敦煌白山地區(qū)遙感蝕變信息提取與分析

李浩杰, 常曉珂

(1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院,甘肅 蘭州 730000;3.蘭州理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

敦煌白山地區(qū)遙感蝕變信息提取與分析

李浩杰1,2, 常曉珂3

(1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院,甘肅 蘭州 730000;3.蘭州理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

基于ETM+數(shù)據(jù)采用主成分分析法在敦煌白山地區(qū)進(jìn)行遙感蝕變信息提取,結(jié)合已有資料對(duì)其結(jié)果評(píng)價(jià)分析,表明在該研究區(qū)運(yùn)用此方法有著較好的準(zhǔn)確性。為今后該區(qū)以及北山地區(qū)的遙感蝕變信息提取與分析工作提供參考,助力找礦突破。

遙感;蝕變信息提取;ETM+;主成分分析

蝕變巖石遙感信息與金屬礦床有非常好的相關(guān)性,所提取的遙感信息異常是一種重要的找礦線索,在地質(zhì)找礦中有著重要的作用。近礦圍巖蝕變主要是不同類型的熱液與周圍巖石相互作用的產(chǎn)物,是成礦物質(zhì)逐步富集成礦過程中留下的印跡。遙感探測(cè)的是地表物質(zhì)的光譜信息,因此只要有一定面積的蝕變巖石出露,即便是礦體隱伏,只要有蝕變巖出露,遙感衛(wèi)星都可以探測(cè)出來,在遙感圖像上有一定的反應(yīng)。這也是應(yīng)用遙感技術(shù)提取蝕變信息進(jìn)而指導(dǎo)礦床預(yù)測(cè)的地質(zhì)依據(jù)。然而,遙感圖像蝕變信息是一種弱信息,通常被淹沒在主要地物信息或混合信息之中,常規(guī)方法難于將異常信息增強(qiáng)并提取出來[1]。為了獲取遙感找礦的這種蝕變?nèi)跣畔?國(guó)內(nèi)外遙感和地質(zhì)工作者都在不斷設(shè)計(jì)和總結(jié)遙感信息提取的技術(shù)方法。

在國(guó)外,20世紀(jì)80年代智利利用航空照片解譯礦化蝕變帶,發(fā)現(xiàn)了瑪爾泰和洛博金礦;Loughlin的研究表明,有目的地僅對(duì)一定的波段組合進(jìn)行主成分分析可將特定的信息聚集到單一的主成分中;在國(guó)內(nèi),劉燕君(1983)采用與礦產(chǎn)信息有關(guān)的特征地物亮度比值和色度學(xué)原則,在MSS圖像上,先后在北京密云水庫周圍的丘陵區(qū)變質(zhì)鐵礦實(shí)驗(yàn)區(qū)和河北省遷安鐵礦區(qū),成功地把礦化點(diǎn)及含礦圍巖內(nèi)強(qiáng)烈鐵染部位增強(qiáng)出來;張玉君等(2003)“ETM+(TM)蝕變遙感異常提取方法技術(shù)”等[2],都取得了一定的成果。這些信息提取技術(shù)主要是基于地物波譜特征,采用波段比值運(yùn)算,主成分分析和特征定向主成分選擇技術(shù),識(shí)別和提取鐵染和羥基蝕變遙感信息。本次異常提取依據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《我國(guó)干旱半干旱地區(qū)異常提取的技術(shù)方法體系》推薦采用的主成分分析法。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于敦煌市西北,由四幅1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅組成。白山幅、白山南幅地層屬北疆—興安地層大區(qū),紅柳園地層分區(qū),印尼喀拉地層小區(qū),大地構(gòu)造位置位于南天山褶皺帶東端與塔里木板塊的東端疊加復(fù)合區(qū)內(nèi);小獨(dú)山幅、雙岔溝口幅地層屬塔里木—南疆地層大區(qū),中天山—北山地層分區(qū),紅柳園地層小區(qū),位于北山陸緣活動(dòng)帶古生代柳園—俞井子裂谷帶西段[3]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以東西向、北東向?yàn)橹?東西向構(gòu)造生成發(fā)展于前震旦紀(jì),成熟定型于石炭紀(jì);北東向構(gòu)造生成發(fā)展于石炭紀(jì),疊加在東西向構(gòu)造之上,并受東西向制約,成熟定型于二疊紀(jì)。

