摘要:在遥感找矿中,矿化蚀变信息的提取是重要的工作内容之一。以TM/ETM+为数据源进行矿化蚀变信息的提取,经历了一个由简单到综合的发展历程。为更好地开展蚀变信息的提取工作,本文在总结前人研究的基础上,将各种蚀变信息的提取方法归结为两个模式,即“经验模式”和“准定量模式”,并对两种模式下的各种方法结合实例进行了介绍,最后对两种模式的关系作了初步的探讨。
1 引 言
矿化蚀变信息是重要的找矿标志,最常见的蚀变有硅化、绢云母化、绿泥石化、褐铁矿化、黄铁矿化、云英岩化、矽卡岩化、白云岩化及碳酸盐化等。由于蚀变岩和非蚀变岩在矿物成分和结构上的差异,形成了遥感影像上的光谱差异,用遥感技术提取蚀变信息是遥感找矿的方法之一。三十多年来,国内外学者尝试了许多方法,取得了丰硕的成果。本文在研究前人工作的基础上,总结了TM/ETM+遥感影像蚀变信息的提取模式。
2 蚀变信息提取模式概述
早在1977年Rowan等[1]采用MSS4/5、MSS5/6和MSS5/7比值合成图像对次生粘土、氧化硅及褐铁矿区特征的热液蚀变区进行识别填图;Hunt等[2](1978年)利用羟基在可见光到近红外的波谱响应特征来确定特定的矿物以圈定蚀变岩石;Ambrams(1984年)利用TM图像波段比值+主成份变换方法排除了植被覆盖干扰提取了蚀变信息;Croksta等[3](1989年)提出选择主成份分析;Loughlin[4]指出,有目的地仅对一定的波段组合进行主成份分析可将特定的信息聚集到单一的主成份中;Robert W·M等[5](1996年)在新墨西哥南部Blue Greek盆地内热液蚀变填图使用TM图像数
据成功地圈定了粘土、云母含羟基矿物的矿化蚀变区;Timothy K M等(2002年)利用TM5/TM7、TM5/TM1、(TM5/TM4)×(TM3/TM4)进行假彩色合成,在阿拉伯—努比亚地盾的干旱气候下提取金矿化蚀变信息。国内地质矿产遥感信息提取技术的应用研究始于上个世纪80年代。刘燕君[6](1983年)利用MSS图像采用波段比值方法在北京密云水库周围的丘陵区变质铁矿实验区,成功地把矿化点及含矿围岩内强烈体而部位增强出来;赵元洪等[7](1991年)在浙江新昌地区采用“TM4/3+主成份变换+密度分割+消除噪声”压抑植被干扰达到提取蚀变信息的目的;何国金等[8](1994年)提出了“微差信息处理”这一直接提取金矿化信息的方法;1994年马建文等[9]提出了采用“图像掩膜+波段选择主成份变换(SPCA)+人机交互与PC组分数据二维散点图掩膜分类”方法,有效地减少了多种环境因素干扰下环境与目标之间光谱信息混合,目标信息得到增强;陈赶良等[10](1996年)通过对岩矿的光谱特征、地球化学因子、TM波段比值因子与地区化学因子的相关性等研究,探索从室内光谱数据中提取与金矿化密切相关的蚀变信息;1997年马建文[11]提出了“TM掩膜+主成份变换+分类识别”提取矿化弱信息的方法;1999年张远飞等[12]利用“多元数据分析+比值+主成份变换+掩膜+分类(分割)”的方法在新疆、内蒙古及江西、云南成功地提取了金矿化蚀变信息;以及刘素红[13](2000年)、王晓鹏[14](2003年)、张玉君[15](2003年)、杨波[16]等均进行了相关的研究。
利用TM/ETM+遥感图像提取蚀变信息的方法,经历了一个由简单到繁杂、由单一到综合的发展历程。为更好地开展蚀变信息的提取工作,有必要对这些方法进行系统的归纳和总结。在此,笔者将这些提取方法归结为两种模式,即“经验模式”和“准定量模式”。用“模式”化的思想来理解和选择蚀变信息提取方法,同时也可以用“模式”化的思想来丰富和发展这一方法。
3 经验模式
20世纪70年代,Hunt和他领导的实验室对300个粒状矿物的测定结果显示,在可见光—近红外光谱区(0·325μm~2·5μm),主要造岩矿物中各主要化学成分( Si、Al、Mg和O)并不产生具有鉴定意义的反射谱带;在岩石反射谱带中占据主导地位的是岩石中为数不多的次要矿物(含铁矿物及蚀变矿物)中的Fe2+、Fe3+、OH-、CO2-3等离子或离子基团,形成了反射谱的特征吸收谷[17~19]。蚀变岩石因含有这些离子(或离子基团)而在TM/ETM+相应波段产生特征光谱。经验模式就是利用这些典型地物的(矿物)光谱特征(曲线),根据地物在不同波段上的反射、吸收特征,在已有地质资料的基础上,通过遥感图像的信息增强技术,反复比较试验而总结出来的一种模式。这种模式缺乏精确的工作区地物波谱数据,或者说是在未进行工作区波谱测试的条件下进行的一种蚀变信息提取工作。这种模式提取的效果因工作区的地物环境和遥感图像的质量以及蚀变的大小而产生比较大的差异。但这种经验模式的提取工作成本低、操作简单,在一些基岩裸露区或植被低覆盖区可以定性的评判蚀变的范围和种类,往往是一种行之有效的方法。
