哈密黑山口地区遥感蚀变信息提取特征波段优选研究

段宗恩，朱谷昌，张思颖，姬祥永，隗含涛，朱莉莉

(1．中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083;2．有色金属矿产地质调查中心，北京100012)

哈密黑山口地区遥感蚀变信息提取特征波段优选研究

段宗恩1，2，朱谷昌1，2，张思颖1，姬祥永1，隗含涛1，朱莉莉1

(1．中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083;2．有色金属矿产地质调查中心，北京100012)

在遥感蚀变信息提取研究中，特征波段的选取是主要的技术关键。本文以新疆哈密市黑山口地区为研究区，利用ETM卫星遥感数据，在光谱数据空间几何结构特征分析的基础上，通过对七个多光谱波段的回归偏度分析，评价蚀变信息的客观存在性，从而选取出针对不同蚀变类型的特征波段，然后采用主成分分析、最优密度分割等方法，提取出矿化蚀变信息，并对结果信息进行了评价。通过野外地质调查和光谱测量的实地验证，提取的蚀变信息与实地情况吻合性好，取得了较理想的效果。结论认为，次级断裂构造带上含矿化蚀变的铁镁质岩体找矿前景较好。

遥感蚀变信息二维散点图回归偏度特征波段黑山口

Duan Zong－en，Zhu Gu－chang，Zhang Si－ying，Ji Xiang－yang，Wei Han－tao，Zhu Li－li．Selection of characteristic bands in alteration information extraction from remote sensing images for the Heishankou area，Hami，Xinjiang［J］．Geology and Exploration，2012，48(4):0823－0828．

引言

遥感蚀变信息提取需要两个条件:第一，研究区客观上应该存在着矿化蚀变的成矿地质背景;第二，矿化蚀变信息在遥感图像上至少应该有弱的反应(张远飞，2008)。遥感弱蚀变信息提取主要依赖于合适的算法模型，常用的方法有比值法和主成分分析方法。赵元洪等提出了波段比值的主成分复合法(赵元洪，1991)，刘庆生等采用“主成分分析+比值法+分类+混合像元分解”成功地提取了内蒙哈达门沟金矿区山前钾化带遥感信息(刘庆生，1999)。目前国内外学者主要集中于蚀变信息提取算法研究(荆凤等，2005)，缺乏对遥感信息结构等内在信息机理研究，本文从回归偏度和二维散点图等方面入手对蚀变信息进行分析。

针对多光谱遥感蚀变信息提取技术，主要是以岩石矿物的电磁波特征反射谱带作为理论基础，运用数学方法，从遥感图像数据中提取出矿化蚀变信息(李红，2010)。本文以新疆哈密市黑山口地区为研究区，利用ETM多光谱遥感数据，首先通过波段序偶的二维散点图分析，对背景、干扰和蚀变信息三个主要对象的光谱空间结构特征进行研究，检测蚀变信息的客观存在性;再应用回归偏度理论，计算各波段的回归偏度值，从而优选出存在蚀变信息的特征波段;然后采用主成分分析、最优密度分割等方法，提取出反映客观实际的蚀变信息。

1 研究区概况

哈密黑山口地区位于哈密市东南约150 km，地理坐标为东经94°45'～95°;北纬41°10'～41°20'。区内地形较缓，低山丘陵居多，无常年流水，干沟发育。

该区大地构造位置处于塔里木板块与哈萨克斯坦－准噶尔板块活动大陆边缘胶结带，中亚造山带东天山东段。近东西向的黄山断裂是控制成矿岩体的主要断裂构造，侵入岩为华力西晚期的橄榄岩、苏长岩、辉石岩、闪长岩等，含镁铁－超镁铁质岩体侵位于下石炭统干洞组，干洞组主要为细碧岩、砂砾岩、砂砾灰岩和生物碎屑灰岩。该区的岩体铁染和矿床围岩碳酸岩化、绿泥石化强烈。本区赋矿岩体包含四套岩体组合，主要为含矿橄榄岩－辉长岩组合(傅飘儿，2009)(见图1)。