區(qū)內(nèi)出露地層主要有第四系(Q),侏羅系中統(tǒng)水西溝群(J2s),二疊紀(jì)方山口組(Pf)和雙堡塘組(P1sp),石炭紀(jì)干泉組(C2g)和下石炭紅柳園組(C1h),泥盆系中統(tǒng)三個(gè)井組(D2sg),前長(zhǎng)城系敦煌巖群(ArPtD)等。巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,侵入巖分布廣泛,從基性到酸性巖均有出露。巖體主要為二疊紀(jì)花崗巖(Pγ)和閃長(zhǎng)巖(Pδ)等,石炭紀(jì)黑云母花崗巖(Cγ)和閃長(zhǎng)巖等(圖1)。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的發(fā)展演化是區(qū)域變質(zhì)的主要原因,為區(qū)域變質(zhì)提供了應(yīng)力和熱源,巖石受溫度、壓力及熱液流體的影響而發(fā)生變質(zhì)。

圍巖蝕變控制礦化帶,礦化帶控制礦體,圍巖蝕變是成礦直接的控制因素之一。區(qū)域巖漿活動(dòng)顯著,出露有大量的熱變質(zhì)巖,其巖石區(qū)域變質(zhì)為低綠片巖相。石英脈型鎢礦床主要沿區(qū)域性淤泥河大斷裂與鹽灘南大斷裂東部復(fù)合部位。典型礦床為小獨(dú)山石英脈型白鎢礦,共圈定礦體23條,其中主礦體13條,分別賦存于南蝕變帶的三個(gè)礦化帶中;金礦點(diǎn)則分布于鹽灘南大斷裂東端西側(cè),代表礦點(diǎn)為19號(hào)金礦點(diǎn),該地段巖石蝕變(綠泥石化、絹云母化、硅化、碳酸鹽化、黃鐵礦化)強(qiáng)烈,石英脈、方解石脈發(fā)育;鐵礦點(diǎn)處于酸性花崗巖與泥盆紀(jì)碳酸鹽接觸部位,金灘子弧形構(gòu)造西側(cè)附近,典型礦床為蘆草灘接觸變質(zhì)型鐵礦點(diǎn),產(chǎn)于華力西中期二長(zhǎng)花崗巖與砂板巖之接觸帶,巖石破碎,見有硅化、角巖化、綠泥石化、綠簾石化*甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院,甘肅省敦煌市白山―雙岔溝口地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查計(jì)書(內(nèi)部資料),2013年。。

圖1 研究區(qū)1∶5萬地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 1∶50 000 geological structure in study area1.第四系;2.侏羅系中統(tǒng)水西溝群;3.二疊系雙堡塘組;4.石炭紀(jì)干泉組;5.下石炭紅柳園組;6.泥盆系中統(tǒng)三個(gè)井組;7.前長(zhǎng)城系敦煌巖群;8.二疊紀(jì)黑云母花崗巖;9.二疊紀(jì)花崗巖;10.二疊紀(jì)閃長(zhǎng)巖;11.石炭紀(jì)黑云母花崗巖;12.礦點(diǎn);13.斷層。

2 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

本次采用美國(guó)Landsat 7號(hào)衛(wèi)星遙感影像,景號(hào)為138/31和138/32,時(shí)相為2002年11月7日。所獲取的遙感圖像云量少,總體影像清晰,不同地物的層次感較強(qiáng),色調(diào)對(duì)比度好,紋理細(xì)節(jié)清晰,波段的設(shè)置基本上能滿足遙感地質(zhì)解譯和礦化蝕變信息提取的要求。

