ASTER與WorldView2影像協(xié)同應(yīng)用增強鐵染蝕變信息的方法研究

陳文志，童英良，陳一帆，許調(diào)娟，敖為赳，張登榮

（1.浙江省國土整治中心，浙江杭州310007；2.浙江省自然資源調(diào)查登記中心，浙江杭州310007；3.杭州師范大學(xué)，浙江杭州311121）

近年來國內(nèi)外很多學(xué)者研究多光譜遙感技術(shù)勘查金屬礦產(chǎn)已有廣泛應(yīng)用并取得顯著成效，Rokos[1]2000年采用多光譜TM影像進行比值分析提取金屬礦化信息。Timothy[2]2002 年采用TM 假彩色合成影像R：[TM5/TM7],G： [TM5/TM1], B： [(TM5/TM4)*(TM3/TM4)]增強金礦礦化蝕變信息，效果顯著。如Sankaran et.al[3]2011 年采用ASTER 進行假彩色合成影像增強鐵礦信息區(qū)，R：(ASTER 1+ASTER 3)/ASTER 2，G：(ASTER 3+ASTER 5)/ASTER 4，B：(ASTER 5+ASTER 7)/ASTER 6，假彩色影像中褐鐵礦化程度高的地區(qū)呈亮色調(diào)，與背景信息差異明顯。當(dāng)時在礦化信息增強與提取方面還是以單一影像為主，2012年后有學(xué)者開始探討多源數(shù)據(jù)融合影像在地質(zhì)遙感領(lǐng)域的應(yīng)用研究。余健[4]把WorldView2影像重采樣至15m，剔除了與ASTER 影像重合的3、5、7 波段，剩下的波段與ASTER 數(shù)據(jù)重新組合成為一幅新的遙感影像（即協(xié)同影像），以昆侖山西部罕鐵熱克村作為研究區(qū)，把協(xié)同影像應(yīng)用于紋理分割和巖性信息提取方面，研究結(jié)果表明協(xié)同影像信息提取的效果優(yōu)于單一影像，能較好地提高信息提取的精度。

ASTER 多光譜影像的短波紅外譜帶擁有6 個通道，能表現(xiàn)許多巖石礦物內(nèi)的碳酸鹽和氫氧化物光譜響應(yīng)特征，通常被用來增強巖礦信息和識別地表巖體[4]。但ASTER數(shù)據(jù)存在較多缺點，主要體現(xiàn)在光譜分辨率和空間分辨率兩個方面：可見光—近紅外(VNIR)波段較寬，很難表現(xiàn)巖石礦物在該譜段的光譜特征[5]；15m的空間分辨率不僅影響了蝕變信息提取的精度，又不能滿足1∶5萬比例尺的制圖要求。WorldView-2 數(shù)據(jù)波段范圍僅覆蓋0.45～1.04μm，不能反映波長大于1.04μm 的巖石礦物光譜信息是致命缺點，限制了WorldView-2數(shù)據(jù)在遙感地質(zhì)普查的應(yīng)用和推廣。

本文利用ASTER 短波紅外譜帶在巖性信息提取方面的優(yōu)勢，結(jié)合WorldView-2 數(shù)據(jù)在可見光—近紅外波譜范圍的光譜信息和空間信息。經(jīng)過精確配準(zhǔn)后進行重采樣、融合處理，經(jīng)過波段重組后得到一幅協(xié)同影像。經(jīng)過假彩色變換和信息識別，實驗結(jié)果表明協(xié)同影像能夠提升巖性增強能力。

1 研究區(qū)概況

本文選擇新疆塔什庫爾干縣的老并地區(qū)作為研究區(qū)，老并研究區(qū)位于西昆侖山系的帕米爾高原東部，山勢陡峻，冰川發(fā)育。研究區(qū)隸屬新疆喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣管轄，地處深山高寒區(qū)，交通不便，自然條件惡劣，地質(zhì)工作程度極低[6]。區(qū)域內(nèi)干旱少雨，地表裸露條件較好，含有典型礦床分布，巖體發(fā)育，圍巖蝕變特征明顯的區(qū)域作為研究區(qū)（圖1）。

圖1 研究區(qū)示意圖

康西瓦—瓦恰斷裂帶與塔阿西—色克布拉克斷裂帶將研究區(qū)分割成2 個各具不同特征的構(gòu)造單元。以塔阿西—色克布拉克斷裂為界，以東為塔什庫爾干地塊，以西為明鐵蓋地塊。塔什庫爾干地塊主要以古元古界布倫闊勒巖群（Pt1B）、志留系溫泉溝組（S1w）為主要地層，沉積變質(zhì)型鐵礦床主要產(chǎn)于該套變質(zhì)地層中，是重要的含鐵地層。