铜镍硫化物矿床赋存于橄榄岩辉长岩和闪长岩组成的镁铁－超镁铁质杂岩体中，含矿岩体岩相发育完全，橄榄岩相发育，是铁镁－超铁镁质成矿岩浆作用的典型区域。

图1 哈密黑山口地区区域地质简图Fig．1 Geological sketch map of the Heishankou area in Hami，Xinjiang

2 遥感波段数据分析

2．1 遥感数据特征

本文选用ETM数据。以ETM为代表的Landsat类多光谱遥感数据，由于其地面覆盖范围宽，空间分辨率、光谱分辨率能满足1∶50000区域地质调查及地质信息提取的要求，数据形式易于处理，多波段优化组合的图像信息丰富。ETM的各个波段各自针对着不同的探测对象和探测目的。对于地质应用而言各个波段都能提供地质构造、地形地貌信息。波段1～4能够区分岩石中铁、锰矿物和含铁、锰矿物的相对含量，尤其是第4波段对于含三价铁的矿物比较敏感，往往借此区分岩性;第5波段对绿帘石族矿物的特征谱带敏感;第6波段识别地热异常、岩石和构造的含水性，鉴别地质构造有一定的用途;第7波段对于羟基矿物等具明显的光谱吸收性。

2．2 光谱空间结构特征分析

光谱数据的二维散点图所包含着丰富的信息:

(1)二维散点图是两个波段的联合概率密度分布的几何表达，表达了二维变量数据空间的聚类结构;

(2)二维散点图可以作为主成分分析的几何解释，其中Pc1为第一主成分轴，Pc2为第二主成分轴。

(3)横坐标表示具有吸收峰的波段，纵坐标表示具有反射峰的波段。每个散点位置坐标(bx，by)。坐标点位于对角线上方，必定有，反之，对角线下方的点，必定有于对角线上方的点才表示存在蚀变信息。

基于波段序偶的二维散点图，下面对研究区的遥感数据进行光谱空间结构几何特征分析(图2、图3)。

图中箭头直线表示背景主轴，虚线表示对角线。大气散射影响地物光谱反射曲线(主要为ETM1、ETM4波段)，由此导致(ETM1、ETM3波段)光谱空间结构发生改变(背景主轴不经过原点)，大气散射影响了地物在光谱特征空间中的分布位置，但并不影响典型地物间的空间分布关系。由于铁化岩石在ETM1、ETM2或ETM4波段具有吸收带，而在ETM3波段具有反射峰，那么它在ETM3波段的反射率必定大于其它具有吸收带的波段(ETM1或ETM2或ETM4波段)，因此，在ETM3、ETM1二维光谱空间中，具有铁化的岩石散点位于对角线的上方，则可以从图像数据统计意义上判别该研究区有铁化信息存在。由于泥化岩石在ETM5为强反射，在ETM7为强吸收，那么它在ETM5、7组合中必然会位于对角线的上方，从统计意义上可以判断存在泥化蚀变信息。

黑山口地区地表主要为裸岩，图2大的椭圆表示该区域的岩石背景。图2中大部分散点位于对角线上方，该区存在铁化异常信息的可信度较高。游离于背景椭圆之外的绿线椭圆位于对角线上方，为干扰或蚀变信息，满足信息提取的基本条件。图3中对角线与背景主轴几乎重合，图像左下角有散点分布在背景大椭圆周边，远离背景椭圆中心，并且存在于对角线上方，可以推断ETM5、ETM7波段含有泥化蚀变信息。

2．3 回归偏度分析

对于遥感影像的参数与图形分析，本文主要采用序结构分析技术(张远飞，2009，2010)，序结构分析是对序列数据的结构形态特征与变化规律的研究。ETM七个波段数据可以构成波段序列，波段之间的相似性大小主要取决于两个波段的相近程度和对地物光谱响应的差异程度。波长越相近，则越相似，对地物光谱响应差异程度越小则越相似，这种相似性在波段之间是渐变的。回归偏度分析是序结构分析技术的方法之一。回归偏度计算是基于两波段，两波段回归散点图的回归轴两侧图形是不对称的，回归偏度值也是对这种不对称性的数学描述。从理论上讲，这种两侧的不对称性是由于异常信息的存在引起的。由于异常信息存在而得到的回归偏度值在理论上有正常范围，且不同地域的回归偏度值正常范围不一，不同蚀变类型的回归偏度值正常范围也有所不同。若两个波段(比如ETM6和ETM7)不相关，计算出来的回归偏度太大，这种大的回归偏度值就不是因为异常信息的存在而导致的。

