ZY1-02D高光谱数据在地质矿产调查中的应用与分析

李根军，杨雪松，张兴，李晓民，李得林，杜程

(1.青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，西宁 810012；2.青海省地质调查院，西宁 810012)

0 引言

资源一号02D(ZY1-02D)卫星于2019年9月12日成功发射，是我国自主建造并成功运行的首颗民用高光谱业务卫星。该卫星运行于太阳同步轨道，回归周期为55 d，设计寿命为8 a。卫星配置可见-近红外相机和高光谱相机，重点针对短波红外谱段进行了谱段细分，光谱遥感特性突出，可实现地物的精细化光谱信息调查，满足新时期自然资源监测与调查需求。

随着高分五号(GF-5)卫星数据的使用，基于高光谱数据的矿物识别技术得到了广泛的应用，但由于GF-5卫星接收数据能力有限，目前还满足不了地质矿产调查工作的需要。ZY1-02D卫星的发射，与GF-5卫星交叉组网，极大地提升了高光谱数据的接收能力，为星载高光谱数据在地质矿产领域的业务化应用提供了数据保障[1-2]。

为了测试ZY1-02D高光谱载荷数据在地质矿产调查中的应用能力[3]，本文以青海省茫崖市冷湖镇东地区为研究区，在数据质量分析的基础上开展岩性及矿物信息识别，并对其进行应用分析，为该数据在地质矿产领域的业务化应用提供依据。

1 研究区概况

研究区位于青海、甘肃两省交界处的阿尔金山东段及冷湖地区，属南祁连山南缘及柴达木盆地北缘，行政区划属青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦镇和冷湖镇管辖。研究区中心坐标为：E93°52′50″，N38°42′05″。区内山势陡峻，山脉横亘呈NW走向，切割强烈，峰峦叠嶂，沟谷发育，地势险峻，属强烈剥蚀的构造高山区。地势西北高，东南低。区内西南部为高原低山丘陵地带，属柴达木盆地的一部分，多为戈壁及沙漠，地形较复杂。

1.现代湖泊；2.全新世沼泽堆积；3.晚更新世冲洪积；4.晚更新世洪积；5.油砂山组；6.干柴沟组上段；7.干柴沟组下段；8.怀头他拉组；9.滩间山群碎屑岩组；10.滩间山群火山岩组；11.达肯达坂岩群片麻岩组；12.达肯达坂岩群碎屑岩组；13.大理岩；14.二叠纪似斑状二长花岗岩；15.二叠纪正长花岗岩；16.二叠纪闪长岩；17.泥盆纪闪长岩；18.泥盆纪花岗闪长岩；19.泥盆纪中泥盆世二长花岗岩；20.泥盆纪花岗斑岩；21.泥盆纪晚泥盆世二长花岗岩；22.志留纪辉长岩；23.奥陶纪花岗闪长岩；24.花岗岩脉；25.闪长岩脉；26.石英脉；27.地质界线；28.断裂构造

2 研究方法

2.1 遥感数据及预处理

2.1.1 高光谱数据

本次研究选取的数据为ZY1-02D卫星高光谱相机载荷数据，并选取GF-5高光谱数据进行对比分析，其数据参数见表1。本文选取的L1A级ZY1-02D星AHSI数据，时相为2020年3月4日，数据质量好，无积雪、云等干扰因素(图2)，能够满足本次研究工作的需要。

表1 ZY1-02D与GF-5数据参数Tab.1 Data parameter of ZY1-02D与GF-5

图2 研究区ZY1-02D星AHSI数据B29(R)，B19(G)，B10(B)合成图像Fig.2 The synthetic images of ZY1-02D star Ahsi Data B29(R),B19(G),B10(B)in the study area

2.1.2 数据预处理

遥感图像数据的预处理目的是降低或遥感图像因辐射度失真、大气消光和几何畸变等造成的图像质量的衰减[5-7]。本次工作数据预处理流程为：辐射定标—波段合成—去除条纹—辐射校正—大气校正—几何纠正。

