国外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状

实验三十二 遥感矿化与蚀变信息提取~

一、实验目的
通过运用ENVI的PCA功能对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像数据作铁染异常信息和羟基异常信息提取处理，加深对遥感蚀变和矿化信息提取原理和算法的了解，掌握其ENVI PCA功能技术实现的基本流程和主要操作，取得对这两种信息的图像特征和应用的感性认识。
二、实验内容
①铁染和羟基波谱异常示矿原理分析；②ENVI遥感铁染异常信息提取操作；③遥感羟基异常信息提取操作；④成果制图与找矿应用分析。
三、实验要求
①掌握遥感影像蚀变信息提取的原理；②对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像进行铁染异常信息提取；③对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像进行羟基异常信息提取；④对铁染与羟基异常信息进行分级；⑤编写实验报告。
四、技术条件
①微型计算机；②新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像；③ENVI软件；④Photoshop软件（ver.7.0以上）。
五、实验步骤
（一）铁染和羟基波谱异常示矿原理
矿物的反射辐射是遥感地质信息的基本源，各种矿物的波谱特征又取决于其所含元素的离子的类型与数量，如Fe3﹢、Fe2﹢及OH－等。大量的矿物和岩石波谱特性实验室研究结果表明，天然矿物在可见光—近红外光谱段（0.325～2.5μm）最常见的光谱特征，是以这样或那样形式存在的铁（Fe3﹢、Fe2﹢）产生的，或者由于水（H2O）、羟基（OH－）基团产生的。矿物在可见光—近红外光谱段被测量得到的大量信息，主要来自为数不多的几种结构离子和置换离子的电子跃迁过程，以及数目有限的阴离子的振动过程。不同矿物由于矿物化学、矿物晶体结构和矿物粒度不同，波谱特性也不同，见表32-1，图32-1。
表32-1 铁染和羟基蚀变的波谱异常依据



图32-1 典型蚀变矿物的波谱特征

1 —赤铁矿；2—针铁矿；3一黄钾铁矾：4—高岭石；5—绢云母；6—绿泥石
目前，基于多光谱数据进行矿化蚀变信息提取的方法主要有主成分分析法、比值方法、光谱角法等，本次实验利用主成分分析法对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像进行蚀变异常信息提取。
主成分分析法（PCA）是现在广泛采用的提取岩石蚀变信息的方法。这种方法是通过对遥感多光谱图像数据矢量的旋转变换，将各个波段中那些高度相关的信息集中到少数几个分量上，并且尽可能地保证这些分量信息互不相干（去相关性），从而用几个波段的线性组合信息图像代表多波段的原图像，使遥感信息得到压缩显示反映，图像分析解译的数据量减少。对于ETM＋图像，通常前三个主成份分量PC1、PC2、PC3就占了多波段图像95%以上的信息。
分析图32-1可知，含铁（Fe3﹢、Fe2﹢）矿物，以次生氧化物为主，部分热液蚀变带的原生矿物，如常见的角闪石、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、磁铁矿和黄钾铁矾等含大量Fe 3﹢， 也有少量Fe2﹢的铁氧化矿物，在ETM+1和ETM +4波段有强吸收带，而在ETM +3波段呈高反射，同时为了避免含羟基矿物的干扰，排除ETM +7波段，最终选取ETM +1、ETM +3、ETM +4、ETM+5这4个波段进行主成分分析，提取铁染蚀变异常。
含羟基基团和含水的矿物，如高岭石、绿泥石、绿帘石、蒙脱石及云母类等次生蚀变矿物，在2.2～2.3μm（相当于ETM +7波段）附近有较强的吸收谱带，使这类含羟基和水的矿物及其所组成的蚀变岩在ETM +7波段产生低值，而在ETM +5波段有相对的高值，由于可见光波段对铁氧化物敏感，为了避免铁染信息的干扰，只选择一个可见光波段参与主成分分析，最终选择ETM+1、ETM +4、ETM+5、ETM +7这4个波段进行主成分分析，提取羟基蚀变异常。
（二）遥感铁染异常信息提取
.1 辐射校正
对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋遥感影像进行辐射校正，辐射校正方法参考本书中的“实验十九　遥感图像辐射校正”。
2.去除干扰信息
将对遥感蚀变异常信息提取的干扰因素，如水体、云、植被利用掩膜方法进行去除，感兴趣区选取方法见本书实验十七，掩膜方法见本书实验十五。
3.铁染异常信息提取——PCA处理
（1）根据上述分析，选择经过去除干扰信息后的ETM+1、ETM+3、ETM+4、ETM+5这4个波段进行主成分分析，首先需要将这4个波段进行层次叠加，在ENVI主菜单栏的“Basic Tools>Layer Stacking”中，打开“Layer Stacking Parameters”对话框（图32-2）。

