高植被覆蓋區(qū)遙感礦化信息提取方法研究

楊正萌，白 卉，孟 嵩

吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春130061

0 引言

近年來遙感圖像蝕變信息的提取已經(jīng)成為遙感找礦的一個重要方法，是遙感地質(zhì)信息提取中一個重要組成部分。該方法是利用近礦圍巖蝕變與其周圍未蝕變的正常巖石在礦物種類、結(jié)構(gòu)、顏色等方面的差異，這種差異在某些特定的反射光譜波段形成了特定蝕變巖石的光譜異常。光譜異常為用遙感圖像的異常信息提取提供了理論依據(jù)。鐵的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽三類蝕變礦物理論上能被OLI圖像識別，而蝕變礦物中大多含有羥基（OH-），鐵染（Fe3+）則主要與礦化有關(guān)。

1 地質(zhì)背景

工作區(qū)位于北東向鴨綠江—松江河—兩江深大斷裂北側(cè)，為撫松火山盆地及周邊地帶，區(qū)內(nèi)主要出露地層自下而上為太古代英云閃長質(zhì)片麻巖；上元古界地層震旦系石英砂巖、頁巖；古生界地層主要分布在松樹鎮(zhèn)以北, 主要由寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系灰?guī)r、頁巖、泥灰?guī)r及砂巖等組成，呈北東向展布；中生界地層主要由晚三疊世和侏羅系地層組成。晚三疊世長白組地層下部主要為安山巖、安山質(zhì)火山碎屑巖，上部巖性主要為流紋巖、流紋質(zhì)火山碎屑巖。侏羅系地層主要分布在工作區(qū)北部，自下而上為侏羅統(tǒng)義和組泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、頁巖；中侏羅統(tǒng)果松組頁巖、砂巖、安山巖、安山質(zhì)凝灰熔巖及流紋巖等；上侏羅統(tǒng)林子頭組和石人組，主要巖性由礫巖、砂巖、粉砂巖、中酸性凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等組成；新生代玄武巖主要分布在工作區(qū)的東南部(圖1)。

2 礦化蝕變信息的遙感提取方法

圖 1 仙人橋地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 The geological map of Xianrenqiao area1.第四系；2.船底山組玄武巖；3.石人組礫巖、砂巖、凝灰質(zhì)砂巖；4.林子頭組凝灰質(zhì)礫巖、砂巖；5.果松組礫巖、砂巖、安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r；6.義和組凝灰質(zhì)礫巖、砂巖；7.長白組安山質(zhì)凝灰?guī)r、流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r；8.孫家溝組磚紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾長石砂巖；9.石炭系；10.馬家溝組豹皮灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖；11.崮山組與炒米店組并層；12.張夏組中厚層鮞狀灰?guī)r；13.饅頭組角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r；14.下震旦統(tǒng)未分；15.閃長巖體；16.花崗巖體；17.英云閃長質(zhì)片麻巖；18.斷裂構(gòu)造

遙感礦化蝕變信息提取的主要方法有：比值變換法、主成分分析法、光譜角填圖法、對應(yīng)分析法等主要的提取方法，張遠(yuǎn)飛等利用“ 多元數(shù)據(jù)分析+比值+主成分變換+掩膜+分類(分割)”的方法對于高植被覆蓋區(qū)的遙感礦化蝕變信息提取具有一定的優(yōu)勢。

波段比值法是利用反射波段與吸收波段的比值處理增強(qiáng)各種巖性之間的波譜差異,并顯示出動態(tài)的范圍。但當(dāng)遇到線性相關(guān)性較差的兩個波段時比值效果不明顯。

主成分分析法(PCA)是現(xiàn)在廣泛采用的提取巖石蝕變信息的方法。這種方法的本質(zhì)是降維，即將多光譜圖像中各個波段那些高度相關(guān)的信息集中到少數(shù)的幾個波段, 并且盡可能的保證這些波段的信息互不相干，使處理的數(shù)據(jù)量減少。這種方法首先需要對干擾信息進(jìn)行排除，如邊界錯位 、水、云、云影、植被、雪等，玄武巖覆蓋區(qū)又會對鐵染異常產(chǎn)生干擾，由于陰影等信息中可能包括基巖，而這也就不可避免的影響最終的提取成果。

張遠(yuǎn)飛提出了“遙感蝕變信息多層次分離技術(shù)”模型，其主要思想是: 當(dāng)遙感蝕變信息屬于“強(qiáng)信號”時，可直接予以提取或增強(qiáng); 而當(dāng)遙感蝕變信息屬于“弱信息”時，“背景”和“干擾”通常屬于“強(qiáng)信息”，可通過對“背景”和“干擾”的多層次分離將其剔除，最終實現(xiàn)蝕變信息的增強(qiáng)與提取。

