基于影像協(xié)同的蝕變信息提取研究

徐 越，張 震，朱 駿，謝 毅，王璇璇

(1.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.浙江水利水電學(xué)院 測(cè)繪學(xué)院，浙江 杭州 310000)

遙感礦化蝕變信息的提取是遙感找礦的重要步驟，對(duì)于礦產(chǎn)的勘測(cè)與評(píng)價(jià)具有重要指示意義[1]，如何從遙感影像中提取出更為準(zhǔn)確的蝕變信息一直是遙感找礦中的關(guān)鍵問題[2]。近些年來，Landsat8 OLI、WorldView-2等影像在蝕變信息提取中得到了廣泛應(yīng)用，OLI數(shù)據(jù)在繼承TM/ETM數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增大了波段數(shù)量和波段光譜范圍，提高了影像的輻射分辨率，增強(qiáng)了對(duì)巖性的識(shí)別[3]，Landsat8在VNIR有5個(gè)波段，更適用于鐵染蝕變信息的提取[4]。WorldView-2影像數(shù)據(jù)除了擁有較高的分辨率和豐富的空間信息外，其較為豐富的光譜波段與光譜信息將更加有利于信息的提取和遙感制圖能力[5]，使地物的識(shí)別能力比多光譜數(shù)據(jù)強(qiáng)，但存在波段寬度窄的問題，使地物識(shí)別能力受到限制。將兩種不同的影像數(shù)據(jù)融合能使光譜信息更為精確，每種數(shù)據(jù)能在新形成的影像數(shù)據(jù)中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，來提高最終蝕變信息提取的準(zhǔn)確性。王守志等人[6]將Landsat8 OLI的多光譜波段和GF-1 PMS的全色波段進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，采用主成分分析法對(duì)研究區(qū)的鐵染蝕變信息進(jìn)行提取，并通過對(duì)比前后的提取結(jié)果來驗(yàn)證融合后的數(shù)據(jù)在蝕變信息提取中的優(yōu)勢(shì)。將兩種影像進(jìn)行協(xié)同作為另一種有效的方法，也能夠使光譜信息更為準(zhǔn)確。協(xié)同與融合不同，不是將光譜波段進(jìn)行融合，而是將所有的光譜波段拼接起來，使光譜數(shù)大大增加，提高光譜的詳細(xì)程度，對(duì)于研究提取蝕變信息有著重要的意義。唐超等人[7]采用這種方法將Landsat8 OLI數(shù)據(jù)和ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行集成后，為提高集成數(shù)據(jù)的空間分辨率又與Landsat8數(shù)據(jù)的全色波段進(jìn)行融合，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行鐵染和羥基異常的提取，發(fā)現(xiàn)經(jīng)集成融合后的數(shù)據(jù)能夠提取出更多蝕變細(xì)節(jié)信息，得出該方法可用于提升礦化蝕變信息精度的結(jié)論。本研究將Landsat8數(shù)據(jù)和WorldView-2數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同，用以浙江漓渚地區(qū)鐵染蝕變信息的提取。