區(qū)內(nèi)主要礦產(chǎn)為鐵礦，重要礦床包括老并鐵礦、葉里克鐵礦、贊坎鐵礦、吉爾鐵克溝鐵礦[7]等，礦石類型為磁鐵礦石，礦物成分以磁鐵礦為主。經(jīng)過野外實地調(diào)查，鐵（礦）化露頭較為發(fā)育，遠看為黑色，近看為紅褐色，與圍巖色彩差異明顯，此外從高分遙感影像（QuickBird）也可直接目視判讀鐵（礦）化帶。

2 研究方法

2.1 光譜分析

在前人的研究基礎(chǔ)上，對鐵染蝕變礦物的光譜特征進行歸納，總結(jié)Fe2+和Fe3+的吸收和反射特征，尋找ASTER及WorldView2影像所對應(yīng)的特征波段。

鐵染蝕變礦物在0.63～0.69μm和1.6～1.7μm達到頂峰形成兩個反射峰，在兩峰之間0.78～0.86μm 形成吸收谷。Fe2+的吸收譜帶的中心波長位于0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm、1.0～1.1μm，有時還出現(xiàn)在1.8～1.9μm[8]。其中0.51μm、0.55μm 和1.0～1.1μm 的吸收比較強。Fe3+的吸收譜帶位于0.4μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm 和0.87μm 也是后面三個吸收帶比較強。

總體上看，鐵染蝕變礦物的光譜吸收和反射特征均覆蓋了可見光—近紅外波段以及短波熱紅外波段范圍，如果只運用單一的數(shù)據(jù)進行光譜分析和信息提取，ASTER數(shù)據(jù)則存在可見光—近紅外波段太寬，探測能力較弱的問題，WorldView2數(shù)據(jù)則缺失短波熱紅外的波段信息。因此，采用ASTER 數(shù)據(jù)與WorldView2 數(shù)據(jù)進行協(xié)同應(yīng)用，完成信息增強和提取工作。

2.2 協(xié)同影像的數(shù)據(jù)處理

分別完成ASTER數(shù)據(jù)和WorldView2數(shù)據(jù)的輻射校正、大氣校正、幾何校正等圖像融合前的預(yù)處理工作，研究發(fā)現(xiàn)并非分辨率越高時融合圖像越準(zhǔn)確，融合圖像分辨率與原始影像為1/4 的關(guān)系時，逼近最優(yōu)尺度。融合圖像分辨率過高造成信息與數(shù)據(jù)冗余，超出圖像的承載和表現(xiàn)能力，使圖像模糊不清晰，分辨率過低則引起信息丟失。經(jīng)過反復(fù)實驗得出ASTER 數(shù)據(jù)和WorldView2 數(shù)據(jù)融合的最優(yōu)尺度為2m，把World-View2 的全色波段和ASTER SWIR 波段的分辨率重采樣至2m，進行小波融合處理，得到的融合圖像與WorldView2的多光譜圖像進行波段組合，得到一幅共14個波段的ASTER與WorldView2同化數(shù)據(jù)影像。

下面以老并試驗區(qū)為例，分析其ASTER原始圖像光譜、融合圖像光譜與協(xié)同數(shù)據(jù)圖像的光譜特征。ASTER 原始圖像與融合圖像的光譜曲線基本保持一致，僅反射率的值發(fā)生變化，光譜的吸收和反射特征對應(yīng)的波長位置未發(fā)生改變。根據(jù)圖2 顯示的World-View2與ASTER協(xié)同數(shù)據(jù)影像光譜曲線，光譜的整體連續(xù)性較好，不存在跳躍現(xiàn)象，在可見光—近紅外波段表現(xiàn)為WorldView2 的光譜信息，比ASTER 原始圖像的光譜信息更加豐富，也突出了細節(jié)信息，1.04μm以后的光譜與融合圖像完全重疊，與ASTER原始圖像保持一致。

圖2 影像光譜曲線（左：ASTER原始光譜，中：融合圖像光譜，右：協(xié)同數(shù)據(jù)影像光譜）

WorldView2與ASTER協(xié)同數(shù)據(jù)影像不僅豐富了光譜信息，影像特征也得到較大改善。協(xié)同數(shù)據(jù)影像保留了WorldView2的空間分辨率信息，又增加了ASTER圖像的色彩信息，圖像的紋理特征更加突出，使圖像具有更高的可解譯程度和信息識別能力。

