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(jié)構(gòu)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(diào)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(shù)進行蝕變信息提取提供了理論基礎(chǔ)。

利用遙感技術(shù)進行蝕變信息提取在礦產(chǎn)資源勘查中已得到廣泛應(yīng)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(shù)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(zhì)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(nèi)，南鄰四川省，東鄰陜西省。大地構(gòu)造位置位于揚子板塊西北緣的次一級大地構(gòu)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(zhì)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(zhì)大學樊春等利用TM 圖像對線性構(gòu)造和環(huán)形構(gòu)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(gòu)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(zhì)調(diào)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)礦物重采樣至Landsat 8 數(shù)據(jù)的相應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)礦物曲線重采樣至Landsat 8 數(shù)據(jù)的相應(yīng)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(yīng)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(shù)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(guān)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(jié)果與評價

首先利用ENVI 5.3 軟件中的密度分割工具，對相關(guān)主分量圖像進行3×3 的高斯低通濾波處理，結(jié)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(yīng)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(cè)為泥盆系羊湯寨組（Dy），該組主要由鈣質(zhì)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(jīng)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(jié)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(jié)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(zhì)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）