諸廣巖體南部高植被覆蓋區(qū)遙感蝕變信息提取

陳一江，祝民強

(東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點實驗室、核資源與環(huán)境教育部重點實驗室，江西 南昌 330013)

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諸廣巖體南部高植被覆蓋區(qū)遙感蝕變信息提取

陳一江，祝民強

(東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國土重點實驗室、核資源與環(huán)境教育部重點實驗室，江西 南昌 330013)

諸廣南部花崗巖型鈾礦田區(qū)內(nèi)與鈾礦化相關(guān)的赤鐵礦化、綠泥石化和水云母化蝕變發(fā)育，但區(qū)內(nèi)植被覆蓋度高，直接對遙感圖像進(jìn)行鐵染、羥基蝕變信息提取易受植被等因素的干擾。為了去除植被、水體、陰影和第四系的影響或使它們的影響降低到最小程度，分別采用ETM+4/3波段比值的高值掩模去除植被、7/1波段比值的低值掩模去除水體和陰影、以及用第四系分布的矢量圖層掩模去除第四系的干擾。對去除干擾后的圖像，利用ETM+ 1、3、4、5波段進(jìn)行主成分分析，分析認(rèn)為其第四主成分的高值為鐵染主分量信息；ETM+ 1、4、5、7波段主成分分析結(jié)果顯示其第四主成分為羥基主分量信息。將鐵染和羥基主分量信息分別經(jīng)過濾波處理和統(tǒng)計密度分割，獲取諸廣巖體南部鐵染和羥基蝕變異常的分布信息。

諸廣巖體；遙感蝕變信息提?。恢脖桓采w；主成分分析

諸廣巖體南部鈾成礦區(qū)是我國最為重要的花崗巖型鈾礦產(chǎn)區(qū)，區(qū)內(nèi)包含了百順-瀾河鈾礦田、長江礦田等富大鈾礦田。區(qū)內(nèi)有與鈾礦化相關(guān)的赤鐵礦化、綠泥石化和水云母化蝕變發(fā)育，且植被覆蓋度高，直接對遙感圖像進(jìn)行鐵染、羥基蝕變信息提取易受植被等因素的干擾。上世紀(jì)90年代來，一些學(xué)者開始利用主成分分析法進(jìn)行礦物蝕變的提取，這種方法所產(chǎn)生的新圖像在當(dāng)時被認(rèn)為是最為準(zhǔn)確和可靠的[1]，且到今天仍得到廣泛應(yīng)用，是蝕變信息提取的主選方法。主成分分析，即Principle Components Analysis，可以將占整個影像中很少一部分的微弱蝕變信息提取出來，并集中于單個主分量圖像中。然而復(fù)雜的地表和各種不利因素，對蝕變信息的提取干擾很大。尤其南方植被覆蓋高的地區(qū)，巖土出露面積過小并且受到植被覆蓋程度不同的影響。張晉開、吳志春等針對不同植被覆蓋度的地區(qū)進(jìn)行蝕變信息提取，取得了一定的效果[1-2]。研究區(qū)植被覆蓋度高，同時存在水體、陰影等干擾因素，本文針對此情況制定出相應(yīng)的處理方法進(jìn)行鐵染、羥基蝕變信息提取。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湘、粵、贛三省交界處，其大地構(gòu)造位置處于閩-贛加里東褶皺地塊以西，深部構(gòu)造環(huán)境屬幔隆與幔凹的過渡區(qū)域[3]，區(qū)內(nèi)花崗巖體面積約為1130 km2，地貌以山地丘陵為主、各類地貌兼有，植被發(fā)育，森林資源極其豐富。

據(jù)先前資料，研究區(qū)地層從元古界至新生界均有出露。諸廣巖體外圍主要為古生界寒武、奧陶系片巖、板巖、石英砂巖，多分布于區(qū)內(nèi)諸廣巖體西部與東北角；中生界白堊系粉砂巖、砂礫巖等及新生界第三系地層多出露于東南側(cè)南雄盆地內(nèi)和仁化以南附近區(qū)域。區(qū)內(nèi)火成巖分布廣泛，分別為加里東期、印支期、燕山期的花崗巖，巖體主體以印支期和燕山期的花崗巖為主。20世紀(jì)70年代以來，核工業(yè)華南地質(zhì)局在南嶺全面進(jìn)行了鈾礦地質(zhì)勘查工作，在諸廣巖體南部發(fā)現(xiàn)了數(shù)個花崗巖型鈾礦田、數(shù)十個鈾礦床，諸廣巖體由此成為我國花崗巖型鈾礦著名的大型礦集區(qū)。

