基于WorldView-Ⅱ高分?jǐn)?shù)據(jù)的鹽湖礦化度含量定量反演研究
——以尕斯庫勒鹽湖為例

王俊虎，陸冬華，周覓，武鼎，郝偉林

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100822）

我國(guó)鹽湖以化學(xué)類型全、分布數(shù)量多、礦產(chǎn)資源豐富和富含稀散元素而聞名于世，且尤以青藏高原、柴達(dá)木盆地、二連盆地等地區(qū)鹽湖數(shù)量最多。我國(guó)鹽湖湖水不僅礦化度高，而且蘊(yùn)含著豐富的鉀、鈉、鎂、硼、鋰、銣、銫及鈾、釷等礦產(chǎn)資源，開發(fā)利用價(jià)值極大［1-2］。據(jù)白朝軍等學(xué)者研究，鹽湖不同水域的礦化度高低不同，只有高礦化度的鹽湖水域才能成礦［3］。張彭熹等通過開展柴達(dá)木盆地鹽湖水礦化度與成礦元素含量的相關(guān)性研究，得出了湖水中鈉、鉀、鎂、硼、鋰等成礦元素含量存在著隨湖水礦化度增高而增加的趨勢(shì)［4］。因此，定量識(shí)別鹽湖水體礦化度對(duì)湖水含礦性評(píng)價(jià)和開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)獲取鹽湖水礦化度數(shù)據(jù)的方法主要為大量的人工取樣分析并計(jì)算而得，但鹽湖分布區(qū)鹽沼密布、通行困難，自然環(huán)境十分惡劣。因此，傳統(tǒng)的水樣采集和礦化度分析周期長(zhǎng)、難度大、成本高，不利于鹽湖水域礦化度的快速識(shí)別和評(píng)價(jià)。

遙感技術(shù)具有探測(cè)范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)、不受自然條件限制、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，已在鹽湖成礦環(huán)境識(shí)別和礦產(chǎn)資源調(diào)查評(píng)價(jià)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用［5-8］。如田淑芳等（2005），張大林等（2007）分別基于TM 遙感數(shù)據(jù)定量反演了西藏扎布耶鹽湖總鹽含量和氧化硼含量［6-7］，取得了一定研究效果，但限于TM 數(shù)據(jù)空間分辨率偏低，定量反演精度受到一定的限制。王俊虎等（2015）基于SPOT 5 遙感數(shù)據(jù)開展了尕斯庫勒含鈾鹽湖礦化度的定性估測(cè)，識(shí)別出了鹽湖水域礦化度變異部位［8］，但限于SPOT 5 數(shù)據(jù)波段少，未開展定量反演。WorldView-II 高分辨率遙感衛(wèi)星自2009 年成功發(fā)射以來，因其在可見—近紅外譜帶具有8個(gè)波段且空間分辨率達(dá)1.84 m 的優(yōu)勢(shì)，已在水體信息提取等領(lǐng)域開展了廣泛應(yīng)用并取得了良好效果［9-12］，但未見應(yīng)用于鹽湖礦化度信息提取領(lǐng)域的相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)。

基于上述背景，筆者基于WorldView-II高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展了尕斯庫勒鹽湖礦化度含量定量反演研究，評(píng)價(jià)了WorldView-II數(shù)據(jù)的礦化度定量反演能力，旨在為鹽湖湖表鹵水高礦化水域定量識(shí)別提供新的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

尕斯庫勒鹽湖位于青海省西北部海西州，地理坐標(biāo)為90°40′E～91°10′E，37°57′N～38°11′N，為柴達(dá)木盆地發(fā)展到晚更新世后，湖水變淺后，變?yōu)榇笮〔坏?、散布各地、互不相連的多個(gè)咸水湖和鹽湖之一，類型為硫酸鎂亞型鹽湖。鹽湖湖盆為封閉型內(nèi)流盆地，呈北西向展布，其北東、北西、南西分別由油砂山、阿爾金山和祁漫塔格山環(huán)繞，東南面被東柴山丘陵相隔。阿爾金山和祁漫塔格山主峰海拔均在4 000 m 以上，終年積雪不化，為鹽湖主要的淡水補(bǔ)給來源。鹽湖區(qū)平均海拔高度為2 835 m，為該區(qū)主要匯水洼地。湖表鹵水面積約為103 m2，水深一般位于0.5～0.8 m 之間，鹽湖中南部最深，可達(dá)1.3 m。該湖東部水域淡水補(bǔ)給少，蒸發(fā)量大，平均礦化度約為305 g/L。湖的西部和南部受多條淡水河流補(bǔ)給，礦化度有所降低［13］。