3 遙感礦化蝕變信息提取

綜合以上礦化蝕變信息提取主要方法，利用各方法優(yōu)勢，對吉林仙人橋地區(qū)進(jìn)行礦化蝕變信息提取方法研究。首先選取OLI數(shù)據(jù)11631景，鑒于東北地區(qū)的特點，選取接收日期為2013年10月18日數(shù)據(jù)，盡可能減少植被和冰雪的干擾。

3.1 主成分分析

首先利用主成分分析法得到表1、表2：

經(jīng)過主成分分析，由上表可知，第一主成分可代表7個波段全部信息的89.365%，第二、三主成分貢獻(xiàn)率分別為5.159%和4.648%，均較高，三者之和占全部信息的99.17%，其代表的信息基本可作為背景信息；而第六和第七主成分貢獻(xiàn)率低，二者之和僅占全部信息的0.034%，不具實際意義，因此，該地區(qū)的礦化信息主要集中在第四和第五主成分中。

表 1 仙人橋地區(qū)蝕變信息主成分統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis of principal components of alteration information in Xianrenqiao area

表 2 仙人橋地區(qū)OLI數(shù)據(jù)PCA特征向量矩陣Table 2 Eigenvector matrix of principal components of alteration information in Xianrenqiao area

根據(jù)上表中的特征向量矩陣，在第四主成分中，一波段（B1）和四波段（B4）存在序偶關(guān)系；第五主成分中六波段（B6）和七波段（B7）存在序偶關(guān)系。

3.2 二維散點圖結(jié)構(gòu)層次分離

利用B4和B1，B6和B7分別形成二維散點圖（圖1、圖2）如下：

圖 2 仙人橋地區(qū)OLI B4/B1二維散點圖Fig.2 Scatter plot of OLI B4/B1 of Xianrenqiao area

光譜數(shù)據(jù)點陣呈高斯分布，根據(jù)張遠(yuǎn)飛提出的二維散點圖層次結(jié)構(gòu)分析，概率密度趨于高斯分布( 二維的橢圓形態(tài))，主橢圓可以看做是該區(qū)的背景值，小橢圓則對應(yīng)于巖石區(qū)、暗區(qū)、植被與蝕變區(qū)等子類地物，礦化異常必須滿足B4/B1（或B6/B7）大于1，也就是圖中Y=X線上方的點陣，從中再分離出蝕變區(qū)。

3.3 蝕變異常圖

分別對B1和B4波段，B6和B7波段做主成分分析，并分別對二者分析后的第二主成分采用“密度分割”技術(shù)對蝕變信息作進(jìn)一步的分離。

根據(jù)主成分分析后的第一主成分和第二主成分的散點圖旋轉(zhuǎn)情況可判斷，鐵染異常取第二主成分高值區(qū)，羥基異常取第二主成分低值區(qū)，最終得到蝕變異常圖（圖3、圖4）。

圖 3 仙人橋地區(qū)OLI B6/B7二維散點圖Fig.3 Scatter plot of OLI B6/B7 of Xianrenqiao area

圖 4 仙人橋地區(qū)鐵染蝕變信息異常圖Fig.4 Fe3+ alteration information of Xianrenqiao area

圖 5 仙人橋地區(qū)羥基蝕變信息異常圖Fig.5 OH- alteration information of Xianrenqiao area

由上圖（圖3、圖4）可見礦化蝕變信息的提取并未受到植被、水體和陰影等影響，且圖中東南部的大面積船底山組玄武巖也并未影響該區(qū)域鐵染信息的提取。

本次提取主要發(fā)育南、北兩條蝕變異常帶：北帶在鐵染和羥基蝕變信息異常圖上均有反應(yīng)，且吻合性較好，對比地質(zhì)圖（圖1）異常受東西向構(gòu)造控制，主要分布在上侏羅統(tǒng)果松組凝灰?guī)r與侏羅系花崗巖體接觸帶上；南帶在羥基蝕變信息異常圖上較明顯，受東西向構(gòu)造控制，分布在上寒武統(tǒng)灰?guī)r與新太古代英云閃長質(zhì)片麻巖一帶。

4 結(jié)論

利用以上結(jié)合了主成分分析和遙感蝕變信息多層次分離技術(shù)將礦化信息提取，這種方法在吉林省這種高植被覆蓋區(qū)進(jìn)行蝕變礦化信息提取方面，較單純的主成分分析法更為簡單，省去了反復(fù)的去除干擾信息進(jìn)行掩膜的繁瑣，同時也能較好的保留部分稀疏植被區(qū)和較厚植被區(qū)邊部的礦化信息，同時大面積的玄武巖覆蓋區(qū)在提取過程中作為背景值而集中分布在主橢圓中，對鐵染信息不造成影響，與地質(zhì)背景吻合性較好，二者結(jié)合分析，大大提高了遙感蝕變礦化信息提取的準(zhǔn)確度和可信度。

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