基于两种方法的铝土矿蚀变信息提取

陈绪慧，胡丹娟，袁立男

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

基于两种方法的铝土矿蚀变信息提取

陈绪慧，胡丹娟，袁立男

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

采用两种方法相结合提取矿物蚀变信息，能够有效地减少伪异常信息，提高信息提取精度与效率。以河南省铝土矿区为研究区，引入主成分分析、独立成分分析分别提取研究区蚀变信息，并求得两种方法分析结果的交集。采用16个实地勘探矿床点数据资料进行结果分析，发现通过两种方法提取共同蚀变信息区，可以大大缩小野外勘探面积，减少野外勘探工作量，提高工作效率，对利用遥感技术圈定成矿靶区具有重要的指导意义。

多种方法；铝土矿；主成分分析；独立成分分析；蚀变信息；工作效率

20世纪70年代起，遥感技术开始应用于地质矿产勘查领域中[1-2]。遥感异常或蚀变信息提取是遥感找矿的重要途径之一[3]。遥感异常或蚀变信息提取最常用的方法为主成分分析法(Principle Component Analysis, PCA)。主成分分析是基于二阶的统计量，具有去相关的特性，采用PCA算法可能会遗漏很多关键信息；独立成分分析(Independent Component Analysis, ICA)是一种基于高阶的统计量，它不但能够提取包含在高阶统计量中的许多弱信息，而且能够将观察到的数据进行某种线性分解，得到统计独立的成分[4]。

本文以河南省济源市铝土矿区为研究区，选择2003年ASTER影像数据，对其分别进行PCA和ICA，作为研究区铝土矿蚀变信息提取的前两种方法，并选择PCA和ICA分析结果的交集作为第三种方法进行研究区蚀变矿物信息提取，最后通过实地测量的铝土矿床点位置数据对三种方法提取精度及效率进行结果分析及对比。

1 PCA、ICA算法

独立成分分析(ICA)是在主成分分析(PCA)基础上发展起来，两者异同点如表1所示。

2 数据源及研究方法

2.1 遥感数据源

本研究采用的数据源是ASTER影像，时间为2003-07-10，L1B等级。研究采用GPS差分技术测定了若干地面控制点，点位测量的平均精度为2～3 cm，用于遥感影像的几何精校正，此外，测量了2003年以后开采的16个铝土矿矿床点数据，以便对遥感提取结果进行精度验证。

表1 独立成分分析与主成分分析区别

2.2 研究方法

由研究区地质概况知，铁染蚀变和羟基蚀变存在于绝大多数蚀变矿物中，提取这两种蚀变信息基本可以确定成矿岩石的分布位置。根据Crosta法则，ASTER数据中通常采用Band1、Band2、Band3、Band4波段组合提取铁染类矿物蚀变信息[5]；采用Band1、Band3、Band4、Band6波段组合提取Al-OH类矿物蚀变信息[6]。本研究对2003年ASTER影像数据分别进行PCA和ICA提取铁染和羟基蚀变信息作为研究区铝土矿信息提取的前两种方法，并选择PCA与ICA分析结果的交集作为第三种方法进行研究区铝土矿蚀变信息提取。研究区铝土矿蚀变信息提取技术流程如图1所示。

图1 研究区铝土矿蚀变信息提取技术流程

3 实例应用

3.1 研究区概况

研究区位于河南省济源市、洛阳市交界处[7]，区域地表植被多为低矮灌丛且比较稀疏。研究区铝土矿矿床赋存于石炭系本溪组中段地层之内，属于沉积型铝土矿。区内铝土矿床的岩性体沿垂向自上而下分别为硬质粘土或粘土矿(高岭石、蒙脱石、水云母等)—铝土矿—铁质粘土页岩(赤铁矿、针铁矿、褐铁矿等)—粘土页岩，构成该矿床的赋矿岩系，为豫西铝土矿集中区北段，具有较好的铝土矿成矿地质条件[8]。研究区褶皱断裂比较发育，断裂构造对地形地貌、区域地层分布及铝土矿成矿分布具有明显的影响[9]，加之第四纪冰川对地表侵蚀比较严重，目前铝土成矿区多为点状分布。