近年來的蝕變信息提取方法主要有光譜角匹配法(SAM)、主成分分析法(PCA)、波段比值法(BRM)。光譜角匹配法是通過參考波譜的相對(duì)重采樣與所要處理的遙感影像波譜信息進(jìn)行匹配，根據(jù)兩者的相似程度進(jìn)行地物的識(shí)別，從而達(dá)到識(shí)別地物的目的，在高光譜遙感地物識(shí)別中，光譜角匹配法又被稱為光譜角填圖法，當(dāng)目標(biāo)光譜與參考光譜矢量之間的廣義夾角越小，兩者相似性越大，當(dāng)該夾角小于某個(gè)閾值時(shí)，就認(rèn)為目標(biāo)光譜與參考光譜匹配成功。也即目標(biāo)地物被識(shí)別為已知參考地物[8]。賀金鑫等人[9]采用光譜角填圖法，利用Hyperion 衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)蒙古大營(yíng)鈾礦區(qū)進(jìn)行礦化蝕變信息的提取，驗(yàn)證方法的有效性，并且確定含鐵離子和粘土礦物類蝕變信息可以作為當(dāng)?shù)刂匾恼业V標(biāo)志。主成分分析法是一種降維思想的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，是大部分蝕變信息提取中使用較多的一種較為精確和實(shí)用的方法。該方法利用 K-L 變換，將給定的多維相關(guān)變量轉(zhuǎn)換成新的彼此相互獨(dú)立且不相關(guān)的變量，由于各變量之間互不相關(guān)，新生成的各變量之間信息沒有重復(fù)與冗余，從而實(shí)現(xiàn)將同1幅影像內(nèi)的各個(gè)波段中較為明顯的蝕變信息集中到盡可能少的重新組分圖像中[10]。劉桂萍等人[11]采用主成分分析法對(duì)ETM+遙感影像進(jìn)行蝕變異常信息提取并進(jìn)行強(qiáng)弱分級(jí)，通過野外查證表明遙感異常區(qū)域有較好的礦化蝕變顯示，最后進(jìn)行成礦預(yù)測(cè)，圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

本研究將光譜波段范圍較寬的Landsat8影像與空間數(shù)據(jù)分辨率較高的WorldView-2影像數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，生成具有兩種影像數(shù)據(jù)特征的協(xié)同影像，在研究區(qū)域使用光譜角匹配法和主成分分析法分別對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)及協(xié)同后的影像進(jìn)行處理，得到研究區(qū)的鐵染礦物蝕變信息的分布，結(jié)合當(dāng)?shù)罔F礦分布和實(shí)地考察來驗(yàn)證協(xié)同影像提取的蝕變信息相對(duì)于單一影像更為準(zhǔn)確的結(jié)論，為當(dāng)?shù)匦碌V源的尋找提供一種新的參考方法。

1 研究區(qū)概況

如圖1所示，漓渚位于鑒湖水系源頭，為紹興縣西南部半山區(qū)鎮(zhèn)，東鄰福全鎮(zhèn)，南連蘭亭，西接諸暨市店口鎮(zhèn)，北與湖塘街道、福全鎮(zhèn)僅一山之隔。全區(qū)以山地為主，其次是丘陵。研究區(qū)的地理坐標(biāo)：120°26'6''～120°29'12''E，29°54'34''～29°57'16''N。浙江漓渚地區(qū)處于欽杭成礦帶北東段[12-13]，區(qū)內(nèi)有著較為連續(xù)的出露地層，發(fā)育矽卡巖型鐵或鐵多金屬礦床或礦(化)點(diǎn)，成礦作用與沿北東走向褶皺-斷裂帶發(fā)育的晚侏羅世末柵溪—廣山侵入巖密切相關(guān)。漓渚地區(qū)主要以柵溪巖體和廣山巖體為主，成巖構(gòu)造環(huán)境具有從俯沖碰撞作用向后碰撞或后造山作用轉(zhuǎn)換的特征，轉(zhuǎn)換時(shí)間與華南地區(qū)構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)換時(shí)間吻合，為華南構(gòu)造-巖漿演化提供新的約束，且這兩類侵入巖在浙江分布廣，均具有較好的成礦潛力及找礦前景[14]。

