利用ETM+數(shù)據進行沉積巖區(qū)巖性識別

李本仕 ，龔曉波，郭道軍，孟　標，胡　陽

利用ETM+數(shù)據進行沉積巖區(qū)巖性識別

李本仕 ，龔曉波，郭道軍，孟標，胡陽

（四川省地質礦產勘查開發(fā)局一〇六地質隊，成都 611130）

重慶市長壽區(qū)位于四川盆地東南緣，為單一沉積巖分布區(qū)，其巖石光譜特征復雜，遙感識別難度極大。以2000年成像的ETM+影像數(shù)據為信息源，借助ENVI4.5遙感數(shù)據處理軟件，研究了ETM+影像數(shù)據應用于長壽地區(qū)三疊系-侏羅系地層巖性識別的最佳波段組合、波段比值、主成分變換等處理技術，探討了采用最大似然分類法提取了碎屑巖、碳酸鹽巖、水體、居民地等信息的有效性。為該區(qū)域遙感技術應用提供了一定依據。

ETM+；巖性識別；最佳波段組合；自動分類

ETM+（Enhanced Thematic Mapper）數(shù)據光譜覆蓋范圍0.45～2.35μm，劃分了8個波段，其中3（紅波段）、4（近紅外波段）、6（熱紅外波段）、7（短波外波段）等波段均可提供巖性、地層、構造等信息；第8波段為分辨率15m、光譜范圍0.5～0.95μm的全色波段，為最佳波段融合處理提供了方便［1］。對遙感影像進行一系列處理后，根據圖形、圖案和色調等特征，結合地貌、水系等，可獲得豐富的地質信息，為巖性判讀提供依據。本文以長壽地區(qū)為研究對象，利用ETM+影像遙感數(shù)據，綜合一些已有的地質資料，對沉積巖巖性識別中的最佳波段組合、波段比值分析、主成分變換等技術方法開展研究，并對計算機自動分類的效果及精度進行了探討，以期為沉積巖區(qū)巖性解譯工作提供一定依據。

圖1　研究區(qū)地質構造簡圖（據1:50萬重慶市地質圖，略有修改）

1　研究區(qū)地質概況

研究區(qū)在大地構造位置上屬于四川盆地東南緣川東八面山隔檔式褶皺帶，是受深大斷裂控制的高陡背斜帶為主體的褶皺構造區(qū)［2］，由一系列的北北東及北東向隔擋式褶皺組成，背斜成山、向斜成丘。研究區(qū)內地形與構造、巖性等一致，向斜寬緩，地層以侏羅系陸相碎屑巖為主，包括自流井組（J1-2z）、新田溝組（J2x）、沙溪廟組（J2s）、遂寧組（J3s）、蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）砂巖夾泥巖，其中在沙溪廟組地層中又發(fā)育有多個寬緩背向斜；背斜緊閉，其軸部以三疊系海相碳酸鹽巖-河口三角洲相碎屑巖組成，包括大冶組（T1d）和飛仙關組（T1f）灰?guī)r夾泥頁巖、嘉陵江組（T1j）灰?guī)r與白云巖互層、雷口坡組（T2l）和巴東組（T2b）白云質泥巖夾白云巖、灰?guī)r及二橋組（T3e）和須家河組（T3xj）碎屑巖，碳酸鹽巖被溶蝕后形成巖溶槽谷，碎屑巖則形成地形高點，構成典型的“一山兩槽三嶺”地貌特征。特殊的自然地理背景，為遙感技術應用提供了良好的條件。

2　數(shù)據源及圖像預處理

研究采用2000年07月31日成像的 Landsat-7 ETM+（127-39）影像數(shù)據，該影像數(shù)據具無云、無雪、噪聲小等特征，成像效果較好。利用EVNI4.5軟件對其進行圖像校正處理，包括正射校正、幾何校正、圖像配準等使圖像達到符合要求的幾何精度。