2.2 遙感影像預(yù)處理

2.2.1 輻射定標(biāo)與大氣校正

輻射定標(biāo)是通過太陽高度角校正和日地距離校正,將不同太陽高度角照射條件下、不同日地距離的圖像數(shù)據(jù)的像元亮度值,標(biāo)準(zhǔn)化到假設(shè)太陽天頂時(shí)的像元亮度值。對(duì)于Landsat ETM+數(shù)據(jù),1波段受大氣散射影響最大,其次是2、3波段,而7波段受到影響最小。在具體操作中,首先將各波段的遙感圖像的灰度值轉(zhuǎn)換為反射率,進(jìn)行傳感器端的輻射校正,再進(jìn)行大氣校正,然后進(jìn)行地面輻射校正。在ENVI 4.7遙感軟件提供大氣糾正模型(FLAASH法),直接實(shí)現(xiàn)對(duì)ETM+等影像的大氣校正。

2.2.2 投影變換與初步裁剪

研究區(qū)的范圍跨138/31和138/32兩景圖像,需進(jìn)行影像拼接。原始遙感影像數(shù)據(jù)的投影類型為UTM,橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球,為方便數(shù)據(jù)處理,先進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一,將原始遙感影像進(jìn)行投影變換為北京54坐標(biāo)系和地形圖統(tǒng)一。由于該圖像為兩景拼接而成,其大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了研究區(qū)的范圍,干擾處理過程,因此要對(duì)遙感圖像進(jìn)行初步裁剪。

2.2.3 幾何精校正與子區(qū)裁剪

由于遙感原始數(shù)據(jù)的偏置、幾何變形等原因需要進(jìn)行圖像校正,以使圖像具有較高的精確度,又能與地形、地質(zhì)等圖件相匹配。因此在圖像解譯和蝕變信息提取之前需對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正。本次校正采用地面控制對(duì)應(yīng)方法,為了提高校正的精度,在選取控制點(diǎn)時(shí),盡可能選擇易于識(shí)別定位的點(diǎn)(如水系交叉點(diǎn)、其它線性影像交叉點(diǎn)、獨(dú)立的標(biāo)志性地物等),選取的控制點(diǎn)要盡可能多,并且分布均勻,通過控制點(diǎn)的精度分析,剔除其中誤差比較大的點(diǎn),然后進(jìn)行幾何校正。根據(jù)研究工作需要,筆者按1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)分幅地形圖的要求,對(duì)經(jīng)過幾何精校正的ETM+遙感圖像進(jìn)行了子區(qū)裁剪。

3 礦化蝕變信息提取

遙感蝕變異常信息提取的方法有多種,其中主成分分析法提取蝕變信息是相對(duì)最為廣泛的。主成分分析(PCA:Principal Component Analysis)是基于信號(hào)二階統(tǒng)計(jì)特性的分析方法,由于所獲各主成分之間不相關(guān),主成分之間信息沒有重復(fù)或冗余。 多光譜遙感數(shù)據(jù)通過PCA所獲每一主成分常常代表一定的地質(zhì)意義,且互不重復(fù),即各主成分的地質(zhì)意義有其獨(dú)特性。但是由于蝕變礦物形成的影像特征在遙感圖像上往往表現(xiàn)得很微弱或不明顯,甚至 “淹沒” 在主體色調(diào)中。鐵染蝕變和羥基蝕變存在于絕大多數(shù)成礦巖體中,提取這兩種蝕變信息基本可以確定研究區(qū)成礦巖石的分布情況[4]。

由于研究區(qū)位于中國(guó)西北極干旱無人地區(qū),植被極不發(fā)育,地表無水體發(fā)育,且所選圖像成像時(shí)間為冬季無降雪,進(jìn)行掩膜處理后對(duì)比發(fā)現(xiàn),此次異常提取,幾乎無干擾信息,提取的遙感蝕變信息較為可靠。本次研究主要使用ENVI 4.7遙感軟件進(jìn)行遙感影像處理和蝕變信息提取,使用MapGIS 6.7軟件進(jìn)行信息疊加與分析。

3.1 鐵染蝕變異常信息提取

鐵氧化物的特征光譜信息集中在ETM+1～4波段,在ETM+1、ETM+4為特征吸收帶,在ETM+3波段相對(duì)高反射。主成分分析中ETM+1、ETM+3波段組合的同時(shí)出現(xiàn)將有利于顯示鐵離子蝕變礦物信息的異常。為了避免含羥基和碳酸根礦物的干擾,舍棄ETM+7波段,對(duì)進(jìn)行過掩膜處理后的ETM+1、3、4、5組合進(jìn)行主成分分析,其特征向量及特征值見表1。

