WorldView-3 影像与ASTER 热红外影像在内蒙古卫境地区铀矿勘查中的应用

张元涛，余长发，潘蔚，田青林

（核工业北京地质研究院，遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

随着科学技术的快速发展，可获取的遥感影像越来越丰富，不同平台、不同传感器获取的不同空间分辨率及不同光谱分辨的数据井喷式出现，如国外的Landsat 系列卫星、ASTER、WorldView-3 以及国内的高分系列卫星影像等。借助这些遥感影像数据，研究者可以从宏观层面对地质构造、岩性以及矿物等进行识别［1-5］，确定成矿有利地段，在一定程度上减少后期地质探勘工作的工作量。如叶发旺等利用中等分辨率ETM 和高分辨率QuickBird 影像对新疆库鲁克塔格地区开展了蚀变信息提取及构造解译等应用研究，圈出了两处铀成矿有利区；刘德长等利用航空高光谱影像在对柳园-方山口地区进行蚀变矿物精细填图及断裂构造解译的基础上，建立航空高光谱遥感找矿模型，发现了7 处多金属矿的找矿新靶区。国外研究人员利用多尺度多源影像，包括航天、航空以及无人机多个平台数据，结合地形地貌信息进行蚀变提取，并自动提取了线性构造，最后综合分析了稀土元素成矿的有利区［6］。这些研究及实践成果为遥感地质工作提供了新的思路，具有重要的参考价值。

内蒙古卫境地区，岩体广布，前人在查干哈达及推饶木查干敖包发现多处铀矿化异常、铀矿点，具有一定的铀成矿潜力［4，7］。然而该区利用遥感技术进行的铀矿勘查却鲜有报道，本文利用WV-3 影像数据对该区进行大比例尺蚀变信息提取，利用ASTER 热红外数据进行SiO2反演，最后通过多种蚀变信息的综合分析，圈定有利铀成矿区。

1 研究区地质背景

研究区地处中蒙边境，二连浩特西南约50 km 处，大地构造位置处于二连浩特-锡林浩特褶皱带西南段，巴音宝力格隆起西段。出露地层主要有青白口系艾勒格庙群、二叠系大石寨组、新近系和第四系。艾勒格庙群主要为一套变质岩，岩性有大理岩、片岩、板岩及结晶灰岩等，主要分布在研究区中部；大石寨组，包括二、三和四岩组，岩性主要有千枚岩、凝灰岩、流纹岩、板岩、大理岩及晶屑凝灰岩等，在研究区东南部展布广；新近系主要出露于研究区西北部，为泥岩和砂砾岩；第四系砂、淤泥及红土等主要分布于研究区的西北角和东侧。区内侵入岩分布广泛，主要为华力西期和燕山期岩体。华力西期岩体主要分布在东北部，为片麻状黑云二长花岗岩；燕山期岩体主要出露于研究区中部和西南部，包括中粗粒二长花岗岩、灰白色中粗粒黑云母花岗岩、肉红色细粒花岗岩及片麻状黑云母花岗岩等。研究区内岩脉发育，多见于东北部华力西期岩体内，包括石英脉、硅质脉、花岗细晶岩脉、霏细斑岩脉、花岗闪长岩脉、安山玢岩脉、闪长岩脉等。研究区内构造发育，大致有北东、近东西、北西和近南北向4组（图1）。铀成矿有利区主要分布在查干哈达及推饶木查干敖包地区，前人在该区发现大量花岗岩型铀矿化点及放射性异常点［4，7］，主要表现为碱交代型、接触交代型、构造破碎带型和石英脉型［7］。

图1 研究区地质简图（据核工业二〇八大队，2015）Fig.1 Sketch geological map of research area （modified after No.208 Geologic Party，CNNC，2015）

2 数据源与数据处理

2.1 WV-3 影像特点及预处理

2014 年8 月13 日，数字地球公司发射了WorldView-3 卫星，从而使其影像数据成为目前市场上多光谱商业遥感卫星中空间分辨率最高的数据［8］，同时也具有较高的光谱分辨率。该影像包含了1 个空间分辨率为0.31 的全色波段，8 个空间分辨率为1.24 m 的可见光-近红外波段以及8 个空间分辨率为3.7 m 的短波红外波段。但由于受美国国家海洋和大气管理局的许可限制，商业用户能使用的数据的短波红外波段空间分辨率为7.5 m［8］（表1）。

