基于Sentinel-2卫星数据的南陵—宣城矿集区矿化蚀变信息提取

殷梦杰, 赵 萍,2, 朱翠翠, 申鹏举, 赵月娇

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 空间信息智能分析与应用研究所,安徽 合肥 230009)

0 引 言

南陵—宣城矿集区是长江中下游成矿带的重要组成部分,热液型矿床发育广泛[1-3],近年来在找矿方面取得重大突破,已发现10余处矽卡岩型矿床或矿化,展现出良好的成矿前景[4],但受地质构造、植被覆盖及第四系覆盖等因素的影响,开展常规的地质勘探工作困难较大,成本较高。遥感影像具有宏观性、综合性、客观性,利用遥感影像进行辅助分析,可为地质勘探提供多时空、多光谱、多层次的地学信息。

围岩蚀变是热液矿床成矿作用发生的重要标志之一[5-8]。由于遥感影像在波谱差异分析上具有独特优势,应用遥感影像提取矿物蚀变信息是找矿的有效方法。成像光谱技术的发展与搭载平台的多样化,使得遥感影像在岩矿信息提取方面的应用越来越广泛。目前,遥感找矿主要运用国内的高分系列卫星以及国外的Landsat 系列卫星、ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer,先进星载热发射和反射辐射仪)、HyMap、WorldView、Hyperion等卫星或航空影像。国内外研究者利用不同的方法对不同区域的遥感矿化蚀变信息提取做了大量研究工作。在植被覆盖度较低区域或裸岩地区,蚀变岩石出露面积大,提取难度小,矿化蚀变信息较易被提取。文献[9]运用主成分分析(principal component analysis,PCA)法、波段比值法和光谱角填图法,提取新疆若羌县罗布泊地区Hyperion数据上的铁染、羟基蚀变异常信息;文献[10]基于Landsat 8 OLI(Operational Land Imager,陆地成像仪)数据,利用波段比值-PCA法对美国亚利桑那州巴林格撞击坑(Barringer Meteor Crater)的铁陨石矿物进行有效提取;文献[11]利用ASTER数据,结合PCA和支持向量机(support vector machine,SVM)方法对新疆东天山尾亚地区的铁染、Al—OH、碳酸根蚀变矿物进行提取;文献[12]利用HyMap航空高光谱遥感数据及全光谱便携式光谱分析仪(FieldSpec Pro FR)地面波谱数据对新疆东天山成矿带的蚀变矿物异常特征进行圈定。然而,在植被覆盖度较高区域,受植被影响,蚀变信息在影像上表现不明显,提取难度较大。近年来,国内外研究者在深入研究蚀变信息提取技术的基础上,改进或创新抗植被干扰技术,并将其应用于植被覆盖度较高区域。文献[13]利用Landsat 8 OLI数据对内蒙古白云鄂博西南草原覆盖区的植被进行混合像元分解,并采用PCA法对该地区的羟基异常进行提取;文献[14]利用ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus,增强型专题制图仪)和ASTER影像数据,提出多元数据叠加分析法,在植被覆盖度较高的甘肃省西河县大桥—石峡地区进行铁染和羟基异常矿化蚀变信息提取。

Sentinel-2卫星是由欧洲航天局和欧洲委员会共同实施的“哥白尼计划”下的多光谱成像卫星,于2015年6月发射,免费向用户开放。该卫星与Landsat系列卫星的波段设置相似,但在可见光、近红外和短波红外波段具有更高的空间、时间、光谱分辨率,并且拥有3个红外波段,近年来在农作物提取[15-16]、树种分类[17-18]、水体提取[19-20]、生态环境监测[21-22]、土地覆盖变化监测[23-25]等方面得到较广泛的应用,但在地质领域的相关应用报道较少。文献[26]采用PCA法,在四川康定雅拉地区的Sentinel-2卫星数据上提取羟基蚀变异常信息;文献[27]通过图像融合算法,对内蒙古石板井蛇绿岩套和美国Cuprite矿区的Sentinel-2卫星数据进行蛇纹石化蚀变信息提取;文献[28]基于Sentinel-2卫星数据,使用完全约束最小二乘混合像元分解技术及PCA法,对内蒙古黄岗梁地区的铁染蚀变矿物进行提取;文献[29]利用多光谱差分植被抑制法,在黑龙江呼玛地区进行Sentinel-2卫星数据的铁染和羟基蚀变信息提取。上述研究表明,Sentinel-2卫星数据对矿化蚀变信息具有较好的识别能力,但研究区域主要集中在植被覆盖度较低区域或裸岩地区,如何充分发挥Sentinel-2卫星数据的优势,进行植被覆盖区矿化蚀变信息的提取亟待研究。