表1　研究區(qū) ETM+圖像各波段統(tǒng)計表

3　研究方法

不同巖石具有不同的礦物組合特征和化學成分特征，無論其反射光譜特征還是發(fā)射光譜特征，都主要與礦物成分和化學成分有關［3］。丑曉偉、傅碧宏等人研究后，指出碳酸鹽巖的反射光譜在2.33μm和11.3μm附近存在強吸收譜帶和低發(fā)射率譜帶，在 1.55～1.75μm 內具有相對較高的反射率平臺；白云巖吸收譜帶的中心波長位置（2.30μm）相對于灰?guī)r吸收譜帶的中心波長位置（2.33μm）有向短波長方向移動的特點，而且隨著巖石中石英和粘土礦物含量增高，會導致其8.0～10.0μm之間Si-O基團伸縮振動譜帶的出現(xiàn)。相對碳酸鹽巖來說，由于碎屑巖的主要組成礦物石英和長石在可見近紅外和短波紅外光譜域均沒有譜帶特征［3］，對其巖石成分識別就顯得尤為困難，由于不同成因、沉積環(huán)境的巖石往往具有不同的結構、成分、顏色，其抗風化能力也存在較大差別，水系、植被等發(fā)育程度亦不盡相同，因此其在遙感圖像上的色調、圖案、紋理等均具有獨特的特征。

表2　研究區(qū) ETM+圖像各波段的相關系數(shù)矩陣

3.1最佳波段組合

在ETM+數(shù)據中，不同波段反映的地質現(xiàn)像不同，B1波段（0.45～0.52 μm）為鐵離子電荷轉移吸收帶，B4波段（0.76～0.90μm）為鐵離子晶體場效應吸收帶，B5波段（1.55～1.75 μm）為大部分造巖礦物的高反射譜段，B7波段（2.08～2.35μm）為粘土礦物及碳酸鹽礦物光譜吸收帶［4］。通過波段組合，可以綜合各波段的不同特性，達到圖像增強的目的。研究表明選擇最佳波段組合往往要求各波段的標準差要盡可能的大、各波段的相關系數(shù)要盡可能的小、各波段的均值大小不能相差太懸殊、選用含有目標物特征譜帶的波段［5］。

圖2　研究區(qū)遙感影像圖（741組合）

從表1、2可以看出，研究區(qū)內除Band 6波段（分辨率為30m）、Band 8波段（分辨率為15m）未參與統(tǒng)計外，其余各波段的標準差大小排序為Band 5＞Band 4＞Band 7＞Band 3＞Band 2＞Band 1，均值按大小排序為Band 4＞Band 5＞Band 1＞Band 2＞Band 3＞Band 1，Band 5、Band 4包含的信息數(shù)據最為豐富；Band 1、Band 2、Band 3之間的相關系數(shù)均在0.87以上，Band 4與Band 3、Band 1均為負相關、與Band 2呈正相關，相關系數(shù)均小于0.15，Band 5與Band 3、Band 2、Band 1相關系數(shù)在0.08～0.27之間；Band 7波段集中了粘土礦物、碳酸鹽礦物等的特征吸收譜段［6］，除與Band 5相關系數(shù)達0.91外，與其他波段數(shù)據的相關系數(shù)均在0.32～0.51之間。

綜合對比各波段組合方案，選擇以Band1、Band4、Band7波段假彩色合成（圖2），其合成圖像效果最佳，色彩豐富、層次分明，巖性、構造解譯效果較好。從圖2可以看出，水體呈深藍色；城鎮(zhèn)人口密集區(qū)呈紫紅色；碳酸鹽巖分布于背斜核部及兩翼，基巖裸露處色調以肉紅色為主，植被發(fā)育處色調呈綠色，斑狀圖案為主、發(fā)育格狀-柵狀水系，具溶蝕地貌；以砂巖為主的二橋組色調呈深綠色，帶狀圖案、平行水系或肋狀沖溝發(fā)育，具山頂尖棱、呈鋸齒狀列峰地貌特征。侏羅系地層總體以淺褐紅-綠色色調為主，具斑塊狀、斑點狀、條帶狀等圖案，紋理特征明顯，水系發(fā)育。