3·1 波段比值法
波段比值处理是将一个光谱波段中的灰度值与另一个波段图像中对应像元灰度值相除,比值的结果反映了地物波谱曲线变化的斜率,从而增强了地物波谱特征的微小差异。波段比值法是早期遥感蚀变信息提取的主要方法之一,如赵元洪[20](1991年)、平仲良等[21](1993年)利用TM波段比值法提取蚀变信息;陈赶良等[22](1996年)利用岩矿的成分因子与波段比值进行相关性分析,选择研究区最优的波段比值进行蚀变信息的提取。识别热液蚀变常用的波段比值有:TM3/1,用于识别褐铁矿;TM5/4,用于区分有植被和无植被覆盖的土壤和岩石,区分云母及黄钾铁矾,明矾石及石膏、方解石及粘土这三类矿物,识别褐铁矿化;TM5/7,识别含羟基矿物,水合硫酸盐和碳酸盐;TM7/4,区分云母、石膏与明矾石;TM3/4,识别植被和区分褐铁矿化岩石[23]。
3·2 主成份分析法
主成份分析也称为K-L(Karhunen-Loeve)变换,它是在对多波段图像进行特征统计基础上的多维正交线性变换。其本质是对多光谱空间的坐标系按一定规律进行旋转,从而达到去除相关、进行特征提取和数据压缩的目的。
主成份分析法也是遥感蚀变信息提取中应用较的方法之一,且到目前为止其应用也比较广泛,并日渐成熟。通常进行主成份分析是把一幅图像的所有波段一起处理,但也可以基于地物的光谱特征把所有波段先进行分组,然后进行主成份分析。Cros-ta和MC·M·Moore提出选择主成份分析方法(SP-CA)[3],选择有地质意义的波段进行主成份分析。Loughlin(1991年)的研究表明,有目的地对一定的波段组合进行主成份分析可将特定的信息聚集到单一的主成份中[4],提出了面向特征的主成份分析。国内如赵元洪[20]、马建文[24]、张满郎[25]、张玉君[26]等都对主成份分析的方法进行了改进和丰富。
3·3 综合提取法
蚀变信息相对于遥感图像丰富的信息而言是一种弱信息,且常被背景信息所掩盖,通常在蚀变信息的提取过程中,单纯用一种或几种方法很难取得满意的效果。综合提取法就是各种蚀变信息提取方法的综合应用,一般是在TM原始波段、比值波段、和主成份分析后的主分量中进行的二次波段比值或二次主成份分析。这种方法有机地综合了原始波段、比值波段和主分量波段的信息,可以定向的提取感兴趣信息,同时压抑或去除掉干扰信息。在实践中,这种方法应用较多,国内许多学者也取得了一些值得借鉴的经验。如:张玉君等[26]利用TM1 + TM2、TM4/3、TM5、TM7波段组合代替TM1、TM4、TM5、TM7组合进行主成份分析,提取羟基蚀变信息;赵元洪[20]和刘志杰[27]利用TM5/7和TM4/3进行主成份分析,在提取羟基蚀变的同时压抑了植被信息;朱小鸽[28]利用不同原始波段组合以及主成份分析波段、原始波段和比值波段的组合进行主成份分析,提取各种相关地质信息;陈松龄等[29]利用TM1-TM5,TM7波段主成份分量的比值及波段比值的加减运算识别围岩蚀变信息;孟新[30]利用TM7(R)、TM5(G)、TM4(B)进行HIS变换后的饱和度(S)分量与TM5/1波段比值进行主成分分析提取褐铁矿化信息;还有其他研究者如张远飞[12]、张满郎[25]、张晋开[31]等,均取得了良好的效果。
4 准定量模式
波谱测试研究是遥感图像蚀变信息提取的物理基础,研究区地面波谱测试工作对揭示研究区遥感图像色调异常的成像机理和地质成因,对定向的选取蚀变信息提取方法和提取结果的解释等方面都具有重要的指导意义。基于地面波谱测试结果开展的蚀变信息提取工作,因理论依据充分、目标明确、针对性强而带有“定量”的色彩。由于光谱分辨率和空间分辨率的限制,利用TM/ETM+图像一般仅能识别和区分铁染异常(铁的氧化物和氢氧化物)和羟基异常(含羟基矿物、水合硫酸盐及碳酸盐等)两大类,因此称基于研究区典型地物实测光谱数据进行的蚀变信息提取方法为“准定量模式”。
4·1 基于视反射率的蚀变信息提取