尕斯庫勒鹽湖是固液相并存的特大型石鹽鹽湖礦床，湖表鹵水和晶間鹵水十分豐富，鹵水中富含鉀、鋰等礦產(chǎn)資源。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院鹽湖項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于2010—2012 年，對(duì)該鹽湖開展了系統(tǒng)的含鈾性調(diào)查評(píng)價(jià)。經(jīng)室內(nèi)化學(xué)分析，湖表水平均鈾含量為212 mg/L，屬于潛在的鹽湖型鈾資源［14］。為形象展示尕斯庫勒鹽湖-蝕源區(qū)的地形、地貌及補(bǔ)給-徑流-排泄特征，本文基于中等分辨率ETM＋741彩色合成影像，疊加DEM 高程數(shù)據(jù)制作出了鹽湖-蝕源區(qū)補(bǔ)-徑-排三維影像解譯圖（圖1）。

圖1 基于ETM＋741 和DEM 高程數(shù)據(jù)的尕斯庫勒鹽湖補(bǔ)給-徑流-排泄三維解譯圖Fig.1 Interpreted 3D map of the recharge-runoff-discharge zones in Gasikule salt lake based on ETM＋741 and DEM

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1遙感數(shù)據(jù)獲取

本次研究獲取了覆蓋尕斯庫勒鹽湖的WorldView-II 多光譜和全色波段數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2011 年8 月23 日，光譜波段范圍為400～1 040 nm，多光譜波段空間分辨率為1.84 m，全色波段空間分辨率為0.46 m（表1）［10］。該數(shù)據(jù)信噪比高，質(zhì)量良好，且均已經(jīng)過輻射定標(biāo)和幾何校正，可滿足本文研究的精度需求。為了提高礦化度定量反演精度，基于ENVI 4.8 軟件平臺(tái)的FLAASH 模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正，并進(jìn)行歸一化處理，獲得了WorldView-II 數(shù)據(jù)的反射率。

1.2.2湖水礦化度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

為了獲取鹽湖水域湖表鹵水礦化度實(shí)測(cè)值，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于2010 年劃船進(jìn)入尕斯庫勒湖區(qū)水域，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的采樣點(diǎn)位，均勻采集了40 個(gè)湖表水樣，并對(duì)水樣進(jìn)行室內(nèi)陰陽離子分析和礦化度計(jì)算，獲得了40 個(gè)點(diǎn)位湖表水的礦化度值。選取跨越鹽湖水域20 個(gè)水樣的礦化度數(shù)值用于反演建模，剩余20 個(gè)水樣的礦化度數(shù)值用于模型精度評(píng)價(jià)。

2 鹽湖水域礦化度定量反演

2.1 鹽湖水際線提取

鹽湖水際線，即鹽灘和湖水的分界線，可以呈現(xiàn)鹽湖水域分布范圍及其變化狀況。在水體遙感中，因水體對(duì)近紅外波段具有很強(qiáng)的吸收特性，使得陸、水影像特征截然不同。因此，河流、湖泊和海洋的水際線可以用遙感數(shù)據(jù)的近紅外波段來準(zhǔn)確提?。?5］?？紤]到WorldView-II 數(shù)據(jù)有兩個(gè)近紅外波段，本文選用了對(duì)水體吸收效果最好的WorldView-II 第8 波段，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類結(jié)合人機(jī)對(duì)話解譯，提取出了尕斯庫勒鹽湖的水際線。利用提取出的水際線對(duì)WorldView-II 其余各波段數(shù)據(jù)進(jìn)行掩模處理，獲得了尕斯庫勒鹽湖WorldView-II 各波段的水域分布圖。通過提取鹽湖水際線，消除了湖區(qū)以外信息的干擾，為鹽湖水體礦化度含量定量反演奠定了良好基礎(chǔ)。

2.2 不同礦化度鹽湖水體光譜信息提取和診斷特征分析

筆者對(duì)尕斯庫勒鹽湖不同礦化度的鹽湖水進(jìn)行了室內(nèi)光譜測(cè)試和診斷特征分析，得出了鹽湖湖水的光譜反射率與湖水礦化度的高低呈明顯的正相關(guān)性［8］。因此，本文直接從尕斯庫勒鹽湖WorldView-II 彩色影像中依據(jù)反射率值的高低，選取一條反射率值由高到低的剖面，并在剖面上均勻的選取了8 個(gè)點(diǎn)（圖2a），從每個(gè)波段影像中讀取這8 個(gè)點(diǎn)反射率值，形成了WorldView-II 全波段光譜曲線圖（圖2b）。1～8 號(hào)點(diǎn)位湖水的光譜曲線形態(tài)基本相同，在第2 波段 （藍(lán)光波段）處為明顯的吸收特征，在第3 波段（綠光）和第4波段（黃光）處為明顯反射特征，從第5 波段（紅光）～第8 波段（近紅外）影像反射率快速降低。此外，不同礦化度湖水點(diǎn)位在WorldView-II 第1 波段、第3 波段和第4 波段處反射率值最高，在WorldView-II 第7 波段和第8 波段反射率值最低。