回归偏度值太高可能是不相关的体现。

设有线性回归方程:

则实测数据中^yi的与回归值^yi之间的偏差(yi－^yi)的平方和为

n为观测点数，Q值改写成如下形式

Q值称之为回归偏度，回归偏度较大预示着蚀变信息存在。

2．4 蚀变信息客观存在性评

对研究区波段数据作回归偏度分析来选择信息提取的特征波段，表1为六个波段的回归偏度矩阵。ETM6波段属于热红外(10．4～12．5μm)，与其他波段呈负相关，所以不对其进行回归偏度分析。回归偏度矩阵中，0值表示某波段和自身的回归偏度。

表1 TM123457波段回归偏度矩阵Table1 Bands(TM123457)partial regression matrix

ETM3、ETM5、ETM7三波段的回归偏度较大，此三波段集中了主要光谱信息。由地物波谱的物理机制可知，ETM1和ETM3是两个重要的铁化蚀变特征波谱带。ETM3的偏度较大，表明该地区的三价铁离子在该波段存的反射特征很明显，信息丰富，预示铁化信息的存在。ETM3和ETM7的回归偏度最高。ETM5和ETM7是羟基矿物蚀变特征波谱带，从图中可知，ETM5、ETM7这两个波段偏度较大，说明它们载荷了较多的泥化信息。本区的特征波段选择方案如下:

(1)铁化蚀变异常信息主要在ETM1、ETM3波段;

(2)泥化蚀变异常信息主要在ETM5、ETM7波段。

3 遥感蚀变信息提取

3．1 主成分分析

多光谱各波段是高度相关的，相邻波段相关系数更高。因此，要去除一些相关信息。主成分分析(K－L变换)就是在一定程度上保证数据质量，消除数据冗余，将相关的波段转化成不相关的几个主成份。将研究区数据作主成分分析得到:

对ETM1、ETM3、ETM4、ETM5做主成分分析(见表2)。一般而言，含铁矿物在第1波段波谱具有吸收特性，在第3波段具有反射特性(张建国，2005)。表1中PC1和PC2载荷较多的背景信息。PC3、PC4主分量中ETM1和ETM3中符号相反。PC4中ETM3的绝对值大于PC3，因此可认为PC4中载有较高的铁的反射率，可以看出铁化异常信息位于第四主分量，最后选择PC4做最优密度分割，提取铁化信息。同样选取ETM1、ETM4、ETM5、ETM7做主成分分析(见表3)，PC1和PC2载荷较多的背景信息。PC4中ETM5、ETM7波段符号相反，反射大于吸收，对PC4做最优密度分割提取泥化蚀变信息。

表2 1、3、4、5波段主成分分析表Table2 Principal component analysis for bands 1，3，4，and 5

表3 1、4、5、7波段主成分分析表Table3 Principal component analysis for bands 1，4，5，and 7

3．2 最优密度分割

最优密度分割方法是将数学地质中有序地质量的最优分割法引入到遥感图像的彩色密度分割中，并加以变化改进(吴德文，2002)。密度分割是遥感信息分级的主要方法之一，该方法类似于多级阈值法，即根据图像的灰度值及其概率分布(直方图)特征选择几个分割点，将灰度值分成几个级别，分别代表不同的地物覆盖类型(张远飞，2010)。

对主成分分析的PC4做最优密度分割。当分割段数达到12后，曲线趋于平衡，因此选12为合理分割段数，最优12段分割区间。分析对比认为第1、2、3分割段为铁化蚀变信息异常区，分别赋予红绿蓝三种颜色，该灰度段以外的灰度级作为背景处理，为消除噪声影响对其进行平滑滤波，而后将提取的铁化信息与ETM1、ETM2、ETM3波段图像进行叠加，得到图4、图5铁化、泥化蚀变结果。