由于卫星传感器所记录的数据是图像的相对亮度(DN),并非辐射亮度值L(反射的太阳辐射能量),因此需将各TM波段的图像相对亮度值(DN)转换为辐射亮度值L,再将辐射亮度值转换为TM图像的视反射率。闫积惠等[32]讨论了TM图像的相对亮度值与岩石反射波谱的关系,指出了图像相对亮度值与岩石反射波谱的相似性;王海平等[33]在西支沟地区以地面实测波谱数据为基础,建立了典型矿区TM单波段图像视反射率与地面波谱反射率的相关模式,用于矿化蚀变信息的反演识别研究。
4·2 基于多元数据分析的蚀变信息提取
该模式主要以研究区典型地物的光谱分析或其与岩石地球化学分析相结合为基础,采用多元数据分析的方法来考查TM图像及其变换图像(波段比值、主成份分析的向量等)、岩石地球化学数据和蚀变目标间的相关关系,然后采用多元统计回归的方法建立多元变量的回归方程进行蚀变信息的准定量提取。例如:陈赶良等[22]在黔桂地区通过对岩矿室内光谱数据模拟的TM波段反射率及其波段比值因子与蚀变矿物地球化学因子的统计分析,建立了二者的准定量关系,从而达到利用TM数据提取蚀变信息的目的。吴德文等[34]在对青海芒崖金多金属成矿区地表岩石光谱测试和分析的基础上研究了该区与金多金属矿化有关的蚀变岩及围岩的光谱特征,以及在对应TM波段上的光谱差异性;据此建立了基于光谱矢量的矿化蚀变信息分类提取模式,利用TM图像准定量提取了矿化蚀变信息。杨波等[16]以鹰嘴山硅化蚀变为例,对实测岩矿石的波谱数据进行了TM图像的对应波段处理,获得了对应TM波段图像波谱数据及其相应比值数据,将其与岩矿石的化学分析数据一起参与聚类分析、相关分析和因子分析,厘定了与硅化蚀变信息相关的主分量,最后以此主分量为基础建立了硅化蚀变信息提取的准定量模式。
4·3 光谱角制图法
光谱角制图法(又称为光谱角分类法),是一种光谱匹配技术,是对岩石进行波谱形态识别的主要方法之一。1993年Kruse等[35]基于多维向量空间角原理提出光谱角制图法;马建文等[36~37]对多维空间角度模型进行了详细的阐述。这一方法将光谱数据视为多维空间的矢量,利用解析方法计算像元光谱与光谱数据库中参考光谱之间矢量的夹角,根据夹角的大小来确定光谱间的相似程度,以达到识别地物的目的。参考光谱可来自实验室、野外测量或已知类别的图像像元光谱。王晓鹏[38]、查显杰[39]、张楠楠[40]、姜端午[41]、杨长保[42]等利用光谱角制图法进行了识别信息提取的尝试;其中查显杰[39]利用目视解译得到的蚀变信息样本向量取代从波谱库中得到的蚀变信息向量,进行光谱角法蚀变信息提取,在所研究区域经与比值法和主成份分析法比较,取得了较好的效果。
5 结束语
(1)随着卫星传感器的光谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率的不断提高,用于蚀变信息提取的数据源越来越多,其选择空间也越来越大,尤其是高光谱分辨率成像光谱的发展,极大地提高了遥感技术对地观测的能力。但是这些高光谱数据不易获取或获取成本太高,一般用户难以接受。TM/ETM+数据价格低廉,历史数据积累多,TM/ETM+数据依然是当前蚀变信息提取的首要的和主要的信息源;断总结、拓展和完善TM/ETM+蚀变信息的提取方法有着重要的现实意义。
(2)经验模式和准定量模式不是彼此孤立的而是相互联系、相互促进、共同发展的关系。经验模式是在对典型岩石矿物的实验光谱分析的基础上,结合已有地质资料,在研究区直接用TM/ETM波段的比值分析、主成份分析等遥感图像处理方法进行蚀变信息的提取工作;经验模式是典型实验光谱分析的一个简单推广,其理论依据来源于典型岩石矿物的实验光谱分析。准定量模式是以研究区实测的光谱数据为依据,结合岩石矿物的化学分析,借助数学分析方法确定多元(多源)变量之间的相关关系,而实施的针对性很强的(针对研究区)遥感图像处理方法。因这种方法是以实测数据(地面波谱、岩石地球化学等)为基础,故称之为准定量提取方法。它是经验模式的必然发展,是对蚀变信息提取方法的一个重要的完善和补充。
(3)TM/ETM+光谱分辨率和地面分辨率是矿化蚀变信息提取定量化和细节化的一个瓶颈问题,现代数学方法(分形技术、人工智能、模式识别、小波分析、模糊数学等)的发展为这一问题的初步解决提供了一条有效的途径。如甘甫平等[43]开发设计了基于小波包变差的多光谱图像蚀变分带识别技术,发展了基于光谱匹配滤波的蚀变信息提取技术;傅文杰等[44]基于光谱角制图法提出了支持向量机蚀变信息提取(SVM)方法,都具有借鉴意义。
