國產(chǎn)GF-5高光譜遙感在鈾礦找礦中的應(yīng)用
——以甘肅省龍首山地區(qū)為例

馮博，程旭，盧輝雄，李瑞煒，張恩，汪冰

1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊050002

2.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050002

0 引言

航天高光譜遙感技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種全新遙感技術(shù)[1-3]。利用高光譜成像光譜儀納米級的光譜分辨率（波段寬度小于10nm）在可見光-近紅外譜段（0.35μm～2.5μm）識別礦物種類高達(dá)幾十種，國內(nèi)外學(xué)者基于航天高光譜遙感開展了大量找礦應(yīng)用研究，找礦效果顯著，目前航天高光譜數(shù)據(jù)源主要為NASA 發(fā)射的Hyperion 高光譜數(shù)據(jù)[4-5]，針對國內(nèi)首顆自主研發(fā)的GF-5 高光譜找礦應(yīng)用研究較少[6-7]，其應(yīng)用前景及效果需開展試驗(yàn)研究。

甘肅省龍首山鈾成礦帶位于西北高海拔干旱區(qū)，基巖裸露條件好，成礦帶中段發(fā)育芨嶺鈾礦床、新水井鈾礦床、革命溝鈾礦床及多處鈾礦化點(diǎn)和鈾異常點(diǎn)[8-9]，本文基于GF-5高光譜遙感數(shù)據(jù)，在該區(qū)開展高光譜遙感鈾礦找礦應(yīng)用研究，旨在試驗(yàn)出一套GF-5高光譜處理和蝕變礦物信息提取方法流程，結(jié)合地面光譜測量驗(yàn)證蝕變礦物提取結(jié)果的可靠性，為國產(chǎn)航天GF-5高光譜數(shù)據(jù)在鈾礦找礦中的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于龍首山鈾成礦帶西部，大地構(gòu)造位置位于華北板塊阿拉善隆起帶的西南緣，南接河西走廊、北鄰潮水盆地（圖1a），是早古生代早期祁連板塊與華北板塊碰撞造山形成的陸緣隆起帶[10]，經(jīng)歷了多旋回地質(zhì)構(gòu)造演化。

研究區(qū)內(nèi)出露最老的地層為下元古界龍首山巖群，是在古裂谷環(huán)境下沉積的雙峰式火山巖及碎屑巖、碳酸鹽巖經(jīng)歷角巖相變質(zhì)作用之后形成的一套強(qiáng)烈變質(zhì)、變形地體，其次為中元古界墩子溝巖群和上元古界孩母山巖群，最新的地層為山前坳陷沉積的古近系紅色碎屑巖及新近系（圖1b）。

研究區(qū)內(nèi)的巖漿巖主要為芨嶺花崗巖體，侵位于加里東期前寒武地層之中，是由混合花崗巖、閃長巖、灰白色斑狀閃長花崗巖、肉紅色（似斑狀）粗粒二長花崗巖、堿性巖及脈巖組成雜巖體，花崗巖巖體的分布受北西西向構(gòu)造控制（圖1b）。區(qū)內(nèi)花崗巖為陸殼重熔巖漿經(jīng)結(jié)晶分異而成，巖漿演化成熟度高，后期伴生堿性巖及堿性熱液，為龍首山鈾礦形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)[10]。

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，斷裂走向包括東西、北西、近南北和北東向（圖1b），其中以北西向最為發(fā)育，近東西向次之，近南北向活動最晚[11]。

圖1 龍首山成礦帶構(gòu)造位置（a）及地質(zhì)礦產(chǎn)圖（b）Fig.1 Geotectonic location（a）and Geological mineral map（b）of the Longshoushan metallogenic belt

2 數(shù)據(jù)源的選擇及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源的選擇

本次試驗(yàn)研究采用的高光譜數(shù)據(jù)源為GF-5高光譜遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取相機(jī)為AHSI 高光譜相機(jī)，具備可見光、近紅外和短波紅外330個波段（表1），其中可見光及近紅外波段有150個，平均采樣間隔為5nm，短波紅外波段有180個，平均采樣間隔為10nm，波段范圍為0.4～2.5μm，空間分辨率為30m，幅寬為60km。