表1 WV-3 影像主要特征 （据Digital Globe）Table 1 The main specifications of WV-3 image（source:Digital Globe）

研究所用的WV-3 影像的成像时间为2017 年6 月12 日，影像清晰，植被稀少，无云雪干扰，成像质量较好。数据级别为L2A，该类型数据已进行过系统的辐射校正和几何校正，并且已基于WGS-84 基准被投影到了UTM 49 度带。为提取相对较弱的蚀变异常信息，需进一步进行辐射定标和大气校正处理。

辐射定标是将传感器记录的电压或数字量化值转换成绝对辐射亮度值的过程［9］。转换公式如下：

式中： L 为辐射亮度（W·m-2·sr-1·μm-1），代表大气顶层波谱辐射；gain 和offset 是绝对辐射校准调整因子，用于更精确的传感器辐射值校正；DN 为像元值；absCalFactor 为传感器本身的绝对校正因子（W·m-2·Sr-1），可在图像元数据文件（IMD）中找到；Δλ 为传感器本身的有效波段宽度 （μm），可在图像元数据文件（IMD）中找到［10］。ENVI 5.3 能直接读取WV-3影像数据，自动获取增益和偏置，结合Radiometric Calibration 模块便可进行定标处理。

大气中的气体分子和气溶胶等对电磁波有吸收、散射作用，从而影响进入传感器中的电磁辐射能量。大气校正的目的就是消除大气和光照等因素对地物反射率的影响。ENVI 软件中包含了多种大气校正模型，本文采用FLAASH 大气校正工具（表2）。

研究区由两幅影像构成，利用ENVI 中的无缝镶嵌技术将两部影像数据拼接成单一影像文件，以利于进行下一步的蚀变提取工作。

2.2 ASTER 热红外影像特点及预处理

ASTER 所获影像数据由可见光—近红外、短波红外和热红外3 个独立的子系统组成。其中热红外子系统包含5 个空间分辨率为90 m 的热红外波段8.12～11.65 μm［11-12］。ASTER 热红外数据常用于硅化蚀变提取及地温反演［11，13］。

表2 FLAASH 大气校正主要参数设置Table 2 Main parameters of FLAASH model

研究区所用ASTER 影像为一景L1T 数据，无云雪覆盖，成像质量好。影像成像时间为2002 年7 月5 日11 点36 分。L1T 数据已经过辐射校正、几何纠正和地形校正，因此只需要对ASTER 热红外数据进行辐射定标、大气校正以及发射率反演［14］。辐射定标采用如下线性公式进行［11］：

式中： Radiance 为星上光谱辐射亮度（W·m-2·sr-1·μm-1）；Gain 为传感器本身的增益（W·m-2·sr-1·μm-1）；Offset 为传感器本身的偏置 （W·m-2·sr-1·μm-1）；DN 为像元值。

热红外传感器收到的信号包括两部分，一部分是被测物体自身发射的热辐射，另一部分是周围环境的辐射，两部分混在一起称为表观温度［11］。基于该表观温度所反演的地表温度和发射率存在一定误差，因此，利用ENVI 软件中的Thermal Atmospheric Correction模块进行大气校正处理，以消除大气环境的辐射贡献。Thermal Atmospheric Correction 模块的校正算法与In-Scene 大气补偿算法（ISAC） 类似。该算法假定数据源上方的大气均一且将表面近似为黑体。

利用ENVI 中的Emissivity Normalization模块对ASTER 热红外波段进行了发射率与温度分离［11-12］，得到了ASTER 的10～14 波段发射率影像图。模块中假定发射率值为0.96。

3 遥感蚀变信息提取

有用元素在逐步富集成矿的过程中，成矿热液不断发生运移与卸载沉淀，在近矿围岩中留下印记，产生蚀变现象，且其分布范围较矿体范围大［15］。利用遥感技术对范围相对较大的蚀变矿物填图，能快速圈定有利成矿区域。本次研究利用WV-3 影像数据提取铁氧化物蚀变和黏土类蚀变，利用ASTER 热红外影像数据提取硅化类蚀变。

