高萬里，張緒教，王志剛，張紫程，張耀玲

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083; 2.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京100101; 3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

基于ASTER遙感圖像的東昆侖造山帶巖性信息提取研究

高萬里1，張緒教1，王志剛2，張紫程1，張耀玲3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083; 2.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京100101; 3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

應(yīng)用ASTER數(shù)據(jù)，通過主成分分析和礦物指數(shù)等巖性信息提取方法，對東昆侖造山帶溫泉水庫地區(qū)進(jìn)行了巖性信息的遙感識別與提取。研究結(jié)果表明，主成分圖像和礦物指數(shù)圖能很好地反映巖石物質(zhì)組成信息。元古宇結(jié)晶灰?guī)r、二疊系灰?guī)r、中三疊統(tǒng)鬧倉堅溝組砂巖以及上三疊統(tǒng)八寶山組碎屑巖等分布面積較大的巖石地層單位在ASTER圖像上可以識別出來。ASTER圖像對基巖裸露區(qū)巖性信息進(jìn)行提取是行之有效的方法，特別是碳酸鹽巖及具有不同SiO2含量的沉積巖和火山巖;但對厚度較小的巖性識別及巖石蝕變還需要進(jìn)一步研究。

高級星載熱發(fā)射和反射輻射計(ASTER);巖性提取;主成分分析;礦物指數(shù);東昆侖造山帶

利用多光譜遙感圖像提取巖石礦化信息一直以來是遙感研究的熱點(diǎn)［1，2］。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)源多以美國的Landsat系列數(shù)據(jù)為主，其應(yīng)用廣泛，技術(shù)方法也比較成熟［3，4］。1999年12月發(fā)射的Terra衛(wèi)星上攜帶的ASTER傳感器專門為地質(zhì)應(yīng)用和火山監(jiān)測而設(shè)計，其光譜分辨率較TM/ETM+有較大提高，并在國外地質(zhì)界得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也開展了ASTER數(shù)據(jù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究［5～8］，并在干旱區(qū)和基巖裸露區(qū)進(jìn)行了巖石信息提取與識別研究。

東昆侖造山帶為青藏高原北部的重要構(gòu)造地貌邊界，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化過程和多次造山運(yùn)動，形成了典型的復(fù)合造山帶。由于該造山帶對認(rèn)識青藏高原的形成演化具有重要的科學(xué)意義，因此備受國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注［9～17］。但是，該區(qū)惡劣的氣候條件和陡峭的地形已成為制約該區(qū)地質(zhì)調(diào)查與研究的瓶頸。本文選擇地形陡峭和基巖露頭良好的溫泉水庫地區(qū)，應(yīng)用ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行巖石定量識別研究，獲得了理想的結(jié)果。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于東昆侖造山帶東段，其大地構(gòu)造單元包括東昆侖南地體和巴顏喀拉地體［17］，昆南斷裂從研究區(qū)南部通過(見圖1)。該地區(qū)山勢雄偉，平均海拔在4 000 m以上。野外調(diào)查表明，該區(qū)出露的巖石地層主要有:中元古界萬寶溝群灰白色結(jié)晶灰?guī)r;石炭系浩特洛洼組灰黑色灰?guī)r夾火山巖、哈拉郭勒組紫紅色砂巖夾安山巖與灰?guī)r;下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖組灰色灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r、上二疊統(tǒng)灰白色灰?guī)r夾灰色砂巖;中三疊統(tǒng)鬧倉堅溝組灰色砂巖和板巖、上三疊統(tǒng)八寶山組灰綠色砂巖夾火山巖、上三疊統(tǒng)巴顏喀拉山群灰黑色砂巖夾板巖;古新統(tǒng)—始新統(tǒng)沱沱河組(E1—2t)紫紅色砂礫巖和灰綠—灰黃色泥灰?guī)r層、灰紫—灰綠色砂礫巖、砂巖、泥巖互層的河湖相地層;漸新統(tǒng)雅西措組(E3y)磚紅色和淺紫紅色砂、泥巖互層。晚新生代地層分布于河谷兩側(cè)及雅西措組之上。

圖1 格爾木南地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological map of the area south of Golmud showing sample locations