本文以Sentinel-2卫星多光谱数据为主要数据源,采用PCA法、波段比值法,结合掩膜技术,提取南陵—宣城矿集区的铁染、Al—OH、Mg—OH、碳酸盐类矿化蚀变信息,结合已知的地质矿产资料,对提取的异常信息进行分析验证,并与Landsat 8卫星数据提取结果进行对比,旨在为植被覆盖区岩矿信息提取提供参考,拓展Sentinel-2卫星数据在地质领域上的相关研究,同时为南陵—宣城地区的矿产勘查提供依据。

1 研究区概况

南陵—宣城矿集区处于扬子板块北缘、长江中下游成矿带北东段,西以北东向三里河—河湾断裂与铜陵隆起、繁昌盆地相接;区域内发育北东向的三里镇断裂、江南深断裂、周王断裂和北北西向的庐江—铜陵断裂。区内北东向的九连山—狸桥推覆体将南陵—宣城盆地分隔为南陵盆地和宣城盆地;区内中生代岩浆活动发育,以白垩世高钾钙碱性、中酸性侵入岩为主,地表大部分被第四系覆盖,第四系之下为白垩纪以来的陆相碎屑沉积岩[30]。本文选择南陵—宣城矿集区及其周边为研究区,在118°03′～118°58′E,30°50′～31°14′N之间,面积约为3 907.42 km2,其地质简图如图1所示。除近年来新发现规模已达特大型的茶亭铜金矿床外,在九连山—狸桥推覆体上有较多的金属矿床(点)分布,是安徽省矿产勘查较有潜力的地区之一[31]。

图1 研究区地质简图

区内矿化蚀变类型包括黄铁矿化、硅化、矽卡岩化、绿泥石化、绿帘石化、高岭土化、蛇纹石化、钾长石化、碳酸盐化、绢云母化、叶腊石化等。研究区内植被发育,主要以常绿阔叶林为主,山坡多次生灌木和草本,植被覆盖度较高。

2 研究数据概况及预处理

2.1 研究数据概况

Sentinel-2卫星是“哥白尼计划”中实现多光谱高分辨率观测的卫星,分为2015年6月23日发射的2A卫星和2017年3月7日发射的2B卫星,单星的重访周期为10 d,双星重访周期为5 d。本文使用的多光谱数据来自可见光短波红外多光谱相机(MultiSpectral Instrument,MSI)。MSI数据有可见光、近红外和短波红外13个波段,其中有可见光波段6个、近红外波段4个、短波红外波段3个,空间分辨率有10、20、60 m 3种,幅宽为290 km;该数据具有分辨率高、波段多、幅宽大、重访周期短、免费等优点。本研究使用的数据包括Sentinel-2A卫星数据和Landsat 8 OLI数据。为减小植被干扰,影像数据采集时间均为冬季。Sentinel-2卫星数据的成像时间为2019年12月8日,数据质量较好,基本无云覆盖。Landsat 8卫星数据行列号为120/38、120/39,成像时间为2014年1月2日。

Sentinel-2A、Landsat 8卫星波段特征对比见表1所列。

表1 Sentinel-2A、Landsat 8卫星波段特征对比

2.2 数据预处理

本次使用的Sentinel-2A卫星的Level-2A数据已经过正射校正和大气校正,无云和积雪覆盖,影像清晰,色调对比度好。由于影像具有不同的空间分辨率,在处理系统SNAP(Sentinel Application Platform,哨兵数据应用平台)环境下使用超分辨率(Super Resolution)扩展模块,将Sentinel-2卫星数据的60、20 m波段超分辨率合成为10 m波段,输出后的波段分别为B1～B12(除B10外)。在ENVI软件中对选用的Landsat 8卫星数据进行辐射定标和大气校正等预处理。为检验2种数据的预处理效果,选取研究区典型地物进行光谱对比,在影像上选择同一点的植被进行光谱对比,Landsat 8、Sentinel-2卫星影像同名点植被反射率曲线对比如图2所示。

从图2可以看出,Sentinel-2、Landsat 8卫星数据谱形特征基本一致,在植被特征谱带范围内谱形吻合度高,且特征吸收位置一致。因此,可以认为Sentinel-2卫星超分处理后数据可用于下一步的矿物识别工作。

2.3 研究区干扰物剔除

遥感影像中存在的植被、水体、建筑物等会对遥感矿化蚀变信息提取产生干扰。研究区位于丘陵地区,植被资源丰富,植被覆盖度较高,为了提高矿化蚀变信息提取的准确性,利用掩膜技术去除这些干扰因素,具体步骤如下:

1) 通过归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)[32]提取植被信息,采用优化阈值分割的方法生成植被掩膜二值图像,被掩膜区域的值为0,其余值为1;Landsat 8、Sentinel-2卫星数据提取的植被掩膜结果分别如图3a、图3b所示。

