Hyperion高光谱数据在福建钟腾铜钼矿区的应用研究

高建阳

(福建省地质遥感中心,福州 350011)

Hyperion高光谱数据在福建钟腾铜钼矿区的应用研究

高建阳

(福建省地质遥感中心,福州 350011)

以福建平和钟腾铜钼矿区为例,简要介绍了 Hyperion高光谱数据处理技术,探讨了基于特征谱带的光谱微分及基于完全波形特征的光谱匹配等遥感矿物识别方法,初步识别出该矿区的绢英岩,并为地质资料、野外踏勘以及岩矿鉴定所证实。旨在交流基于高光谱遥感数据的岩矿信息提取方法技术,对高植被覆盖区的遥感技术应用进行探索。

Hyperion高光谱;信息提取;矿物识别

0 引言

高光谱遥感技术的发展,改善了岩矿信息识别与提取的技术条件,大大地增强了遥感对地物的鉴别能力,提高了遥感技术的定量化水平,使遥感从对地物的鉴别发展到对地物的直接识别和量化阶段,并将使遥感地质工作方法发生了突破性的变化[1]。

Hyperion高光谱图像虽幅宽较窄,但光谱分辨率较高,对地物的成分、含量、存在状态、动态变化等方面的探测能力是多光谱图像所不能及的。随着成像光谱仪光谱分辨率和空间分辨率的不断提高,高光谱遥感正在广泛地应用于地质调查、植被研究、农业遥感、大气以及环境遥感等领域,并发挥着越来越重要的作用。其中,地质调查是高光谱遥感技术应用最成功的一个领域,利用高光谱数据可以识别多种矿物和绘制矿物分布图等[2]。

本文应用福建省平和地区钟腾铜钼矿区的Hyperion数据进行了该矿区绢英岩的初步识别与提取研究,对高植被覆盖区的矿物识别与提取技术进行了初步探索。

1 研究区地质特征

福建平和钟腾铜钼矿区位于福安—南靖北东向断裂带和上杭—云霄北西向断裂带交叉复合部位,属上杭—云霄铜多金属成矿亚带的南段。钟腾铜钼矿床位于钟腾深成岩体内,矿体分布于斑岩体内外接触带。钟腾岩体的花岗闪长岩侵入时代为早白垩世。与成矿有关的斑岩体主要是石英闪长玢岩和花岗闪长斑岩,呈不规则的岩枝侵入到钟腾岩体中,集中分布于东西向断裂带上,时代属于早白垩世晚期。

钟腾矿区包括铜坑和桐树棵 2个矿段,共计 70多个大小矿体,其中主要工业矿体有 10个。矿体形态不规则,埋深 7～440m,在地表或近地表可见到矿体。矿石以细脉浸染状构造为主,也有团块状、致密块状和细脉条带状。近矿围岩蚀变有绢英岩化和黑云母钾长石化;富矿体常伴有硅化、绿泥石化和绿帘石化;围岩蚀变水平分带不明显,但略具垂直分带性,自上而下大致可分为绢英岩化带和钾化带。

金属矿物以黄铜矿、辉铜矿、辉钼矿、黄铁矿、磁黄铁矿和磁铁矿为主,偶见闪锌矿、方铅矿和斑铜矿;脉石矿物有长石、石英、绿泥石、黑云母以及次生褐铁矿、孔雀石和胆矾等。

航磁△T为正负伴生的北东向带状异常,基本反映了复式岩体范围,有 2个局部异常(编号分别为 75-15和 75-4)。其中,75-4号异常位于上水湖,为辉石闪长岩所致;75-15号异常位于南山,成因不详。

1∶20万水系沉积物异常组合为 Cu-M o,Cu的质量分数为 30×10-6～60×10-6。1∶5万水系沉积物测量有 Cu-M o异常。土壤测量以 Cu-M o异常为主,异常规模较大,面积达 0.006～0.31 km2。

钟腾铜钼矿成矿温度为磁黄铁矿 340～480℃、黄铁矿 325℃、黄铜矿 285℃和石英 280℃,与我国斑岩铜矿成矿温度 (主要为 200～380℃)相比偏高。另据蚀变矿物钾长石及绢云母的氧同位素测定,反映成矿作用早期钾化阶段的流体主要为岩浆水,而中、晚期绢云母化阶段的流体亦以岩浆水为主。