2 ASTER數(shù)據(jù)源的選擇及基本特征

高級星載熱發(fā)射反射輻射計(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，簡稱ASTER)是安裝在Terra衛(wèi)星上的多光譜成像儀。ASTER有14個波段:3個可見光—近紅外(VNIR)波段，其分辨率為15 m;6個短波紅外(SWIR)波段，分辨率為30 m;5個熱紅外(TIR)波段，分辨率為90 m。各波段范圍及空間分辨率見表1。

表1 ASTER系統(tǒng)的基本物理參數(shù)［8］Table1 Basic physical parameters of the ASTER system

ASTER短波紅外的6個通道可以對蝕變巖石類型進(jìn)行詳盡的劃分，熱紅外的5個通道可以識別硅酸鹽巖。在進(jìn)行巖礦信息提取時，應(yīng)用的基礎(chǔ)物理數(shù)據(jù)是地物在VNIR與SWIR波段范圍的反射光譜值［18］。

3 巖性信息提取方法

3.1 圖像預(yù)處理

本次研究所采用的ASTER數(shù)據(jù)采集日期是2001年9月3日，產(chǎn)品等級是3A01，數(shù)據(jù)已進(jìn)行了傳感器相關(guān)系數(shù)輻射校正。在進(jìn)行幾何精校正過程中，校正控制點(diǎn)主要源于研究區(qū)于20世紀(jì)70年代完成的1∶100 000地形圖，地形圖的精度不高，因此控制點(diǎn)的總平均誤差控制在2個象元內(nèi)。

依據(jù)《ASTER Mineral Index Processing Manual》［19］的數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行暗象元糾正，消除大氣散射對圖像的影響。依據(jù)直方圖找出各波段最小值的象元，象元的每個波段最小值代表或近似大氣輻射的影響，減去最小值的象元即可。本次ASTER圖像經(jīng)過暗象元處理后相當(dāng)于進(jìn)行了一次背景值濾波，使得短波紅外區(qū)間的特征更加明顯，有利于提取礦物指數(shù)，從而提取巖礦信息。

由于研究區(qū)下墊面影響因子復(fù)雜，必須要消除云、雪、植被等下墊面復(fù)雜因素對基巖信息的干擾，掩膜圖像處理技術(shù)可以有效地扣除這些干擾信息。具體處理過程為:首先，在植被、云及雪覆蓋的原始圖像上提取植被NDVI指數(shù)，制作NDVI指數(shù)圖像，然后做植被0～1掩膜，再進(jìn)行云和雪0～1掩膜，最后將植被掩膜與云、雪掩膜圖像疊加，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有用信息的進(jìn)一步處理，制作掩膜圖像。掩膜圖像的效用有2個方面，一是壓縮圖像處理樣本的統(tǒng)計空間，使有用的信息相對得到增強(qiáng)，二是排除干擾信息可能引起的假異常。

3.2 主成分分析

主成分分析是遙感地質(zhì)最有效和最常用的圖像信息提取方法之一，它是將原始的遙感數(shù)據(jù)集變換成非常小且易于解譯的不相關(guān)變量，這些變量含有原始數(shù)據(jù)中大部分信息，通過正交變換去除多波段圖像中的相關(guān)信息，使新的組分圖像之間互不相關(guān)，各自包含不同的地物信息，這是一種重要的圖像增強(qiáng)方法［20］。

在本次研究中，應(yīng)用預(yù)處理后的掩膜圖像進(jìn)行主成分分析，通過將原始圖像進(jìn)行主成分變換，得到SWIR系統(tǒng)4到9波段的5個主成分的影像，將其中的PC3、PC4、PC5主成分分別置于綠、紅、藍(lán)影像層，生成主成分合成影像，并將該影像與高空間分辨率的VNIR段影像進(jìn)行融合，生成新的主成分彩色合成影像。與傳統(tǒng)的彩紅外合成影像相比，主成分合成影像色差可以識別更細(xì)微的巖性差別(見圖2a、2b)。