参考文献
1 Rowan,L·C·,Goetz,A·F·H,Ashley,R·P·Discrimination of hydrothermally altered and unaltered rocks in visible and near-infrared multispectral images[J]·Geophysics,1977(42):522~535·
2 Hunt,G·R·,Salisbury,J·W·, Lenhoff,G·J·Visible and near-infrared spectra of minerals and rocks:III Oxides and hydrox-ides[J]·Modern Geology,1978(2):195~205·
3 Crosta A P,Moore J·McM·Geological mapping using landsat thematic imagery in almeria province,southeast spain[J]·In-ternational Journal of Remote Sensing,1989,10(3):505~514·
4 Loughlin W·P·Principal component analysis for alteration mapping[J]·Photogrammetric Engineering and Remote Sens-ing,1991(57):1163~1169·
5 Timothy M Kusky,Talaat M Ramdadan·Structural controls on Neoprotero zoic mine realization in the South Eastem Des-ert, Egypt:an integrated field, Landsat-TM,and SIR-C/X SAR approach[J]·Journal of African Earth Sciences,2002 (35):107~121·
6 刘燕君·遥感图象中矿产信息的再现及其意义[J]·科学通报,1983(16):995~997·
7 赵元洪,等·波段比值的主成份复合在热液蚀变信息提取中的应用[J]·国土资源遥感,1991(3):12~17·
8 何国金,胡德永,陈志军,等·从TM图像中直接提取金矿化信息[J]·遥感技术与应用,1995,3(10):51~54·
9 马建文,张齐道·利用TM数据在多种环境因素干扰条件下填制蚀变岩方法[J]·地质找矿论丛,1994,9(2):84~87·
10 陈赶良,杨柏林,李彤·遥感探测微粒浸染型金矿蚀变信息的应用研究-以黔桂交界地区为例[J]·地质地球化学,1996(1):20~24·
11 马建文·利用TM数据快速提取含矿蚀变带方法研究[J]·遥感学报,1997,1(3):208~213·
12 张远飞,吴健生·基于遥感图像提取矿化蚀变信息[J]·有色金属矿产与勘查,1999,8(6):604~606·
13 刘素红,马建文,蔺启忠·通过Gram-Schmidt投影方法在高山区提取TM数据中含矿蚀变带信息[J]·地质与勘探,2000,36(5):62~65·
14 王晓鹏,谢志清,伍跃中·ETM图像数据中矿化蚀变信息的提取—以西昆仑塔什库尔干地区为例[J]·地质与资源,2002,11(2):119~122·
15 张玉君,曾朝铭,陈薇·ETM+(TM)蚀变遥感异常提取方法与应用—方法选择和技术流程[J]·国土资源遥感,2003(2):44~50·
16 杨波,吴德文,赖健清,等·矿化信息提取定量遥感模式的建立—以鹰嘴山硅化蚀变为例[J]·遥感学报,2005,9(6):717~724·
17 地质情报研究所·遥感专辑(第一辑),矿物岩石的可见—中红外光谱及其应用[M]·北京:地质出版社,1980:193~206·
18 Hunt G R,Salisbury J W·Assessment of landsat filters for rockt ype discrimi-nation based on intrinsic information in la-boratory spectra[J]·Geophysis,1978(43):738~748·