表1 ETM+1、3、4、5主成分分析特征向量與特征值

根據(jù)有關(guān)地物的波譜特征,對(duì)代表鐵染蝕變主分量圖像的判定準(zhǔn)則為:構(gòu)成該主分量的特征向量,其ETM+3系數(shù)應(yīng)與ETM+1及ETM+4的系數(shù)符號(hào)相反,與ETM+5系數(shù)符號(hào)相同。經(jīng)過比較分析,PC4滿足這一標(biāo)準(zhǔn),且其ETM+1為減信息,ETM+3為加信息,這與鐵染蝕變存在ETM+1強(qiáng)吸收和ETM+3強(qiáng)反射相符,PC4圖像上較亮的部分應(yīng)為鐵染蝕變信息。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù),對(duì)PC4進(jìn)行等級(jí)劃分,用不同的顏色表示不同的鐵染強(qiáng)度。對(duì)PC4進(jìn)行等級(jí)劃分,即密度渲染,用不同的顏色表示不同的鐵染強(qiáng)度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分(表2)。

表2 鐵染強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 鐵染蝕變遙感異常分級(jí)簡(jiǎn)表

計(jì)算統(tǒng)計(jì)后,第4主分量的標(biāo)準(zhǔn)差σ=3.384 509,所以等級(jí)劃分取值k=2,2.5,3。依據(jù)該值設(shè)置等級(jí)進(jìn)行密度分割,來提取鐵化蝕變信息,并分級(jí)圈定遙感異常,異常分級(jí)見表3。

3.2 羥基蝕變異常信息提取

根據(jù)對(duì)含羥基礦物的特征曲線分析可知,粘土礦物在ETM+7波段為特征吸收帶,在ETM+5波段具有較高的反射率。主成分分析中ETM+5和ETM+7組合的同時(shí)出現(xiàn)將有利于含羥基蝕變礦物的提取。由于可見光波段對(duì)鐵氧化物比較敏感,為了排除鐵氧化物的干擾,只選擇一個(gè)可見光波段。對(duì)進(jìn)行過掩膜處理以后的ETM+1、4、5、7組合進(jìn)行主成分分析,其特征向量及特征值見表4。

表4 ETM+1、3、4、5主成分分析特征向量與特征值

在PC4中,因羥基蝕變礦物吸收特征而使蝕變信息在圖像中為暗色調(diào),為突出其在影像上的顯示效果,對(duì)PC4求反,圖像上最亮的部分應(yīng)為羥基蝕變信息。結(jié)合羥基的典型波譜分析,用ETM+1、4、5、7波段組合進(jìn)行主成分分析對(duì)代表羥基蝕變信息主分量圖像的判定準(zhǔn)則是:構(gòu)成該主分量的特征向量,其ETM+5系數(shù)應(yīng)與ETM+7及ETM+4的系數(shù)符號(hào)相反,ETM+1的系數(shù)一般與ETM+5符號(hào)相同。對(duì)PC4進(jìn)行等級(jí)劃分,即密度渲染,用不同的顏色表示不同的羥基蝕變強(qiáng)度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分(表5)。

表5 羥基蝕變強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算統(tǒng)計(jì)后,第4主分量的標(biāo)準(zhǔn)差是σ=6.79,所以等級(jí)劃分取值k=2.3,2.8,3.3。依據(jù)該值設(shè)置等級(jí)進(jìn)行密度分割,來提取羥基蝕變信息,并分級(jí)圈定遙感異常,異常分級(jí)見表6。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù),對(duì)PC4進(jìn)行等級(jí)劃分,用不同的顏色表示不同的羥基蝕變強(qiáng)度。將兩種蝕變信息疊加到遙感圖像(圖2)。

