WorldView－2高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在西昆侖塔什庫爾干地區(qū)遙感地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

王曉鵬，楊志強(qiáng)，康高峰，王俊峰，金謀順

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.中煤航測(cè)遙感局，西安 710054）

1 WorldView－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征

WorldView－2衛(wèi)星能提供獨(dú)有的8波段高清晰商業(yè)衛(wèi)星影像，除了4個(gè)常見的波段（藍(lán)色波段：450～510；綠色波段：510～580；紅色波段：630～690；近紅外線波段：770～895）外，還能提供以下新的彩色波段的分析：①海岸波段（400～450）：支持植物鑒定和分析，也支持基于葉綠素和滲水的規(guī)格參數(shù)表的深海探測(cè)研究；②黃色波段（585～625）：即yellowness特征指標(biāo)，是重要的植物應(yīng)用波段；③紅色邊緣波段（7 055～745）：輔助分析有關(guān)植物生長情況，可以直接反映出植物健康狀況有關(guān)信息；④近紅外2波段（860～1 040）：部分重疊在NIR 1波段上，但較少受到大氣層的影響，該波段支持植物分析和單位面積內(nèi)生物數(shù)量的研究［1］。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

塔什庫爾干塔吉克自治縣位于昆侖山系西段，地跨帕米爾高原和喀喇昆侖山脈，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動(dòng)較頻繁，成礦地質(zhì)構(gòu)造條件優(yōu)越，區(qū)域上為西昆侖成礦帶［2］。區(qū)內(nèi)以黑色金屬、有色金屬礦為主，已發(fā)現(xiàn)鐵、銅、鉛、鋅、鉬等礦（化）點(diǎn)13處，其中有鐵礦點(diǎn)3處、銅礦點(diǎn)3處、銅鉬礦點(diǎn)2處、銅鉛鋅礦點(diǎn)1處、石膏礦點(diǎn)1處、水晶礦點(diǎn)1處、綠柱石礦點(diǎn)1處、方鈉石礦點(diǎn)1處。礦床主要類型有：①沉積型：礦種為石膏礦；②沉積變質(zhì)型：礦種為磁鐵礦；③巖漿型：礦種為方鈉石礦；④熱液型：元素組合為Cu－Pb－Zn－Fe等。成礦作用在時(shí)間演化上具有多期性，其中加里東期是主要的成礦期，華力西期是次要成礦期［3－4］。

3 波段組合

合理的波段組合可以反映很豐富的信息，波段的組合一般遵循2個(gè)原則：一是波段輻射量的方差應(yīng)盡可能大，因?yàn)榉讲畹拇笮◇w現(xiàn)所含信息量的多少，方差越大波段所包含的信息量越大；二是波段組合之間的相關(guān)性要小，波段之間相關(guān)性很強(qiáng)時(shí)，各波段所包含的信息之間有可能出現(xiàn)大量的重復(fù)和冗余。最佳指數(shù)（OIF）能較好地反映這兩個(gè)原則［5－6］。理論依據(jù)是：圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差越大，所包含的信息量也越多；而波段的相關(guān)系數(shù)越小，表明各波段的圖像數(shù)據(jù)獨(dú)立性也就越高，信息的冗余度也就越小。通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)WorldView－2數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳指數(shù)計(jì)算，最佳指數(shù)較大的有8－4－3組合、7－4－3組合、8－4－1組合，其中8－4－3組合最大，所含信息量最豐富（表1）。

4 巖性及構(gòu)造信息的增強(qiáng)與解譯

巖性信息增強(qiáng)處理的目的是，通過特征圖像處理方法的選擇來實(shí)現(xiàn)對(duì)某種巖石類型或類型組合的增強(qiáng)顯示，在巖性構(gòu)造信息解譯時(shí)更易于區(qū)分。其應(yīng)用原理主要依據(jù)不同性質(zhì)的巖石因其礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖石表面結(jié)構(gòu)、覆蓋物成分、含水性以及地域環(huán)境上的差異，通過多波段遙感數(shù)據(jù)的波譜和紋理信息規(guī)律來實(shí)現(xiàn)。