图32-2 层次叠加参数设置对话框

（2）在“Layer Stacking Parameters”对话框左侧，单击【ImportFile 】按钮，进入“Layer Stacking Input File”对话框，输入已经经过辐射校正并且去除了干扰信息的新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像1～7波段数据。
（3）点击【Spectral Subset】按钮得到“File Spectral Subset”对话框，选择要合成的ETM+1、ETM+3、ETM+4、ETM+5波段，如图32-3所示，点击【OK】按钮，得到合成的4波段文件。

图32-3“File SpectralSubset”对话框


图32-4 主成分分析对话框

（4）在“Layer Stacking Parameters”对话框右侧，根据实际情况选择需要的地图投影信息；在“X Pixel Size”和“Y Pixel Size”文本框中输入影像像元分辨率；在“Resampling”列表中选择重采样方法。
（5）设置完上述参数后，点击【OK】按钮，得到合成的4波段文件。
（6）在ENVI主菜单栏中选择“Transform >Principal Components> Forward PC Rotation> Compute New Statistics an Rotate”，在“Principal Components Input File”对话框中，输入上一步中合成的四波段文件，打开“Forward PC Parameters”对话框（图32-4）。
（7）在“Forward PC Parameters”对话框中，在“Stats X Resize Factor”和“Y Resize Factor”文本框中输入小于或等于1的调整系数，用于计算统计值时的数据二次采样，该值越小，统计计算速度越快，默认值为1。
（8）输出统计路径及统计文件名（.sta），使用箭头切换按钮，选择根据“Covriacnae Matrix”（协方差矩阵）或者根据“Correlation Matrix”（相关系数矩阵）计算主成分波段，一般来说，计算主成分时选择使用协方差矩阵。
（9）选择输出路径及文件名，输出数据类型选择“Floating Point”。
（10）选择“Select Subsetfrom Eigenvaluse”附近的箭头切换按钮，选择“Yes”，统计信息将被计算；如选择“No”，则系统会计算特征值并显示供选择输出的波段数。
（11）设置完上述参数后，点击【OK】按钮完成主成分分析计算。
4.铁染异常分析
在ENVI主菜单栏中选择“Basic Tools>Statistics>View Statistics File”，打开主成分分析中得到的统计文件，得到ETM +1、4、5和7波段PCA 变换的特征向量矩阵，统计结果见表32-2。
表32-2 ETM +1、3、4和5波段PCA变换的特征向量