構(gòu)造-巖漿活化作用對區(qū)域內(nèi)鈾成礦有著深遠(yuǎn)的影響[3-5]。陳躍輝運用伸展構(gòu)造理論，認(rèn)為伸展構(gòu)造運動對華東南地區(qū)的鈾礦化有明顯控制作用[4]；王明太、羅毅等認(rèn)為諸廣地區(qū)的內(nèi)生鈾礦床于中生代晚期(95～72 Ma)在伸展裂陷構(gòu)造作用下，由深源富鈾地?zé)崃黧w與部分大氣水混合產(chǎn)生[5]。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造眾多，多為北東向與北北東向構(gòu)造。北東向構(gòu)造總體走向45°～65°，其特點是規(guī)模大、活動期次多、平行出現(xiàn)，是區(qū)內(nèi)與礦化相關(guān)的重要構(gòu)造，以牛瀾斷裂帶為典型，其全長可達(dá)60 km。北北東向構(gòu)造組走向約30°，以煙筒嶺斷裂為典型。并行出現(xiàn)的北東向構(gòu)造帶將諸廣巖體切割成若干個北東向的斷陷帶，控制了大部分鈾礦床、礦點的產(chǎn)出，斷陷帶內(nèi)多組構(gòu)造交匯點常為鈾礦化賦存的良好場所。

2 研究區(qū)蝕變種類及提取機理

圍巖蝕變是熱液礦床的重要找礦標(biāo)志，礦床成礦時常伴有熱液蝕變現(xiàn)象。一般來說，蝕變程度強、范圍廣不一定會成礦，但大型的熱液礦床往往伴隨著強烈的蝕變，利用遙感手段來探尋蝕變的存在對指導(dǎo)找礦具有深遠(yuǎn)意義[6]。

研究區(qū)內(nèi)各礦床的蝕變主要包括：鉀長石化、鈉長石化、偉晶巖化、綠泥石化、水云母化、硅化、黃鐵礦化、赤鐵礦化、螢石化、碳酸鹽化和高嶺土化等。赤鐵礦化、綠泥石化、水云母化等蝕變是區(qū)內(nèi)重要的找礦標(biāo)志。三價鐵離子能在ETM+圖像亮度曲線上有所反映，即ETM+3波段和5波段有相對的高反射峰，在1、2、4波段上呈弱反射的特性；以羥基、碳酸根為特征的一些礦物具有5波段高反射、7波段強吸收的特性。而沒有以上蝕變類型的巖石中難以有這樣的反映[6]。利用這種特性作為蝕變遙感提取的基礎(chǔ)，進(jìn)行鐵染、羥基蝕變信息提取是可行的。

提取出蝕變信息后，對蝕變異常進(jìn)行分級處理時，借用標(biāo)準(zhǔn)誤差δ來作為蝕變異常分級的尺度，將均值作為區(qū)域的背景值，以“均值+Kδ”來劃分異常強度，K代表了標(biāo)準(zhǔn)差δ的倍數(shù)，通常取1、2、3，并根據(jù)實際情況做適當(dāng)調(diào)整[7]。

3 礦化蝕變信息提取

諸廣巖體南部地區(qū)植被發(fā)育，難以直接提取蝕變信息。因此，需要應(yīng)用掩膜等技術(shù)，消除、抑制植被和其它干擾因素再進(jìn)行分析，從而盡可能地提取出蝕變信息。本文使用的方法分以下幾個步驟：