4.1 波段組合變換方法識(shí)別巖性信息

WorldView－2多波段圖像可通過一系列組合代數(shù)運(yùn)算達(dá)到增強(qiáng)巖性信息的目的。如通過World－View－2數(shù)據(jù)band 8，band 4／band 1，band 5／band 3的組合，可以識(shí)別閃長巖、大理巖、片巖等多套巖性，突出巖性之間的界線（圖1）。

4.2 主成分變換信息分解技術(shù)識(shí)別巖性信息

主成分分析旨在去除波段之間的多余信息，將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效地少數(shù)幾個(gè)轉(zhuǎn)換波段。基于主成分的信息分解技術(shù)是增強(qiáng)地質(zhì)巖性弱信息的一種常見方法。步驟為：①主成分正變換：對(duì)多波段圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，計(jì)算均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、波段之間的相關(guān)系數(shù)，協(xié)方差矩陣；求出特征值、特征向量；進(jìn)行主成分正變換；②線性增強(qiáng)：對(duì)主成分變換的圖像進(jìn)行線性拉伸，提高不同信息之間的反差；③主成分逆變換：將增強(qiáng)后的主成分變換圖像進(jìn)行逆變換，還原至波段相關(guān)性小、信息量豐富的圖像。

表1 不同波段組合的最佳指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 OIF results of different bands combination

圖1 比值法巖性增強(qiáng)Fig.1 Diagram showing lithology enhancement of band ratio method

圖2 主成分分析巖性增強(qiáng)效果Fig.2 Diagram showing lithology enhancement of principal component

采用5－3－2主成分變換信息分解和6－8－1主成分變換信息分解，將兩者結(jié)果進(jìn)行融合得到新圖像，既包含8個(gè)波段信息，又使得不同波段相關(guān)性較小，增強(qiáng)了不同巖性之間的反差。圖2a中黑色的黑云石英片巖與白色花崗巖體界線明顯，在黑云石英片巖中有巖脈侵入。圖2b為一套片巖相的變質(zhì)巖，片理清晰，不同片巖因所含石英、云母、長石等礦物含量不同而呈現(xiàn)不同的色調(diào)，明暗程度亦不相同，其中夾一套呈橘紅色的鐵礦化帶。

4.3 礦化帶及礦體解譯

以吉爾鐵克溝為例，溝谷上游鐵礦礦化蝕變帶在影像上呈灰黃色，色調(diào)較亮，一般為串珠狀、扁豆?fàn)睢l帶狀延伸，影像標(biāo)志極其明顯（圖3）。通過對(duì)鐵礦化蝕變帶及礦體的遙感解譯，為研究鐵礦資源的分布和成礦規(guī)律提供了依據(jù)。

圖3 吉爾鐵克溝谷上游礦化帶影像特征Fig.3 Image characteristic of the mineralization belt in the upstream of Jiertieke valley

5 巖礦波譜反演與礦化信息提取

5.1 波譜測(cè)試及巖性反演

由于工作區(qū)海拔高，交通及電力條件差，氣候惡劣，野外直接進(jìn)行波譜測(cè)試難度較大，因此在室內(nèi)對(duì)采集到的巖礦樣進(jìn)行波譜測(cè)試。測(cè)試儀器采用美國生產(chǎn)的FieldSpec?Pro FR便攜式分光輻射光譜儀。

通過測(cè)試，建立工作區(qū)主要巖石單元波譜數(shù)據(jù)庫，找出不同巖石或礦物的吸收波譜區(qū)間和反射波譜區(qū)間，與 WorldView－2遙感影像的各波段對(duì)應(yīng)；找出不同礦物或巖石的吸收波段和反射波段，通過不同波段的差值、比值、主成分、分類等方法，將典型巖石或礦物提取出來，實(shí)現(xiàn)WorldView－2高分辨率遙感影像的典型巖石或礦物的波譜反演。