由表32-2可以看出，PCI主要反映了ETM +4和ETM +5波段的信息；PC2反映了ETM+4波段的加信息和ETM +5波段的减信息；PC3反映了ETM +1和ETM +3波段的减信息；PC4反映了ETM+l波段的加信息和ETM+3波段的减信息。根据铁染类矿物的波谱特征，包含这类蚀变信息的图像应该具有ETM +1和ETM +3波段或者ETM +3和ETM +4波段具有相反的贡献值且绝对值较大，因此选择PC4为铁染异常信息。
5.铁染异常分级显示
（1）统计PC4信息。在ENVI主菜单栏中选择“Basic Tools>Statistics>Compute Sta tistics”，选择上一步主成分分析得到的PC4分量，进行统计分析，得到标准差（Stdev）与均值（Mean）。
（2）提取铁染异常信息。根据概率密度分布曲线的数学含义，可以把统计均值理解为主分量分析结果的区域背景值，利用下列公式来划分异常等级：
异常值＝X +kσ 　　　 （32-1）
式中：X表示均值（Mean）；σ表示标准差（Stdev）；对于铁染蚀变异常，k一般取1.5～2.5，本次实验分别取k为1.5、2和2.5，将铁染异常信息分为弱、中和强三个等级。
（3）密度分割。在PC4分量主窗口上方的命令栏中，选择“Overlay>Density Slice”，打开“Density Slice Band Choice”对话框，对“Data Range”按如下公式计算三级异常的数据分级并赋色。
对应弱异常：[Mean, Mean+1.5Stdev），绿色；
对应中等异常：[Mean+1.5Stdev,Mean+2Stdev），黄色；
对应强异常：[Mean+2Stdev,Max]，红色。
对PC4分量铁染蚀变异常信息分为弱、中、强三级。密度分割方法参考本书中实验八。
（三）遥感羟基异常信息提取
遥感羟基异常信息提取的操作与遥感铁染异常信息提取的步骤完全相同，差别仅在于，遥感羟基异常信息提取PCA采取的波段组合是ETM+1、ETM+4、ETM+5和ETM+7，因此，其PC4波段线性组合系数——特征向量，在数值上不同于遥感铁染异常PC4波段线性组合系数，见表32-3。
表32-3 ETM +1、4、5和7波段PCA变换的特征向量


由表32-3可以看出，PC1主要反映了ETM +4和ETM+5波段的信息；PC2反映了ETM+4波段的信息；PC3反映了ETM+1的信息；PC4反映了ETM+5和ETM+7波段的信息，且符号相反。根据羟基类矿物的波谱特征，包含这类蚀变信息的图像应该存ETM +7波段产生低值，而在ETM +5波段有相对的高值，因此选择PC4 为羟基异常信息。
对于羟基蚀变异常信息密度分割，k一般取2～3，本次实验分别取k为2、2.5和3，将羟基异常信息分为弱、中和强三个等级。其余步骤与铁染蚀变异常相同。
（四）成果制图与找矿应用分析
运Photoshop软件以并列窗口方式打开本次实验获得的ETM＋铁染异常图像和ETM＋羟基异常图像，观察两图像中铁染异常和羟基异常的分布情况，用Photoshop画笔工具圈出这两种异常区域。在此基础上，分析两种异常的重叠分布区域和单一分布区域情况。如果这些区域具备相应的有利成矿地质条件，它们具有不同的找矿前景。其中，两种异常重叠的区域要比单一某种异常存在的区域具有更好的找矿前景。对你认为有价值的铁染异常和羟基异常进行编号注记。
六、实验报告
（1）简述实验过程。
（2）回答问题：（①运用多波段遥感数据提取铁染信息和蚀变信息的理论依据是什么？②根据本实验的PCA ETM＋波段组合方案，对照ASTER数据的波谱特征，如果采用ASTER数据提取铁染和羟基蚀变异常信息，应该分别利用其哪些波段作主成分分析为宜？为什么？③提交对两种异常做出圈定并进行编号注记的找矿应用分析图。
实验报告格式见附录一。

