相山鈾礦田航空能譜數(shù)據(jù)圖像處理與分析

張士紅， 林子瑜

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西撫州 344000)

相山鈾礦田航空能譜數(shù)據(jù)圖像處理與分析

張士紅， 林子瑜

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西撫州 344000)

航空γ能譜測(cè)量是一種快速、有效的鈾礦地質(zhì)普查和找礦的手段。以相山鈾礦田為例，利用ArcGIS、ERDAS IMAGINE軟件平臺(tái)，將光學(xué)色彩空間變化方法——孟賽爾變換等數(shù)字圖像處理技術(shù)引入航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理中，獲得了一套有關(guān)相山火山盆地放射總場(chǎng)強(qiáng)度、放射場(chǎng)類型和放射場(chǎng)純度等特征性能譜信息。這一新的能譜數(shù)據(jù)處理思路和技術(shù)，為相山鈾礦田地質(zhì)勘查提供了新的線索。

航空伽瑪能譜;相山;鈾礦;孟賽爾變換

張士紅，林子瑜.2012.相山鈾礦田航空能譜數(shù)據(jù)圖像處理與分析［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，35(2):124-128.

Zhang Shi-hong，Lin Zi-yu.2012.Image processing and analysis of airborne gamma spectrum in xiangshan uranium ore-field［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(2):124-128.

航空γ能譜測(cè)量是一種快速、有效的地質(zhì)普查和找礦手段。我國(guó)航空γ能譜測(cè)量主要用于鈾礦資源的普查，選區(qū)勘查，對(duì)大區(qū)域范圍鈾礦資源勘查遠(yuǎn)景區(qū)的評(píng)價(jià)，以及利用礦床產(chǎn)生的放射性組合變量異常(包括鈾、釷、鉀等含量及其比值或相應(yīng)判別數(shù)理方程等數(shù)據(jù))對(duì)勘探靶區(qū)的圈定等(程業(yè)勛，2002)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，通過航空放射性測(cè)量直接發(fā)現(xiàn)的鈾礦床占全國(guó)鈾礦床總數(shù)量的1/3，其中我國(guó)目前最大的火山巖型鈾礦——相山鈾礦田就是通過航空放射性測(cè)量發(fā)現(xiàn)的。

相山火山盆地是我國(guó)火山巖型鈾礦的重要產(chǎn)地，自1950年代末就在該地區(qū)開展大量的地質(zhì)普查、勘探及科研工作。近年來，針對(duì)該火山盆地深部鈾資源的研究和勘查取得了顯著進(jìn)展，在一些勘探程度很高的地段探獲了一些新的富大鈾礦體，同時(shí)對(duì)一些基礎(chǔ)地質(zhì)問題提出了新的認(rèn)識(shí)。這些新進(jìn)展表明，相山地區(qū)不僅仍然具有很好的鈾資源勘查前景，地質(zhì)認(rèn)識(shí)也具有進(jìn)一步深化的空間。

1 相山鈾礦田區(qū)域地質(zhì)概況

相山鈾礦田位于贛-杭構(gòu)造火山型鈾成礦帶西南段相山火山塌陷盆地之中，該構(gòu)造帶處于揚(yáng)子板塊與華南板塊縫合線上。

相山火山塌陷盆地總面積近300 km2，由上侏羅統(tǒng)打鼓頂組和鵝湖嶺組酸性、中酸性火山熔巖、火山碎屑巖以及陸相沉積碎屑巖等組成。盆地基底主要為震旦系千枚巖和片巖;其次是下石炭統(tǒng)華山嶺組變質(zhì)石英砂巖、含云母暗紫色細(xì)砂巖和粉砂巖，上三疊統(tǒng)安源組粗、細(xì)粒石英砂巖、含燧石礫的石英砂巖類、碳質(zhì)頁巖、砂頁巖、含碳質(zhì)砂巖及煤線等。盆地西北緣出露白堊系南雄組磚紅色夾雜色的粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖沉積層(圖1)。

