云南思茅老黃寨銅礦Landsat8 OLI遙感影像的組合分析法蝕變信息提取研究

朱茂濤 朱杰勇 白光順 康樂(lè)

摘要：在認(rèn)真閱讀及目視解譯云南省思茅老黃寨銅礦礦區(qū)Landsat 8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以USGS波譜庫(kù)礦物波譜曲線為依據(jù)，根據(jù)研究區(qū)思茅老黃寨的現(xiàn)有地質(zhì)資料，結(jié)合老黃寨銅礦床內(nèi)的巖石礦物光譜特征，使用最新時(shí)像OLI遙感影像數(shù)據(jù)并采取主成分分析方法（PCA）與比值法相互結(jié)合的方法提取遙感蝕變異常信息。

Abstract： Based on the Landsat 8 OLI remote sensing image data of the Laohuangzhai copper mine in Simao， Yunnan Province， and based on the spectral spectrum of the USGS spectral library， according to the existing geological data of Laohuangzhai in Simao， combined with the characteristics of the rock and mineral spectrum in Laohuangzhai copper deposit， this paper uses the latest OLI remote sensing image data and takes the method of principal component analysis （PCA） and the ratio method to extract remote sensing alteration anomaly information.

關(guān)鍵詞：OLI影像；蝕變信息；提取方法；老黃寨銅礦

Key words： OLI image；alteration information；extraction method；Laohuangzhai copper mine

中圖分類(lèi)號(hào)：P283.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）03-0189-03

0 引言

圍巖蝕變是一種重要的找礦標(biāo)志，通過(guò)蝕變信息來(lái)進(jìn)行找礦目的的研究已經(jīng)有悠久的歷史，且成功找礦的實(shí)例在國(guó)內(nèi)外數(shù)不勝數(shù)。蝕變圍巖因?yàn)槠浣M成成分和物化特征的不同在遙感圖像表現(xiàn)出不同的色調(diào)，在波譜上表現(xiàn)為不同的波譜曲線，這就為遙感提取蝕變提供了良好的基礎(chǔ)條件，且經(jīng)過(guò)前人的大量研究驗(yàn)證，遙感提取蝕變結(jié)可靠準(zhǔn)確。

截止到目前，國(guó)內(nèi)外的遙感工作者大多是利用ETM+、ASTER等數(shù)據(jù)來(lái)研究蝕變信息提取，因此現(xiàn)在對(duì)于ETM+、ASTER的研究文獻(xiàn)報(bào)道居多，提取手段也比較成熟。2013年2月，美國(guó)航天局發(fā)射了Landsat8衛(wèi)星，該衛(wèi)星拍攝的OLI數(shù)據(jù)較Landsat之前系列衛(wèi)星新增兩個(gè)波段即海岸波段和短波紅外波段，現(xiàn)在基于Landsat8拍攝的最新時(shí)像OLI數(shù)據(jù)在蝕變信息提取等應(yīng)用方面的研究文獻(xiàn)還比較少。

目前提取蝕變信息比較成熟的方法有主成分分析法（也稱(chēng)為K-L變換）、波段運(yùn)算法以及光譜角法（SAM），通過(guò)這些方法提取蝕變從而達(dá)到找礦目的在國(guó)內(nèi)外的找礦研究的實(shí)例中數(shù)不勝數(shù)，但是這些方法在實(shí)際操作中也會(huì)表現(xiàn)出一些問(wèn)題，比如PCA方法雖然去除了波段間的相關(guān)性，但是波段噪聲會(huì)掩蓋微弱的蝕變信息，而比值法能在波段運(yùn)算過(guò)程中能增強(qiáng)信息，降低波段間的信噪比。針對(duì)這些方法在實(shí)際中反映出來(lái)的問(wèn)題，結(jié)合老黃寨銅礦實(shí)際地質(zhì)情況，根據(jù)研究區(qū)的蝕變礦物所反映出來(lái)的特定光譜特征，此次基于老黃寨銅礦蝕變信息提取將采用主成分分析和波段運(yùn)算法相互結(jié)合的方法，有效地降低波段間相關(guān)性及背景噪聲，增強(qiáng)圖像信息，去除干擾因素，有效準(zhǔn)確地提取遙感圍巖蝕變信息。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省寧洱縣勐先鎮(zhèn)老黃寨村，地理坐標(biāo)（西安80坐標(biāo)系）：東經(jīng)101°11′15″～101°13′30″，北緯22°59′30″～23°03′45″，研究區(qū)處于思茅盆地中軸斷裂帶，其成礦帶位屬于無(wú)量山-營(yíng)盤(pán)山，該成礦帶目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了15余處小型礦點(diǎn)，至今尚未發(fā)現(xiàn)中-大型礦點(diǎn)，附近比較典型的脈狀銅礦床有白龍廠銅礦床。

