對比認(rèn)為第1、2、3分割段為鐵化蝕變信息異常區(qū)，分別賦予紅綠藍(lán)三種顏色，該灰度段以外的灰度級作為背景處理，為消除噪聲影響對其進(jìn)行平滑濾波，而后將提取的鐵化信息與ETM1、ETM2、ETM3波段圖像進(jìn)行疊加，得到圖4、圖5鐵化、泥化蝕變結(jié)果。

4 野外實(shí)測光譜驗(yàn)證

設(shè)計(jì)13條穿越工作區(qū)地層的主干剖面線，采集野外巖石標(biāo)本，利用美國ASD(350－2500nm)光譜儀對標(biāo)本巖石進(jìn)行光譜測試。根據(jù)常見礦物的近紅外吸收特征，400～1100nm為Fe吸收譜帶，2300～2500nm為含羥基和碳酸鹽礦物的特征譜帶(童慶禧等，1999;甘甫平，2003)。

在圖4和圖5鐵化、泥化蝕變區(qū)里實(shí)測的光譜曲線中絕大部分都存在光譜特征吸收，樣品也有相應(yīng)的礦化蝕變。本區(qū)的鐵化蝕變主要在北部鉀質(zhì)花崗巖和東南方向的侵入巖體中心部位(肉紅色黑云母花崗巖)，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈;干溝里也存在鐵化蝕變。結(jié)合野外光譜測試，提取的鐵化蝕變區(qū)主要發(fā)生鐵染，地表未見黃鐵礦化，干溝中的洪積物含有鐵離子。該區(qū)鐵化對成礦作用意義不大。該區(qū)泥化蝕變主要有綠泥石化、蛇紋石化、綠簾石化、碳酸巖化，偶見滑石化，并沿黃山斷裂帶分布，提取的泥化蝕變信息與實(shí)際情況相符。在南部的大巖體周邊，靠近斷裂帶處有綠泥石化蝕變分布，熱液活動強(qiáng)烈;東部的花崗巖見有泥化，酸性巖體的泥化蝕變對銅鎳硫化物礦床成礦意義不大;北部的硅質(zhì)凝灰?guī)r泥化蝕變也比較強(qiáng)烈，成片狀分布;礦床附近的灰色閃長巖和輝長巖見有蛇紋石化、綠泥石化，對成礦有利。本次所提取的蝕變信息與實(shí)測蝕變區(qū)吻合性好。

5 結(jié)論

本文基于回歸偏度理論對蝕變信息客觀存在性進(jìn)行評估，準(zhǔn)確地鎖定含蝕變信息的波段，對含蝕變信息波段做主成分分析，最終利用最優(yōu)密度分割法提取出蝕變信息。

(1)在波段序結(jié)構(gòu)理論指導(dǎo)下，通過回歸偏度分析來理解光譜特征信息，這對遙感蝕變信息提取具有重要意義。通過回歸偏度分析確定蝕變信息潛在波段，對蝕變信息提取工作具有較高的實(shí)用價(jià)值。

(2)光譜曲線顯示的波譜反射吸收特征與主成分分析中的特征向量矩陣表示的蝕變信息機(jī)理存在一致性，將實(shí)測光譜數(shù)據(jù)與蝕變信息提取結(jié)果對比，吻合性好。

(3)超鐵鎂質(zhì)巖體的礦化蝕變與銅鎳硫化物礦床成礦關(guān)系密切，次級斷裂帶為熱液上升提供通道，位于次級斷裂構(gòu)造帶上的輝長巖泥化蝕變對成礦有利。在以后工作中應(yīng)該注意次級斷裂構(gòu)造帶上鐵鎂質(zhì)巖體的蛇紋石化、綠泥石化、碳酸巖化信息。

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Selection of Characteristic Bands in Alteration Information Extraction from Remote Sensing Images for the Heishankouyong Area，Hami，Xinjiang

DUAN Zong－en1，2，ZHU Gu－chang1，2，ZHANG Si－ying1，JI Xiang－yong1，WEI Han－tao1，ZHU Li－li1
(1．Centre South University，Changsha，Hunan410083; 2．China Non－ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing100012)

Selection of characteristic bands is a critical process for extracting mineral alteration information from remote sensing images．Taking the Heishankou area in Hami of Xinjiang as an example，we make geometric structural analysis of spectral data space and use ETM data to study the partial regression of the 7 ETM bands，and to evaluate mineral alteration information from these data．Then we select the characteristic bands for varied alteration types to extract alteration information，and use the principal component analysis method and the optimal density separation method to extract mineral alteration information．Field geological survey and spectral measurements prove that the extracted alteration information is consistent with the real situation，indicating the ideal result of this method．And this work suggests that the mineralized alteration–bearing ferruginous rock bodies on the secondary fault zone shows a good prospecting potential．

remote sensing alteration information，planar scatter plot，partial regression，characteristic band，Heishankou

book=7,ebook=228

P627

A

0495－5331(2012)04－0823－6

2011－12－30;

2012－03－20;［責(zé)任編輯］郝情情。

國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(編號:2006AA06Z112)資助。

段宗恩(1988年—)，男，黃岡市人，中南大學(xué)，在讀碩士研究生，主要從事GIS和RS的應(yīng)用研究。E－mail:dze2008@163．com。