基于WorldView-3數(shù)據(jù)對(duì)輝銅山地區(qū)的巖性進(jìn)行對(duì)比分類

解富淵 曾余慶 王海

摘要：巖性填圖是遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的重要研究方向。隨著WorldView-3衛(wèi)星的成功發(fā)射，高分辨率的WorldView-3數(shù)據(jù)給高精度巖性填圖帶來了新的多光譜數(shù)據(jù)源，本文以甘肅輝銅山為研究區(qū)，依據(jù)WorldView-3數(shù)據(jù)的波譜特性，利用波段比、假彩色合成和技術(shù)，對(duì)研究區(qū)巖性進(jìn)行精細(xì)分類。再使用監(jiān)督分類支持向量機(jī)（SVM）對(duì)研究區(qū)巖性進(jìn)行機(jī)器分類，與原地質(zhì)圖和波段比巖性分類結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證WorldView-3數(shù)據(jù)監(jiān)督分類效果，為我國(guó)西部地區(qū)地質(zhì)調(diào)查和找礦工作提供遙感技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：WorldView-3數(shù)據(jù)；巖性填圖；波段比；假彩色合成；監(jiān)督分類

1.自然地理概況

1.1地理位置

研究區(qū)位于甘肅省瓜州縣柳園鎮(zhèn)，距離柳園鎮(zhèn)約25km，東北距蘭新高鐵柳園站約35km，距312國(guó)道約30km，交通方便。區(qū)內(nèi)地形北高南低，主要山脈多呈東西走向，海拔一般在1600m～1900m，相對(duì)高差約40m；自然條件十分惡劣，屬于典型大陸性氣候，自然地理屬高原低山丘陵區(qū)和戈壁荒漠區(qū)，研究區(qū)面積約35km2。

1.2輝銅山地質(zhì)條件

1.2.1地層巖性

研究區(qū)屬于古亞洲成礦域，塔里木—北山成礦區(qū)，華力西—印支期花牛山銅、金、鎳、鐵、鉛、鋅成礦帶；明金溝—紅山斷裂與柳園—大奇山深大斷裂之間，磁?！t柳園—白山堂晚古生代陸內(nèi)裂谷帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)地殼活動(dòng)頻繁，巖漿巖呈多期次侵入，并且有多期不同程度變質(zhì)作用，成礦地質(zhì)條件較為優(yōu)越。

上巖組主要分布在研究區(qū)中西部，主要巖性為片巖夾大理巖、石英巖，墩墩山組主要分布在圖幅中部，主要巖性為流紋巖、安山巖、安山玄武巖、中酸性熔凝灰?guī)r夾薄層大理巖。

紅柳園組分布在圖幅東部一小部分地區(qū)，主要巖性為礫巖、含礫粗砂巖、砂巖、灰?guī)r、生物巖屑灰?guī)r，粉砂巖及少量硬砂巖，總體以碎屑巖為主。雙堡塘組分布在圖幅東部，下巖段巖性主要由礫巖及含礫粗砂巖組成；中巖段巖性主要由灰色、深灰色粉砂巖夾少量含礫砂巖、細(xì)礫巖、灰?guī)r及玄武巖組成；第四系上更新統(tǒng)中部的山前沖—洪積扇或戈壁灘[1]（圖1）。

1.2.2地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的活動(dòng)，自加里東期—華力西期均有不同程度的顯示，并經(jīng)歷了長(zhǎng)期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。區(qū)域性褶皺、斷裂帶走向主要近東西向，構(gòu)成區(qū)域基本構(gòu)造格架；次級(jí)構(gòu)造以北東向、北北西向?yàn)橹鳌?/p>

2.遙感數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究所選用的遙感數(shù)據(jù)來源為Worldview-3數(shù)據(jù)，WorldView-3衛(wèi)星含有全色波段一個(gè)、可見光—近紅外波段八個(gè)、短波紅外波段八個(gè)，空間分辨率分別是0.5m、2.0m和7.5m，是當(dāng)前商業(yè)成像衛(wèi)星中分辨率最高的衛(wèi)星之一。

ASTER數(shù)據(jù)和ETM數(shù)據(jù)由于其獲取的開放性和波段設(shè)置，被廣泛應(yīng)用于巖性填圖，但其中等分辨率普遍存在光譜混合現(xiàn)象，其記錄的光譜特征、空間結(jié)構(gòu)和紋理特征無法滿足高精度的巖性分類和復(fù)雜區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查。與此同時(shí)，高空間分辨率如國(guó)產(chǎn)高分系列覆蓋的波段范圍較窄，缺乏短波紅外波段，無法滿足巖性填圖的需要，而且，遙感巖性填圖仍采用人工目視解譯或人工交互的方式解譯，依賴于先驗(yàn)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用效率并不高。