2 相山鈾礦田航空γ能譜數(shù)據(jù)處理

2.1 航空γ能譜數(shù)據(jù)存在的問題與解決方案

本次研究收集到的航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)包括96條航線、31 136個(gè)測(cè)點(diǎn)，航線距離一般約為450 m，測(cè)點(diǎn)距離一般約為50 m。通過對(duì)航空γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像可視化分析，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)存在一些問題:有些航線測(cè)量數(shù)據(jù)與其兩側(cè)相鄰航線測(cè)量數(shù)據(jù)之間明顯不協(xié)調(diào)，甚至有些在空間上重疊的兩條航線也存在同樣的問題，如40與41線、51與52線，此處將29，30，31，39，41，44，45，46，47，49，51，52 共12條航線數(shù)據(jù)剔除，剩下84條航線數(shù)據(jù)進(jìn)入下一步圖像處理過程。

圖1 相山鈾礦田地質(zhì)簡(jiǎn)圖(黃錫強(qiáng)，2007)Fig.1 Geological sketch of Xiangshan uranium ore-field

2.2 柵格化處理

航空γ能譜數(shù)據(jù)是在空間上不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)本身不便于在圖像處理，也不便在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行有效的可視化處理與分析，更不能夠與其它地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，為此需要將其插值成柵格數(shù)據(jù)(劉德長(zhǎng)，1997)。

本次研究中，通過三種插值方法(反距離權(quán)重法、克里金法、樣條法)的對(duì)比，最終采用張力樣條法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，形成10 m×10 m的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，此種方法能夠相對(duì)較好地消除插值圖像中規(guī)則(即不自然)的條帶，將航線影響減到最小。

張力樣條法是根據(jù)模擬現(xiàn)象的特征來調(diào)整表面的硬度，張力的權(quán)重越高，表面越粗糙，而選擇的樣本點(diǎn)越多，受較遠(yuǎn)樣本點(diǎn)的影響越大，擬合的表面越光滑。綜合所獲取的能譜數(shù)據(jù)以及研究的區(qū)域特征，將插值具體參數(shù)設(shè)置為張力權(quán)重1，樣本點(diǎn)數(shù)目100。

2.3 異常值處理

統(tǒng)計(jì)學(xué)上，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布情況下，根據(jù)小概率事件的原理，將偏差超出合理誤差限(兩倍或三倍標(biāo)準(zhǔn)差)的值，判為異常值(鄧勃，1995)，它的存在會(huì)對(duì)分析結(jié)果(平均值與標(biāo)準(zhǔn)差)產(chǎn)生重要影響，正確處理異常值是保證原始數(shù)據(jù)可靠性、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算準(zhǔn)確性的前提。

由于放射性測(cè)量的觀測(cè)值，是由大量的、獨(dú)立的隨機(jī)因素之和構(gòu)成的，一般認(rèn)為這些因素對(duì)觀測(cè)值的影響是均勻的、非突變的，所以能譜測(cè)量的觀測(cè)值是符合概率論“中心極值定量”條件的，服從正態(tài)分布。因此，可以采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。常用的異常值處理方法包括拉依達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、迪克遜準(zhǔn)則和肖維勒準(zhǔn)則，此處采用拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)極值進(jìn)行處理。

拉依達(dá)準(zhǔn)則異常值的判定標(biāo)準(zhǔn)是:如果離群值Xd與測(cè)定平均值之差的絕對(duì)值大于3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，即

則可以認(rèn)為該離群值Xd為異常值，應(yīng)從該組分析數(shù)據(jù)中舍棄。

2.4 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化也就是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的指數(shù)化，是將數(shù)據(jù)按比例縮放，使之落入一個(gè)小的特定區(qū)間的過程。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理主要包括數(shù)據(jù)同趨化處理和無量綱化處理兩個(gè)方面。數(shù)據(jù)同趨化處理主要解決不同性質(zhì)數(shù)據(jù)問題，對(duì)不同性質(zhì)指標(biāo)直接加總不能正確反映不同作用力的綜合結(jié)果，須先考慮改變逆指標(biāo)數(shù)據(jù)性質(zhì)，使所有指標(biāo)對(duì)測(cè)評(píng)方案的作用力同趨化，再加總才能得出正確結(jié)果。數(shù)據(jù)無量綱化處理主要解決數(shù)據(jù)的可比性，即各指標(biāo)值都處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)別上，可以進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)分析，便于不同單位或量級(jí)的指標(biāo)能夠進(jìn)行比較和加權(quán)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果是用統(tǒng)一元素視含量來代替實(shí)際分析值，既保證了后續(xù)處理的便捷，又能凸現(xiàn)出物理量的本質(zhì)含義。

