Landsat8数据与GF—1数据提取铁染蚀变信息的对比分析

王守志 邢立新 杨爱霞 张福坤

摘要 分别使用Landsat8数据与GF1数据提取研究区的蚀变信息，利用波段比值法对2种数据的提取结果进行对比分析。结果表明，虽然Landsat8数据与GF1数据都能够提取出铁染蚀变信息，然而对一些微弱的铁染蚀变信息，GF1数据却表现出更佳的提取效果。

关键词 Landsat8数据；GF1数据；波段比值法；铁染蚀变信息

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）09-284-04

Abstract We used Landsat8 data and GF1 data to extract alteration information in the study area， and then analyzed the extraction results of two kinds of data using the band ratio method. The result showed that， although Landsat8 data and GF1 data could extract alteration information， GF1 data showed better extraction effect for some weak iron stained alteration information.

Key words Landsat8 data； GF1 data； Band ratio method； Iron stained alteration information

围岩蚀变是指岩浆热液活动中围岩发生的一系列化学反应，它不仅能够反映矿体存在与否，而且能够指示矿体位置，因此是一种重要的找矿标志。由于蚀变围岩具有独特的电磁波辐射特征，因此可以通过遥感的方法识别蚀变围岩。目前，蚀变信息提取大多采用Landsat卫星系列数据。例如，何国金等[1]利用TM数据提取出了内蒙古撰山子地区的金矿化蚀变信息；马建文[2]利用TM多光谱数据提取出了含矿蚀变带；沈利霞等[3]利用TM数据提取出了内蒙古不同植被覆盖率地区的矿化蚀变信息。自Landsat8发射以来，OLI（陆地成像仪）传感器也加入了蚀变信息提取的行列。然而，Landsat系列卫星的空间分辨率最高为15 m，在一定程度上影响了蚀变信息提取的精度，尤其是异常蚀变信息的提取。GF1卫星为我国高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首颗卫星，其中的PMS相机设置有2 m全色、8 m多光谱波段，是分辨率较高的新型光学遥感器。笔者利用波段比值法分别对Landsat8数据、GF1数据进行蚀变信息提取，然后对提取结果进行对比分析，为更好地提取蚀变信息提供参考。

1 研究区域与数据源

1.1 研究区概况 研究区域（图1）位于新疆天山山脉中部腹地，行政区划属和静县管辖。研究区地处高寒山区，海拔较高，夏季短暂且多雨，冬季漫长且多雪。

研究区域地层出露比较齐全，地壳运动及火成活动都较强烈，成矿地质条件优越，矿产资源十分丰富，是新疆重要的铁矿、铜矿带。区域上出露的地层有古生界志留系上统、泥盆系中统及上统、石炭系下统及上统、二叠系下统及上统，中生界三叠系下统及中上统、侏罗系下统及中下统、中统、上统，白垩系下统及上统，新生界古近系、新近系及第四系，且在志留系及泥盆系地层有火成岩体侵入[4]。

1.2 数据源 Landsat 8卫星由NASA（美国国家航空航天局）于2013年2月11日成功发射。其上携带有2个主要载荷：OLI（Operational Land Imager，陆地成像仪）和TIRS（Thermal Infrared Sensor，热红外传感器）。OLI传感器有9个光谱波段，与ETM+相比增加了2个波段，波段范围有所变化，其中尤以近红外和全色波段的波长范围变化最明显，空间分辨率为15 m（全色波段）和30 m（多光谱波段），成像幅宽为185 km；TIRS有2个热红外波段，空间分辨率为100 m[5]。

GF1衛星于2013年4月26日在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射，其上搭载了2台2 m分辨率全色/8 m分辨率多光谱相机，4台16 m分辨率多光谱相机[6]。它的特点是增加了高分辨率多光谱相机，该相机的性能在国内投入运行的对地观测卫星中最强。此外，GF1的宽幅多光谱相机幅宽达到了800 km。GF1在具有类似空间分辨率的同时，可以在更短的时间内对一个地区重复拍照，其重复周期只有4 d，而世界上同类卫星的重复周期大多超过10 d。可以说，GF1实现了高空间分辨率和高时间分辨率的完美结合。Landsat8与GF1的数据信息对比见表1。

2 Landsat8数据与GF1数据铁染蚀变信息提取对比

2.1 干扰信息去除 遥感异常提取工作要求高质量的遥感数据，对于干扰因素如云、雪、植被等，在遥感地质领域，这些信息是不利信息，需要在获取遥感影像的时候加以考虑，在选择遥感数据时，一般情况下，尽可能地选择在植被发育不好、冰雪覆盖较少、天空云量较少的季节，这样有利于最大程度获得地表裸露的岩石、土壤以及微弱的矿化蚀变信息[7]。因此，为了能更加有效、准确地提取目标地物信息，该研究选取了无云、冬季的影像，在蚀变信息提取之前只需要建立掩膜图像去除积雪即可。表2为Landsat8数据与GF1数据去除干扰信息前后的对比结果。从表2可以看出，干扰信息去除前后的效果还是比较明显的，说明干扰信息对异常信息的提取是有一定程度影响的。

