高植被覆盖区遥感矿化信息提取方法研究

杨正萌，白 卉，孟 嵩

吉林省地质调查院，吉林 长春130061

0 引言

近年来遥感图像蚀变信息的提取已经成为遥感找矿的一个重要方法，是遥感地质信息提取中一个重要组成部分。该方法是利用近矿围岩蚀变与其周围未蚀变的正常岩石在矿物种类、结构、颜色等方面的差异，这种差异在某些特定的反射光谱波段形成了特定蚀变岩石的光谱异常。光谱异常为用遥感图像的异常信息提取提供了理论依据。铁的氧化物、氢氧化物和硫酸盐三类蚀变矿物理论上能被OLI图像识别，而蚀变矿物中大多含有羟基（OH-），铁染（Fe3+）则主要与矿化有关。

1 地质背景

工作区位于北东向鸭绿江—松江河—两江深大断裂北侧，为抚松火山盆地及周边地带，区内主要出露地层自下而上为太古代英云闪长质片麻岩；上元古界地层震旦系石英砂岩、页岩；古生界地层主要分布在松树镇以北, 主要由寒武系、奥陶系、石炭系及二叠系灰岩、页岩、泥灰岩及砂岩等组成，呈北东向展布；中生界地层主要由晚三叠世和侏罗系地层组成。晚三叠世长白组地层下部主要为安山岩、安山质火山碎屑岩，上部岩性主要为流纹岩、流纹质火山碎屑岩。侏罗系地层主要分布在工作区北部，自下而上为侏罗统义和组泥质粉砂岩、砾岩、页岩；中侏罗统果松组页岩、砂岩、安山岩、安山质凝灰熔岩及流纹岩等；上侏罗统林子头组和石人组，主要岩性由砾岩、砂岩、粉砂岩、中酸性凝灰岩、凝灰质砂岩等组成；新生代玄武岩主要分布在工作区的东南部(图1)。

2 矿化蚀变信息的遥感提取方法

图 1 仙人桥地区地质图Fig.1 The geological map of Xianrenqiao area1.第四系；2.船底山组玄武岩；3.石人组砾岩、砂岩、凝灰质砂岩；4.林子头组凝灰质砾岩、砂岩；5.果松组砾岩、砂岩、安山岩、安山质凝灰岩；6.义和组凝灰质砾岩、砂岩；7.长白组安山质凝灰岩、流纹岩、流纹质凝灰岩；8.孙家沟组砖红色泥岩、粉砂质泥岩夹长石砂岩；9.石炭系；10.马家沟组豹皮灰岩夹钙质页岩；11.崮山组与炒米店组并层；12.张夏组中厚层鲕状灰岩；13.馒头组角砾状灰岩、泥灰岩；14.下震旦统未分；15.闪长岩体；16.花岗岩体；17.英云闪长质片麻岩；18.断裂构造

遥感矿化蚀变信息提取的主要方法有：比值变换法、主成分分析法、光谱角填图法、对应分析法等主要的提取方法，张远飞等利用“ 多元数据分析+比值+主成分变换+掩膜+分类(分割)”的方法对于高植被覆盖区的遥感矿化蚀变信息提取具有一定的优势。

波段比值法是利用反射波段与吸收波段的比值处理增强各种岩性之间的波谱差异,并显示出动态的范围。但当遇到线性相关性较差的两个波段时比值效果不明显。

主成分分析法(PCA)是现在广泛采用的提取岩石蚀变信息的方法。这种方法的本质是降维，即将多光谱图像中各个波段那些高度相关的信息集中到少数的几个波段, 并且尽可能的保证这些波段的信息互不相干，使处理的数据量减少。这种方法首先需要对干扰信息进行排除，如边界错位 、水、云、云影、植被、雪等，玄武岩覆盖区又会对铁染异常产生干扰，由于阴影等信息中可能包括基岩，而这也就不可避免的影响最终的提取成果。

张远飞提出了“遥感蚀变信息多层次分离技术”模型，其主要思想是: 当遥感蚀变信息属于“强信号”时，可直接予以提取或增强; 而当遥感蚀变信息属于“弱信息”时，“背景”和“干扰”通常属于“强信息”，可通过对“背景”和“干扰”的多层次分离将其剔除，最终实现蚀变信息的增强与提取。