表1 AHSI 高光譜相機(jī)基本物理參數(shù)Table 1 The main technical parameters of the advanced hyper-spectral imager（AHSI）

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

航天衛(wèi)星遙感所利用的各種輻射能均與地球大氣層發(fā)生相互作用，導(dǎo)致光譜發(fā)生變化[12]，在開展蝕變信息提取前需要對GF-5 高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、波段篩選、壞線修復(fù)、條帶濾波等預(yù)處理。

本文采用了FLAASH 模型對GF-5 高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正；剔除了光譜波長范圍分別在1356～1447nm、1800～1982nm、2375～2395nm 受水汽吸收影響的波段以及信噪比過低的波段；壞線修復(fù)采用了相鄰列均值進(jìn)行填補(bǔ)代替處理；運(yùn)用局部平均濾波法去除條帶。

3 地面光譜測量

地面光譜測量數(shù)據(jù)可直觀、精確評價(jià)航天高光譜遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量，分析巖石光譜與巖性的關(guān)系，確定礦化蝕變信息。

巖礦標(biāo)本野外光譜測量采用的是美國ASD公司的FieldSpec Pro FR 地面光譜測量儀（表2），野外光譜測量需滿足能見度、云量、風(fēng)力、太陽天頂角和測量時(shí)間的要求，對樣品測量前后均開展白板反射能量曲線測量，每隔5min，進(jìn)行一次測量系統(tǒng)優(yōu)化，保障巖礦標(biāo)本光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

表2 FieldSpec Pro FR 光譜儀主要技術(shù)參數(shù)Table2 FieldSpec Pro FR spectrometer main technical parameters

4 蝕變信息提取

4.1 技術(shù)思路

GF-5 高光譜數(shù)據(jù)提取蝕變礦物信息的基本技術(shù)思路是基于反演或重建的地物反射光譜與已知的蝕變礦物標(biāo)準(zhǔn)光譜或?qū)崪y光譜之間做定量對比分析，進(jìn)而確定地物的蝕變礦物類型。自然界中地物對電磁輻射的發(fā)射、反射、投射和吸收特征是遙感地物識別的基礎(chǔ)，不同地物在不同波長范圍內(nèi)會形成各自的可診斷性特征譜帶（表3）。

表3 常見蝕變礦物信息診斷光譜特征位置表Table3 Table of common alteration mineral information diagnosis spectral feature location

4.2 方法試驗(yàn)

基于GF-5 高光譜數(shù)據(jù)，針對龍首山地區(qū)進(jìn)行了蝕變礦物信息提取的研究，構(gòu)建了基于GF-5 高光譜的主要蝕變信息提取流程圖（圖2）。

圖2 航天高光譜遙感蝕變礦物信息提取方法研究流程圖Fig.2 Flow chart of extraction method of altered min‐eral information from space hyperspectral remote sensing

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)參考光譜集，篩選區(qū)內(nèi)主要的堿性長石、綠泥石、赤鐵礦、高嶺土、褐鐵礦、石英及方解石等蝕變礦物的光譜特征，總結(jié)出研究區(qū)蝕變礦物類型的吸收峰、反射谷的位置、幅度等診斷光譜特征。

在礦物提取前對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，本次采用了最小噪聲分離變換（MNF），去除噪聲干擾，增強(qiáng)微弱信息。在降維處理后采用純凈像元指數(shù)（PPI）和自動圖像端元提取法（ORASIS）對GF-5 高光譜遙感數(shù)據(jù)開展端元提取工作。

端元提取基礎(chǔ)上開展了端元識別研究，對比光譜角填圖（SAM）、波譜特征擬合（SFF）、二值匹配法（BE）三種光譜匹配算法后，最終采用光譜角填圖（SAM）技術(shù)進(jìn)行端元識別。

5.結(jié)果及地面驗(yàn)證

5.1 蝕變信息提取結(jié)果

在本次研究工作，完成了甘肅龍首山地區(qū)蝕變礦物的提取研究，提取了區(qū)內(nèi)堿性長石、綠泥石、赤鐵礦、高嶺土、褐鐵礦、石英和方解石7種蝕變礦物，獲得研究區(qū)高光譜蝕變礦物分布信息圖（圖3）。

