基于Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)甘肅隴南趙家莊地區(qū)遙感蝕變信息提取

張勝龍，劉林，耿海軍，荊國強

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 咸陽 712000）

在熱液礦床形成過程中，通常伴隨著熱液流體與圍巖的相互作用，受熱液的溫度、壓力和熱液成分等的影響，蝕變巖石在礦物成分和巖石結構上與圍巖顯著不同。蝕變巖石與圍巖不論是在遙感圖像的色調上還是在波譜曲線上均具有明顯差異，這也為利用遙感技術進行蝕變信息提取提供了理論基礎。

利用遙感技術進行蝕變信息提取在礦產資源勘查中已得到廣泛應用，Landsat 系列數(shù)據(jù)（TM、ETM 和OLI）和ASTER 等多光譜數(shù)據(jù)是最常被用到的數(shù)據(jù)［1-4］，利用遙感技術進行蝕變信息提取的礦物可分為3 類：含羥基礦物（泥化蝕變），如絹云母、高嶺石、綠泥石、方解石和伊利石；硫酸鹽礦物，如石膏和明礬石以及含鐵礦物 （鐵染蝕變），如赤鐵礦、針鐵礦和褐鐵礦［5-6］。TM、ETM 和OLI 數(shù)據(jù)常用來提取鐵染和泥化蝕變信息，也有學者用來開展超基性巖石識別研究［7］。波段比值法、主成分分析法 （Principal Component Analysis）和光譜角填圖法（SAM）等方法是提取蝕變信息的常用方法。Crosta 等人在1989 年利用主成分分析法從TM 圖像成功提取了巴西Minais Gerais 半干旱地區(qū)鐵染和羥基蝕變異常［8］，張玉君等人利用ASTER 數(shù)據(jù)和ETM 數(shù)據(jù)成功區(qū)分了3 種類型礦床：斑巖型銅金礦床、鎂鐵質銅（鎳）礦和矽卡巖型鉛鋅礦，并成功提取了蒙古國歐玉陶勒蓋礦床的蝕變異常［9］；吳志春等在青海玉樹干旱基巖裸露區(qū)提取的蝕變信息與已知的84 個礦床 （點）吻合率高達88%［10］。

本文基于Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)采用主成分分析法對趙家莊地區(qū)開展鐵染蝕變和泥化蝕變信息提取，并利用主分量門限法對異常進行分級處理，以期為下一步找礦工作快速圈定找礦靶區(qū)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主體位于甘肅省境內，南鄰四川省，東鄰陜西省。大地構造位置位于揚子板塊西北緣的次一級大地構造單元，夾持于文縣-康縣大斷裂和楓相-銅錢區(qū)域韌性剪切帶之間［11］（圖1）。區(qū)域上出露地層主要為元古宇碧口群變質淺海-濱海相陸緣碎屑巖夾火山碎屑巖；其次為下古生界中上志留統(tǒng)白龍江群淺海陸緣碎屑巖夾碳酸鹽巖及上古生界中泥盆統(tǒng)三河口群淺海相陸緣碎屑巖、碳酸鹽巖。研究區(qū)屬植被稀疏的半裸露區(qū)，局部有松散覆蓋物，主要的礦化蝕變類型有絹云母化、黏土化、黃鐵礦化、硅化等。

區(qū)域上，中國地質大學樊春等利用TM 圖像對線性構造和環(huán)形構造進行了解譯（1:50萬）［12］；陳勇敢等利用TM 圖像對鄰區(qū)陽山金礦進行了蝕變信息異常提取，通過野外異常驗證，證實了遙感蝕變信息的有效性［13］。但趙家莊地區(qū)的遙感蝕變信息提取工作以前從未開展。

圖1 研究區(qū)大地構造位置（據(jù)王宗起等［14］）Fig.1 Geotectonic location of the study area （Based on Wang Zongqi）

2 遙感影像預處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)來源

OLI 傳感器是美國地質調查局 （USGS）聯(lián)合美國國家航空航天局（NASA）開發(fā)的一款傳感器，共設有9 個波段，其中6 個波段位于VNIR 波譜區(qū)間，3 個波段位于SWIR 波譜區(qū)間（表1）。與TM 和ETM 相比，OLI 數(shù)據(jù)在輻射分辨率、光譜分辨率和數(shù)據(jù)信噪比等方面均有較大提高且收窄了VNIR 及SWIR 波段的波譜范圍，更有利于蝕變礦物信息的提取。依據(jù) “云量少、植被少” 的原則，本次研究所采用的OLI 數(shù)據(jù)獲取時間為2013 年12 月16 日，軌道號為129/37［15］。

表1 Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)波段設置Table 1 The band list of Landsat 8

2.2 遙感影像預處理

首先利用ENVI 5.3 軟件對影像進行輻射定標和大氣校正，以消除大氣中二氧化碳、氧氣等成分吸收和散射的影響，將影像的DN值轉換為真實的地表反射率。然后根據(jù)研究區(qū)坐標對影像進行裁剪，得到研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。