3.3 礦物指數(shù)法

ETM數(shù)據(jù)只能提供鐵錳成分異常、羥基蝕變礦物異常等一些籠統(tǒng)的信息，而ASTER的波段劃分更精細(xì)，能夠提供更為明確的礦物信息［21］。圖3是一些常見礦物的實(shí)驗(yàn)室光譜曲線，很多礦物的特征吸收帶集中在2～2.3 μm之間，也即ASTER的5～9波段之間。ASTER的第4波段盡管沒有特征吸收存在，但它是地質(zhì)體反射率統(tǒng)計差異最大的遙感窗口。目前，國際上流行的各類礦物指數(shù)方法很多，它們很大一部分是基于上述這些礦物特征吸收帶的波長位置及其與ASTER波段設(shè)置的關(guān)系，通過簡單的各類比值運(yùn)算得來，如《ASTER Mineral Index Processing Manual》(ASTER礦物指數(shù)處理手冊)所收集的澳大利科工組織(CSIRO)和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)等機(jī)構(gòu)經(jīng)常使用的一些礦物指數(shù)。

對東昆侖造山帶而言，為了突出某一類礦物的信息，分別選取同類礦物的3種礦物比值進(jìn)行處理，然后采用3種礦物指數(shù)進(jìn)行RGB彩色合成(即礦物組合)來增強(qiáng)信息。以碳酸鹽礦物的提取為例，采用(7+9)/8來識別碳酸鹽、綠泥石類含量較高的地質(zhì)體;以(6+ 9)/(7+8)來提取含綠泥石、綠簾石、角閃石較多的地質(zhì)體;以6/8提取含角閃石類較高的地質(zhì)體。當(dāng)(7+9)/8、(6+9)/(7+8)和6/8分別被賦予紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)時，在圖像上，含碳酸鹽類較多的地質(zhì)體為白色或淺灰色，含角閃石類較多的地質(zhì)體為淺綠色或藍(lán)綠色。對含鐵類地質(zhì)體、硅酸鹽礦物以及二氧化硅異常的提取按同樣的方法處理。

圖2c—2f為按上述方法處理后的礦物指數(shù)圖像。圖2c為碳酸鹽礦物提取圖，礦物指數(shù)含義為:R((7+9)/8)識別碳酸鹽、綠泥石類含量較高的地質(zhì)體，G((6+9)/(7+8))識別含綠泥石、綠簾石、角閃石較多的地質(zhì)體，B(6/8)提取含角閃石較高的地質(zhì)體。圖2d為含鐵類地質(zhì)體的礦物指數(shù)圖，礦物指數(shù)含義為:R(2/1)為三價鐵含量較高地質(zhì)體，G(5/4)為含鐵硅酸鹽，B((5+3)/(1+2))為含二價鐵較高地質(zhì)體。圖2e為硅酸鹽類粘土類礦物指數(shù)圖像，礦物指數(shù)的含義為:R((5+7)/6)提取白云母、伊利石、蒙脫石含量較高地質(zhì)體，G((4+6)/5)識別明礬石、高嶺石含量較高的地質(zhì)體，B((5+7)/62)為粘土類礦物。圖2f是二氧化硅指數(shù)圖，礦物指數(shù)的含義為:R(12/13)為基性度指數(shù)，G((11×11)/(10×12))為硅質(zhì)巖，B(13/10)為二氧化硅含量較高地質(zhì)體。從以上4幅礦物指數(shù)圖像可以看出，ASTER數(shù)據(jù)能很好提取各種不同種類的礦物信息，經(jīng)過彩色合成后的影像能很好地反應(yīng)含該類礦物較多的巖石信息。

4 巖性提取結(jié)果分析

圖2 東溫泉地區(qū)ASTER圖像Fig.2 ASTER images of Eastern Kunlun area

圖2a、2b為傳統(tǒng)彩色合成影像與主成分分析后彩色合成影像的對比，可以發(fā)現(xiàn)，兩幅圖像總體的色調(diào)區(qū)分是一致的，意味著大套巖性的區(qū)分在兩幅圖上都能夠分辨出來，其中東大灘北部的灰?guī)r以及北部的火山熔巖其影像特征都很明顯;但也不難看出，經(jīng)過主成分分析后的圖像細(xì)節(jié)更加突出，以雪水河北部三疊系鬧倉堅溝組砂板巖為例，其中淺變質(zhì)的板巖(圖像中的紅色)被明顯突出出來。