19 燕守勋,张兵,赵永超,等·矿物与岩石的可见—近红外光谱特性综述[J]·遥感技术与应用,2003,18(4):191~199·
20 赵元洪,张福祥,陈南峰·波段比值的主成份复合在热液蚀变信息提取中的应用[J]·国土资源遥感,1991,9(3):12~16·
21 平仲良·从陆地卫星TM数据提取胶东某地区某种类型金矿的围岩蚀变信息[J]·国土资源遥感,1993,18(4):42~45·
22 陈赶良,杨柏林·黔桂地区微细侵染型金矿蚀变信息提取机理[J]·环境遥感,1996,11(2):88~93·
23 王润生,丁谦,张幼莹,等·遥感异常分析的协同优化策略[J]·地球科学(中国地质大学学报),1999,24(5):488~502·
24 马建文,张齐道·利用TM数据提取含金蚀变带的方法研究—以冀北东卯地区为例[J]·国土资源遥感, 1994,(2):41~45·
25 张满郎·金矿蚀变信息提取中的主成份分析[J]·遥感技术与应用,1996,11(3):1~5·
26 张玉君,杨建民·基岩裸露区蚀变岩遥感信息的提取方法[J]·国土资源遥感,1998,36(2):46~52·
27 刘志杰,韩先菊,刘荫椿·比值-特征主成份混合分析提取金矿蚀变信息—以赣南遂川地区威力[J]·黄金地质,1998, 4(1):74~77·
28 朱小鸽·多重主成份分析及在地质构造信息提取中的应用[J]·遥感学报,2000,4(4):299~303·
29 陈松龄,卢福宏,高光明,等·华北地台北缘内蒙古段金矿围岩蚀变的遥感识别[J]·国土资源遥感,2001,48(2):13~18·
30 孟新,姚国清·内蒙古阿木乌苏地区TM图像褐铁矿化蚀变信息提取研究[J]·遥感技术及应用,1995,1(2):23~27·
31 张晋开,崔承禹,支毅乔·基于主成份分析的植被掩模与模式滤波方法在中等植被区蚀变信息提取中的应用[J]·中国图象图形学报,1996,1(2):108~113·
32 阎积惠,等·TM图像的相对亮度值与岩石反射率波谱的关系[J]·遥感信息,1993 (4):25~27·
33 王海平,张彤·基于遥感视反射率图像的矿化信息识别及其应用[J]·地球学报,2005,26(3):283~289·
34 吴德文,朱谷昌,吴健生,等·青海芒崖地区岩石光谱特征分析及应用[J]·国土资源遥感,2001,50(4):28~34·
35 Knlse·F·A,Lefkoff·A·B,Boardman·J·B·,Heidebrecht·K·B,ect·The spectral image processing system(SIPS)interactive visualization and analysis of imaging spectrometer data[J]·Remote Sensing of Environment,1993(44):145~163·
36 马建文,马超飞·基于空间角度理论的卫星光学遥感数据认知与挖掘[J]·中国图象图形学报,1999,4(A-11):918~923·
37 马建文,刘素红,马超飞·遥感多维空间数据场特征的角度分析与应用[J]·遥感学报,2001,5(1):17~21·
38 王晓鹏,谢志清,伍跃中·西昆仑塔什库尔干地区遥感找矿异常提取方法研究[J]·地质找矿论丛,2002,17(2):136~139·
39 查显杰,戴志阳,傅容珊·多维空间角度方法提取植被覆盖区蚀变信息[J]·遥感信息,2005(2):3~5·
40 张楠楠,张晓帆,周可法,等·干旱区蚀变信息提取方法比较研究[J]·中国科技信息,2006(9):118~119·
41 姜端午·花岗岩地区锡矿摇滚找矿方法探讨—以中国南岭成矿带花山-姑婆山地区威力[J]·南方国土源,2006(6):27~28·
42 杨长保,姜琦刚·辽东地区矿化蚀变遥感信息提取的研究和应用[J]·遥感信息,2007(4):20~23·
43 甘甫平,王润生·遥感岩矿信息提取基础与技术方法研究[M]·北京:地质出版社,2004:43~56·
44 傅文杰,洪金益,朱谷昌·基于光谱相似尺度的支持向量机蚀变信息提取[J]·地质与勘探,2006,42(2):69~73·