2 數(shù)據(jù)源與影像協(xié)同處理

2.1 數(shù)據(jù)源

OLI傳感器搭載的Landsat8衛(wèi)星發(fā)射于2013年2月，在基本繼承TM/ETM+數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了光譜范圍和信噪比，進(jìn)一步對(duì)波段設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。尤其是對(duì)NIR波段(0.845～0.885 μm)的調(diào)整，避開了大氣吸收特征，較為顯著地增強(qiáng)了OLI對(duì)地物的識(shí)別能力[15]。該數(shù)據(jù)具有9個(gè)波段，分辨率為30 m，其中，包括1個(gè)15 m的全色波段(0.500～0.680 μm)，成像寬幅為185×185 km。Landsat8 OLI數(shù)據(jù)NIR波段(0.845～0.885 μm)和SWIR2波段(2.100～2.300 μm)波譜分辨率的提高，已分別成為含F(xiàn)e3+類、Al-OH類和Mg-OH類蝕變礦物的診斷性譜段。本研究選用的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2018年4月，下載的影像只包含有效蝕變信息的1～7波段。原始影像云量較少，地物層次較為清晰，色調(diào)對(duì)比度好，能夠較好地滿足本次遙感礦化信息提取的工作需求。該數(shù)據(jù)可以從美國(guó)地質(zhì)勘探局(https://earthexplorer.usgs.gov/)下載。影像波段參數(shù)如表1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

WorldView-2衛(wèi)星于2009年10月發(fā)射升空，運(yùn)行于770 km高的太陽(yáng)同步軌道，能夠提供0.46 m的全色圖像和1.85 m分辨率的多光譜圖像[16]。其星載多光譜遙感器不僅具有藍(lán)色波段(450～510 nm)、綠色波段(510～580 nm)、紅色波段(630～690 nm)、近紅外1波段(770～895 nm)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)譜段，還包括海岸波段(400～450 nm)、黃色波段(585～625 nm)、紅色邊緣波段(705～745 nm)和近紅外2波段(860～1 040 nm)4個(gè)額外波段。影像波段參數(shù)如表2所示。

WorldView-2影像數(shù)據(jù)擁有較高的分辨率和豐富的空間信息，有利于信息的提取和遙感制圖能力。本次購(gòu)買使用的WorldView-2數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2018年4月，多光譜圖像空間分辨率為2 m。原始影像質(zhì)量良好，無云及陰影遮蓋，能夠滿足本次遙感礦化信息提取工作的要求。

表1 Landsat8影像波段參數(shù)(部分)

表2 WorldView-2影像波段參數(shù)

2.2 影像協(xié)同

在對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，進(jìn)行影像協(xié)同前需要統(tǒng)一兩種數(shù)據(jù)的分辨率，所以要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。兩者影像數(shù)據(jù)的分辨率不同，Landsat8遙感影像的分辨率為30 m，WorldView-2遙感影像的分辨率為2 m。不同分辨率的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間尺度的統(tǒng)一，轉(zhuǎn)換的方法主要有兩種：一是以其中一類數(shù)據(jù)的分辨率為基準(zhǔn)，將另一類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同的分辨率；二是以兩類數(shù)據(jù)的分辨率為上下限，選擇其中某個(gè)適宜的尺度作為基準(zhǔn)，將兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[17-21]。本研究采用第一種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以WorldView-2的2 m分辨率為基準(zhǔn)，將30 m分辨率的Landsat8遙感影像重采樣提高至2 m，再將Landsat8影像數(shù)據(jù)的7個(gè)波段與WorldView-2影像數(shù)據(jù)的8個(gè)波段集成，生成具有15個(gè)波段且分辨率為2 m的協(xié)同影像，該影像包含比Landsat8 OLI和WorldView-2都豐富的波段信息。波段參數(shù)如表3所示。

表3 協(xié)同影像波段參數(shù)

在生成協(xié)同影像后，采用光譜角匹配法和主成分分析法，對(duì)3種數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變信息的提取，并將提取結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。蝕變信息提取過程的流程如圖2所示。

3 波譜特征分析和蝕變信息提取

3.1 波譜特征分析

鐵染類是對(duì)以含鐵離子礦物為特征礦物的蝕變類型的統(tǒng)稱。鐵離子的價(jià)態(tài)及礦物質(zhì)的透明度和含水性等很大程度上決定其波譜特征，含鐵礦物主要有褐鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦、黃鉀鐵礬等。它們的光譜曲線均具有如下特點(diǎn)[22]：在0.4～0.5 μm波段處出現(xiàn)吸收的特征；在附近有一個(gè)強(qiáng)的吸收特征，意味著特別典型的礦物；從強(qiáng)吸收開始，隨著波長(zhǎng)增加反射率急速上升至附近達(dá)到最高值，隨后呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖3 采樣后的蝕變光譜曲線

