鄧素貞，賀佳惠，王永軍

(1．河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050000;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074;3．核工業(yè)航測(cè)遙感中心，石家莊 050002)

ETM數(shù)據(jù)在金礦化蝕變信息提取中的應(yīng)用研究
——以張家口下雙臺(tái)地區(qū)為例

鄧素貞1，賀佳惠2，王永軍3

(1．河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050000;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074;3．核工業(yè)航測(cè)遙感中心，石家莊 050002)

金礦遙感探測(cè)之關(guān)鍵在于成礦構(gòu)造及鐵氧化物、含羥基蝕變礦物信息的提取。以張家口下雙臺(tái)地區(qū)為研究區(qū)，利用ENVI 4．0圖像處理軟件，通過(guò)“多元數(shù)據(jù)分析 +比值+主成分變換 +密度分割+分類”等方法，從Landsat－7 ETM數(shù)據(jù)中提取礦化蝕變信息并抑制植被波譜干擾，方法快速、準(zhǔn)確、有效。結(jié)果表明，利用該方法獲得的礦化蝕變信息與已知礦點(diǎn)有很大的一致性，該方法是可行的。

ETM;蝕變信息;圖像比值;主成分變換;密度分割

0 引言

遙感技術(shù)如何應(yīng)用于找礦實(shí)踐是遙感界多年來(lái)一直在探索的問(wèn)題。蝕變信息提取是目前國(guó)內(nèi)外地學(xué)工作者十分重視的課題，諸多學(xué)者競(jìng)相開(kāi)展應(yīng)用遙感圖像進(jìn)行蝕變巖填圖和提取熱液蝕變信息的試驗(yàn)，并取得了不少成果［1－9］。一般都采用比值 +主成分分析的方法，要求研究區(qū)是干旱或半干旱環(huán)境，植被稀少或沒(méi)有植被，基巖露頭好，但在復(fù)雜環(huán)境下的效果卻不令人滿意。本研究則采用“多元數(shù)據(jù)分析+比值+主成分變換+密度分割+分類”方法，對(duì)張家口地區(qū)的ETM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及地質(zhì)解譯，成功提取了該區(qū)與成礦有關(guān)的蝕變信息。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為河北張家口東部下雙臺(tái)周圍地區(qū)，位于華北地臺(tái)燕遼沉降帶與內(nèi)蒙古地軸交界部位，北部有一級(jí)區(qū)域控制性斷裂——崇禮—赤城深大斷裂。區(qū)內(nèi)主要出露太古界谷咀子組角閃斜長(zhǎng)片麻巖、二輝斜長(zhǎng)麻粒巖、含石榴二輝斜長(zhǎng)麻粒巖夾淺色麻粒巖、不純大理巖和磁鐵石英巖組成的混合巖及燕山期中酸性雜巖體。

該區(qū)主要圍巖蝕變有絹云母化、硅化、碳酸鹽化、黃鐵礦化、綠泥石化和黃鐵絹英巖化，其中硅化、絹云母化、碳酸鹽化、綠泥石化和黃鐵礦化與金礦化有密切關(guān)系。該區(qū)植被較發(fā)育，給地表直接找礦工作帶來(lái)一定的困難。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

本次研究使用2000年5月23日獲取的Landsat－7 ETM數(shù)據(jù)。利用遙感圖像處理軟件(ENVI 4．0)對(duì)其進(jìn)行處理分析。在ETM數(shù)據(jù)中，ETMl波段為鐵離子電荷轉(zhuǎn)移吸收帶，ETM4波段為鐵離子晶體場(chǎng)效應(yīng)吸收帶，ETM5波段為大部分造巖礦物的高反射譜段，ETM7波段為粘土礦物及碳酸鹽礦物光譜吸收帶。研究表明，植被的葉綠素在ETM1～3波段有吸收特征，而在ETM3、4波段反射率陡然升高。從試驗(yàn)區(qū)巖石礦物光譜吸收特征顯著程度來(lái)看，鐵氧化物的顯著吸收特征出現(xiàn)在ETMl波段，粘土礦物光譜吸收特征出現(xiàn)在ETM7波段。

與金礦礦化蝕變有關(guān)的礦物主要為一些含羥基(OH－)的粘土礦物(絹云母化、綠泥石化等)和富含三價(jià)鐵離子(Fe3+)的礦物。只有羥基(OH－)和三價(jià)鐵離子(Fe3+)信息在圖像上同時(shí)顯示為異常的地帶，才是可能與金礦礦化蝕變有關(guān)的部位。本區(qū)與金礦有關(guān)的蝕變主要有硅化、絹云母化、碳酸鹽化、綠泥石化及黃鐵礦化(多氧化形成鐵染)。

金礦礦化蝕變信息的提取主要是提取含羥基(OH－)和富含三價(jià)鐵離子(Fe3+)的礦物信息。根據(jù)波譜特性分析，ETM7能綜合反映吸收谷在2．2μm附近的粘土礦物(含羥基離子OH－)及吸收谷在2．35μm附近的碳酸鹽礦物信息;粘土礦物、碳酸鹽礦物在 ETM5波段均為高亮度值，并且 ETM5＞ETM7;對(duì)于含鐵離子(Fe3+)礦物的亮度值而言，ETM3＞ETM1;對(duì)于植被的亮度值而言，ETM4＞ETM3，ETM4＞ETM5，ETM5＞ETM7;對(duì)于水體的亮度值而言，ETM2＞ETM4。

3 圖像處理

3．1 主成分分析(PCA)