3.1 圖像數(shù)據(jù)源的選取與預(yù)處理

數(shù)據(jù)源使用Landsat ETM+數(shù)據(jù)，行列號122-043，成像時間為2001年11月20日。該時段為降低植被影響的最有利時間段。整幅影像清晰，無云霧影響，質(zhì)量良好且不存在損壞條帶，經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等一系列預(yù)處理后生成基礎(chǔ)圖像。

3.2 利用掩膜消除干擾因素

在蝕變信息提取的過程中常需要消除的干擾因素有：植被、水體、陰影、云、雪、第四系覆蓋物等等。此次研究需要對植被、水體、山體陰影及第四系覆蓋物做掩膜處理。通過查看地物波譜曲線來選取合適的掩膜波段。

圖1 蝕變異常信息提取流程圖Fig.1 Flowchart of alteration anomaly extraction

波段比值二值圖像掩膜處理是通過對波段比值圖像進(jìn)行閾值選取，再將圖像二值化，即“0”和“1”，然后將二值化的圖像覆上原圖像進(jìn)行分析，保留需要的信息，掩膜區(qū)域不參與主成分分析。

研究區(qū)高覆蓋度的植被對蝕變信息的提取影響最大。選用ETM+ 4波段與3波段做比值處理，統(tǒng)計結(jié)果，借鑒閾值分割的思想，對比值后的高值地區(qū)進(jìn)行掩膜，即掩膜高植被覆蓋區(qū)域，保留中低植被覆蓋區(qū)來進(jìn)行分析[2]。研究中采用“均值+1倍標(biāo)準(zhǔn)差”的地區(qū)為高植被覆蓋區(qū)，再經(jīng)調(diào)整后建立植被掩膜。

對水體和山體陰影的處理，選用ETM+ 7波段/1波段進(jìn)行比值處理。根據(jù)水體的反射光譜特征可知，純凈水體的反射區(qū)間主要集中在藍(lán)綠光波段，其它區(qū)間均有不同程度的吸收。水體與陰影有相似的波譜特征，可用該方法一并去除。比值分析后，掩膜掉低值部分，再通過人機交互選取合適閾值。

第四系、城鎮(zhèn)用地中含有大量的鐵染、羥基異常的偽信息，這對于本身占整個圖像很小一部分的蝕變信息來說是極為不利的。這部分的掩膜是根據(jù)地質(zhì)圖并結(jié)合遙感圖像判定的第四系矢量圖層轉(zhuǎn)為柵格來制作，以此來盡可能掩膜掉第四系等的干擾。值得一提的是，此法效果因判讀準(zhǔn)確性而異，必須謹(jǐn)慎判定需掩膜的場地。

分別建立了上述掩膜后，一起相乘后歸并為一個綜合掩膜二值圖像備用。

3.3 蝕變信息的提取

研究中采用Crosta法[6-7]，以 ETM+ 1、3、4、5波段和1、4、5、7波段的組合形式，覆上前面生成的綜合掩膜二值圖像分別進(jìn)行主成分分析，并確認(rèn)鐵染異常和羥基異常所屬的主分量。

各主分量圖像的灰度值等于各特征向量與相應(yīng)波段相乘后的總和。以表1鐵染主成分分析中PC4為例，其DN值為DNPC4=0.67023×Band1-0.723684×Band3-0.063777×Band4+0.152146×Band5。主成分分析法利用波段間的差值來突出所要提取的信息。

通過觀察ETM+ 1、3、4、5波段主成分特征向量(表1)，PC4中Band1 、Band4符號與Band3符號相反，Band4在PC4圖像中所占比重極低，PC4圖像的暗色部分包含了鐵染蝕變的信息，符合大部分已知礦點和基巖裸露區(qū)，為高亮顯示鐵染異常，對 PC4取反后作為鐵染異常的主分量。

表1 Band1、Band3、Band4、Band5主成分分析特征向量

觀察ETM+ 1、4、5、7波段主成分特征向量(表2)，發(fā)現(xiàn)PC3、PC4 Band4、Band5與Band7符號均相反，由于PC3 Band5、Band7信息量較少，且高值多處陰影區(qū)中，而PC4 Band5、Band7載荷較高，反映了羥基蝕變的信息，故舍PC3，取PC4，將其取反后作為羥基蝕變主分量。