圖3 GF-5 高光譜遙感蝕變礦物分布圖Fig.3 GF-5 Hyperspectral Remote Sensing Alteration Mineral Distribution Map

龍首山地區(qū)高光譜蝕變礦物總體呈北西向帶狀展布，與區(qū)內(nèi)北西向區(qū)域斷裂構(gòu)造和龍首山巖群空間關(guān)系密切。鈾礦床出露區(qū)蝕變類型呈增多趨勢，表明本次提取到的高光譜蝕變礦物分布在區(qū)域鈾礦勘查中具有重要的應(yīng)用潛力。

5.2 地面光譜驗(yàn)證

為了驗(yàn)證GF-5 高光譜遙感蝕變信息提取的準(zhǔn)確性和有效性，利用FieldSpec Pro FR 地面光譜測量儀和手持便攜式GPS，在試驗(yàn)區(qū)開展了地面光譜野外查證工作。

高光譜遙感蝕變信息提取的準(zhǔn)確性和有效性的驗(yàn)證方法為：將同一地點(diǎn)的樣品光譜與高光譜提取的蝕變礦物光譜進(jìn)行對比，通過計(jì)算光譜之間的相關(guān)性系數(shù)來獲得光譜匹配的準(zhǔn)確度，采用的計(jì)算公式為：

公式中，n為光譜的一個波長范圍，為高光譜影像光譜曲線在波長n范圍處的平均值為實(shí)測樣品的光譜曲線在波長n范圍處的平均值。相關(guān)性系數(shù)R越接近1，表明相關(guān)性越好，兩條光譜越相似。在實(shí)際驗(yàn)證中，當(dāng)R＞0.6 時(shí)，認(rèn)為是兩種光譜高度相關(guān)，識別為同一種蝕變礦物。

在研究區(qū)選取了20處驗(yàn)證點(diǎn)（圖3）。圖4a為一處赤鐵礦化野外露頭，地表可見紅褐色浸染狀赤鐵礦化，與GF-5 高光譜蝕變礦物提取類型和位置相符（圖4b-c），采集手標(biāo)本并開展地面光譜曲線測量，進(jìn)行地面光譜曲線、GF-5光譜曲線和標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線（圖4d）進(jìn)行相關(guān)性模擬計(jì)算，該驗(yàn)證點(diǎn)R 值為0.84。本次選取的20 處野外驗(yàn)證點(diǎn)，地面光譜、GF-5 光譜和標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線三者的相關(guān)性R＞0.6的占比達(dá)85%。

圖4 地面光譜野外驗(yàn)證圖Fig.4 Field validation of ground spectrum

6 結(jié)論

本文利用中國首顆自主研發(fā)的高光譜衛(wèi)星GF-5數(shù)據(jù)，針對甘肅龍首山地區(qū)，開展了蝕變礦物識別和提取試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）針對GF-5 高光譜數(shù)據(jù)開展了數(shù)據(jù)預(yù)處理研究，構(gòu)建了一套以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)光譜集構(gòu)建、高光譜數(shù)據(jù)降維（MNF）處理、純凈像元指數(shù)（PPI）端元提取和光譜角填圖（SAM）為主的GF-5 高光譜蝕變礦物提取技術(shù)流程。

（2）完成龍首山地區(qū)高光譜蝕變礦物提取，共提取出堿性長石、綠泥石、赤鐵礦、高嶺土、褐鐵礦、石英和方解石7 種蝕變礦物。本文為未來GF-5高光譜數(shù)據(jù)在蝕變信息提取方面提供了參考。

（3）針對蝕變礦物空間定位和蝕變種類的準(zhǔn)確性開展野外查證，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，基于GF-5 數(shù)據(jù)提取的蝕變異常與地質(zhì)信息一致性好，地面光譜曲線、GF-5光譜曲線和標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線吻合度高，提取結(jié)果可靠性好。

（4）結(jié)合已知的地質(zhì)礦產(chǎn)資料，對提取的蝕變礦物進(jìn)行分析驗(yàn)證，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)提取的蝕變礦物呈北西向帶狀展布，與區(qū)域構(gòu)造和龍首山巖群空間關(guān)系密切。本次研究成果將對該區(qū)未來找礦勘查起到重要的指導(dǎo)作用。