2.3 協(xié)同影像的假彩色增強

對試驗區(qū)的WorldView2與ASTER的短波熱紅外波段數(shù)據(jù)光譜進行疊加使用，進行挖掘地質(zhì)信息。結(jié)合蝕變礦物的光譜特征，利用協(xié)同數(shù)據(jù)中的World-View2、ASTER 數(shù)據(jù)的特征波段進行主成分分析，選擇包含蝕變信息的特征分量，構(gòu)建特征信息分量的集合，計算各個分量的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，再通過相關(guān)系數(shù)矩陣和標(biāo)準(zhǔn)差得到各個分量組合的OIF 值，進行圖像假彩色合成，從而獲得與礦化蝕變有關(guān)的色調(diào)異常信息。美國查維茨提出的最佳指數(shù)法(OIF)綜合考慮單波段圖像的信息量及各波段間的相關(guān)性，更接近于波段選擇的原則，目前得到廣泛的應(yīng)用。OIF 指數(shù)先計算單波段圖像的標(biāo)準(zhǔn)差，計算各波段間的相關(guān)系數(shù)矩陣，再分別求出所有可能的波段組合對應(yīng)的OIF 指數(shù)，根據(jù)該指數(shù)大小來判斷各種波段組合的優(yōu)劣。指數(shù)越大，則相應(yīng)組合影像所包含的信息量就越大。

3 結(jié)果和討論

對試驗區(qū)的WorldView2與ASTER的短波熱紅外波段數(shù)據(jù)光譜進行疊加使用，進行挖掘地質(zhì)信息。結(jié)合蝕變礦物的光譜特征，利用協(xié)同數(shù)據(jù)中的WorldView2、ASTER數(shù)據(jù)的特征波段進行主成分分析，選擇包含蝕變信息的特征分量，構(gòu)建特征信息分量的集合，計算各個分量的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，再通過相關(guān)系數(shù)矩陣和標(biāo)準(zhǔn)差得到各個分量組合的OIF 值，進行圖像假彩色合成，從而獲得與礦化蝕變有關(guān)的色調(diào)異常信息。

根據(jù)波譜特征分析章節(jié)可知，鐵染蝕變礦物的吸收特征對應(yīng)WV2、3、7、8 波段（WV 指WorldView2），反射特征對應(yīng)WV5、ASTER4 波段。因此，可用WV2、3、5、7、8及ASTER4進行主成分分析，查看主成分分析的特征向量矩陣，若主成分分量的貢獻系數(shù)符號與特征波段的吸收或反射特征相符，則可用來表示鐵染蝕變的特征分量。

通過反復(fù)比較研究區(qū)的地質(zhì)圖與圖像信息，發(fā)現(xiàn)R（band3）、G（band5）、B（band7）彩色合成圖能較好反映蝕變信息的強烈程度，亮度值越高的蝕變強，呈亮色調(diào)。此外，R（band4）、G（band2）、B（band1）彩色合成圖也能較好反映蝕變信息的強烈程度，亮度值越低的蝕變強，呈暗色調(diào)。

WorldView2 851 波段高分辨率影像中，磁鐵礦化嚴(yán)重的區(qū)域呈淺褐色，主成分分量彩色圖像中不管是呈亮色調(diào)還是暗色調(diào)的蝕變信息，均與1∶5千地質(zhì)圖的礦化帶相符。對比老并試驗區(qū)地質(zhì)圖發(fā)現(xiàn)鐵染蝕變主要分布于古元古界布倫闊勒巖群（Pt1B），花崗閃長巖（γδ2）及二長花崗巖（ηγ2）地層也有少量蝕變異常出現(xiàn)，鐵染蝕變的展布與地質(zhì)圖的黃鐵磁鐵礦化層基本吻合。

4 結(jié)論

本文運用兩種不同衛(wèi)星影像資源組合在一起，打破單一數(shù)據(jù)源在地質(zhì)遙感應(yīng)用的傳統(tǒng)思維，綜合利用不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)點，起到優(yōu)勢互補的增效作用，協(xié)同一致完成蝕變信息增強和提取的目標(biāo)。

總體上看，協(xié)同數(shù)據(jù)綜合利用了WorldView2 和ASTER的光譜信息，圖像的空間分辨率和光譜分辨率都顯著提高。綜合來看蝕變信息的增強的效果，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)、1∶5 千地質(zhì)圖作為驗證，發(fā)現(xiàn)協(xié)同數(shù)據(jù)鐵染蝕變信息增強和提取的效果顯著。本實驗是在協(xié)同影像光譜的反射和吸收特征所對應(yīng)的波長位置與原始光譜一致的基礎(chǔ)上進行，忽略了不同衛(wèi)星、不同傳感器平臺、不同時相差異造成的誤差，協(xié)同影像光譜的連續(xù)性和物理意義有待進一步研究。