圖3 ASTER短波紅外波段分布及其與常見礦物特征吸收帶的關(guān)系

從圖2c中可以看出，在東大灘與雪水河之間以及溫泉水庫南部地區(qū)，礦物指數(shù)圖像色調(diào)呈現(xiàn)白色，而且色調(diào)均一，碳酸鹽礦物特征最為顯著，該處基巖含白云石以及方解石等碳酸鹽礦物較多。野外調(diào)查表明，該區(qū)域發(fā)育厚層狀灰白色和紫紅色灰?guī)r，與遙感圖像上的灰白色調(diào)基本吻合。圖4a、4b為野外調(diào)查顯示的東大灘北部的二疊系灰?guī)r與其下部的三疊系砂巖。在遙感圖像上可以清晰地圈出二疊系灰?guī)r的界線。

圖2d中，紅土溝兩側(cè)為新生代紅色砂礫巖，F(xiàn)e3+含量較高，在含鐵地質(zhì)體礦物指數(shù)圖像上為深黃色，可以清晰地分辨出來。同時可以發(fā)現(xiàn)，溫泉水庫的北部以及紅土溝北部、東大灘北部均有深黃色調(diào)，野外實(shí)地調(diào)查中，這幾處均分布有新生代紅層。圖4c、4d中，新生代紫紅色砂礫巖的野外特征是很清晰的，可以根據(jù)遙感圖上的深黃色調(diào)圈出新生代紅層的界線。在碳酸鹽指數(shù)圖像上呈白色調(diào)的灰?guī)r，在該圖像中顯示為紅色調(diào)，巖性的界線也比較清楚;同時，北部玄武巖兩側(cè)也有紅色調(diào)，野外調(diào)查顯示，該區(qū)域亦為灰?guī)r，但是該處灰?guī)r與東大灘北部、雪水河谷口灰?guī)r(見圖2b、2d)顏色、結(jié)構(gòu)差異較大，碳酸鹽指數(shù)圖像上該處色調(diào)與其不一致，說明其成分也不盡相同，該兩處灰?guī)r應(yīng)該不是在同一個時代形成的。

圖2e中，前人的地質(zhì)調(diào)查將雪水河北部劃分為一套鬧倉堅溝組砂巖，在此次的礦物指數(shù)圖像處理中，該處圖像有各種混雜的色調(diào)，但明顯發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有白云母和高嶺土的條帶狀礦物異常，推測該處呈S形條帶分布的可能為一淺變質(zhì)的板巖。野外調(diào)查中，筆者在該處發(fā)現(xiàn)了變質(zhì)的板巖，但是其界線并不像圖像顯示得那么清楚?？傮w來說，該處是以大套的成層性良好的砂巖夾一些火山碎屑巖，該段砂巖的野外特征是很清楚的(見圖4e、4f)。呈紅色調(diào)的碳酸鹽巖以及呈深藍(lán)色色調(diào)的玄武巖在該圖像的特征也很明顯，在野外也能明顯看出色調(diào)上的差異(見圖4c)。

圖4 野外巖石地層地質(zhì)照片F(xiàn)ig.4 Photos of lithologic units a-紅土溝北;b-大干溝北;c-東大灘北;d-雪水河谷口;e-紅土溝東側(cè);f-紅土溝南側(cè)

圖2f中，紅土溝北部，礦物指數(shù)圖像上呈北西走向的深色條帶，其基性度指數(shù)較高，同時其角閃石、硅酸鹽礦物指數(shù)也有異常;野外調(diào)查顯示，該處為灰綠色砂巖與玄武巖、火山碎屑巖分布，該巖性界線在圖像上可以圈定出來。在上述幾幅圖像上該處的影像特征都是很清晰的，其兩側(cè)分布的灰?guī)r的界線也可以圈定;在該圖像上，該灰?guī)r與東大灘、溫泉水庫附近的灰?guī)r影像特征一致。