3.1 蚀变矿物波谱特征

蚀变矿物的光谱特征取决于其所含离子、基团的晶体场效应和基团振动。根据离子和离子团的差异，主要有Al-OH、Mg-OH、Fe-OH、、铁染及硅化蚀变等［8，16］。Al-OH类蚀变主要包括白云母、高岭石、明矾石和伊利石等矿物，其光谱曲线在2.17～2.21 μm处出现吸收峰（图2 a）；Mg-OH 类蚀变主要包含绿泥石、绿帘石及蛇纹石等矿物，光谱曲线吸收峰出现在2.30～2.4 μm 范围内（图2 b）；Fe-OH 类蚀变矿物的光谱曲线在0.92 μm 附近及2.21～2.30 μm 处存在吸收特征，主要有绿泥石和黄钾铁矾等矿物 （图2 c）；（碳酸盐） 类蚀变矿物的光谱曲线在1.85～2.20 μm 和2.30～2.35 μm 处存在吸收特征，主要包含方解石和白云石等矿物（图2 d）；Fe3＋类蚀变矿物的光谱曲线在0.49 μm、0.70 μm和0.87 μm 附近存在吸收特征，主要包括赤铁矿、褐铁矿及针铁矿等矿物等［8］（图2 e）。

硅化蚀变是热液型铀矿床的找矿标志。硅化带，主要成分为SiO2，主要包含石英、玉髓、蛋白石等矿物。其波谱曲线受Si-O 键振动的影响，特征吸收谱带存在于热红外波段［11，17］。研究表明石英在8.2 μm 和9.2 μm 处存在发射谷，在8.63 μm 处存在一个较小发射峰［13］（图2 f）。

3.2 WV-3 数据蚀变信息提取

WV-3 丰富的波谱信息及较高的空间分辨率使其成为蚀变 信息提取的热点［8，10，13，16］。Yaqin sun 等基于WV-3 可见光—近红外和短波红外数据，通过分析一些典型羟基、铁染和碳酸盐类矿物的光谱特征，构建了Al-OH蚀变矿物、Mg-OH 蚀变矿物、Fe-OH 蚀变矿物、铁染蚀变矿物及碳酸盐蚀变矿物的主成分分析提取模型，成功提取了新疆坡北地区的蚀变信息；Touba Salehi 等在分析铁氧化或氢氧化物矿物波谱特征的基础上，利用WV-3可见光—近红外影像，采用波段比及匹配滤波方法，成功提取了Zefreh 斑岩铜矿区的铁染蚀变信息；田青林等在对龙首山铀成矿带东段进行多源影像蚀变信息提取对比的过程中，利用主成分分析法，结合WV-3 影像精确地获取了Fe3＋、Al-OH、Mg-OH 以及蚀变矿物的空间分布信息；Enton Bedini［13］利用基于光谱沙漏方法的参考光谱选取及基于ACE（Adaptive Coherence Estimator）的局部解混算法，成功提取了明矾石、高岭石、伊利石及针铁矿的空间分布。

图2 典型矿物波谱特征（据USGS 波谱库）及石英发射率波谱曲线（据JHU 波谱库）Fig.2 Spectrum of typical minerals（after USGS spectral library） and quartz（after JHU spectral library）

研究中参考Yaqin S 等构建的主成分分析提取模型，提取Al-OH、Mg-OH、Fe-OH 及碳酸盐的蚀变信息。即利用WV-3 的VNIR-1，VNIR-7，SWIR-3 和SWIR-6 波段通过主成分变换提取Al-OH 蚀变信息。在主成分变换特征向量矩阵中，异常主分量的特点是VNIR-7 和SWIR-6 波段的贡献系数符号与SWIR-3 的贡献系数符号相反；VNIR-1，VNIR-7，SWIR-3 和SWIR-8波段用作Mg-OH 蚀变信息提取，异常主分量的特点是VNIR-1 与VNIR-7 波段的贡献系数符号相反，且SWIR-3 与SWIR-8 波段的贡献系数符号也相反；VNIR-1，SWIR-1，SWIR-3 和SWIR-7 波段用作Fe-OH 蚀变信息提取，异常主分量的特点是SWIR-3 波段与其余波段有相反的贡献系数符号；VNIR-1，VNIR-7，SWIR-3 和SWIR-5 波段用作碳酸盐蚀变信息提取，异常主分量的特点是SWIR-3 波段应与VNIR-1 波段、SWIR-5 波段具有相反的贡献系数符号。而依据Fe3＋类矿物光谱特征（图2 e），本文选取WV-3 影像的VNIR-2、VNIR-6 和VNIR-7 3 个波段进行特征向量主成分分析。异常主分量的特点是： 在特征向量矩阵中，VNIR-2 和VNIR-7 的贡献系数符号相同且与VNIR-6 的贡献系数符号相反。