3.2 蚀变信息提取3.2.1 PCA/ICA法蚀变信息提取

研究区铝土矿主要矿物组分为赤铁矿、针铁矿、褐铁矿等铁染蚀变矿物及高岭石、蒙脱石等Al-OH类蚀变矿物，提取这两种蚀变信息，基本可以圈定铝土矿分布区。根据Crosta法则对2003年ASTER影像分别进行PCA和ICA得到的特征向量矩阵如表2、表3所示。

表2 铁染/Al-OH蚀变矿物PCA特征向量矩阵

表3 铁染/Al-OH蚀变矿物ICA特征向量矩阵

1)已知铁染蚀变矿物的判别准则为[10]：ASTER数据的Band1、Band3特征向量载荷与Band2特征向量载荷具有相反的贡献值。由表2、表3可知，PC3/IC3符合上述条件，并获得铁染蚀变信息灰度图。

2)已知Al-OH类蚀变矿物的判别准则为：ASTER数据的Band4与Band6特征向量系数符号相反，与Band1贡献系数符号相同[11]。由表2、表3可知，PC4/IC4符合Al-OH类蚀变矿物的判别准则，得到Al-OH类蚀变信息灰度图。

为了有效表达铝土矿异常信息的分布趋势，还需对铝土矿蚀变信息灰度图进行异常切割。异常切割的标准[7]为μ+κσ，其中μ为某一成分的统计均值，σ为该成分的标准差，κ的取值范围一般为1～3。多次试验表明，PCA和ICA均在κ=1时效果最佳，得到铁染与Al-OH蚀变信息图。之后将两种方法提取的铁染及羟基蚀变信息叠加到原始影像上，得到的效果图分别如图2、图3所示。

图2 PCA铝土矿蚀变信息提取效果

图3 ICA铝土矿蚀变信息提取效果

由图2、图3看出，两种方法提取的蚀变信息在研究区西北部均有分布，其中PCA法提取蚀变信息多集中在研究区西北部与中部；ICA法提取蚀变信息在研究区分布比较均匀。图2A处相比图3A处以及图3B处较图2B处具有较多的蚀变信息，分析产生这种现象的原因有可能是“异物同谱或同谱异物”引起的伪异常信息。

3.2.2 PCA与ICA提取结果交集

由于大气因素及周围地物光谱的影响，PCA与ICA蚀变信息提取结果中不可避免地存在部分伪

异常信息。为了提高研究区蚀变信息提取的准确性，减少野外工作量，首先将PCA与ICA提取的铁染蚀变信息及羟基蚀变信息分别求取交集，然后将获得的铁染区域与羟基区域进行叠加，最终得到两种方法提取的异常信息共同点，即为研究区铝土矿蚀变信息分布区，如图4(a)所示，将铝土矿蚀变信息叠加到原始影像图上得到图4(b)。

因研究区铝土矿大多沿褶皱断裂发育，根据提取的蚀变信息、遥感影像上褶皱断裂分布区域及铝土矿成矿规律，圈定3处铝土矿成矿靶区，即图4(b)中C，D，E三处区域，其局部放大如图4(c)所示。通过实地验证发现，C，D，E三处分别对应研究区坡池村、陶山村、石槽村，3个村落均分布有丰富的铝土矿。因此，使用该方法能够较好地圈定研究区铝土矿成矿靶区。

图4 PCA与ICA铝土矿异常信息共同点

3.2.3 结果评价分析

利用实地测量的2003年后开采的16个铝土矿床点位置数据，对三种方法提取的铝土矿异常信息结果进行对比分析。

1)计算包含在有效异常信息范围内的铝土矿床点数量占总铝土矿床点数量的比例，定义为提取精度l，公式为

(1)

式中：s′为包含在有效异常信息范围内铝土矿床点数量，s为研究区总铝土矿床点数量。l越大，表示提取的蚀变信息内包含铝土矿床点的数量越多。

2)记提取的单位蚀变面积上的提取精度为蚀变信息提取效率，表示为

(2)

式中：a′为研究区总铝土矿床点面积，为方便计算，记为1。a为提取的蚀变信息总面积，l为提取精度。e越大，表示在提取的蚀变信息区域范围内勘探出矿的概率越大，越有利于勘探工作的开展。