據(jù)1：20萬(wàn)普洱幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，研究區(qū)出露下白堊統(tǒng)曼崗組下段（K1m1）、中段（K1m2）及上段（K1m3）、上白堊統(tǒng)勐野井組中段（K2m2）及全新統(tǒng)（Q4）等。研究區(qū)中的脈狀銅礦床組成成分豐富礦石結(jié)構(gòu)復(fù)雜，礦體大多以脈狀，網(wǎng)脈狀的形式產(chǎn)出，而且其分布廣，礦點(diǎn)多，銅品位高，脈狀銅礦伴生的銀、鈷能達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此研究區(qū)內(nèi)的脈狀銅礦床是我國(guó)一種值得深入研究的重要銅礦床類(lèi)型，根據(jù)前人的研究資料礦床具有明顯的圍巖蝕變，以硅化、鐵化、泥化和重晶石化為特征。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究數(shù)據(jù)采用的是最新時(shí)像landsat8 OLI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選用2016年2月16日拍攝的130/44景OLI影像，影像質(zhì)量?jī)?yōu)秀，云量覆蓋率低于1%。

3 蝕變提取的理論依據(jù)

由于不同地物的組成成分、構(gòu)造特征等因素的不同，使得其對(duì)電磁波的反射特征不同，造成不同地物反射電磁波的波譜信息也不相同，因此在遙感地質(zhì)應(yīng)用中，由于蝕變礦物與周?chē)牡V物組成成分及構(gòu)造特征不同，使其波譜曲線也截然不同，并且某些特定的蝕變巖石有其獨(dú)特專(zhuān)屬的光譜形態(tài)特征，這些特定的蝕變巖石獨(dú)特的光譜形態(tài)特征為遙感提取蝕變信息提供了理論依據(jù)。根據(jù)蝕變礦物的光譜曲線，采用合適的提取方法，增強(qiáng)遙感影像的圖像信息，降低波段間的相關(guān)性，從而有效準(zhǔn)確地提取蝕變信息。

根據(jù)老黃寨銅礦礦床的實(shí)際地質(zhì)特征，主要圍巖蝕變類(lèi)型有鐵化、硅化、泥化、重晶石化。因?yàn)檠芯繀^(qū)圍巖蝕變的強(qiáng)度的不同，因此會(huì)限制提取遙感蝕變異常信息的程度，本次提取蝕變主要進(jìn)行羥基蝕變和鐵染蝕變提取。二者的光譜特征如圖1、圖2所示。

羥基蝕變礦物的光譜曲線在2.3μm至2.4μm之間表現(xiàn)為反射率吸收谷，在OLI7波段上存在比較明顯的吸收帶，在OLI6波段有較明顯的反射率（圖1），而研究區(qū)內(nèi)的含鐵礦物在氧化作用下形成褐鐵礦，所以研究區(qū)內(nèi)的鐵染蝕變?cè)谶b感影像下表現(xiàn)出來(lái)的是褐鐵礦化。褐鐵礦化是由水針鐵礦、針鐵礦、水纖鐵礦、纖鐵礦、更富含鋁的氫氧化物、水的氫氧化鐵膠凝體以及含水的泥質(zhì)、氧化硅等常共同產(chǎn)出而形成，含鐵量達(dá)30%～40%，由鐵染蝕變礦物波譜曲線（圖2）可以看出，在圖像中0.6～0.9μm間產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收譜帶，在0.9μm處反射率達(dá)到波峰。OLI2和OLI5波段上蝕變波譜曲線處于吸收谷，在OLI4波段上有比較強(qiáng)烈的反射率。