综合分析认为,钟腾矿床应属浅成侵入岩浆期后脉状斑岩型铜钼矿床,矿床成因类型为斑岩型,矿床成矿模式见图 1。

图 1 钟腾铜钼矿床成矿模式Fig.1 The mineralization model of Zhongteng Cu-Mo deposit

2 研究方法

2.1 Hyperion数据预处理

Hyperion是一种推扫式传感器,光谱范围为356～2 577 nm,242个波段,光谱分辨率为 10 nm,空间分辨率为 30m,信噪比为 190∶1～38∶1,量化位数 (数据编码)12位,幅宽 7.7 km,总视场 (FOV)0.63°,瞬时视场 (IFOV)0.043m rad。Hyperion数据产品分为:Level0和 Level1两级,通过原始数据 L0生成数据产品 L1提供用户使用[1]。

本研究使用的数据为 2006年 2月 11日获取的福建省漳州市平和地区一景 Hyperion L1R数据。L1R数据经过美国 USGS对 L0数据的初步处理,已排除VN IR和 SW IR的空间错位问题。获取数据当天云量小,成像效果较好。

平和是中国有名的蜜柚之乡,钟腾矿区一带种植有大量蜜柚,属于高植被覆盖区。因此在数据处理过程中除了剔除植被强反射波段外,还利用植被指数进行一定区域的掩模运算等方法抑制植被信息的干扰。Hyperion数据预处理流程见图 2。

图 2 Hyperion高光谱数据预处理流程Fig.2 Flow chart of the pre-processing of Hyperion image data

2.2 基于特征谱带的矿物识别

矿物光谱通常具有一系列的特征吸收谱带。这些特征谱带在不同的矿物中具有较稳定的波长位置和独特的波形,能够指示离子类矿物的存在[3]。

绢云母化是一种分布广泛的热液蚀变,是寻找Cu、Pb、Zn、Au和某些稀有金属的重要标志。黄铁绢英岩化是各种中温热液矿化的常见蚀变,特别是在斑岩铜矿、黄铁矿型铜矿、多金属矿床和金矿床中极为常见。铝硅酸盐岩 (长石类和部分暗色矿物)为次生绢云母所交代形成绢云母、石英为主的岩石[4]。

绢云母在短波红外波段有 3个特征吸收谷[3],分别在 2 200 nm、2 350 nm和 2 440 nm处,其中2 200 nm是云母类矿物吸收谷,2 350 nm处吸收谷特征很强且具有对称性,2 440 nm处吸收谷特征相对较弱、较宽且不具有对称性。

基于特征谱带的矿物识别主要依据矿物光谱的吸收特征参数,如吸收波段的位置 (P)、深度 (H)、宽度 (W)、对称度 (S)以及面积 (A)等[5]。采用光谱微分技术(Spectral Derivative)处理光谱曲线的变化和压缩均值影响,通过对反射光谱进行数学模拟和计算不同阶数的微分值,可以迅速地确定光谱弯曲点及最大、最小反射率波段的位置、深度和宽度等。

2.3 基于完全波形特征的矿物识别

高光谱最大的优势在于利用有限细分的光谱波段去再现像元对应地物的波谱曲线。这样就可以利用整个光谱曲线进行矿物匹配识别,在一定程度上可改善单个波形的不确定性,提高矿物识别的精度。基于完全波形特征的矿物识别主要采用光谱匹配技术[6]。

光谱匹配分析方法通过地物光谱与参考光谱或地物光谱与光谱数据库的比较,分析研究 2条光谱曲线之间的相似性程度,以判别未知地物的属性类别。典型的光谱匹配方法是光谱角测量 (Spectral Angle Mapper)技术,通过计算地物光谱与参考光谱的“夹角”来确定两者之间的相似程度,进而实现光谱的匹配分类。夹角越小说明两者的相关性越高,识别和提取的信息也越可靠。

3 结果与分析

的地物波谱与野外实测参考波谱进行光谱匹配的效果见图 3～5。

3.1 矿物识别效果

利用经过预处理的 Hyperion高光谱数据提取

图 3 Hyperion提取的光谱与实测光谱匹配结果Fig.3 The results of spectral matching between the spectra extracted from Hyper ion data and measured in the field

图 4 与实测黄铁矿化绢英岩光谱匹配后的假彩色合成效果Fig.4 False color composition after matching with the measured spectrum of pyrite-sericite rock

图 5 钟腾矿区绢英岩光谱角匹配效果Fig.5 Spectral angle matching effect of the sericite rock in Zhongteng mining district

3.2 识别效果分析

钟腾铜钼矿区及其周围 30 km2的 Cu-M o-Pb-Zn等元素呈条带状异常,有一定规律地集中分布在一定区域内,形成异常集中分布区。钟腾矿区的桐树棵、铜坑及阿贝矿段有 6处铜多金属异常 (表1)。