2) 利用归一化建筑指数(normalized difference building index,NDBI)[33]及改进的归一化水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)[34]对研究区的建筑及水体进行提取并生成相应的掩膜。

3) 最后将三者的掩膜图像相乘,得到研究区干扰物的掩膜。参与矿化蚀变信息提取的各波段与这个掩膜相乘可以得到去除3种干扰因素后的剩余图像。Landsat 8、Sentinel-2卫星数据去除干扰后的剩余图像信息分别如图3c、图3d所示。

从图3a、图3b可以看出,基于Sentinel-2卫星数据提取的植被信息面积相对较小,且较为分散,表明在植被覆盖度较高区域,Sentinel-2卫星数据对高密度植被的提取更加精细。

比较图3c、图3d可知,Sentinel-2卫星数据受混合像元影响更小,在剔除干扰信息后,留下的有用信息更多。

3 矿化蚀变信息提取机理

南陵—宣城矿集区具有黄铁矿化、硅化、矽卡岩化、高岭土化、绿泥石化等围岩蚀变。黄铁矿(FeS2)氧化性较强,自然状态下易被风化形成氢氧化铁,如纤铁矿、针铁矿等,脱水后形成稳定的褐铁矿。金属矿床氧化带的地表露头部分常形成针铁矿、纤铁矿及褐铁矿等,覆盖于矿体之上,是重要的找矿标志。

遥感光谱学证明,不同的蚀变矿物在可见光、近红外、短波红外及热红外区域产生不同的吸收光谱带,这些特征光谱与周围的岩石存在明显差异,从而形成具有诊断性的光谱异常[35]。遥感影像上只要有足够面积的蚀变岩石或者矿物出露,就可能被提取[36]。

本研究从美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)波谱库中选择黄钾铁矾、赤铁矿、针铁矿、方解石、白云石、绿泥石、绿帘石、白云母、明矾石等典型矿物的波谱曲线,以分析其诊断性波谱特征位置,各典型矿物的波谱曲线特征如图4所示。

铁化蚀变矿物的光谱特征是在0.70～0.75 μm、1.52～1.70 μm有明显的反射峰、在0.85～0.95 μm附近形成吸收谷,表现为在Sentinel-2卫星的B5、B6波段及B11波段形成反射峰,在B8a波段形成吸收谷。

Al—OH基团矿物在1.60～1.70 μm有明显的反射特征,在2.20 μm附近有吸收波谱特征,对应在Sentinel-2卫星的B11波段上形成反射峰,在B12波段形成吸收谷。

含Mg—OH矿物在2.32 μm附近有1个明显的吸收谷,波段特征表现为在Sentinel-2卫星的B5～B11波段反射率大体呈增长趋势,在B12波段具有吸收谷。

碳酸盐类矿物白云石和方解石在0.78 μm附近及2.00～2.25 μm具有高反射峰,在2.33 μm附近有吸收波谱特征,对应在Sentinel-2卫星的B7和B12波段均出现高反射峰。

4 蚀变信息提取

在掩膜的基础上,运用PCA法和波段比值法对Sentinel-2卫星数据提取铁染异常、Al—OH异常、Mg—OH异常及碳酸盐异常信息。Sentinel-2卫星影像4种异常提取结果如图5a～图5d所示。

为了与Sentinel-2卫星数据提取的蚀变信息作对比,分别运用Landsat 8 OLI数据的B2、B4、B5、B6和B2、B5、B6、B7波段对研究区的铁染、羟基异常信息进行提取,提取结果如图5e、图5f所示。

波段比值法可通过对同一影像上不同波段像元的比值运算增大光谱差异,达到图像增强的目的[37];PCA法则是通过正交变换实现对数据的降维,获得一组互不相关的分量,可根据各个分量的符号和贡献系数对所需主成分进行筛选[38]。PCA法与波段比值法近年来已被广泛应用到遥感矿化蚀变信息提取中,取得了较好的应用效果。在上述典型蚀变矿物波谱特征分析基础上,利用PCA法对Sentinel-2卫星数据的铁染蚀变、Al—OH蚀变、Mg—OH蚀变进行提取,3种异常PCA特征向量矩阵见表2所列。

表2 Sentinel-2卫星数据3种异常PCA特征向量矩阵

选取B2、B5、B8a、B11波段进行分析,提取铁染异常信息,异常主成分特点是B2、B8a波段的贡献系数与B5波段的贡献系数符号相反,从表2可以看出,第3主成分(PC3)可以作为提取铁染蚀变的指示分量。

对于Al—OH蚀变信息提取,选取波段B6、B8a、B11、B12,异常主成分的特点是B8a、B11的贡献系数符号相同且为正,B11、B12波段的贡献系数符号相反,取反后的PC3符合提取要求。