4 蝕變信息提取

4.1 研究區(qū)干擾信息的去除

影像去干擾處理是通過(guò)光譜特征的觀察，對(duì)影響提取蝕變信息的不同干擾地物選用不同的掩膜方法，將有可能影響蝕變提取的地物如水體、植被、云霧塊，地形陰影等抑制并去除，從而降低蝕變信息提取的誤差，增加提取的準(zhǔn)確度。本次研究區(qū)主要的干擾物為植被和地形陰影影響。（圖3）

4.2 蝕變提取及結(jié)果

至今為止，遙感蝕變提取應(yīng)用最多的方法當(dāng)屬主成分分析法（PCA），該方法能把原來(lái)各波段中有用的圖像信息集中較少的波段中，并且將新的波段組合運(yùn)算，有效的降低各波段間的相關(guān)性，但是由于其他干擾因素的影響，會(huì)增加提取誤差，運(yùn)用波段運(yùn)算，減少干擾影響增強(qiáng)蝕變礦物與圍巖礦物之間的信息反差，本次研究采用主成分分析法和波段運(yùn)算法結(jié)合來(lái)達(dá)到蝕變信息提取的目的。

根據(jù)礦物波譜曲線圖可以看出，褐鐵礦化的特征光譜信息主要集中在OLI2～OLI5波段，尤其在OLI4波段表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的高反射，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)概況和礦物波譜曲線，為了增強(qiáng)鐵染蝕變圖像的亮度反差功能，降低背景噪聲和其他微弱干擾信息的影響，本文所提取的鐵染蝕變將采用OLI2、OLI4、OLI5、OLI4/OLI3這4個(gè)波段用于波段組合及主成分分析提取蝕變信息，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在PC4上OLI2和OLI5特征向量貢獻(xiàn)系數(shù)為正并且與OLI4的系數(shù)相反，OLI4與OLI4/3貢獻(xiàn)系數(shù)相同同為負(fù)，因此判定PC4即第4主分量為此次提取遙感鐵染蝕變異常信息的特征向量，對(duì)第4主分量進(jìn)行主成分分析提取鐵染蝕變異常。

與羥基有關(guān)的蝕變礦物根據(jù)其對(duì)應(yīng)的特定光譜曲線特征，本次研究將選取OLI2，OLI5，OLI6，OLI7進(jìn)行波段組合及主成分分析提取羥基蝕變異常信息，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從羥基蝕變表中可以看出，PC4上OLI2和OLI6特征向量的貢獻(xiàn)系數(shù)為負(fù)且與OLI5相反，OLI5與OLI7貢獻(xiàn)系數(shù)相同同為負(fù)，因此判定第4主分量為本次研究提取遙感羥基蝕變異常信息的特征向量，因此對(duì)第4主分量進(jìn)行主成分分析提取羥基蝕變異常。通過(guò)對(duì)OLI數(shù)據(jù)提取遙感鐵染蝕變異常信息和羥基蝕變異常信息的提取結(jié)果如圖4和圖5所示。

在前人的研究基礎(chǔ)上對(duì)鐵染和羥基蝕變提取結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，基于OLI數(shù)據(jù)采用以主成分分析法與比值法結(jié)合的方法選取OLI數(shù)據(jù)的第2、4、5、4/3波段能較準(zhǔn)確的提取該銅礦礦床的鐵染蝕變異常信息；采用主成分分析法選取第2、5、6、7波段，能較準(zhǔn)確的提取該銅礦礦床的羥基蝕變異常信息。

5 結(jié)論

①通過(guò)分析老黃寨銅礦礦床的地質(zhì)概況和該礦床蝕變礦物的波譜特征曲線形態(tài)，通過(guò)遙感影像提取蝕變異常信息，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況和相關(guān)離子礦物所對(duì)應(yīng)的特征光譜曲線，對(duì)OLI數(shù)據(jù)的2、4、5、4/3波段組合提取鐵染蝕變信息，對(duì)2、5、6、7波段波段組合提取羥基蝕變信息。

②通過(guò)對(duì)主成分分析法與波段運(yùn)算法的相互結(jié)合，利用主成分分析法把原來(lái)各波段中有用的圖像信息集中較少的波段中，并且將新的波段組合運(yùn)算，有效的降低各波段間的相關(guān)性，再通過(guò)波段運(yùn)算法去除背景噪聲增強(qiáng)圖像信息，增加蝕變礦物與圍巖礦物的信息反差，從而達(dá)到較好的抑制去除干擾地物的影響，提高蝕變提取的精度。

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