基于Worldview-3數(shù)據(jù)巖性填圖的研究相比較，WorldView-3數(shù)據(jù)與目前應(yīng)用較多的ASTER數(shù)據(jù)和ETM數(shù)據(jù)相比較，具有更高的空間分辨率和光譜分辨率，而且新增的SWIR波段覆蓋范圍廣、細(xì)分程度高[2]。

利用ENVI5.3FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正，可有效消除大氣對(duì)數(shù)據(jù)的影響，之后將SWIR圖像重采樣到2m空間分辨率，與VNIR圖像保持一致，并進(jìn)行圖層疊加。

3.巖性信息增強(qiáng)

根據(jù)WorldView-3數(shù)據(jù)與以往地質(zhì)資料，采用兩種不同的圖像處理技術(shù)：波段比（BR），假彩色合成（FCC）繪制暴露巖石的巖性單元。BR是巖性測(cè)繪中最重要和最合適的技術(shù)之一，同時(shí)可以用于突出在原始條帶中看不到的某些特征或材料。在這種方法中，波段的選擇取決于它們的光譜反射率和被映射礦物的吸收波段的位置[3]。采用假彩色合成（FCCs）的波段組合和比率進(jìn)行增強(qiáng)區(qū)分不同巖石單元。FCC圖像的解譯取決于如何將這些波段分配到用于圖像顯示的三種主要顏色RGB，而RGB又取決于巖石的光譜特征[4]。光譜特征分析有助于比值法中選擇最佳波段。選擇三個(gè)波段最合適的組合可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)上進(jìn)行（通過一個(gè)最佳的指數(shù)因子），也可以參考大量的文獻(xiàn)，并考慮到該地區(qū)的巖性，最終得到一個(gè)充分的底圖[5]。

現(xiàn)階段，遙感巖性填圖的主要方法是結(jié)合多元數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理來彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的不足，再者是利用先進(jìn)的算法對(duì)一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行全面的、深部的診斷特征的挖掘?qū)崿F(xiàn)巖性信息的精細(xì)提取。

支持向量機(jī)（SVM）技術(shù)是由瓦普尼克提出的。它是從統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法發(fā)展而來的有監(jiān)督非參數(shù)方法，用于解決多光譜和高光譜數(shù)據(jù)中復(fù)雜的分類。SVM在遙感界受到越來越多的關(guān)注。它已成功用于巖性填圖。但將此技術(shù)應(yīng)用在WorldView-3數(shù)據(jù)上的研究還有很大的空白。

本研究選用WorldView-3影像的BRs（SWIR8/SWIR5，SWIR5 /SWIR3，SWIR7 /SWIR8為RGB）用于區(qū)分磚紅色黑云母花崗巖、輝長(zhǎng)巖、輝綠巖和石英閃長(zhǎng)巖等（圖2）。

對(duì)假彩色合成后的影像，使用ENVI5.3里的支持向量機(jī)（SVM）對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督分類，首先對(duì)處理后的八種巖性選擇訓(xùn)練區(qū)域，采用某一巖性類型的所有樣本光譜的平均光譜作為參考光譜。對(duì)于支持向量機(jī)（SAM），將每個(gè)巖性單元類的訓(xùn)練樣本的光譜平均，構(gòu)建最終的分類光譜。訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本。根據(jù)波段比假彩色合成后的遙感影像和輝銅山1∶5萬地質(zhì)圖進(jìn)行選擇。此外，利用野外數(shù)據(jù)和WorldView-3圖像的目測(cè)解譯結(jié)果，編制了輝銅山地區(qū)地質(zhì)圖。巖性填圖的支持向量機(jī)（SVM）分類結(jié)果如圖3所示，

4.討論和結(jié)果

本研究利用遙感資料和野外地質(zhì)資料的綜合解譯，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了巖性填圖。影像解譯與制圖第一階段包括WorldView-3影像與地質(zhì)圖數(shù)據(jù)的綜合實(shí)證分析。利用1∶5萬比例尺地質(zhì)圖和影像處理技術(shù)，在新的野外工作開始前，已編制了一份臨時(shí)地質(zhì)圖。本節(jié)利用地質(zhì)填圖的BR方法和FCC圖像對(duì)輝銅山地區(qū)不同巖性進(jìn)行區(qū)分。我們應(yīng)用了各種已被證實(shí)為探測(cè)地質(zhì)填圖的有用比值的BRs。將BR圖像集成到FCC圖像中，并用于繪制研究區(qū)域的地質(zhì)圖。因此，利用不同的BRs組合更新了輝銅山地區(qū)的地質(zhì)圖。