蚀变是许多矿的重要成矿断标志。遥感资料的多波谱的特点,如美国陆地卫星从MSS四个波段改进为TM的七个波段,特别是新增加的对蚀变矿物有效的TM7短波红外波段及TM6热红外波段,使用图像处理来提取矿化蚀变信息提供重要技术保证。
TM资料可识别的蚀变矿物可分为三类:①铁的氧化物、氢氧化物和硫酸盐,包括褐铁矿、赤铁矿、针铁矿和黄钾铁矾。这些矿物的波谱特征如图9-1。②羟基矿物,包括粘土矿物和云母。③水合硫酸盐矿物(石膏和明矾石)和硫酸盐矿物(方解石和白云岩等)这几类蚀变矿物都有自己独特的波谱特征(图9-1,9-2)。铁的氧化物、氢氧化物和硫酸盐在TM1,2,3波段反射比曲线上升梯度很陡,TM4波段附近有一个较强吸收带。含羟基矿物在TM7存在强烈吸收谷,是许多蚀变矿物的重要波谱特征。
对矿化蚀变信息的提取的图像处理最常用的一种方法是彩色合成。含(1)类蚀变矿物的岩石在真彩色合成(TM321)图像上呈暗红或暗紫红色。褐铁矿在TM542或TM543合成图像上,为褐红色。含②③类蚀变矿物的岩石在TM432合成图像上为黄色,TM571图像上为红或青色。
另一种较常用提取矿化蚀变信息的图像处理技术是比值合成:①TM3/1,用于识别铁的氧化物、氢氧化物类,包括赤铁矿、褐铁矿及针铁矿;②TM5/4,在此比值图上,云母和黄钾铁矾的值远大于1,而明矾石和石膏的值远小于1,方解石和粘土矿物类接近于1;③TM5/7,识别含羟基矿物、水合硫酸盐和碳酸盐,这类矿物在此比值图像上呈亮色调,其值远大于1,但需注意,植被在此比值图上也很亮,需要用别的方法加以区分,如用TM4/3,植被的TM4/3值很大,而这类矿物的TM4/3比值较小(≤1)。
在TM5/7(红)、TM3/1(绿)和TM3/4(蓝)进行彩色合成的图像上,赤铁矿和针铁矿化呈绿至青色,黄钾铁矾呈黄白色,含羟基矿物、水合硫酸盐化岩石呈品红色。由于地质条件的多样性,在实际工作中往往需根据具体情况选择方法,除比值法外,还可选择主组分变换等方法来进行处理。
美国内华达州金场(Goldfield)地区是著名的金和多金属产地。美国地质调查局1974、1979两次作了热液蚀变制图。渐新世开始的粗面岩、石英安粗岩喷发,发育有少数破火山口及环状裂隙。热液蚀变主要存在于中新世第二期的安山岩及英安岩。后来的穹状隆起与剥蚀作用使火山中心及矿体出露地面。蚀变岩呈环状,面积约40km2。矿体主要在金场城西南,面积约2km2(图9-8)。金场地区的蚀变模型是:中部为含矿的硅化带,向外是泥化带。泥化带包括明矾石高岭石亚带,伊利石高岭石亚带和石亚带(自内向外),最外侧则是青磐化带。
1974年Roman等人用MSS对蚀变岩(284个样),未蚀变岩(342个样)的地物波谱测试的结果,得出:①蚀变岩有较高的反射比。②蚀变岩在22μm的最低值区是粘土、明矾石等蚀变矿物引起的。③因而,再用蚀变与未蚀变岩石反射波谱曲线的最大与最小波段的MSS比值(1.6μm/2.2μm),图像将为蚀变岩识别提供依据。并通过4/5(蓝)、5/6(黄)、6/7(品红)的彩色合成图像,把粘土化硅化带及褐铁矿化蚀变区显示出来。
NASA用1984年10月4日Landsat4的TM7个波段遥感资料,对金场地区深入研究。图9-8是1.4-2.5μm波段的几种主要蚀变矿物的波谱曲线。根据这些曲线特征,选择了比值、比值彩色合成,主组分变换,集群分类等方法对该区的TM图像进行了处理。图版61是TM5/7比值图像,其上高比值即浅色调是蚀变岩的反映,而未蚀变的岩石,在TM5和TM7波段的值近于相等,因而比值接近于1,从而相对较暗。TM3/1比值图像,反映了氧化铁类蚀变矿物,较亮的是蚀变矿物和铁帽,其余的较暗。使用TM5/7(红)、TM3/1(绿)和TM3/5(蓝)合成,则橙色调和黄色调分别代表了蚀变外带和内带,图版15很好地展示了蚀变带的分布,其范围与地质图非常一致。