3.2波段比值

由于沉積巖的顏色均與巖石中鐵質礦物、粘土礦物的含量有關，成分中均含有一定量的泥質和碳質，其反射率均不高，波譜特征曲線形態(tài)相似、無明顯的吸收和反射［7］。因此僅僅利用色調等特征判別沉積巖巖性就顯得極為困難。研究表明利用波段間比值可起到增強某一巖性段地質界線和巖性的效果（圖3、圖4），如Band 5/Band 7波段的比值可增強粘土和碳酸鹽巖、Band 5/Band 1 可顯示鐵離子含量的變化情況、增強含鐵礦物。

圖3　研究區(qū)Band 5/Band 1、Band 4/Band 2、Band 5/Band 7 假彩色合成圖

圖4　研究區(qū)Band 5/Band 7、Band 3/Band 1、Band 5假彩色合成圖

從圖3～4可以看出，碳酸鹽巖與碎屑巖差異明顯，經波段比值合成假彩色圖像中，碳酸鹽巖以二橋組中細粒砂巖為邊界呈條帶狀分布，構成研究區(qū)構造格架主體，圖像增強后差異明顯，較好區(qū)分。

研究區(qū)內碳酸鹽巖以純度較高的灰?guī)r為主，白云巖主要僅分布于嘉陵江組和雷口坡組中，由于其厚度較小、地表出露寬度較小、植被發(fā)育程度高難以區(qū)分；碎屑巖由于其色調大致相同，不易區(qū)分，但細-中粗粒砂巖往往具明顯紋理特征，地貌上常形成山坡及山背等，飽和度小、粉砂巖及泥巖等紋理特征不明顯，水系發(fā)育程度相對較高，地貌上多為低緩的沖溝、平底等，其飽和度較砂巖高。同時對于侏羅系紅層，尤其是大面積分布的沙溪廟組及遂寧組地層因其色調差異明顯較好區(qū)分。

表3　研究區(qū)ETM影像主成分分析特征向量矩陣

3.3主成分變換

由于遙感圖像的各個波段呈高度相關，采用主成分變換可減小原圖像的相關性，增強構造和巖性等特征組合差異［1］。對研究區(qū)ETM影像的Band 1、Band 2、Band 3、Band 4、Band 5、Band7等6個波段作主成分變換，形成6個主成分圖像，其中第一、二、三主成分（PC1、PC2、PC3）所含信息達98.59%。

從表3可以看出，第一主成分PC1為原來6個波段的加權和，其中Band 5波段貢獻最大，其次是Band 4和Band 7，該圖像主要表現(xiàn)的是亮度信息和地形信息；第二主成分PC2是Band 4減去其余波段之和的線性變換，Band 4與Band 3呈最大負相關，對PC2貢獻最大；第三主成分PC3是Band 4、Band 3、Band 2、Band 1之和減去Band 7、Band 5之和的線性變換，Band 4與Band 5呈最大負相關，對PC3貢獻最大；第四主成分PC4是Band 5、Band 4、Band 3之和減去Band 7、Band 2、Band 1之和的線性變換，Band 1與PC 4呈負相關；第五主成分PC5是Band 7和Band 4之和減去Band 5、Band 3、Band 2、Band 1之和的線性變換，Band 7與PC5呈最大正相關，對PC5貢獻最大，表現(xiàn)粘土礦物等在Band 7強烈的吸收光譜特征［6］，因此PC5包含了地質信息，對不同巖性的界線反映明顯；第六主成分PC6是Band 5、Band 4、Band 3之和減去Band 7、Band 2、Band 1之和的線性組合，Band 2與PC6呈最大負相關，貢獻最大。采用PC5、PC3、PC2假彩色合成圖像可較好的反映研究區(qū)的巖性信息，增強巖石巖性信息（圖5）。