WorldView-3影像BRs（SWIR8/SWIR5，SWIR5/SWIR3，SWIR7/SWIR8為RGB）的結(jié)果表明研究區(qū)磚紅色花崗巖、暗綠色輝長(zhǎng)、暗綠色輝綠巖、土黃色似斑狀花崗巖、華力西中期深灰色閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、火山巖、第四系也有較好的區(qū)分，但是研究區(qū)南部原1∶5萬地質(zhì)圖里的淺灰色閃長(zhǎng)巖和深灰色石英閃長(zhǎng)巖沒有得到很好的區(qū)分。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的巖石形成礦物光譜庫也被用來評(píng)價(jià)研究區(qū)巖性單元的WorldView-3圖像光譜特征結(jié)果。其中區(qū)分了八類，與野外觀測(cè)和地質(zhì)圖對(duì)比表明，深棕色為磚紅色黑云母花崗巖，淺綠色為華力西中期暗綠色輝長(zhǎng)巖，粉色為第四系，青色為酸性、基性火山巖，淺棕色為閃長(zhǎng)巖。從支持向量機(jī)巖性分類效果與1∶5萬地質(zhì)圖上對(duì)比來看第四系和土黃色花崗巖沒有得到很好的區(qū)分；淺灰色閃長(zhǎng)巖、深灰色石英閃長(zhǎng)巖和華力西中期深灰色閃長(zhǎng)巖也沒有得到較好的區(qū)分。

該方法可以有效地用于未勘探地區(qū)的地質(zhì)填圖和勘探。根據(jù)以往的地質(zhì)圖和WorldView-3數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯，并加上野外調(diào)查，繪制了該地區(qū)的局部地形圖。通過對(duì)研究區(qū)遙感影像解譯和輝銅山1∶5萬比例尺地質(zhì)圖的初步分析，表明這個(gè)地區(qū)的巖性可以通過衛(wèi)星圖像識(shí)別。結(jié)果表明，SWIR波段具有較高的巖性識(shí)別能力。

分類結(jié)果通過詳細(xì)的精度評(píng)估和目視判讀進(jìn)行評(píng)價(jià)。顯示了使用SVM方法對(duì)每個(gè)類的生產(chǎn)者和用戶的準(zhǔn)確性。WorldView-3數(shù)據(jù)分類的總體準(zhǔn)確率較高，結(jié)果表明，該分類圖具有較好的精度，反映了分類圖與真實(shí)參考數(shù)據(jù)之間的一致性。

野外觀測(cè)結(jié)果表明，該地區(qū)巖石單元的分布與遙感結(jié)果基本一致。通過對(duì)輝銅山地區(qū)主要巖石單元的目視解譯與分析結(jié)果對(duì)比，也證實(shí)了其較高的分類精度。巖性圖的準(zhǔn)確性通過獨(dú)立的驗(yàn)證樣品、野外工作和地質(zhì)圖來評(píng)價(jià)。在輸出分類圖的繪制和精度評(píng)價(jià)中，使用以往地質(zhì)圖來選擇驗(yàn)證是相當(dāng)重要的。將分類后的綜合結(jié)果與地質(zhì)圖進(jìn)行可視化比較，可以看出總體上具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，利用支持向量機(jī)（SVM）對(duì)研究區(qū)巖性填圖和巖石單元?jiǎng)澐志哂兄匾闹笇?dǎo)意義。

5.結(jié)論

本研究的目的是利用WorldView-3數(shù)據(jù)和綜合遙感解譯技術(shù)對(duì)輝銅山地區(qū)的巖性單元進(jìn)行繪制，并通過一系列野外調(diào)查和以前的巖性圖對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。利用各種圖像處理技術(shù)如BR、FCC和SVM，根據(jù)巖性判別生成包含增強(qiáng)信息的導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)集。利用基于不同BRs的FCCs圖像繪制了變質(zhì)巖、火山碎屑巖和花崗巖類巖性單元。利用不同的BRs組合編制了輝銅山地區(qū)的初步地質(zhì)圖。在本文的研究工作中，應(yīng)用支持向量機(jī)方法得到的結(jié)果表明，各類巖性分類準(zhǔn)確率較高。顯示了很好的整體性和分類精度。結(jié)果表明，SVM分類方法得到的地形圖總體精度基本符合分類要求。野外調(diào)查證實(shí)了輝銅山地區(qū)主要巖石單元的最高分類精度。結(jié)果還表明，該圖像處理方法可以為利用WorldView-3數(shù)據(jù)鑒別不同巖石類型提供詳細(xì)的信息。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的光譜識(shí)別，在稀疏精細(xì)地質(zhì)填圖的情況下加快了輝銅山地區(qū)的調(diào)查。通過圖像分析得到的最終巖性圖有助于識(shí)別研究區(qū)夕卡巖類型等經(jīng)濟(jì)礦床。

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