表2 Band1、Band4、Band5、Band7主成分分析特征值向量

3.4 蝕變信息后處理

確定了蝕變異常主分量后通常需要作進(jìn)一步處理來優(yōu)化提取的異常信息，并對這些異常做等級分割，即按亮度值由高至低分為3級以突出圖像中的蝕變信息強弱。為了平滑圖像并消除孤立異常，對提取出的鐵染異常圖像和羥基異常圖像分別進(jìn)行一次3×3的高斯低通濾波后再進(jìn)行一次3×3的中值濾波。

對蝕變信息主分量做濾波處理后，對其進(jìn)行統(tǒng)計(表3)，參考統(tǒng)計值做密度分割。一般情況下，采用“均值+Kδ”對蝕變異常主分量圖像進(jìn)行密度分割并劃分為3個等級，即K取值1、2、3，分別對應(yīng)于低值、中值和高值異常，均值代表背景值。針對本研究區(qū)，鐵染異常提取K選取1.2、1.85、3，羥基異常提取K取值0.9、1.45、2.2分級效果較好。

表3 鐵染、羥基主分量統(tǒng)計值

4 提取結(jié)果驗證與分析

鐵染異常分布范圍零星遍布整個研究區(qū)。在諸廣花崗巖體中，沿百順西部到東部一線較為集中，部分異常沿斷裂帶附近分布，尤其在百順東坑礦床露天采場異常明顯，與表層蝕變巖石的赤鐵礦化有關(guān)；但也有部分高異常分布于山頂，可能與植被稀少、基巖出露較好有關(guān)。西部、東北部的變質(zhì)巖、沉積巖區(qū)域分布較少。東南側(cè)的南雄盆地及仁化南部附近的異常主要由盆地內(nèi)的白堊系—第三系地層中富含赤鐵礦的紅色砂礫巖引起，同時也說明鐵染異常信息的提取方法和結(jié)果是可靠的。

羥基異常主要于諸廣巖體西部和南部邊緣(扶溪-聞韶-黃坑-蒼石)一線分布，其余地區(qū)零星出露。研究區(qū)中部花崗巖巖體上所提取到的羥基異常較少，可能與區(qū)內(nèi)植被發(fā)育有關(guān)。羥基異常的提取未能達(dá)到預(yù)期效果，需要采用其它數(shù)據(jù)或方法來進(jìn)一步提取。

研究中將提取的蝕變圖像與野外實際觀察是否能夠重合作為驗證的基礎(chǔ)。通過野外調(diào)查和對比已有的地質(zhì)資料，對提取的蝕變異常進(jìn)行了驗證。表明提取的鐵染蝕變信息能夠大致吻合已知的蝕變區(qū)域(圖2)。

在361礦床露天采坑處，觀測點的礦體呈北東向展布，露天采坑內(nèi)有大面積蝕變巖出露，伴有非常強烈的赤鐵礦化、黃鐵礦化、螢石化和綠泥石化等蝕變，提取的鐵染蝕變效果較好(圖2-左)。

在牛瀾斷裂帶白茫洞蝕變異常區(qū)，牛瀾斷裂附近裸露區(qū)有數(shù)條規(guī)模不一的斷裂構(gòu)造通過，赤鐵礦化強烈，提取的鐵染蝕變信息能夠較好吻合，表明觀測點處蝕變受牛瀾斷裂影響較大。水云母化、高嶺土化等羥基蝕變雖然存在，但未能在遙感圖像上反映出來(圖2-右)。

圖2 百順礦田361鈾礦床露天采場及尾礦堆(左)、牛瀾斷裂白茫洞一帶(右)鐵染蝕變驗證圖Fig.2 Field verified ferric anomaly in open pit and tailing pile of uranium deposit 361(left) and Baimangdong along NiuLan fault zone(right)， Baishun uranium ore field1—鐵染一級異常區(qū)；2—鐵染二級異常區(qū)；3—鐵染三級異常區(qū)； 4—野外觀察點；5—斷裂帶(左：煙筒嶺斷裂；右：牛瀾斷裂帶)。