圖5　研究區(qū)PC5、PC3、PC2假彩色合成影像圖

圖6　遙感信息自動分類圖

3.4巖性信息自動提取

根據上述圖像增強處理結果，通過建立砂巖（Red）、灰?guī)r（Green）、白云巖（White）、紫紅色泥巖（Yellow）、鮮紅色泥巖（Cyan）、頁巖（Magenta）、燧石灰?guī)r（Maroon）、灰?guī)r夾泥巖（Sea Green）、居民地（Coral）、水體（Blue）等多種巖性地層單元訓練樣本感興趣區(qū)（RIO），采用最大似然法分類法對圖像進行自動分類處理（圖6）。

從圖6可以看出，遙感數(shù)據的分類處理對巖性界線的反映極為明確，能較好的區(qū)分出各類巖性，同時由于植被等因素影響，其分類精度不高，尤其是在侏羅系紅層地層界線。對比研究區(qū)已有地質成果資料，綜合考慮色調、紋理、圖案、地貌、水系等因素，才可達到較好的解譯效果。

4　結果與討論

根據各圖像處理，將勾繪的巖性及某一巖性段界線成果與區(qū)域地質相關資料對比分析后發(fā)現(xiàn)：

Band7、Band4、Band1組合為研究區(qū)最佳的波段組合方式，利用該圖像可較好的識別出碳酸鹽巖與碎屑巖、碳酸鹽巖中的白云巖與灰?guī)r等信息，但碎屑巖中的砂巖與粉砂巖-泥巖類往往需要綜合考慮圖案、紋理等特征進行解譯識別。

利用波段比值處理技術，可以擴大某些巖性的色調差別，突出構造形態(tài)和巖性特征，為較難區(qū)分的碎屑巖巖性識別起到一定作用。

研究區(qū)主成分特征向量矩陣表明，PC5、PC3、PC2組合能最大程度反映地質巖石信息，壓制其他干擾因素，對巖性、地層信息均有增強的效果。

最大似然分類法自動提取的巖性信息，能反映大多數(shù)巖性信息，對部分界線能較清除的勾繪，但其分類精度不高，對RIO選擇的要求較高，需要綜合其他資料解譯。

［1］ 方洪賓等.1:25萬遙感地質填圖方法和技術［M］. 北京: 地質出版社， 2002

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［4］ 鄧素貞，賀佳惠，王永軍. ETM數(shù)據在金礦化蝕變信息提取中的應用研究——以張家口下雙臺地區(qū)為例［J］. 國土資源遙感. 2010（4）: 56～59

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［6］ 林騰，高光明，劉容秀，等. ETM+和ASTER數(shù)據在遙感信息提取中的對比研究［J］.遙感信息. 2011（1）: 65～69

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Lithology Recognition of Sedimentary Rock With ETM+Image

LI Ben-shi GONG Xiao-bo GUO Dao-jun MENG Biao HU Yang
（No. 106 Geological Team， BGEEMRSP， Chengdu 611130）

Changshou， Chongqing is situated in the southeast edge of the Sichuan Basin. Sedimentary rock is exposed within the boundaries of this region. Rock spectral characteristics of the sedimentary rock makes the application of remote sensing technology extremely difficult. Relying on the information source of ETM+ image in 2000 and adopting RS software of ENVI4.5， this paper applies the best spectrum band combination， band ratio and principle component analysis to the lithology identification from Triassic to Jurassic in this region， and has a discussion on the effectiveness of the method for automat extraction of clastic rock， carbonate， water， residential area.

ETM+； lithology identification； optimal band combination； automatic classification

P236

A

1006-0995（2015）04-0605-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.030

2014-09-18

李本仕（1962-），男，四川郫縣人，教授級高級工程師，研究方向：礦產地質與遙感地質