2.3 去干擾處理

在本次研究過程中，通過對歸一化植被指數(shù)（NDVI）和歸一化水體指數(shù)（NDWI）提取植被和水體，其計算公式為：

NDVI＝（Band5－Band4）/（Band5＋Band4）

NDWI＝（Band3－Band5）/（Band3＋Band5）

采用0.6＜NDVI＜1 和0＜NDWI＜0.5 分割閾值，建立掩膜文件，以達到消除水體和植被的干擾。

3 蝕變信息提取

3.1 波譜特征分析

ENVI 5.3 軟件中自帶USGS 波譜庫，與鐵染蝕變相關的礦物包括針鐵礦、赤鐵礦和黃鉀鐵礬等，將與鐵染蝕變相關礦物重采樣至Landsat 8 數(shù)據(jù)的相應波段（圖2）。針鐵礦、黃鉀鐵礬和赤鐵礦在0.45～0.50 μm 和0.86 μm附近呈吸收谷，具有針對性特征，對應OLI數(shù)據(jù)的Band 2 （0.450～0.515 μm）和Band 5（0.845～0.885 μm），在0.65 μm 和1.61 μm附近呈強反射特征，對應OLI 數(shù)據(jù)的Band 4（0.630～0.680 μm）和Band 6（1.560～1.660 μm）。

泥化蝕變礦物（含羥基礦物）主要包括綠泥石、高嶺石、白云母和蒙脫石等，將與泥化蝕變相關礦物曲線重采樣至Landsat 8 數(shù)據(jù)的相應波段（圖3）。在0.85 μm 附近呈強反射特征，在2.10～2.30 μm 附近呈強吸收特征，分別對應Band 5（0.845～0.885 μm）和Band 7（2.10～2.30 μm）。

3.2 鐵染蝕變信息提取

對特征向量主成分分析的Crosta 技術是目前遙感蝕變異常信息提取常用方法之一。主成分分析可以將原來多波段圖像中的有用信息集中到數(shù)目盡可能少的新的組分圖像中，且新組分圖像之間互相不關聯(lián)［16］。根據(jù)赤鐵礦、黃鉀鐵礬和針鐵礦等礦物的波譜特征，選取Band 2、Band 4、Band 5 和Band 6 4 個波段進行主成分分析（表2）。其中PC4 特征向量載荷因子在Band 4 為正值，在Band 2 上為負值，且絕對值較大，這與鐵染蝕變礦物在Band 2 上具有強吸收，在Band 4 上具有強反射的特征相一致，因此PC4 為鐵染蝕變信息所在的組分，異常為亮像元。

圖2 典型鐵染蝕變礦物波譜曲線Fig.2 Spectral curves of typical iron-bearing minerals

圖3 典型含羥基礦物波譜曲線Fig.3 Spectral curves of typical hydroxyl-bearing minerals

表2 波段2，4，5，6 特征向量值Table 2 Eigenvectors of band 2，4，5 and 6

3.3 泥化蝕變信息提取

根據(jù)含羥基礦物的波譜特征，選取Band 2、Band 5、Band 6 和Band 7 4 個波段進行主成分分析（表3）。其中PC4 組分在Band 2 和Band 6 為正值，在Band 5 和Band 7 為負值，且具有較大絕對值，這與含羥基礦物在Band 2 和Band 6 波段具有強反射，在Band 5和Band 7 波段具有強吸收的特征相符合，因此PC4 為泥化蝕變信息所在的組分，異常為亮像元。

4 蝕變信息提取結果與評價

首先利用ENVI 5.3 軟件中的密度分割工具，對相關主分量圖像進行3×3 的高斯低通濾波處理，結合研究區(qū)實際情況，分別對鐵染蝕變和泥化蝕變建立相應的閾值分割標準進行信息提取。本文采用主分量門限法劃分異常等級，即采用X＋kσ 來劃分異常等級，其中X 為均值，σ 為標準差［3］。根據(jù)研究區(qū)的特點，將鐵染異常和泥化異常劃分為兩級，即以2σ、3σ 為閾值劃分為高、低級異常（圖4，圖5）。鐵染蝕變在研究區(qū)西北部較為集中，泥化蝕變異常在山谷中較為集中，這是因為山谷兩側為泥盆系羊湯寨組（Dy），該組主要由鈣質千枚狀板巖、含凝灰千枚巖和泥灰?guī)r等組成，富含絹云母等礦物，經長時間風化作用，絹云母、高嶺石等礦物在低洼的山谷中聚集。鐵染蝕變和泥化蝕變主要集中在研究區(qū)西北部，部分區(qū)域相互重疊，且與已知的礦化點重合較好，證實了本次遙感蝕變信息提取的有效性，達到預期效果。

表3 波段2，5，6，7 特征向量值Table 3 Eigenvectors of band 2，5，6 and 7

圖4 研究區(qū)鐵染蝕變異常分布圖（波段2，4，5，6）Fig.4 Iron oxides anomalies in the study area （band 2，4，5 and 6）

5 結論

通過分析含鐵礦物（鐵染信息）和含羥基礦物（泥化信息）在Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)各波段的吸收和反射特征，基于主成分分析方法進行了甘肅隴南趙家莊地區(qū)地表蝕變礦物信息的提取研究，得出以下結論：

1）主成分分析法能夠有效的提取鐵染蝕變異常和泥化蝕變異常，為研究區(qū)下一步開展金礦找礦工作提供了重要參考。

2）本次提取的蝕變異常信息與研究區(qū)野外地質特征基本吻合，證實了本次遙感蝕變信息提取的有效性，表明研究區(qū)值得進一步開展工作。

圖5 研究區(qū)泥化蝕變異常分布圖（波段2，5，6，7）Fig.5 Hydroxyl alteration anomalies in the study area （band 2，5，6 and 7）