根據(jù)研究區(qū)的成礦特征，選取褐鐵礦作為鐵染蝕變的特征礦物的代表。褐鐵礦(Limonite)是在溫濕條件下黃鐵礦的一種蝕變礦物。由數(shù)量不一的含水氧化硅、枯土、纖鐵礦等混合而成。USGS光譜庫(kù)和分別用3種數(shù)據(jù)重采樣后的褐鐵礦的蝕變光譜曲線如圖3所示。

由圖3 (a)可知，褐鐵礦在0.5 μm和0.9 μm附近具有較為明顯的吸收特征，是Fe3+類礦物的診斷性譜段。雖然從圖3 (b)中的OLI波譜也能觀察到這一特征，但同USGS光譜庫(kù)的褐鐵礦蝕變光譜中的吸收特征相比不太顯著，而通過集成Landast8和WorldView-2數(shù)據(jù)生成圖3 (d)的協(xié)同影像數(shù)據(jù)重采樣波譜，在0.5 μm和0.9 μm附近相比OLI數(shù)據(jù)有著更為顯著的光譜吸收特征。協(xié)同影像波譜具備這種更顯著的光譜吸收特征是因?yàn)樵?.5 μm和0.9 μm的波段范圍內(nèi)，圖3(c)的WorldView-2數(shù)據(jù)對(duì)Landsat8數(shù)據(jù)缺失的部分信息進(jìn)行了補(bǔ)充，這正是影像協(xié)同的關(guān)鍵和原理所在。

3.2 蝕變信息提取

光譜角匹配法(SAM)通過參考波譜的相對(duì)重采樣與所要處理的遙感影像波譜信息進(jìn)行匹配，把光譜在N個(gè)波段的響應(yīng)作為N維空間的矢量，計(jì)算兩個(gè)光譜之間的廣義夾角，來表示地物之間相似程度，進(jìn)行地物提取。其表達(dá)式為

兩者之間的廣義夾角越小，則光譜相似程度越高，表明識(shí)別地物是參考地物的可能性也越高[23]。本研究的參考波譜為USGS巖石波譜，對(duì)影像進(jìn)行光譜適配，選擇合理的閾值進(jìn)行密度分割，可以獲得較為準(zhǔn)確的蝕變信息二值圖像，如圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)所示。

主成分分析法(PCA)可以盡量減少新生成變量之間信息的重復(fù)與冗余，去除波段間的多余信息，一般來說，前3個(gè)主成分包含所有波段95%以上的信息量。主成分分析法是目前用于蝕變信息提取使用次數(shù)較多、也較為精確一種方法。借鑒 Crosta 主成分分析法[24]的思想，對(duì)Landsat8數(shù)據(jù)的鐵染蝕變信息提取，采用 OLI2、OLI4、OLI5、OLI6等 4 個(gè)波段組合進(jìn)行主成分分析。由于WorldView-2數(shù)據(jù)最大的波長(zhǎng)范圍在0.860～1.040 μm，沒有辦法找到對(duì)應(yīng)OLI6(1.560～1.660 μm)的波段，所以無法對(duì)WorldView-2數(shù)據(jù)進(jìn)行鐵染異常的主成分分析。選擇協(xié)同影像數(shù)據(jù)的Band3、Band9、Band12、Band14進(jìn)行蝕變信息提取。然后觀察特征向量矩陣(見表4、表5)，在其中選擇出能代表鐵染礦物的主成分向量。