圖4 實(shí)測(cè)大理巖波譜曲線Fig.4 The measured spectral curve of marble

圖5 大理巖波譜反演結(jié)果Fig.5 Diagram showing spectral inversion of marble

以大理巖波譜反演為例，通過測(cè)試得到大理巖的波譜曲線，曲線區(qū)間為400～2 500μm，但World－View－2遙感影像的波譜范圍為400～1 040μm，所以將波譜曲線400～1 040μm放大顯示，并與WorldView－2遙感影像各個(gè)波段對(duì)應(yīng)（圖4）。大理巖在WorldView－2遙感影像B4和B5是強(qiáng)反射，而在B1和B8具有吸收的波谷，用B4／B1的運(yùn)算，增強(qiáng)大理巖的信息，通過設(shè)置一定的閾值提取大理巖信息（圖5）。

5.2 遙感礦化異常信息提取

鐵染信息的特征吸收波譜中心為0.45μm，0.55μm，0.85μm，0.90μm，對(duì)應(yīng)于 WorldView－2數(shù)據(jù)的B1，B2，B3和B7，B8呈吸收特征，其中在B1和B8呈強(qiáng)吸收，在B4，B5，B6呈反射特征，且在B4呈強(qiáng)反射。對(duì) WorldView－2數(shù)據(jù)B1，B4，B8，B6等4個(gè)波段進(jìn)行主成分變換，對(duì)代表鐵染主分量的判斷準(zhǔn)則是：構(gòu)成該主分量的本征向量，其B4系數(shù)應(yīng)與B1，B8系數(shù)相反，一般與B6系數(shù)相同。

以老并礦集區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，該區(qū)主要為布倫闊勒巖群，巖性以片巖、片麻巖為主，礦床類型為沉積變質(zhì)疊加熱液富集，礦石礦物以磁鐵礦為主，次有黃鐵礦、黃鉀鐵礬等，脈石礦物為角閃石、石英、斜長石、黑云母等。采用主成分方法提取鐵染信息，特征矩陣見表2。

表2 鐵染異常主成分分析特征矩陣Table 2 Eigen matrix of iron stain anomly of principal component analysis

圖6 WorldView－2圖像鐵染信息提取結(jié)果Fig.5 Diagram showing iron stain information extraction result of WorldView－2image

其中，PC3是鐵染異常的特征主分量，根據(jù)均值＋3δ（標(biāo)準(zhǔn)差）確定異常提取的下限提取異常［7］。通過野外驗(yàn)證及 WorldView－2數(shù)據(jù)里鉆孔和探槽的位置來驗(yàn)證所提取的異常，發(fā)現(xiàn)ETM，ASTER等低分?jǐn)?shù)據(jù)由于分辨率較低，只能識(shí)別大范圍的蝕變異常，識(shí)別精度不如 WorldView－2數(shù)據(jù)。World－View－2數(shù)據(jù)所含信息量很豐富，分辨率更高，不但能識(shí)別出大范圍的蝕變異常，還能識(shí)別到礦體和鐵帽等露頭（圖6），異常提取精度較高，效果很好［8－9］。

6 結(jié)語

利用WorldView－2新型高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在西昆侖成礦帶開展礦產(chǎn)資源及基礎(chǔ)地質(zhì)的多層次遙感調(diào)查，通過建立巖性、構(gòu)造、成礦控礦要素的高分辨率遙感解譯標(biāo)志，在認(rèn)識(shí)遙感數(shù)據(jù)與實(shí)地的映射關(guān)系后，應(yīng)用該數(shù)據(jù)能夠清晰判譯各類地層、巖性段，細(xì)分侵入體與火山巖的巖相、巖帶，準(zhǔn)確判譯各種地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)模、形態(tài)和活動(dòng)期次，合理確定各類成礦與控礦要素。通過遙感數(shù)據(jù)波段組合研究、波譜測(cè)試、波譜反演研究，可有針對(duì)性地對(duì)特定巖石類型、礦化蝕變類型及礦種進(jìn)行增強(qiáng)與提取。完善高分辨率遙感找礦技術(shù)并獲取研究成果，可在快速、低投入、低風(fēng)險(xiǎn)的前提下為勘查工作規(guī)劃部署、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］WorldView衛(wèi)星.百度百科，http：／／baike.baidu.com／view／2364297.html，2012－07－06.

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