(1)物探領(lǐng)域航空γ能譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的算法為:

其中，aUij為i行j列像元?dú)w一化鈾值，Uij為i行j列像元鈾值，MU為全區(qū)鈾均值。釷和鉀的計(jì)算方法與之相同。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)增加了不同背景值元素含量的可比性。

顯然，以MU為背景值，像元值大于1的為區(qū)域中相對(duì)高場(chǎng)區(qū)，反之為低場(chǎng)區(qū)。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于放射性核素性質(zhì)不同，造成地質(zhì)體中原始含量差異，為了能夠同時(shí)將元素參與評(píng)價(jià)計(jì)算，需要對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化處理，通過函數(shù)變換將其數(shù)值映射到某個(gè)數(shù)值區(qū)間。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法有很多種，常用的有“最小—最大標(biāo)準(zhǔn)化”、“Z-score標(biāo)準(zhǔn)化”和“按小數(shù)定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化”等。此處采用“最小—最大標(biāo)準(zhǔn)化”方法，使亮度值落到［0，1］區(qū)間，計(jì)算公式為:

其中xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值，xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

2.5 彩色合成與孟賽爾(IHS)變換

RGB色彩空間是影像可視化分析過程中一種常用的描述方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)要素的同步觀察和分析。但是為了圖像處理的目的，有時(shí)需要在RGB和IHS這兩種彩色坐標(biāo)間進(jìn)行變換，因?yàn)橛行┨幚碓谀硞€(gè)彩色系統(tǒng)中可能更方便些。孟賽爾變換可以通過一定的算法(Sabins，1987)將一幅含RGB圖像分離成表征地表空間信息的亮度和表征光譜信息的色度與飽和度三個(gè)成分，并且相互獨(dú)立，可以很好地實(shí)現(xiàn)能譜間去相關(guān)(John，2004)。

將光譜信息的孟賽爾變換(IHS)方法引入到能譜數(shù)據(jù)處理中，得到航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)三個(gè)分量信息，分別代表放射總場(chǎng)強(qiáng)度(I)、放射場(chǎng)類型(H)和放射場(chǎng)純度(S)。

3 相山鈾礦田放射場(chǎng)異常特征

圖2顯示相山火山盆地內(nèi)部與外圍震旦前寒武紀(jì)地層鈾放射場(chǎng)特征差異明顯，盆地內(nèi)部總體呈高場(chǎng)-偏高場(chǎng)，中間穿插兩個(gè)北東向條帶狀低值區(qū)，而盆地外圍總體為低場(chǎng)區(qū)。盆地內(nèi)部鈾分布亦不均勻，其中高場(chǎng)區(qū)沿盆緣西部、南部和東部呈不連續(xù)環(huán)狀分布，盆地中部為偏高場(chǎng)區(qū)，北部是相對(duì)低值區(qū)。西部礦床包括鄒家山、居隆庵、石洞等位于高場(chǎng)、偏高場(chǎng)向低場(chǎng)過渡地帶;北部礦床和東部云際礦床位于高低場(chǎng)過渡區(qū)。

盆地外圍為低場(chǎng)區(qū)，盆地北部和東部為高場(chǎng)區(qū)，西部為偏高場(chǎng)區(qū)，而中部和南部則為偏高場(chǎng)和低場(chǎng)區(qū)混雜，礦床主體位于高場(chǎng)區(qū)(圖3)。