選擇OLI2與 OLI5系數(shù)符號(hào)相同，OLI5系數(shù)與OLI4 及OLI6的系數(shù)符號(hào)相反的本征向量PC3作為代表鐵染礦物的主分量[25]，利用門限化技術(shù)，根據(jù)PC3的標(biāo)準(zhǔn)差σ及其倍數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分、密度分割渲染，用不同層次的顏色代表不同的鐵染蝕變強(qiáng)度，其等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表6。以表7中的鐵染異常等級(jí)進(jìn)行劃分，得到鐵染類蝕變信息分級(jí)結(jié)果見圖4(a) 。

表4 PCA[2 4 5 6]主成分特征向量矩陣

表5 PCA[3 9 12 14]主成分特征向量矩陣

表6 鐵染強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖4 鐵染類蝕變信息分級(jí)結(jié)果

表7 鐵染蝕變遙感異常分級(jí)

根據(jù)Crosta法異常所在組分判斷原則，選定協(xié)同數(shù)據(jù)的PC4為主成分向量后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差及其倍數(shù)進(jìn)行鐵染蝕變強(qiáng)度等級(jí)劃分。分級(jí)結(jié)果如圖4 (b)所示。

4 對(duì)比分析

從圖5可以看出，鐵染異常主要是沿著研究區(qū)的東北部分延展，以中部位置蝕變信息最為明顯，在西北部和東南部有零散分布。WorldView-2數(shù)據(jù)因?yàn)槿鄙?.04 μm以上的波段，所以無法進(jìn)行鐵染蝕變信息的主成分分析，即在主成分分析的步驟中，在高于1.04 μm的部分，協(xié)同影像提取蝕變信息的精度沒有提升，但對(duì)比圖4(a)和圖4(b)發(fā)現(xiàn)，協(xié)同影像和Landsat影像提取鐵染蝕變信息的范圍和位置較為接近，協(xié)同影像在細(xì)節(jié)提取方面比Landsat影像要更好，說明WorldView-2數(shù)據(jù)中低于1.04 μm的部分在協(xié)同后不僅沒有給數(shù)據(jù)帶來相對(duì)較大的誤差影響，還提供了豐富的空間信息。通過圖4也可以看出，協(xié)同影像較單一影像的SAM法提取結(jié)果要更為接近主成分分析法的提取結(jié)果。

對(duì)比單一影像和協(xié)同影像提取結(jié)果圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)存在差異的地方，隨機(jī)挑選區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)行研究。在區(qū)域1中，WorldView-2數(shù)據(jù)中沒有表現(xiàn)出來明顯鐵染異常，而Landsat8數(shù)據(jù)和協(xié)同數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出鐵染異常；在區(qū)域2中，Landsat8數(shù)據(jù)和WorldView-2數(shù)據(jù)中均沒有表現(xiàn)出明顯鐵染異常，而協(xié)同影像結(jié)果表現(xiàn)出鐵染異常。進(jìn)行野外考察，采集區(qū)域1、2內(nèi)有鐵染異常區(qū)域的巖石樣本，發(fā)現(xiàn)鐵染蝕變信息的存在，證明協(xié)同影像提取的蝕變信息相對(duì)于單一影像更為準(zhǔn)確。

圖5 野外實(shí)地考察照片

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究利用協(xié)同影像集成Landsat8數(shù)據(jù)和WorldView-2數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，采用主成分分析法和光譜角匹配法對(duì)漓渚地區(qū)的鐵染類礦物的蝕變信息進(jìn)行提取，通過兩種方法的提取結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，協(xié)同影像在集成了WorldView-2數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)后，在細(xì)節(jié)提取方面比Landsat影像要更好。通過對(duì)比SAM法蝕變信息提取結(jié)果不同的分布區(qū)域，進(jìn)行野外實(shí)地考察，依據(jù)鐵礦礦點(diǎn)的分布和采集樣本的驗(yàn)證，得到結(jié)論：協(xié)同影像提取的蝕變信息相對(duì)于單一影像更為準(zhǔn)確。