基于ETM+数据的某矿区遥感异常信息提取

谢 周

（成都理工大学地球科学学院 四川 成都 610059）

0 引言

随着遥感技术的不断发展，地物识别和信息提取技术也不断完善，越来越多的地质从业者也认识到了遥感技术的运用对于地质研究区的宏观尺度的分析以及找矿预测具有非常重要的意义。国外遥感技术发展早于国内，1989年，Crosta等[1]依托TM数据采用主成分分析法成功提取了巴西某地区的矿化蚀变异常信息，研究中所运用的光谱波段组合提取遥感矿化蚀变信息的经典方法，为后来学者长期沿用并发展。国内遥感矿化蚀变信息提取技术的应用起步较晚，以主成分分析法、独立成分分析法和波段比值法为主要分析手段，并在此基础上加以优化和改良，逐步形成了比值—主成分分析法等交叉结合方法。1997年，马建文[2]提出了掩膜与主成分变换相结合提取弱蚀变信息的方法；1998年，杨武年[3]利用TM正射遥感影像直接进行地质解译和物化探等多元地学信息综合与复合处理，并顺利开展成矿预测研究；赵福岳等[4]系统地阐述遥感技术应用于地质领域的基础理论，在进行遥感蚀变异常提取时，研究者们普遍使用ETM+数据。

1 研究区概况

研究区位于大兴安岭西坡，得尔布干成矿带西南段，大地构造位置属西伯利亚板块与华北板块之间的中蒙古—额尔古纳微板块，经历了复杂增生、碰撞、拼合而构成了亚洲大陆和东北缘的一部分[5]。区内断裂构造发育，岩浆活动强烈，矿产丰富，是我国重要的多金属成矿区。从地质特征看，研究区内岩浆活动表现为频繁而剧烈的火山喷发和岩浆侵入，其中以燕山期侵入和喷发最为剧烈，区内岩浆岩为燕山期的花岗岩，与内生金属矿床成矿关系最密切[6]，而且矿体呈脉状多产于近南北向的构造破碎带中，矿化蚀变局限于断裂破碎带及邻近围岩，区内围岩蚀变较为普遍，成矿岩体主要为晶屑凝灰岩和蚀变凝灰岩[7]，因此断裂构造与围岩蚀变信息是研究区内重要的找矿标志[8]。

2 遥感数据源及数据预处理

2.1 遥感数据源

Landsat-7是美国的陆地卫星计划（Landsat）中的第七颗，于1999年4月15日发射升空。卫星携带增强型专题制图仪（enhanced thematic mapper，ETM+）传感器。ETM+数据因前景覆盖面积大、免费易获取、分辨率适中，是目前我国在矿产资源调查、预测与评价工作中使用最多的数据之一，数据特征见表1。

表1 Landsat-7 ETM+数据特征

由于研究区位于内蒙古东北部，易受冬季冰雪覆盖影响，因此为了减少冰雪对于地表遥感数据分析的干扰，选择使用夏季的ETM+影像。本次遥感解译工作选取了一景Landsat-7 ETM+数据，影像号为LE71250262002220SGS00，成像时间为2002年8月8日，数据是从地理空间数据云（Geospatial Data Cloud）网站免费下载，影像成像质量优，基本无云覆盖，无积雪覆盖。

2.2 数据预处理

ETM+数据需要利用ENVI(the Environment for Visualizing Images)软件对影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、干扰地物掩膜等处理，处理流程见图1。ENVI软件中的radiometric calibration工具可以对影像进行辐射定标，具体数值可以在原始数据的头文件中获取。大气校正基于ENVI软件，通过头文件内获取的各项参数，分别选取大气参数模型与气溶胶模型后，利用FLAASH模块开展大气校正和地表反射率的工作，最终生成了反射率图像，从而获取研究区遥感数据的基础影像。

图1 ETM+数据异常信息提取流程图

3 遥感数据提取方法

3.1 构造信息提取方法

构造信息提取是利用目视解译结合计算机自动化识别的办法。目视解译利用图像的影像特征和空间特征，与多种地质资料组合，运用相关规律，进行基于经验化的综合分析和逻辑推理。计算机自动化识别则是应用一系列图像处理方法进行影像的增强，提高影像的视觉效果后结合目视解译，从而提高构造信息提取的准确性。

3.2 蚀变信息提取方法

利用PCA主成分分析方法开展矿化蚀变信息提取。该方法本质上是基于变量之间相互关系的多维正交线性变换，不仅可以降低空间变量的维数，同时也可以消除变量的冗余信息。基于经典的Crosta方法，利用蚀变矿物的诊断特征对应的多光谱波段数据进行主成分分析变换后，经过直方图线性、直方图均衡化等增强处理，采用主分量分析门限法，利用正态分布数据的平均值与标准偏差计算阈值，分割异常值和背景值，从而提取遥感蚀变信息进行蚀变矿物填图。

4 构造与蚀变信息提取

4.1 线环构造信息提取

利用Landsat-7影像波段321真彩色合成，发现研究区内线性影像特征显著，如图2（a）。构造信息提取主要在ENVI和ARCGIS软件中进行，利用具有丰富线形体信息的ETM+波段5，通过卷积滤波方法进行图像增强，再结合目视解译，提取了区域线环构造，如图2（b）所示。