盆地整體為高場(chǎng)區(qū)，中間穿插兩個(gè)北東向條帶狀低值區(qū)。而盆地外緣則是低值區(qū)。西部礦區(qū)位于高值區(qū);北部礦區(qū)包括巴泉、沙洲以及北部云際礦床均位于高低值過渡帶(圖4)。航空伽瑪能譜孟賽爾變換I分量代表放射場(chǎng)總強(qiáng)度，從圖5可以看出相山火山盆地呈現(xiàn)總場(chǎng)高值特征，盆地外圍為低值區(qū)。西部礦床包括鄒家山、居隆庵、石洞位于高場(chǎng)、偏高場(chǎng)向低場(chǎng)過渡地帶;北部礦床和東部云際礦床則位于高低場(chǎng)過渡區(qū)。

航空伽瑪能譜孟賽爾變換H分量(圖6)展示的是各放射場(chǎng)協(xié)同作用的結(jié)果，其中盆地南部為釷、鈾釷場(chǎng)混合場(chǎng)區(qū)，中部、西部為鈾、鈾鉀混合場(chǎng)區(qū)，北部邊緣為鉀場(chǎng)區(qū)，盆地東部鈾、鉀場(chǎng)混雜。西部礦床位于鈾和鈾鉀混合場(chǎng)的過渡位置，北部礦區(qū)分量場(chǎng)純度，火山盆地放射場(chǎng)特征呈扇葉狀分布，盆地北部為連續(xù)分布的高值區(qū)，已知礦床也都分布在這一區(qū)域內(nèi)，盆地南部則為高低值混合區(qū)。

4 結(jié)論

(1)本文采用張力樣條法對(duì)離散的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，極大的消弱了航線對(duì)插值結(jié)果的影響，為數(shù)據(jù)的可視化處理與分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

(2)將光學(xué)色彩空間變換中的孟賽爾變換(IHS)技術(shù)引入到航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理中，得到了代表放射總場(chǎng)強(qiáng)度I、放射場(chǎng)類型H和放射場(chǎng)純度S三個(gè)分量，使相山火山盆地的能譜異場(chǎng)特征清晰地呈現(xiàn)出來。

(3)通過一系列的數(shù)據(jù)處理工作，展現(xiàn)出了鈾、釷和鉀三種放射性元素分布的分區(qū)性特征，結(jié)合鈾成礦機(jī)理及其它地質(zhì)信息，可能會(huì)對(duì)進(jìn)一步的鈾礦勘查具有重要意義。

程業(yè)勛.2002.我國(guó)核地球物理的發(fā)展與展望［J］.物探與化探，26(4):247-249.

鄧勃.1995.關(guān)于異常值的檢驗(yàn)與處理［J］.大學(xué)化學(xué)，10(4):5-9.

黃錫強(qiáng).2007.江西相山鈾礦田熱液蝕變特征及成礦物理化學(xué)條件分析［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院.

劉德長(zhǎng)，何建國(guó)，歐陽浩.1997.航天遙感圖像應(yīng)用途徑的新擴(kuò)展——光-能譜復(fù)合集成圖像在鈾資源勘查中的應(yīng)用［J］.北京地質(zhì)，3:11-16.

John R.Jensen.2004.Introductory Digital Image Processing(3rd Edition)［M］.Prentice Hall.

Image Processing and Analysis of Airborne Gamma Spectrum in Xiangshan Uranium Ore-field

ZHANG Shi-hong， LIN Zi-yu
(Faculty of Earth Sciences，East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China)

Airborne gamma spectrum survey is an efficient method for uranium deposit exploration.Based on Arc-GIS，ERDAS IMAGINE software platform，this paper takes digital image processing technique including Munsell transform into airborne gamma spectral data processing，and obtains a suit of characteristic spectral massages in Xiangshan volcanic basin，which contain the total radioactive intensity，radioactive types and radioactive purity.Those result provide some new ideas to the prospecting of uranium resource in Xiangshan area.

airborne gamma spectrum;Xiangshan;uranium deposit;munsell transform

P612.14

A

1674-3504(2012)02-0124-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.02.004

2012-01-10 責(zé)任編輯:吳信民

張士紅(1987—)，女，碩士，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)資源GIS的科研工作。E-mail:yx_323@163.com