图9-8 美国金场地区主要蚀变矿物的反射波谱曲线


图9-9 美国金场地区地质图

主成份分析的第二分量中,亮色调与蚀变的分布很一致(图版62),这是由于TM5波段在PC2中有很大的相系数。
对TM六个波段(不用TM6波段)数据进行集群分析,结果如图版16,蚀变岩被分为二类,以红色和橙色表示,野外调查表明,由计算机分类的结果是正确的。
研究表明,Goldfield地区的热液蚀变通过TM图像处理技术可以成功地进行识别,为该区寻找斑岩铜矿提供了依据,指明了找矿方向。研究者在引入与斑岩铜矿有关的热液蚀变模式的基础上,正确选择热液蚀变信息作为卫星遥感找矿的重要标志;在波谱资料分析的基础上,正确选择图像处理方法,增强蚀变信息,是保证这个研究取得成功的关键,也是值得我们借鉴的。
Robert,W.M.等人(1986)在新墨西哥西南部blue Greek盆地内热液蚀变填图中使用TM5/7进行粘土、云母等含烃基矿物的矿化蚀变区进行圈定。研究使用TM图像进行,主要用TM5/7波段比值进行圈定。进行波段比值之前,先进行了噪声消除(去条带)和几何投影校正,同时还进行了数据的大气校正。为了消除植被的影响,发展了一种植被掩模技术,将TM432波段合成的假彩色图像进行ISH变换,由于植被的鲜红色,因而在色度图像上很容易确定下来,就研究区而言,其值在130-160之间,掩模是含植被像元取0值,其它取1而产生,将TM5和TM7波段与掩模相乘产生的图像,所有植被像元为黑色,其它像元保持不变,然后进行比值,这一结果与原来用详细野外信息和辐射测量资料得到的用于识别烃基异常的矿物吸收指数(粘土)相比,两者非常一致。表明在半干旱地区,用TM数据圈定与浅成热液矿床有关的蚀变带是完全可能的。
这二个利用TM图像成功圈定蚀变带的例子,显示了TM图像的优点,这成功很大程度上是由于TM7波段正好反映了许多蚀变岩的吸收特征,但TM图像的高分辨率和高光谱分辨率也是一个方面,这也显示了,随着遥感技术的发展和应用水平的提高,作为矿产资源勘查的重要手段,遥感和图像处理技术正在显示出其巨大的潜力。

早在1976年，戈茨利用短波红外波段的1.6μm和2.2μm波长两谱带反射比的比值定量划分蚀变岩和未蚀变岩。

艾布拉姆斯等人（1977）注意到陆地卫星多波段扫描（0.5～1.1μm）光谱范围内含褐铁矿的蚀变岩石由于三价铁强吸收光谱而产生独特的反射光谱，并在内华达州金矿根据图像对褐铁矿蚀变岩石进行填图。

罗曼等人（1977）采用MSS4/5，MSS 5/6和 MSS 6/7比值图像对以次生粘土、氧化硅及褐铁矿特征的热液蚀变区进行识别填图。

Ambrams（1984）利用TM图像波段比值+主成分变换方法排除了植被覆盖因素干扰提取蚀变信息。

Crosta和Loughlin（1991）利用Landsat-5 TM图像数据，选择4个波段（TM1，TM 3，TM5，TM7或TMl，TM4，TM5，TM7），设计了主成分变换+特定主因子求反的方法填制巴西热带地区残积土壤中的三价铁和羟基蚀变岩信息图。

Rokos等（2000），利用TM，SPOT数据、数字高程模型及地球化学信息等在ER Mapper系统下对爱琴海盆地中的Quaternary岛弧中的岛屿和弧后火山岩地区的低温热液型金矿进行研究，用5/7，3/1等比值和主成分分析等数学运算进行蚀变带的识别，并结合提取的线性构造统计分析进行成矿预测。

Tangestani和 Moore（2001），利用三种主成分分析法对伊朗Meiduk地区斑铜矿蚀变区进行了对比分析。

Timothy等（2002），利用5/7，5/l，5/4的假彩色合成及分析，在阿拉伯-努比亚地盾的干旱气候下提取金矿化蚀变信息。

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