5 結(jié)論

(1)用比值掩膜去除干擾、主成分分析和濾波后處理相結(jié)合的方法，提取出的鐵染異常沿百順西部到東部一線較為集中，部分異常沿斷裂帶附近分布，部分分布于山脊、裸露的巖土地帶和露天采場；提取的羥基異常集中于諸廣巖體西部及南部邊緣，巖體中部較少。

(2)從提取效果來看，提取的鐵染蝕變異常表現(xiàn)較好，較能吻合主要露天采場、部分礦點和部分?jǐn)嗔褬?gòu)造蝕變帶，而羥基蝕變受植被等因素的干擾導(dǎo)致提取不佳。利用ETM+數(shù)據(jù)提取諸廣巖體南部的蝕變信息應(yīng)主要考慮提取的鐵染蝕變信息，提取研究區(qū)內(nèi)的羥基蝕變信息需要采用其它方法優(yōu)化或采用其它數(shù)據(jù)。

(3)根據(jù)提取的蝕變分布，建議在研究區(qū)鐵染中、高值區(qū)域開展異常篩選工作，尤其在斷裂帶附近和斷裂交匯區(qū)應(yīng)予以重點關(guān)注。

[1]張晉開.基于主成分分析的植被掩模與模式濾波方法在中等植被區(qū)蝕變信息提取中的應(yīng)用[J].中國圖像圖形學(xué)報，1996，1(2)：108-114.

[2]吳志春.基于TM/ETM影像的復(fù)合法遙感蝕變異常提取應(yīng)用研究[J].地質(zhì)與勘探，2013，49(3)：511-522.

[3]王明太.諸廣鈾成礦區(qū)礦床成因探討[J].鈾礦地質(zhì)，1999，15(5)：279-285.

[4]陳躍輝.華東南中新生代伸展構(gòu)造時空演化與鈾礦化時空分布[J].鈾礦地質(zhì)，1997，13(3)：129-138.

[5]姚振凱.萬洋山-諸廣山花崗巖帶鈾成礦的區(qū)域地質(zhì)背景[J].湖南地質(zhì)，1991，10(1)：9-15.

[6]張玉君.基巖裸露區(qū)蝕變巖遙感信息的提取方法[J].國土資源遙感，1998，36(2)：46-53.

[7]張玉君.ETM+(TM)蝕變遙感異常提取方法研究與應(yīng)用——方法選擇和技術(shù)流程[J].國土資源遙感，2003，56(2)：44-49.

The Extraction of Remote Sensing Alteration Anomaly in High Vegetation Coverage Area，South Zhuguang Pluton

CHEN Yi-jiang， ZHU Min-qiang

(DigitalLandKeyLaboratoryofJiangxiProvince，KeyLaboratoryofNuclearResourcesEnvironment，ministryofEducation，EastChinaInstituteofTechnology，Nanchang，Jiangxi， 330013)

Uranium mineralization related mineral alteration like hematitization， chloritization and hydromica are widely distributed in the south of Zhuguang granite type uranium ore field， but the high vegetation coverage and other factors cause much disturbance to anomaly extraction by remote sensing . To remove and/or minimize the interfere factors，high band ratio value of ETM+ B4/B3 image is used to mask vegetation，low band ratio value of ETM B7/B1 image to mask water and shadow， and quaternary vector layer to mask quaternary area. After image mask processing， the PCA (principal component analysis) method was applied to band 1，3，4，5 group and band 1，4，5，7 group respectively. The result shews that the fourth principal component of band 1，3，4，5 group contains the information of ferric alteration and the fourth principal component of band 1，4，5，7 group indicated the hydroxylate alteration . With filtering and density separatation， distribution information of ferric anomaly and hydroxylate anomaly was acquired successfully by these two principle components in south Zhuguang granitic batholith area and the extracting results was proved by field work.

Zhuguang pluton； remote sensing alteration anomaly； high vegetation coverage； principal component analysis

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.03.007

2014-03-11 [改回日期]2014-06-30

陳一江(1989—)，男，在讀碩士研究生，主要從事遙感與地理信息建模研究。E-mail：ECIT＿Cyj @126.com

1000-0658(2015)03-0395-06

TP79

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