通过建立以上模型，分析PCA、ICA以及两种方法交集的结果如表4所示。

表4 蚀变信息提取方法结果对比

通过表4对比分析，尽管第二种方法(ICA)提取精度明显高于另外两种方法，但在单位蚀变面积提取效率方面，第三种方法(交集)远远高于另外两种方法，说明第三种方法蚀变信息提取效率明显提高，大幅度地减少了野外勘探的工作量。此外，根据第三种方法圈定的三处成矿靶区，并对比图2、图3、图4(b)3幅图，发现图2中PCA方法只能较好地圈定C，E两处区域，图3中ICA只能较好地圈定C，D两处区域，而第三种方法能够同时圈定C，D，E 3个区域，且蚀变信息提取结果中的伪异常信息明显低于前两种方法。因此，两种方法求取交集的分析方法具有较高的准确度及工作效率，对研究区铝土矿蚀变信息提取具有一定的指导意义。

4 结束语

本文介绍了PCA与ICA算法原理，并用其分别提取研究区铝土矿蚀变信息，采用两种方法求取结果的交集作为第三种方法。结果显示：三种方法蚀变信息提取精度基本相近，但采用两种方法求取交集提取共同蚀变区域方法的工作效率远高于另外两种方法，且该方法较好地圈定了3处铝土矿成矿靶区，具有较高的准确率。因此，采用多种方法分析结果求取交集，有效地减少了伪异常信息，并在很大程度上缩小了野外勘探面积，提高了野外勘探找矿的效率。

[1] 张志军,甘甫平,李贤庆,等.基于ASTER数据的蚀变矿物信息提取[J].国土资源遥感,2012(2)：85-91.

[2] 吕超,吕游.遥感影像信息提取技术的研究与实现[J].黑龙江工程学院学报,2014(1):34-38.

[3] 彭光雄,王明艳,陈锋锐,等.基于独立分量分析的铝土矿蚀变信息遥感提取方法[J].中国有色金属学报,2012,22(3):895-902.

[4] 杨竹青,李勇,胡德文.独立成分分析方法综述[J].自动化学报,2002,28(5):762-772.

[5] 张玉君,杨建民,姚佛军.多光谱遥感技术预测矿产资源的潜能——以蒙古国欧玉陶勒盖铜金矿床为例[J].地学前缘,2008(5):63-70.

[6] 吕凤军,郝跃生,石静,等.ASTER遥感数据蚀变遥感异常提取研究[J].地球学报,2009,30(2):271-276.

[7] 李明明,周可法.基于独立成分法的遥感蚀变信息提取研究——以新疆包古图矿区为例[C].中国遥感应用协会2010年会暨区域遥感发展与产业高层论坛论文集,2010.

[8] 陈旺.豫西济源西部铝土矿成矿地质环境[J].地质与勘探,2007,43(1):26-31.

[9] 罗一英,高光明,于信芳,等.基于ETM+的几内亚铝土矿蚀变信息提取方法研究[J].遥感技术与应用,2013,28(2):300-337.

[10] 杨金中.多光谱遥感异常提取技术方法体系研究[J].国土资源遥感,2007,74(4):43-46.

[11] 靳娟,杨日红,李家存.ASTER数据蚀变矿物信息提取技术研究及其应用综述[J].国土资源科技管理,2013,30(4):62-69.

[责任编辑：郝丽英]

Bauxite alteration information extraction based on two methods

CHEN Xu-hui，HU Dan-juan,YUAN Li-nan

(College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

By combining two methods to extract mineral alteration information, they can effectively reduce the false anomaly information, and improve the accuracy and efficiency of information extraction.Taking bauxite mining area of He’nan Province as the study area, this pape introduces the principle component analysis,independent component analysis method to extract the alteration information extraction of the study area respectively. Finally 16 bauxite data measured are used to analyze the result that by combining two different methods to extract common alteration information, they can greatly reduce the field drilling exploration area and the field exploration work,improve the efficiency of field exploration,which has important application value on guiding remote sensing technology.

multiple methods；bauxite；PCA；ICA；alteration information；work efficiency

2014-11-27

国家自然科学基金项目(41101397)

陈绪慧(1988-)，女，硕士研究生，研究方向：多光谱遥感在地质探矿领域的应用.

P237

A

1671-4679(2015)02-0022-05