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，東大灘北部的灰?guī)r及北部火山巖的界線在各幅圖像上的特征都很明顯，而且?guī)r性的界線也比較清楚，基本可以圈定其巖性界線。雪水河北部鬧倉堅溝組的砂板巖，雖然在礦物指數(shù)圖像中也呈現(xiàn)出S形條帶狀異常界線，但在野外的實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該界線并不像遙感圖像上顯示的那么清楚，在圈定巖性界線的時候還是將其歸為淺變質(zhì)板巖。其他巖性的色調(diào)在圖像上比較混雜，并沒有統(tǒng)一的色調(diào)，因此在劃定巖性界線時，結(jié)合了野外的實(shí)地調(diào)查。圖5即為溫泉水庫地區(qū)的巖性信息綜合解譯圖。經(jīng)野外驗(yàn)證，ASTER遙感所解譯出來的巖石地層分布基本上代表了組級巖石地層單位。

圖5 溫泉水庫巖性單元解譯圖Fig.5 Interpretation figures for the lithologic units in the Wenquan Reservoir area

5 討論與結(jié)論

東昆侖造山帶ASTER遙感信息提取研究表明，ASTER數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的ETM數(shù)據(jù)光譜分辨率更高，提供的礦物信息更加精細(xì)、明確和豐富。特別是主成分分析和礦物指數(shù)方法能很好提取巖石及礦物信息，尤其對碳酸鹽巖、偏基性巖的識別效果更為明顯，可以在遙感圖像上清晰地圈出不同的巖性界線，所圈出的巖性界線與地質(zhì)圖上的地質(zhì)界線基本一致，這表明ASTER數(shù)據(jù)對基巖裸露區(qū)巖性信息提取是行之有效的。由于受ASTER數(shù)據(jù)空間分辨率和巖石出露寬度的影響，對段級巖石地層單位或厚度小于ASTER空間分辨率的單一巖性尚無法識別。

該區(qū)雖然也有一定的巖石蝕變，總的來說，巖石的蝕變不是很強(qiáng)，只是在特定區(qū)域的蝕變較強(qiáng)，所以ASTER數(shù)據(jù)在蝕變巖石信息提取方面的優(yōu)勢沒有顯示出來。另外，在信息提取過程中雖然進(jìn)行了掩膜圖像的處理，但是植被和云、雪的影響還是很大，在應(yīng)用礦物指數(shù)方法提取礦物信息時，某些礦物的信息會發(fā)生混淆，當(dāng)然波長位置的細(xì)微差別也是導(dǎo)致這一問題的重要原因。野外驗(yàn)證也表明，ASTER礦物指數(shù)方法可以探測出礦物異常的存在，但是礦物類別需要謹(jǐn)慎對待。因此，礦物指數(shù)方法的應(yīng)用還是有一定的局限性，需要依據(jù)不同地區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。

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Abstract:By using ASTER data and such methods for extraction of lithologic information as major composition image and the mineral index，a discrimination for and extraction of lithologic information has been made in the Wenquan Reservoir area of the East Kunlun orogenic belt.The results show that the major composition image and the mineral index can well reveal the composition of rocks. Clearly shown on ASTER images are lithostratigraphic units covering a relatively large area，including Proterozoic crystalline limestone，the limestone in Permian Malzheng Formation，the sandstone in Middle Triassic Naocangjiangou Formation and the clastic rocks in Upper Triassic Babaoshan Formation.ASTER images would prove to be an effective method for extraction of lithologic information in bedrock exposed areas，especially for carbonate rocks as well as sedimentary and volcanic rocks with varying SiO2contents.But for the rock units of small thickness or altered rocks，the methods need to be improved.

Key words:ASTER;lithologic extraction;major composition analysis;mineral index;East Kunlun orogenic belt

EXTRACTION OF LITHOLOGIC INFORMATION FROM THE EAST KULUN OROGENIC BELT USING ASTER REMOTE SENSING IMAGE

GAO Wan-li1，ZHANG Xu-jiao1，WANG Zhi-gang2，ZHANG Zhi-cheng1，ZHANG Yao-ling3
(1.College of Earth Science and Resources，China University of Geosciences，Beijing100083，China; 2.Institute of Remote Sensing Application，Chinese Academy of Sciences，Beijing100101，China; 3.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Science，Beijing100081，China)

P627

A

1006-6616(2010)01-0059-11

2009-12-04

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212010711510)資助。

高萬里(1985-)，男，在讀碩士研究生，第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)專業(yè)。E-mail:gwanli851202@163.com。