表 1 钟腾地区土壤测量异常特征①据福建省闽东南地质大队,钟腾铜钼矿区以及外围铜金铅锌成矿预测报告,1991。Tab.1 Anomaly characteristics measured in the soil in Zhongteng

通过对收集的土壤异常等地质资料的分析以及野外实地勘查,初步判断利用 Hyperion高光谱数据所识别的蚀变矿物基本都落在了土壤地球化学参数圈定的异常区内,并且在该区域野外实地勘查中发现了较强的绢英岩化蚀变。经对矿区采集岩石样品的进一步岩矿鉴定,确定为黄铁矿化绢英岩,且含有少量的白云母。因此,利用 Hyperion高光谱数据识别蚀变矿物的效果还是比较理想的。

3.3 与 ETM提取结果对比

图 6是在研究区进行 ETM矿化蚀变信息提取的结果,是采用比较成熟的方法技术,对 ETM 1、4、5、7波段进行主成分分析提取羟基,再经过等密度分割完成的。

图 6 ETM提取的羟基效果Fig.6 Result of the hydroxy extracted from ETM data

从 ETM提取的结果来看,用 Hyperion数据进行蚀变信息提取的能力与 ETM相当;但 Hyerion数据不仅能提取蚀变信息,还能对蚀变信息的类别进行鉴定,这一点是 ETM数据无法比拟的。

4 结论

(1)利用 Hyperion数据进行蚀变信息提取的能力在一定程度上优于 ETM数据;基于特征谱带的光谱微分及基于完全波形特征的光谱匹配等矿物识别方法不仅能提取蚀变信息,还能鉴定蚀变信息的类别。

(2)对于高光谱岩矿信息提取技术,建议深入分析、研究岩矿的地球物理、地球化学特性与光谱特征的相关性,进一步完善高光谱遥感混合像元光谱分离与分析技术,重点开展多种地物成分混合像元分解方法的研究。

(3)对高光谱遥感在地质领域的深化应用,还需要测试分析矿物同物异谱、异物同谱以及不同环境下的矿物光谱特征,建立矿物多样性光谱库与特征知识库。

(4)必须加强对高植被覆盖区岩石矿化蚀变信息提取方法的研究,特别是利用高光谱遥感数据结合 SAR数据提取岩矿光谱信息的方法技术有待研究。

[1] 甘甫平,王润生,杨苏明.西藏 Hyperion数据蚀变矿物识别初步研究[J].国土资源遥感,1998(4):44-50.

[2] 万余庆,谭克龙,周日平.高光谱遥感应用研究 [M].北京:科学出版社,2006:78-98.

[3] 张宗贵,王润生,郭大海,等.成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析[M].北京:地质出版社,2006:188-200.

[4] 陈亨亮.蚀变围岩及其找矿意义[J].福建地质,2008,27(2):137-141.

[5] 张宗贵,王润生,郭小方,等.基于地物光谱特征的成像光谱遥感矿物识别方法[J].地学前缘,2003,10(2):437-443.

[6] 阚明哲,田庆久,张宗贵.新疆哈密矿区典型蚀变矿物的 HyM ap高光谱遥感信息提取[J].国土资源遥感,2005(1):37-70.

(责任编辑:刘心季)

The Application of the Hypeion Hyper-spectral Image to the Zhongteng Cu-Mo Deposit in Pinghe County of Fujian Province

GAO Jian-yang
(Fujian Province Geology Remote Sensing Center,Fuzhou 350011,China)

This paper takes the Zhongteng Cu-Mo deposit in Pinghe County of Fujian Province as an example and makes a brief introduction to Hyperion hyper-spectral data processing technology. The author adopted the differential spectrum technology based on feature bands and the spectrum matching techniques based on full wave features in remote sensing study to make mineral identification. Phyllic rock in the ore district was recognized preliminarily and confirmed by geological data,field reconnaissance as well as rock and mineral identification.The purpose of this paper is to exchange the techniques of rock and mineral information extraction based on high spectral remote sensing data and to exp lore the application of the remote sensing technology to the high vegetation coverage area.

Hyperion image;Information extraction;Mineral identification

高建阳 (1969-),男,高级工程师,福建省地矿局遥感地质首席专家,主要从事遥感地质应用研究。

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0087-04

2010-05-02;

2010-06-22

福建省地矿局“十一五”科研项目“平和钟腾—大矾山、莆田泗洋—福清凤迹成矿区遥感地质矿产调查”(编号:闽地科2009042-15)资助。