表1 WorldView-II 數(shù)據(jù)波段參數(shù)表Table 1 Band parameters of WorldView-II data

2.3 鹽湖水體礦化度信息遙感指數(shù)構(gòu)建

通過研究不同礦化度湖水在WorldView-II多波譜影像的光譜曲線特征得出：在可見光光譜區(qū)間，以WorldView-II 第1 波段、第3波段和第4 波段反射率最高，在近紅外光譜區(qū)間以WorldView-II 第8 波段反射率最低。用這種反射率最高與最低譜段的比值便可以反映不同區(qū)域湖水的礦化度信息。因此，本文建立了基于WorldView-II 數(shù)據(jù)的鹽湖水體礦化度信息指數(shù)SIWVII （即WorldView-II 第3 波段反射率/WorldView-II 第8 波段反射率）。為了充分體現(xiàn)WorldView-II 不同波段對(duì)湖水礦化度信息的綜合反映，將該礦化度指數(shù)進(jìn)行拓展，得到了WorldView-II 綜合礦化度信息指數(shù)T-SIWVII，即WorldView-II 第3 波段反射率/WorldView-II 第8 波段反射率、WorldView-II 第4 波段反射率/WorldView-II第8 波段反射率、WorldView-II 第1 波段反射率/WorldView-II 第 8 波段反射率。WorldView-II 多波段綜合礦化度指數(shù)相較單一波段礦化度指數(shù)可反映更為豐富的礦化度信息，為后續(xù)湖水礦化度信息識(shí)別和提取奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 鹽湖水體礦化度信息分離

WorldView-II 遙感數(shù)據(jù)獲取的鹽湖水體信息包含了深度信息、礦化度信息以及可能存在的懸浮物信息等，尤以湖水深度信息對(duì)WorldView-II 數(shù)據(jù)光譜反射率影響較大。因此，為了剝離出WorldView-II 綜合礦化度指數(shù)所包含的深度及其他信息，本文基于主成分分析法對(duì)WorldView-II 綜合礦化度指數(shù)進(jìn)行了信息分離，獲得了PC1、PC2 和PC3 3 個(gè)主成分影像（圖3）。因PC3 影像主要為水體雜質(zhì)信息和數(shù)據(jù)自身噪聲，本文不做闡述。

圖2 WV-II 彩色影像不同礦化度湖水點(diǎn)位選取圖（a）、選取點(diǎn)位光譜曲線圖（b）Fig.2 The sampling location of different salinity brine in WV-II color image （a）and spectral curve of samples （b）

圖3 WorldView-Ⅱ綜合礦化度信息分離PC1 主分量圖（a）和PC2 主分量圖（b）Fig.3 Extracted salinity information in PC1（a）and PC2 （b）of WV-2 PCA image

PC2 影像呈現(xiàn)出鹽湖湖岸淺水區(qū)色調(diào)淺、亮度高，深水區(qū)色調(diào)深、亮度低的特性，主要反映了湖水水深變化以及水底物質(zhì)反射所引起的圖像色調(diào)和亮度值變化信息。PC1 影像集中了WorldView-II 綜合礦化度指數(shù)的主要信息，影像清晰且亮度值變化有明顯的層次性。鹽湖東部和東北部亮度值總體偏高，反映了湖水因淡水補(bǔ)給量少、蒸發(fā)量大而形成的高礦化度，湖水西部和南部亮度值總體偏低，反映了湖水因淡水補(bǔ)給量大而形成的低礦化度。為了進(jìn)一步論證PC1 影像亮度值非湖水深度信息的反映，本文引入實(shí)測(cè)的尕斯庫勒鹽湖水深等深線圖進(jìn)行對(duì)比（圖4）［14］。由圖4 可見，鹽湖湖岸的水深值大致相同，約為40 cm 左右。越靠近鹽湖中央水深越深，最深約為120 cm 左右。因此，如果PC1 影像東部和北部湖區(qū)亮度值高代表了鹽湖深度，則依據(jù)鹽湖水深等深線分布，PC1 影像西部和南部湖區(qū)也應(yīng)同東部和北部湖區(qū)一樣高亮顯示。但是，PC1 影像西部和南部湖區(qū)則主要呈現(xiàn)低亮度值。因此，本文分離的PC1 影像亮度值的高低非鹽湖深度信息而為湖水的礦化度信息。

圖4 尕斯庫勒鹽湖人工實(shí)測(cè)等深線圖［14］Fig.4 Contour map of manually measured water depth in Gasikule salt lake