表6 羥基蝕變遙感異常分級(jí)簡(jiǎn)表

圖2 研究區(qū)1∶5萬遙感異常分布圖Fig.2 Distribution map of 1∶50 000 remote sensing anomaly in study area1.遙感影像;2.鐵染低級(jí)異常;3.鐵染中級(jí)異常;4.鐵染高級(jí)異常;5.羥基低級(jí)異常;6.羥基中級(jí)異常;7.羥基高級(jí)異常;8.斷層;9.環(huán)形構(gòu)造。

4 蝕變信息分析

在研究區(qū)范圍內(nèi),提取出的鐵染蝕變異常有11個(gè)異常點(diǎn)群,羥基蝕變異常有14個(gè)異常點(diǎn)群。本區(qū)幾個(gè)已知礦點(diǎn)及其周邊均出現(xiàn)不同程度的“礦化型異?！?這類異常一般值級(jí)較高,分布較連續(xù),并具有一定規(guī)模,而且鐵染蝕變異常和羥基蝕變異常有一定的重合性。這類異常是反映礦化區(qū)的鐵染蝕變異常、羥基蝕變異常的富集地段,是找礦的重要標(biāo)志。

為了直觀地反映礦化蝕變信息與構(gòu)造的空間關(guān)系,將礦化蝕變信息與線性構(gòu)造進(jìn)行疊加,結(jié)果顯示鐵染蝕變信息與構(gòu)造信息有著密切的空間相關(guān)性,鐵染蝕變信息主要受北東向和東西向構(gòu)造的控制,且在線性構(gòu)造集中的區(qū)域蝕變信息分布相對(duì)較為集中。將環(huán)形構(gòu)造分布圖與蝕變信息疊加分析,可見環(huán)形構(gòu)造的空間位置與羥基蝕變信息高度吻合。由此可見由于火山和侵入作用形成的環(huán)形構(gòu)造地區(qū)熱液蝕變現(xiàn)象較為發(fā)育,是與羥基蝕變相關(guān)的礦床形成的有利區(qū)域。

5 結(jié)語

(1) 在敦煌白山地區(qū)利用ETM+數(shù)據(jù)采用主成分分析法提取鐵染與羥基蝕變異常信息是可行的。

(2) 在該研究區(qū)域已知礦點(diǎn)及其周邊均出現(xiàn)不同程度的蝕變現(xiàn)象。

(3) 在該區(qū)鐵染蝕變信息與線形構(gòu)造有著密切的空間相關(guān)性,羥基蝕變異常與環(huán)形構(gòu)造具有空間相關(guān)性。

[1] 張玉君,楊建民,陳薇.ETM+(TM)蝕變遙感異常提取方法研究與應(yīng)用——地質(zhì)依據(jù)和波譜前提[J].國(guó)土資源遙感,2002,54(4):30-36.

[2] 王潤(rùn)生,熊盛青,聶洪峰,等.遙感地質(zhì)勘查技術(shù)與應(yīng)用研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,85(11):1699-1743.

[3] 甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局.甘肅省巖石地層[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1997.

[4] 張廷斌.西藏謝通門縣銅金礦帶遙感圖像蝕變信息提取及多源數(shù)據(jù)融合在成礦預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[D].成都:成都理工大學(xué),2006.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Extraction and Analysis of Information of Remote Sensing Alterationof Dunhuang Baishan Area

LI Haojie1,2, CHANG Xiaoke3

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000; 2.GansuNonferrousGeologicalSurveyInstitute,Lanzhou,Gansu730000;3.SchoolofEconomicsandManagement,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730000)

In this paper,extract alteration information of remote sensing using principal component analysis method based on ETM+data in Dunhuang Baishan region,combined with the known data analysis show that there is good accuracy in the study area by using this method. It provides reference for extraction alteration information of remote sensing and analysis work in this area and Beishan.

remote sensing; alteration information extraction; ETM+; principal component analysis

2015-03-30;改回日期:2015-05-11

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局計(jì)劃項(xiàng)目,甘肅省敦煌市白山—雙岔溝口地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查(12120113046800)。

李浩杰(1986-),男,助理工程師,在讀碩士,地質(zhì)工程專業(yè),從事遙感地質(zhì)工作。E-mail:lihaojiehao@qq.com

P627; TP75

A

1671-1211(2016)01-0114-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601021

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.034.html 數(shù)字出版日期:2015-12-17 13:33