图2 研究区构造解译图

从大地构造位置来看，研究区位于得尔布干断裂西南段，兴安地槽褶皱系额尔古纳兴凯地槽褶皱带内，属中生代大兴安岭—燕山火山岩带中部。构造具有多期性、多方向性等特点。区内断裂构造较为发育，以NE向、NW向和近N向断裂最为发育，燕山期岩浆活动强烈，遥感影像特征表现为线、环构造交汇，形成明显的网格状构造格局，且多集中在研究区西侧。区内小型环形构造有6个，主要是古火山机构与穹窿构造，侵入体沿断裂不同程度地侵入到环形构造中。区内岩浆活动频繁且剧烈，使得区域构造格局遭受强烈扭压，并形成了大量破碎剪切带。研究区东部NE向扭压性断裂十分发育，且形成规模巨大，其次是近N向张性断层，此组断裂对岩浆侵入—喷溢活动均有控制作用。NW向断裂是研究区内的主干断裂构造，与NE向断裂交叉部位呈贯通式构造，与环形构造呈相交和相切交汇，易于深部岩浆及矿液上升，并在适当构造空间成矿，与成矿关系十分密切。

4.2 铁染蚀变信息提取

研究区内与铁离子有关的蚀变矿物主要为黄钾铁矾与褐铁矿，将ETM+数据的第1、3、4、5波段进行主成分分析来提取铁染蚀变信息，主成分分析的特征向量结果具体见表2，其诊断特征应为反射峰波段3的特征向量值与吸收谷波段1、波段4的符号相反，因此向量4符合上述要求。因此将向量4作为铁染蚀变信息的主分量并进行密度分割，以均值+1.5、2、2.5倍的标准差作为异常下限进行铁染蚀变信息提取，提取结果见图3（a）。

表2 ETM+-1345波段组合主成分分析特征向量表

4.3 羟基蚀变信息提取

研究区内含羟基的蚀变矿物多为白（绢）云母、蒙脱石、高岭石，采用主成分分析方法处理了ETM+影像中的1、4、5、7四个波段，主成分分析的特征向量结果具体见表3，其诊断特征应为吸收谷波段4的特征向量值与反射峰波段1、波段5的符号相反，因此向量4符合上述要求。但在向量4中波段4符号为正，利用Bandmath对图像取反，将取反后的向量4作为羟基蚀变信息的主分量并进行密度分割，以均值+2、2.5、3倍的标准差作为异常下限进行羟基蚀变信息提取，提取结果见图3（b）。

图3 研究区蚀变提取结果图

表3 ETM+-1457波段组合主成分分析特征向量表

5 蚀变信息分布特征及综合评价

围岩蚀变是热液型矿床的最直接找矿指示标志，根据Landsat-7 ETM+影像的光谱分辨率特征，利用可见光谱段可提取富含铁离子和羟基的两种矿物，进而展示出区域热液活动的情况。矿化蚀变信息和地质构造信息虽然都属于遥感弱信息，但将主成分分析法提取出的铁染蚀变信息和羟基蚀变信息通过GIS技术将两种蚀变信息与线环构造进行叠加分析，可以极大提高成矿预测的准确性，在与研究区构造解译图叠加综合分析后可见，研究区遥感矿化蚀变异常信息的分布主要围绕岩体或者是沿断裂分布，并在线性构造交叉部位以及地貌较破碎区域分布较为集中，破碎区则是由于断裂构造处的地壳运动应力导致的，这一现象很好地体现了热液运移的痕迹，从而更好体现热液形成矿产资源的依据。

从图3（a）中可以看出，区域内铁染蚀变分布广泛，根据提取的铁化蚀变信息按照空间分布和成因类型可分为两类：（1）呈面型集合体分布，分布较为集中，该类蚀变主要与研究区内大面积分布的燕山期中酸性侵入岩密切相关，推测是由酸性侵入岩体本身所含较高铁质和区域性铁染所引起，对于找矿预测的意义不显著；（2）为分散于各时代地层中呈星点状、不规则面状和连续性较好的带状条带状分布的铁化异常，这类蚀变主要由地层所导致的局部铁染和区内的构造运动引起，这类铁化异常的分布与地层和构造较为吻合，可以很好地预测出成矿的有利位置。

区域铁蚀变主要集中在研究区东南部，总体上沿NW向展布，与线性构造的走向特征吻合，说明蚀变矿物的分布受侵入体的控制，且多出现在线环构造交汇部位，与构造运动关系密切，易形成热液脉型矿床。

根据Landsat波段设置范围，ETM+第7波段具有比较好的羟基信息提取特征，因此通过第7波段开展密度分割提取出层状硅酸盐、碳酸岩等蚀变矿物。从图3（b）可以看出，区域内羟基蚀变分布分散，受影像空间分辨率的限制，研究区内未出现大面积异常特征，羟基蚀变不显著。

6 结论

本文基于Landsat-7 ETM+多光谱数据综合运用多种遥感信息提取技术，提取了研究区构造信息与矿化蚀变信息，利用地物光谱特性的找矿方法，开展了研究区地质解译工作与初步找矿预测，并总结了构造与蚀变信息分布特征。本文通过研究区遥感构造与蚀变信息研究主要得出以下认识：

（1）研究区内构造运动强烈，热液活动频繁，且以NW向断裂为主要断裂构造发育，以NE向断裂为次级断裂构造发育。

（2）研究区内铁染蚀变信息分布广泛，矿化蚀变信息多出现于线性构造、环形构造附近，与构造运动关系密切，区域成矿潜力巨大。