2.2 铁染蚀变信息提取 在蚀变信息提取之前，首先对Landsat8数据、GF1数据各波段进行相关性分析，结果见表3、4。

从表3可以看出，Band2与Band3相关性较高，Band3与Band4相关性较高，Band6与Band7相关性较高，而Band5相对独立。从表4可以看出，Band1与Band2的相关性较高，Band2与Band3的相关性较高。

另外，根据含铁矿物的波谱特征（图2），Fe2+在1.1～2.4 μm波段的波谱随着矿物内部结构的差异而具有不同的波谱吸收特征。Fe3+的吸收波谱带分布在0.85～0.94 μm、0. 45 μm以及0.55 μm波段，其中0.85～0.94 μm為Fe3+的强吸收带。对于Landsat8数据，含铁离子矿物在Band2、Band3、Band5的反射率会降低，而在Band4的反射率会增高；对于GF1数据，含铁离子矿物在Band1、Band2、Band4的反射率会降低，而在Band3的反射率会增高。含铁离子的矿物主要有赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、黄钾铁矾、磁铁矿等，这些矿物的光谱特征主要由其所包含的铁离子价态和其中的含水性等因素决定的。

波段比值法可以消除地形影响，主要应用于具有强吸收和高反射波谱特性的地物信息的增强处理。因此，在遥感矿化蚀变信息提取中需要根据蚀变地物的光谱特征选择相应的波段进行比值法处理。在该研究中，Landsat8数据则采用Band4/Band2进行含铁蚀变的增强，GF1数据采用Band3/Band1进行含铁蚀变的增强。

2.2.1 Landsat8数据提取蚀变信息。针对研究区遥感影像波段分析，确定研究区以Band2、Band4为一组进行波段比值提取铁染异常信息，得出波段比值信息（表5）。为了加强蚀变异常点的连通性，消除孤立点的影像，将符合要求的主成分波段进行5×5中值滤波处理。当多光谱影像覆盖面积足够大时，其各波段及其线性处理结果统计规律服从正态分布[8-10]。而后，将滤波后的结果图按照“均值+n×标准差”的方法进行阈值分割，该研究统一按照均值分别加上3.0、2.5、2.0、1.5倍标准差为标准划分出一级、二级、三级程度的蚀变信息（表5）。

而后，将中值滤波后的异常信息分类图导入到ArcGIS中，得到图3。

2.2.2 GF1数据提取蚀变信息。针对研究区遥感影像波段分析，确定研究区以Band1、Band3为一组进行波段比值提取铁染异常信息，得出波段比值信息（表6）。为了加强蚀变异常点的连通性，消除孤立点的影像，该研究将符合要求的主成分波段进行5×5中值滤波处理。当多光谱影像覆盖面积足够大时，其各波段及其线性处理结果统计规律服从正态分布[8-10]。而后，将滤波后的结果图按照“均值+n×标准差”的方法进行阈值分割，该研究统一按照均值分别加上3.0、2.5、2.0、1.5倍标准差为标准划分出一级、二级、三级程度的蚀变信息（表6）。

而后，将中值滤波后的异常信息分类图导入到ArcGIS中，得到图4。

2.3 分析与验证 根据Landsat8数据和GF1数据的波段特性，将USGS波谱库中铁染蚀变矿物（赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、黄钾铁矾、磁铁矿反射率的平均）的波谱曲线进行重采样，使其分别与数据源的波谱区间及间隔一致，重新建立USGS波谱曲线。然后，分别将Landsat8和GF1影像数据提取的蚀变信息的波谱曲线与经过重采样的矿物光谱曲线进行相似性匹配，对比两者的匹配度。

为满足上述验证需要，首先根据原始数据计算地表反射率，得出其地表反射率曲线，然后，将提取的蚀变信息部分的波谱曲线与经过重采样的USGS波谱库中铁染蚀变矿物波谱曲线进行匹配，检验匹配度。由于GF1数据可以提取出更多的蚀变信息，尤其是

弱蚀变信息，为此该研究选取出了Landsat8数据提取不到的弱蚀变信息部分进行验证。结果表明，GF1数据提取的铁染异常信息和USGS波谱库中铁染蚀变矿物匹配达到了78.1%（图5）。

因此，虽然Landsat8数据和GF1数据都能够提取出蚀变信息，然而对一些微弱的铁染蚀变信息，GF1数据却表现出更佳的提取效果。

3 结论

该研究运用波段比值法，分别根据Landsat8数据和GF1数据对研究区域的铁染异常信息进行提取，对提取结果进行对比分析后发现，GF1数据能够提取出更多的异常信息，尤

其是Landsat8数据提取不到的弱蚀变信息其效果尤佳。然而，一方面，该研究对铁染蚀变信息的提取是基于原始影像的提取，未对影像进行几何校正、大气校正等预处理，可能会影响到比较的结果；另一方面，GF1数据的多光谱波段只有4个波段，且多为可见光波段，未能充分利用其他波段的信息，而Landsat8数据波段范围从可见光波段一直到短波红外波段。

所以，后续将考虑从以下两方面进行改进：①对参与提取的影像进行几何校正、大气校正等预处理，降低二者几何匹配及大气信息对提取结果的干扰；②将Landsat8数据与GF1数据相融合，使用融合后的数据提取更精确的铁染蚀变信息，综合二者的优势，获取精度更高的铁染蚀变信息。

参考文献

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