多光譜數(shù)據(jù)礦化蝕變信息提取研究

胡 濱，何政偉，張佳佳，何雅楓，鮮 華

（1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059；2.國土資源部國土資源信息技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室,四川 成都 610059）

礦化蝕變巖石信息是重要的找礦標(biāo)志，圍巖蝕變是巖漿熱液或汽水熱液使圍巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和化學(xué)成分改變的地質(zhì)作用。常見的圍巖蝕變類型有硅化、絹云母化、粘土化、褐鐵礦化、黃鐵礦化、矽卡巖化和碳酸鹽化等。近礦圍巖蝕變是成礦物質(zhì)逐步富集成礦過程中留下的印跡，絕大多數(shù)巖漿生成的礦床都伴隨有其圍巖的交代蝕變現(xiàn)象，而且蝕變帶范圍大于礦體分布的范圍數(shù)倍至數(shù)十倍[1]。圍巖蝕變的種類（組合）與圍巖成分、礦床類型有一定的內(nèi)在聯(lián)系，不同的蝕變類型與金屬礦化在空間分布上常有規(guī)律可循[2]。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外專家對多光譜蝕變信息在不同地質(zhì)和成礦背景的成礦區(qū)帶中的提取提出了不同的方法。文中對各類方法進(jìn)行了總結(jié)，以雄村礦區(qū)為例，對各種方法進(jìn)行了提取探究，并對提取結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 礦化蝕變信息提取方法概述

1977年Abrams等人基于蝕變巖石波譜特征分析，提出利用波段比值法對內(nèi)華達(dá)州的褐鐵礦蝕變巖石進(jìn)行填圖[3]。1984年Ambrams利用TM數(shù)據(jù)根據(jù)波段比值加主成分分析的方法來提取斑巖銅礦的圍巖蝕變信息[4]。1991年趙元洪等利用波段比值的主成分復(fù)合法在有植被覆蓋的濕潤亞熱帶火山巖區(qū)進(jìn)行了提取礦化蝕變信息的研究[5]。1997年馬建文利用TM數(shù)據(jù)掩膜+主成分變換方法在遼寧二道溝金礦提取三價鐵蝕變火山碎屑巖信息指導(dǎo)礦山外圍找礦[6]。2002年Timothy等采用TM數(shù)據(jù)的5/7,5/1,5/4的假彩色合成方法在阿拉伯-努比亞地盾地區(qū)提取金礦的蝕變信息[7]。2003年張玉君對ETM+(TM)數(shù)據(jù)遙感異常提取做了系統(tǒng)的研究，提出了以尋找大型、特大型礦為目的的遙感異?！斑b感掃面”工作方法應(yīng)以主成分分析為主，以光譜角法為輔的思路[8]。毛曉長等基于地物波譜分析，根據(jù)ETM+和ASTER數(shù)據(jù)的波譜特征，采用主成分分析，設(shè)計并成功提取了粘土礦化蝕變信息[9]。2008年呂鳳軍總結(jié)了主成分分析、光譜角法、混合像元分解法、高植被覆蓋區(qū)礦化蝕變信息提取等，并對多光譜數(shù)據(jù)蝕變信息提取的發(fā)展前景提出了設(shè)想[10]。Barnaby W.Rockwell等對ASTER數(shù)據(jù)的可見光到短波近紅外波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對裸露的粘土、云母、碳酸鹽進(jìn)行了礦物填圖，并利用ASTER熱紅外數(shù)據(jù)識別出石英以及碳酸鹽礦物[11]。2010年Enton Bedini采用Hymap航空高光譜數(shù)據(jù)和ASTER衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)在格陵蘭地區(qū)進(jìn)行了巖礦填圖工作，發(fā)現(xiàn)了1處在地質(zhì)圖上未顯示的大規(guī)模酸性火山巖。研究表明，遙感技術(shù)在格陵蘭地區(qū)的地質(zhì)研究具有很大的潛力[12]。

2 主要礦化蝕變信息提取方法

2.1 主成分分析法

主成分分析是在對多波段圖像進(jìn)行特征統(tǒng)計基礎(chǔ)上的多維正交線性變換。其本質(zhì)是對多光譜空間的坐標(biāo)系按一定規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn), 從而達(dá)到去除相關(guān)、進(jìn)行特征提取和數(shù)據(jù)壓縮的目的。主成分分析法也是遙感蝕變信息提取中應(yīng)用較早的方法之一，且到目前為止其應(yīng)用也比較廣泛，并日漸成熟[13]。主成分分析利用波段之間的相互關(guān)系，在盡可能不丟失信息的同時，用幾個綜合性波段代表多波段的原圖像，使處理的數(shù)據(jù)量減少。