ZY1-02D高光谱短波红外波段(SWIR)数据中条纹现象明显，故采用“全局去条纹”的方法进行条纹修复，从图3中可见条纹去除的效果较好。

(a)原始图像 (b)条纹修复后图像

大气校正在高光谱数据预处理中占有重要作用。大气中含有的气溶胶、水汽、光照角度、强度的不同，都会影响传感器接收记录地物的反射波谱；大气校正能够在很大程度上纠正由这些因素引起的误差，获取到地物真实反射率等。本次工作采用了遥感图像处理软件ENVI中的FLAASH模块进行大气校正处理。

为了验证大气校正效果，本文选取冷湖镇东研究区的大理岩地层，提取ZY1-02D数据和JHU波谱库中大理岩光谱曲线进行对比分析。结果显示该数据高光谱反射率光谱曲线与JHU波谱库曲线形态特征基本一致，且特征吸收位置(2.33 μm附近)一致(图4(a))；并且用ZY1-02D数据和GF-5高光谱数据的光谱曲线进行对比，显示该数据高光谱反射率光谱曲线与GF-5光谱曲线形态特征基本一致(图4(b))，在大理岩特征谱带范围内谱形吻合度高。表明ZY1-02D高光谱数据能够满足岩矿信息识别的要求。

(a)ZY1-02D与JHU波谱库 (b)ZY1-02D数据与GF-5数据

2.2 矿物识别与提取技术方法

本次研究采用以重建光谱与标准光谱相似性度量为基础的光谱匹配方法开展研究区矿物信息提取，主要包括端元光谱选取、矿物识别与提取两部分。

2.2.1 端元光谱选取

采用像元纯度指数(pixel purity index,PPI)法选取端元光谱，主要包括最小噪声分离(minimum noise fraction,MNF)变换、PPI计算、N维可视化与端元选取3个部分(图5)。其中MNF变换是将数据中的信息与噪声分离，起到降维与去噪的目的，提高了后续处理计算的效率；PPI计算是将像元光谱矢量反复投影到不同随机方向的“轴”上，统计各像元投影到各个轴两端或接近两端的次数；PPI仅是选出纯像元指数较大的备选像元子集，须将计算结果输入N维可视化工具中，通过向不同方向的低维空间投影，在低维散点云图中进行端元的选取。

图5 端元波谱识别技术流程Fig.5 Technical flow of endmember spectrum identification

2.2.2 矿物识别与提取

本文选用光谱角和混合调制匹配滤波法进行岩矿信息提取。其中混合调制匹配滤波算法计算的结果是两组图像，即匹配滤波得分图像与非合理性图像。非合理性越小，匹配滤波得分越大，像元光谱与端元光谱匹配就越好。

3 结果分析

3.1 矿物信息识别及分析

在数据预处理的基础上运用MNF变换对反射率数据进行波谱降维，然后利用PPI分析进行空间降维并用N维可视化方法进行端元识别，基于图像获取了褐铁矿、白云石、绿泥石、方解石及黄铁矿等矿物的波谱信息，运用光谱角法和混合调制匹配滤波法分别提取矿物信息[8-11]。结果显示，绿泥石信息主要分布在不同岩性层的接触带及北西向断裂构造附近；褐铁矿和黄铁矿信息集中分布在该区南部的北西向断裂构造附近；方解石信息集中分布在碳酸盐岩地层中(图6)。

本文采用同一种技术方法对ZY1-02D和GF-5数据进行矿物信息提取(图7)，分析ZY1-02D数据识别矿物信息的正确性。对两种数据提取的方解石矿物信息进行对比，结果显示方解石矿物信息均分布在研究区东北部的大理岩地层之中，其中4处集中分布的地段，方解石的分布位置及形态均一致，并且矿物信息的集中强度均具有较好的一致性，表明ZY1-02D数据提取矿物信息是可行的。