4 野外实测光谱验证

设计13条穿越工作区地层的主干剖面线，采集野外岩石标本，利用美国ASD(350－2500nm)光谱仪对标本岩石进行光谱测试。根据常见矿物的近红外吸收特征，400～1100nm为Fe吸收谱带，2300～2500nm为含羟基和碳酸盐矿物的特征谱带(童庆禧等，1999;甘甫平，2003)。

在图4和图5铁化、泥化蚀变区里实测的光谱曲线中绝大部分都存在光谱特征吸收，样品也有相应的矿化蚀变。本区的铁化蚀变主要在北部钾质花岗岩和东南方向的侵入岩体中心部位(肉红色黑云母花岗岩)，岩体风化强烈;干沟里也存在铁化蚀变。结合野外光谱测试，提取的铁化蚀变区主要发生铁染，地表未见黄铁矿化，干沟中的洪积物含有铁离子。该区铁化对成矿作用意义不大。该区泥化蚀变主要有绿泥石化、蛇纹石化、绿帘石化、碳酸岩化，偶见滑石化，并沿黄山断裂带分布，提取的泥化蚀变信息与实际情况相符。在南部的大岩体周边，靠近断裂带处有绿泥石化蚀变分布，热液活动强烈;东部的花岗岩见有泥化，酸性岩体的泥化蚀变对铜镍硫化物矿床成矿意义不大;北部的硅质凝灰岩泥化蚀变也比较强烈，成片状分布;矿床附近的灰色闪长岩和辉长岩见有蛇纹石化、绿泥石化，对成矿有利。本次所提取的蚀变信息与实测蚀变区吻合性好。

5 结论

本文基于回归偏度理论对蚀变信息客观存在性进行评估，准确地锁定含蚀变信息的波段，对含蚀变信息波段做主成分分析，最终利用最优密度分割法提取出蚀变信息。

(1)在波段序结构理论指导下，通过回归偏度分析来理解光谱特征信息，这对遥感蚀变信息提取具有重要意义。通过回归偏度分析确定蚀变信息潜在波段，对蚀变信息提取工作具有较高的实用价值。

(2)光谱曲线显示的波谱反射吸收特征与主成分分析中的特征向量矩阵表示的蚀变信息机理存在一致性，将实测光谱数据与蚀变信息提取结果对比，吻合性好。

(3)超铁镁质岩体的矿化蚀变与铜镍硫化物矿床成矿关系密切，次级断裂带为热液上升提供通道，位于次级断裂构造带上的辉长岩泥化蚀变对成矿有利。在以后工作中应该注意次级断裂构造带上铁镁质岩体的蛇纹石化、绿泥石化、碳酸岩化信息。

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Selection of Characteristic Bands in Alteration Information Extraction from Remote Sensing Images for the Heishankouyong Area，Hami，Xinjiang

DUAN Zong－en1，2，ZHU Gu－chang1，2，ZHANG Si－ying1，JI Xiang－yong1，WEI Han－tao1，ZHU Li－li1
(1．Centre South University，Changsha，Hunan410083; 2．China Non－ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing100012)

Selection of characteristic bands is a critical process for extracting mineral alteration information from remote sensing images．Taking the Heishankou area in Hami of Xinjiang as an example，we make geometric structural analysis of spectral data space and use ETM data to study the partial regression of the 7 ETM bands，and to evaluate mineral alteration information from these data．Then we select the characteristic bands for varied alteration types to extract alteration information，and use the principal component analysis method and the optimal density separation method to extract mineral alteration information．Field geological survey and spectral measurements prove that the extracted alteration information is consistent with the real situation，indicating the ideal result of this method．And this work suggests that the mineralized alteration–bearing ferruginous rock bodies on the secondary fault zone shows a good prospecting potential．

remote sensing alteration information，planar scatter plot，partial regression，characteristic band，Heishankou

book=7,ebook=228

P627

A

0495－5331(2012)04－0823－6

2011－12－30;

2012－03－20;［责任编辑］郝情情。

国家高科技研究发展计划(863)项目(编号:2006AA06Z112)资助。

段宗恩(1988年—)，男，黄冈市人，中南大学，在读硕士研究生，主要从事GIS和RS的应用研究。E－mail:dze2008@163．com。