最后对所有异常主分量进行中值滤波处理，并以该滤波图像的“均值＋2 倍标准差”为阈值进行阈值分割，获取蚀变异常信息。

3.3 硅化蚀变信息提取

硅化蚀变矿物的主要成分为SiO2，蚀变程度越强，岩石中SiO2含量越高，所以SiO2含量可以用来辅助对硅化信息的提取［18］。为此，陈江等将ASU 波谱库矿物波谱重采样至ASTER 热红外波段，对矿物的波谱进行波段比值处理，选择波段比值与SiO2含量最大相关系数，进行对数模拟，确定发射率光谱与化学成分的数值关系［18］。其定量反演公式如下：

式中： SiO2为反演的SiO2含量，B13、B14、B10 和B12 为ASTER 对应各热红外波段的发射率。刘道飞等利用ASTER 热红外数据，先通过B13/B12 初步提取硅化信息，然后结合上述反演公式提取SiO2信息，修正提取结果［12］；王俊虎等也利用以上反演公式，成功提取了硅化信息，并在华南某花岗岩铀矿中取得了好的应用效果［11］。

本次研究利用预处理后的ASTER 热红外波段数据，依据式（1）间接提取硅化信息。

4 结果与讨论

利用主成分分析方法及WV-3 影像成功提取了研究区5 类蚀变信息，结果显示Al-OH 矿物分布不均，主要呈团块状分布在查干哈达、研究区东北部及东部，在研究区东部见明显呈北西向展布的蚀变异常条带，其他区域也可见小规模的线状、团块状分布（图3 a）；Mg-OH 矿物的空间分布与Al-OH矿物的分布特征大体相似，同集中在以上地区，但以查干哈达分布更广（图3 b）；Fe-OH矿物的空间分布与Al-OH 矿物基本一致，主要集中在查干哈达及研究区东部（图3 c）；碳酸盐矿物在研究区主要呈斑状、团块状和条带状分布，以研究区东侧呈北西向展布的条带状蚀变异常最为明显（图3 d）；Fe3＋类蚀变矿物主要在研究区西北部的查干哈达地区呈两片出露，在研究区东部也见少量呈小规模散斑状的蚀变（图3 e）。

提取的SiO2信息见图3 f，图中像元颜色越红反映SiO2含量越高，最高为53.4%，颜色越蓝含量越低，最低为49.9%，在一定程度上反映了硅化蚀变的强弱。研究区硅化蚀变分布不均，北侧、北西侧硅化蚀变较强，南东侧硅化蚀变弱。在南东侧，局部也存在强硅化区。同时也注意到，提取的硅化蚀变信息在一定程度上受原始影像北西西向条带影响。

将研究区已发现的放射性异常点及铀矿化点等成矿信息与以上提取的蚀变信息进行叠加。结果显示，在查干哈达地区放射性异常出露处，Fe3＋、Al-OH、Mg-OH、Fe-OH 及碳酸盐类蚀变均有出露，并在附近存在一定的硅化蚀变，说明该处花岗岩型铀矿化与上述多类蚀变矿物关系密切。在推饶木查干敖包地区，铀矿化异常分布与燕山期花岗岩体及青白口系艾勒格庙群变质岩时空关系密切，中粗粒黑云母花岗岩内部和接触带附近均见到了较好的工业铀矿化［7］。从遥感蚀变信息提取结果来看，除有大片硅化蚀变显示外，其余蚀变异常信息在该处未见明显出露。但在大尺度影像上，可见开挖探槽处均有部分蚀变信息揭露（图4 a）。野外查证发现探槽揭露处存在一受构造控制呈近东西向展布的蚀变带，图中浅蓝色虚线为受构造控制的蚀变带，带内发育强烈的硅化、赤铁矿化、褐铁矿化及高岭土化等，强烈的硅化蚀变致使岩石不易风化，呈小凸起状（图4 b）。综上分析，基于以上遥感数据提取的6 类蚀变信息与铀成矿关系密切，可作为该区的铀矿找矿标志。