(a)ZY1-02D数据提取方解石信息 (b)GF-5数据提取方解石信息

3.2 地质矿产调查应用分析

3.2.1 岩性信息可识别性

依据实测的岩石矿物波谱，利用ZY1-02D高光谱数据丰富的光谱信息可识别不同的岩石类型。首先对实测的岩石波谱数据进行不同的光谱增强处理，分别进行归一化、包络线去除、一阶微分变化等光谱增强处理，达到突出岩石特征波段信息，增加岩石光谱之间距离的目的；然后在确定端元波谱的基础上，采用光谱匹配的方法有效地提取了该区的大理岩、二长花岗岩岩性信息[12]。大理岩岩石的光谱特征明显，依据实测的大理岩光谱数据(图8(a))，采用光谱匹配技术能够准确地提取，结合地质图显示，大理岩信息与测试区分布的大理岩地层完全吻合(图8(b))。经实测调查，本次工作提取的测试区西部大理岩信息，为早石炭世怀头他拉组地层，岩性为大理岩。该套岩性层走向为NNW，倾向57°，地层近于直立(图8(c)和(d))。受到风化剥蚀作用的影响，地层较为破碎，形成孤立的山体。结合该区地质图，本次工作提取的二长花岗岩信息集中分布在中二叠世浅肉红色中粗粒似斑状二长花岗岩和浅肉红色中粒二长花岗岩岩体中，且吻合度高(图9)，反映出ZY1-02D高光谱数据提取中酸性侵入岩具有较好的应用效果。

(a)ZY1-02D数据与实测大理岩光谱特征对比(b)大理岩信息

图9 研究区南部二长花岗岩信息Fig.9 The Adamellite in the south of the study area

3.2.2 矿物信息可识别性

本文选取造岩矿物和蚀变矿物开展ZY1-02D数据的矿物信息识别能力评价。

(a)方解石矿物信息 (b)白云石矿物信息 (c)大理岩地层影像

2)蚀变矿物信息。研究区内产出的矿床主要为金矿和铁矿，其中金矿为构造蚀变岩型，铁矿为矽卡岩型，其矿化蚀变类型主要有褐铁矿化、黄铁矿化、绿泥石化、绢云母化等。本文选取褐铁矿化、黄铁矿化、绿泥石化3种蚀变类型进行蚀变矿物信息提取[13-16]。从提取结果(图11)来看，绿泥石信息主要沿F1，F2，F3(断裂北段)，F4，F5断裂及晚奥陶世辉长岩体和达肯大坂岩群片麻岩岩组地层的接触带附近分布；褐铁矿和黄铁矿信息集中分布在F2断裂北侧的滩间山群下碎屑岩组地层之中，部分地段顺层展布。综上所述，采用ZY1-02D高光谱数据提取的蚀变矿物信息具有较高的准确性，对地质矿产勘查工作能够提到一定的指导作用。

4 结论

本文利用ZY1-02D高光谱载荷数据和GF-5数据以及标准波谱库在光谱特征和矿物信息识别方面对ZY1-02D数据进行了对比分析，并在此基础上开展了研究区地质矿产调查应用分析。研究认为，ZY1-02D高光谱载荷数据在基岩裸露-半裸露区能够满足地质矿产调查应用需求。结论如下：

1)经过辐射定标、去除条纹处理、大气校正及几何纠正等数据预处理，获得的影像，其地物光谱特征谱形清晰可辨，特征光谱吸收位置准确，与实测光谱曲线吻合度高，表明ZY1-02D卫星数据质量较好，噪声干扰较少，能够较好地应用到自然资源调查之中。

2)针对冷湖镇东测试区的不同岩性进行提取试验，结果显示大理岩和二长花岗岩信息与实地地质体分布情况一致，提取效果较好。表明ZY1-02D卫星数据在矿源层信息提取方面，具有较大的潜力。

3)通过矿物信息提取试验，碳酸盐岩的造岩矿物识别效果好，方解石和白云石矿物信息均能精确地提取；褐铁矿、绿泥石及黄铁矿等蚀变矿物的提取效果较好，整体上能反映出测试区矿化蚀变的分布特征。表明ZY1-02D卫星数据能够较为准确地提取矿物信息，有效地指导地质矿产调查工作。