3 遥感矿化蚀变信息提取

综合以上矿化蚀变信息提取主要方法，利用各方法优势，对吉林仙人桥地区进行矿化蚀变信息提取方法研究。首先选取OLI数据11631景，鉴于东北地区的特点，选取接收日期为2013年10月18日数据，尽可能减少植被和冰雪的干扰。

3.1 主成分分析

首先利用主成分分析法得到表1、表2：

经过主成分分析，由上表可知，第一主成分可代表7个波段全部信息的89.365%，第二、三主成分贡献率分别为5.159%和4.648%，均较高，三者之和占全部信息的99.17%，其代表的信息基本可作为背景信息；而第六和第七主成分贡献率低，二者之和仅占全部信息的0.034%，不具实际意义，因此，该地区的矿化信息主要集中在第四和第五主成分中。

表 1 仙人桥地区蚀变信息主成分统计分析Table 1 Statistical analysis of principal components of alteration information in Xianrenqiao area

表 2 仙人桥地区OLI数据PCA特征向量矩阵Table 2 Eigenvector matrix of principal components of alteration information in Xianrenqiao area

根据上表中的特征向量矩阵，在第四主成分中，一波段（B1）和四波段（B4）存在序偶关系；第五主成分中六波段（B6）和七波段（B7）存在序偶关系。

3.2 二维散点图结构层次分离

利用B4和B1，B6和B7分别形成二维散点图（图1、图2）如下：

图 2 仙人桥地区OLI B4/B1二维散点图Fig.2 Scatter plot of OLI B4/B1 of Xianrenqiao area

光谱数据点阵呈高斯分布，根据张远飞提出的二维散点图层次结构分析，概率密度趋于高斯分布( 二维的椭圆形态)，主椭圆可以看做是该区的背景值，小椭圆则对应于岩石区、暗区、植被与蚀变区等子类地物，矿化异常必须满足B4/B1（或B6/B7）大于1，也就是图中Y=X线上方的点阵，从中再分离出蚀变区。

3.3 蚀变异常图

分别对B1和B4波段，B6和B7波段做主成分分析，并分别对二者分析后的第二主成分采用“密度分割”技术对蚀变信息作进一步的分离。

根据主成分分析后的第一主成分和第二主成分的散点图旋转情况可判断，铁染异常取第二主成分高值区，羟基异常取第二主成分低值区，最终得到蚀变异常图（图3、图4）。

图 3 仙人桥地区OLI B6/B7二维散点图Fig.3 Scatter plot of OLI B6/B7 of Xianrenqiao area

图 4 仙人桥地区铁染蚀变信息异常图Fig.4 Fe3+ alteration information of Xianrenqiao area

图 5 仙人桥地区羟基蚀变信息异常图Fig.5 OH- alteration information of Xianrenqiao area

由上图（图3、图4）可见矿化蚀变信息的提取并未受到植被、水体和阴影等影响，且图中东南部的大面积船底山组玄武岩也并未影响该区域铁染信息的提取。

本次提取主要发育南、北两条蚀变异常带：北带在铁染和羟基蚀变信息异常图上均有反应，且吻合性较好，对比地质图（图1）异常受东西向构造控制，主要分布在上侏罗统果松组凝灰岩与侏罗系花岗岩体接触带上；南带在羟基蚀变信息异常图上较明显，受东西向构造控制，分布在上寒武统灰岩与新太古代英云闪长质片麻岩一带。

4 结论

利用以上结合了主成分分析和遥感蚀变信息多层次分离技术将矿化信息提取，这种方法在吉林省这种高植被覆盖区进行蚀变矿化信息提取方面，较单纯的主成分分析法更为简单，省去了反复的去除干扰信息进行掩膜的繁琐，同时也能较好的保留部分稀疏植被区和较厚植被区边部的矿化信息，同时大面积的玄武岩覆盖区在提取过程中作为背景值而集中分布在主椭圆中，对铁染信息不造成影响，与地质背景吻合性较好，二者结合分析，大大提高了遥感蚀变矿化信息提取的准确度和可信度。

[1] 张远飞,等. 基于物理意义的二维散点图类型划分与遥感蚀变信息提取[J] .国土资源遥感，2013,(2).

[2] 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] .遥感应用，2007,(4).

[3] 张远飞,等.遥感蚀变信息多层次分离技术模型与应用研究[J] .国土资源遥感，2011,(4).

[4] 荆 凤、陈建平.矿化蚀变信息的遥感提取方法综述[J] .遥感应用，2005,(2).