2.5 鹽湖礦化度含量定量反演

以1.2.2 節(jié)所述的20 個(gè)實(shí)測(cè)鹽湖水礦化度樣本為建模數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對(duì)自變量20 個(gè)實(shí)測(cè)鹽湖水礦化度點(diǎn)位的PC1 影像值與其對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)礦化度值進(jìn)行線性回歸擬合，得到了一次直線函數(shù)、對(duì)數(shù)曲線函數(shù)、指數(shù)曲線函數(shù)擬合模型（表2）。由表2 中可見，一次直線函數(shù)決定系數(shù)（R2）最大，擬合效果最好，故選其作為礦化度定量反演模型。基于ENVI 4.8 軟件進(jìn)行一次直線反演函數(shù)運(yùn)算，得到了鹽湖礦化度定量反演灰度影像圖，再對(duì)其進(jìn)行彩色密度分割，得到了尕斯庫勒鹽湖礦化度定量反演結(jié)果圖（圖5）。

2.6 鹽湖礦化度含量定量反演模型精度評(píng)價(jià)與誤差分析

為評(píng)價(jià)上節(jié)建立的尕斯庫勒鹽湖礦化度含量定量反演模型的反演精度，選取了1.2.2節(jié)所述的20 個(gè)實(shí)測(cè)尕斯庫勒鹽湖水礦化度值與模型反演值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表3）。據(jù)表3 可以得出，礦化度反演值與實(shí)測(cè)值相比較，絕對(duì)誤差平均值為9.33 g/L，反演精度平均值達(dá)到96.61%。由圖5 可見，絕對(duì)誤差大于10 g/L的水樣點(diǎn)分別是3、5、8、13、14、15、18和20 號(hào)點(diǎn)，除14 號(hào)點(diǎn)位于鹽湖中央深水區(qū)外，其余水樣點(diǎn)位均分布在靠近湖岸的淺水區(qū)。而湖岸淺水區(qū)受到外部淡水不定量的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給，湖水礦化度的波動(dòng)變化也比較大。此外，水樣采集間距較大、取樣部位不完全為湖表水、WorldView-II 遙感影像與取樣單元空間分辨率的不匹配、室內(nèi)化學(xué)分析測(cè)試誤差等眾多因素，也是造成礦化度定量反演產(chǎn)生誤差的主要原因。

表2 鹽湖礦化度定量反演回歸擬合函數(shù)Table 2 Regressing fitting function of quantitatively inversed salinity

圖5 基于WorldView-II 數(shù)據(jù)的尕斯庫勒鹽湖礦化度定量反演圖Fig.5 Quantitatively inversed salinity map of Gasikule salt lake based on WV-2 data

表3 尕斯庫勒鹽湖礦化度定量反演模型精度評(píng)價(jià)表Table 3 Accuracy evaluation on the salinity quantitative inversion model for Gasikule salt lake

3 結(jié)論與討論

本文基于WorldView-II 高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展了鹽湖礦化度含量定量反演研究，并以尕斯庫勒鹽湖為例進(jìn)行了礦化度定量反演和精度驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

1）基于WorldView-II 第1、3、4、8 波段建立了可表征鹽湖礦化度信息的WorldView-II 綜合礦化度指數(shù)，利用主成分分析法實(shí)現(xiàn)了對(duì)WorldView-II 綜合礦化度指數(shù)中鹽湖礦化度和深度信息的分離，獲取的PC1主成分影像亮度值即可表征湖水的礦化度高低。

2）一次直線函數(shù)對(duì)基于WorldView-II 數(shù)據(jù)構(gòu)建鹽湖礦化度定量反演模型的效果最好，經(jīng)精度評(píng)價(jià)，模型總體反演精度達(dá)到96.61%，反演成功。

3）影響鹽湖礦化度定量反演模型精度的因素主要為湖岸淺水區(qū)淡水補(bǔ)給、水樣采集間距較大、取樣部位不完全為湖表水、WorldView-II 遙感影像與取樣單元空間分辨率的不匹配、室內(nèi)化學(xué)分析測(cè)試誤差等。

總之，由于受到各種因素影響，基于WorldView-II 遙感數(shù)據(jù)定量反演的鹽湖礦化度值與實(shí)際值有一定的誤差，但反演的礦化度變化趨勢(shì)及空間展布規(guī)律與實(shí)際值基本一致，完全可以應(yīng)用于鹽湖礦化度含量的定量識(shí)別，發(fā)揮遙感技術(shù)宏觀、快速、不受地域條件限制的綜合優(yōu)勢(shì)，降低鹽湖區(qū)湖水取樣與分析的勞力和財(cái)力成本，為湖水礦化度分布規(guī)律分析和成礦預(yù)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。