图3 蚀变信息提取结果及其与放射性异常关系Fig.3 Extraction results of alteration information and the relationship with radioactivity anomaly

图4 蚀变提取结果及对应的野外照片Fig.4 Extraction results of alteration information and the corresponding field photo

依据以上铀矿化与蚀变异常的关系，通过分析各类蚀变空间分布特点，发现研究区东部除铁染蚀变矿物分布较少外，Al-OH、Mg-OH、Fe-OH 和碳酸盐类蚀变矿物大量聚集。进一步分析东部蚀变区各类蚀变异常信息空间展布形态，见一呈“Y”字型区域，该区域内Al-OH、Mg-OH、Fe-OH 和碳酸盐类蚀变的展布具有一致性，空间形态对应较好。在硅化蚀变图上，研究区东部整体硅化蚀变较弱，但该“Y”字型区域处，硅化蚀变强度高，呈北西向展布且与影像条带形成一定角度，反映该处硅化蚀变异常很可能是由地表真实硅化蚀变引起。此外，前人在该区发现了一处放射性异常。综上分析认为该“Y”字型区域及其附近具有一定铀成矿潜力。为此，重点对“Y”字型区域进行野外查证。发现沿北西向蚀变条带出露3 处放射性异常点及其附近一处异常点（图5 a）。其中以WJ17-184号点最为典型。

图5 放射性异常点空间分布（a）及野外照片（b）Fig.5 Spatial distribution of radioactive anomaly （a） and the filed photos（b）

WJ17-184 号点位于该北西向构造带内，疑似为硅化构造破碎蚀变带，硅化十分强烈，发育赤铁矿化、褐铁矿化、黏土化，局部见断层擦痕。构造破碎宽约1～1.5 m，总体呈北西向延伸约65 m，初步测量U 含量可达200×10-6（图5）。

上述研究表明，分别利用ASTER 热红外数据及WV-3 数据提取硅化蚀变和其余与成矿关系密切的蚀变，并对各类蚀变的分布特点、展布形态以及基础地质资料进行综合分析，筛选多类蚀变综合聚集区为铀成矿靶区，可促进该区铀矿勘查工作。同时，研究区东北部、西南部等区域也存在部分蚀变叠加分布区，其蚀变相较于前述“Y”字型区域，在空间几何形态上特点不明显，蚀变种类较少或不全，但不可否定这些区域也存在铀或其他金属、非金属矿产的成矿潜力，也需引起重视。

值得注意的是，推饶木查干敖包地区存在大量放射性异常，但WV-3 影像未能识别出明显蚀变信息。可能的原因是该区放射性异常主要受构造控制，蚀变作用沿构造裂隙向两侧围岩延伸范围有限，致使蚀变范围较小。但也可看到WV-3 较高的空间分辨率能将探槽开挖处堆积在一起的蚀变矿物进行识别。此外由于ASTER 热红外波段空间分辨率较低，只能粗略反映大规模的硅化蚀变，而对较小规模的硅化蚀变无法识别，因而不利于与小规模硅化蚀变相关的放射性异常的圈定”。针对上述问题，可考虑基于无人机遥感平台获取的高空间分辨率影像数据提取蚀变信息，也可利用高分辨率DEM 影像对硅化作用导致的岩石凸起加以识别。采用这些方法，有助于圈定推饶木查干敖包地区的铀成矿靶区。

5 结论

本次研究利用WV-3 和ASTER 热红外影像获取了卫境地区Fe3＋、Al-OH、Mg-OH、Fe-OH、类及硅化蚀变。提取结果显示Al-OH、Mg-OH、Fe-OH 及类矿物的空间分布特征大体相似，主要在研究区西北部、东北部及东部出露，而东部“Y”字型区域各类蚀变空间展布形态的吻合度较高。Fe3＋类蚀变矿物主要分布在研究区西北部，东部也见少量出露。研究区硅化蚀变分布不均，北侧、西北侧硅化蚀变较强，东南侧硅化蚀变整体较弱，但在东侧“Y”字型区域存在较强的北西向硅化蚀变异常。基于上述提取结果分析了查干哈达和推木饶查干敖包两处铀成矿区与6 类蚀变的关系，根据分析结果，结合地质资料，通过观察研究区蚀变特点，在研究区东部“Y”字型多类蚀变叠合区圈定找矿远景区，经过野外查证，找矿效果较好，促进了该区铀矿地质勘查工作。