2.2 比值分析法

波段比值處理是將一個光譜波段中的灰度值與另一個波段圖像中對應(yīng)像元灰度值相除, 比值的結(jié)果反映了地物波譜曲線變化的斜率,從而增強(qiáng)了地物波譜特征的微小差異[13]。原始值的高低不直接左右比值的大小，也就是說,高低值均可有同樣的比值,低值區(qū)異常不可避免,這就使得比值結(jié)果中包含了大量假異常(如陰影區(qū)、水域等)。差和比值法是一種非線性處理方法,該方法對高值區(qū)壓縮,對低值區(qū)拉伸,這對于提取高值區(qū)異常不利。雖然經(jīng)數(shù)據(jù)截取所做比值對低值區(qū)異常有所抑制,但并不能從根本上改變以上比值法的2個弱點,故在選擇遙感異常提取方法時,只能將比值法結(jié)果作為參考[8]。

2.3 光譜角度匹配法

光譜角度匹配是一種光譜匹配技術(shù)，是對巖石進(jìn)行波譜形態(tài)識別的主要方法之一。以實驗室測量的標(biāo)準(zhǔn)光譜或從圖像上提取的已知點的平均光譜為參考，求算圖像中的每個像元矢量（將像元n個波段的光譜響應(yīng)作為n維空間的矢量）與參考光譜矢量之間的廣義夾角。在實際應(yīng)用中往往從圖像中選取已知類型的區(qū)域，以其平均光譜作為樣本中心進(jìn)行分類。該法壓縮了圖像光譜信息，提高了圖像分類算法效率，同時對圖像的增益不敏感，便于圖像光譜與地物測量光譜的比較匹配[14]。

2.4 混合像元分解

當(dāng)不同波譜屬性的物質(zhì)出現(xiàn)在同一像素內(nèi)時就會出現(xiàn)波譜混合現(xiàn)象，即混合像元。MTMF是混合調(diào)制技術(shù)和匹配濾波技術(shù)方法的綜合，是一流信號處理方法同線性混合理論相結(jié)合的產(chǎn)物。它綜合了匹配濾波不需要其他背景端元光譜的優(yōu)點和混合調(diào)制技術(shù)中像元中各端元的含量為正且總和為1的約束條件?；旌险{(diào)制技術(shù)使用了線性波譜混合理論來限制可行性混合的結(jié)果并減少虛假信號出現(xiàn)的概率[15]。

3 實例分析

本文以西藏雄村礦區(qū)為例，采用ASTER數(shù)據(jù)，研究不同的方法在該礦區(qū)圍巖蝕變信息提取上的應(yīng)用。研究區(qū)位于西藏特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域南部，屬岡底斯-念青唐古拉陸殼地體基礎(chǔ)上發(fā)育的晚燕山期-早喜馬拉雅期陸緣火山-巖漿弧的東段南緣,巖漿弧與昂仁-日喀則中-新生代弧前盆地轉(zhuǎn)換部位。研究區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，火山活動強(qiáng)烈。多期次的巖漿疊加活動，為本區(qū)礦提供了充分的熱源[16]。雄村礦區(qū)巖石多已發(fā)生強(qiáng)烈蝕變, 主要蝕變類型有黑云母化、鉀長石化、 白云母化、 絹英巖化、硅化、綠泥石化、 粘土化(高嶺石化)、 脈狀碳酸鹽(方解石和菱鐵礦)化、重晶石化等；此外, 還有鈉長石化、黝簾石化、石榴石(錳鋁榴石)化、透輝石化、陽起石化、紅柱石化和堇青石化。雄村礦區(qū)蝕變類型復(fù)雜且多期疊加, 其中蝕變最為強(qiáng)烈且與銅-金礦化關(guān)系最為密切的蝕變類型為絹英巖化、 硅化、綠泥石化和粘土化(高嶺石化)[17]。綠泥石化是一種中、低溫?zé)嵋褐匾Ｒ姷奈g變作用，與綠泥石化有關(guān)的主要是銅、鉛、鋅、金、銀、錫和黃鐵礦礦床等。綠泥石化常分布于斑巖銅礦蝕變帶的外部，可作為尋找斑巖銅礦的有效標(biāo)志。首先采用ENVI對ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行FLAASH大氣校正，然后進(jìn)行掩膜操作去掉陰影、云、雪、冰的影響，再分別采用不同的提取方法最終得到綠泥石化變信息異常圖，如圖1～圖4所示。

圖1 SAM法所得綠泥石化蝕變異常圖

圖2 PCA法所得綠泥石化蝕變異常分級圖

圖3 混合像元法所得綠泥石化蝕變異常圖

圖4 比值法所得綠泥石化蝕變異常圖

通過研究成果可知，主成分分析法與光譜角度匹配法所得蝕變信息在遙感影像上呈塊狀分布，且相互之間的地理位置對應(yīng)情況很好。利用比值法所得的異常信息分布范圍明顯較大，這與該方法的缺陷有著密不可分的關(guān)系?；旌舷裨纸夥ㄋ玫漠惓Ｐ畔⑿Ч畈睿@與ASTER數(shù)據(jù)的波譜分辨率有關(guān)。綜上所述，在ASTER數(shù)據(jù)的礦化蝕變信息提取方法中以主成分分析法與光譜角法為最佳。

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