对于Mg—OH蚀变信息提取,选用波段B2、B8a、B11、B12,异常主成分的特点是B12、B11波段的贡献系数符号相反,B2、B8a波段的贡献系数与B11波段的贡献系数符号相同,根据此标准,PC3为反映Mg—OH异常的主分量。

碳酸盐异常信息在B7和B12波段均具有较高的反射率,经过多次实验,采用B7/B4对碳酸盐异常进行提取。

对提取的蚀变异常信息进行3×3中值滤波,通过最优密度分割法[39]得到蚀变异常提取结果。经计算,从Sentinel-2卫星影像提取的铁染蚀变信息面积为29.94 km2,主要分布在研究区西部及东北部,占研究区总面积的0.77%;Al—OH异常、Mg—OH异常面积分别为22.24、17.97 km2,各占研究区总面积的0.57%、0.46%;碳酸盐异常面积为53.92 km2,占研究区总面积的1.38%。经计算,从Landsat 8卫星数据提取的铁染异常面积为67.46 km2,占研究区总面积的1.73%,羟基异常分布在铁染异常附近,面积为45.20 km2,占研究区总面积的1.57%。

5 结果分析

将Sentinel-2、Landsat 8卫星数据提取的矿化蚀变信息结果与已知的175个矿点进行叠加,叠加结果如图6所示。结合矿化蚀变信息提取结果的空间分布可以发现,2种数据提取的蚀变信息在空间展布上基本保持一致,都是集中分布于研究区西部和东北部地区。

图6 Sentinel-2、Landsat 8卫星影像蚀变信息与矿点叠加图

对2种数据提取的蚀变异常信息与已知矿点的相关比率进行统计,结果见表3所列。

表3 蚀变信息提取结果与已知矿点的相关比率

由表3可知,Sentinel-2、Landsat 8卫星数据信息提取结果与175个矿点的相关比率分别为69.14%、47.43%,从Sentinel-2卫星数据提取的蚀变异常信息与已知矿点的对应程度更好,验证了利用Sentinel-2卫星数据在植被覆盖区进行遥感找矿的可行性和有效性。

从Sentinel-2、Landsat 8卫星数据提取的铁染异常面积分别为29.94、67.46 km2;从Sentinel-2卫星数据提取的Al—OH异常、Mg—OH异常面积分别为22.24、17.97 km2,从Landsat 8卫星数据提取的羟基异常面积为45.20 km2,从Sentinel-2卫星数据提取的铁染异常信息和羟基异常面积明显小于Landsat 8卫星数据,Sentinel-2卫星数据在矿化蚀变信息提取中更具有针对性。

此外,在蚀变信息提取中,利用Sentinel-2卫星数据可以对Mg—OH异常、Al—OH异常、碳酸盐异常进行更精细的提取。

为探究蚀变信息提取结果与矿点的相关关系,选择图6中矿点分布较为密集的A、B 2个区域进行进一步分析,结果如图7所示。A处位于繁昌盆地,B处位于九连山—狸桥推覆体北东段。A、B 2处中生代以来地壳活动频繁,印支期、燕山期构造复杂叠加,岩浆活动强烈,伴随广泛的热液作用,是引起蚀变异常的原因,提取结果能较好地反映该区域的成矿状况;在远离矿点的区域,A、B 2处均有伪蚀变信息出现,与Landsat 8卫星数据相比,Sentinel-2卫星数据提取的伪蚀变信息更少。

图7 Landsat 8、Sentinel-2卫星影像中A、B处蚀变信息提取结果放大情形

6 结 论

1) 利用Sentinel-2卫星数据提取矿化蚀变信息,不仅能对蚀变矿物的大类进行提取,更能进一步提取不同类型的含羟基矿物蚀变异常信息与碳酸盐蚀变异常信息。

2) 通过与已知地质矿产资料对比验证发现,实验提取的蚀变异常信息与研究区矿点信息相关比率较高,Sentinel-2卫星影像蚀变异常信息的准确性与可靠性较好。

3) 在植被覆盖度较高区域,Sentinel-2卫星数据对高密度植被的提取有较大优势,在干扰信息去除过程中保留的有效信息更多。由于Sentinel-2卫星数据具有更高的空间分辨率,受混合像元影响更小,蚀变信息提取精度明显优于Landsat 8卫星数据,表明其在植被覆盖度较高区域矿产资源勘查中具有重要潜力。

由于“异物同谱”与“同谱异物”现象的存在,提取的蚀变信息中会存在伪异常,此外,Sentinel-2卫星数据在短波红外波段较少,后续的研究中还需进一步结合Sentinel-2卫星数据光谱特征,融合其他多谱段的数据,在蚀变信息提取时加入地形、岩性、时序等多特征因素,提高Sentinel-2卫星数据蚀变信息识别能力。