PCA中每一個(gè)PC組分都是原ETM各波段信息的線性組合，都存在著信息的增強(qiáng)和歸并;不同的PC組分所增強(qiáng)和歸并的信息類型不同，各自包含著不同的地物特征地物信息，這與地物的波譜特征有關(guān)。一般地說(shuō)，在某個(gè)PC組分中，它所含ETM某些波段載荷因子的絕對(duì)值越大，則表示在此PC組分中反映這些ETM波段的光譜特征信息越多，也就是說(shuō)這些波段信息對(duì)此PC組分圖像的貢獻(xiàn)越大。

3．1．1 礦化蝕變信息增強(qiáng)

根據(jù)以上波譜特性分析，含鐵礦物在ETM3波段(0．63～0．69 μm)反射最強(qiáng)，在 ETM1 波段(0．45 ～0．52μm)反射最弱;粘土礦物(如絹云母)在ETM5波段(1．55 ～1．75 μm)反射最強(qiáng)，在ETM7 波段(2．08～2．35μm)反射最弱;對(duì)該區(qū)ETM1～5、7波段的主成分分析(PCA)結(jié)果(表1)進(jìn)行特征組分分析。

表1 ETM1～5、7波段的PCA統(tǒng)計(jì)Tab．1 PCA statistic of ETM 1 ～5、7

從表 1可以看出，在 PC4組分中，ETM1和ETM3兩個(gè)波段的載荷系數(shù)的絕對(duì)值比該組分中其他波段載荷系數(shù)都大得多，故認(rèn)為PC4組分圖像主要由ETM1和ETM3決定;結(jié)合二者的波譜特性分析，鐵氧化物在 ETM1波段表現(xiàn)為吸收特征，在ETM3波段表現(xiàn)為高反射特征，故PC4組分是反映含鐵(Fe3+)礦物信息的特征組分;2個(gè)載荷系數(shù)符號(hào)相反;在PC4組分圖像上鐵氧化物呈亮色調(diào)。

PC5組分中，ETM5和ETM7兩個(gè)波段的載荷系數(shù)絕對(duì)值比其他波段的載荷系數(shù)都大，故可認(rèn)為PC5組分圖像主要由ETM5和ETM7波段決定;2個(gè)載荷系數(shù)的符號(hào)相反，結(jié)合其波譜特性分析，粘土礦物(含OH－)和碳酸鹽巖礦物(含CO2－3)在ETM7波段光譜范圍內(nèi)存在明顯的吸收谷，而在ETM5波段上相對(duì)高反射，由此可以知道粘土礦物和碳酸鹽巖礦物在PC5組分圖像上呈亮色調(diào)，并認(rèn)為PC5為反映粘土礦物和碳酸鹽巖礦物信息的特征組分。

在PC2組分中，有ETM4、ETM5和ETM7波段的載荷系數(shù)為負(fù)值，ETM1、ETM2和ETM3波段的載荷系數(shù)均為正值，故可認(rèn)為PC2組分反映的主要是地物在可見(jiàn)光波段與近紅外波段反射亮度的差別;從波譜特性分析，水的反射主要出現(xiàn)在可見(jiàn)光波段，而ETM4、ETM5和ETM7波段對(duì)地物的含水量較為敏感，所以PC2主要是反映濕度(地物含水量)的特征組分。

將PC4(圖1)、PC5和PC2等3個(gè)組分的直方圖作均衡化處理，得到如圖2所示的PC452合成圖像。圖像上，與鐵礦相關(guān)的鐵氧化物蝕變信息呈淺白色斑塊(圖1)，與金礦相關(guān)的蝕變信息呈淡紫—粉紅色團(tuán)塊狀(圖2)。

3．1．2 鐵氧化物蝕變信息增強(qiáng)

如前所述，鐵氧化物的特征光譜信息集中在ETM1～4波段，并且在ETM1和ETM4波段為吸收谷，在ETM3呈高反射特征;在選擇鐵氧化物蝕變信息提取的PCA波段組合時(shí)，為了減少含羥基和碳酸根礦物的干擾，舍棄了ETM7波段;在ETM2波段由于鐵氧化物信息偏弱，也被舍棄。該區(qū)ETM1、3、4和5波段的PCA結(jié)果如表2所示。

表 2 ETM1、3、4、5 波段的 PCA 統(tǒng)計(jì)Tab．2 PCA Statistic of ETM 1，3，4，5

從表2可以看出，在主成分分析得到的4個(gè)PC組分中，PC4組分中的ETM1和ETM3絕對(duì)值最大，也就是說(shuō)貢獻(xiàn)率最大，且符號(hào)相反。結(jié)合“鐵帽”的波譜特性分析，PC4組分反映了最強(qiáng)的鐵氧化物蝕變信息特征，故稱PC4特征組分為“鐵組分”(圖3)，以“F”表示。

圖3 PC4鐵組分特征圖像Fig．3 Character image of PC4(F)composition

3．1．3 粘土化蝕變信息增強(qiáng)

如前所述，粘土礦物(含羥基礦物)的特征光譜信息主要集中在ETM5和ETM7波段，前者為相對(duì)高反射帶，后者為特征吸收帶。為增強(qiáng)粘土化礦物的蝕變信息，選擇 ETM1、4、5和7波段(舍棄 ETM2和ETM3旨在減少含鐵礦物的干擾)進(jìn)行PCA分析。

PCA分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。PC4組分中ETM5和ETM7波段載荷因子最大，且符號(hào)相反，反映了最強(qiáng)的粘土化蝕變信息，故稱其為“羥基組分”，以“H”表示。

表 3 ETM1、4、5、7 的 PCA 統(tǒng)計(jì)Tab．3 PCA statistic of ETM 1，4，5，7

3．2 比值分析

比值處理將不同波段圖像的對(duì)應(yīng)像元值相除，得到的結(jié)果可以消除地形陰影對(duì)地物影像特征的影響;增強(qiáng)構(gòu)造形跡和巖石特征，有利于識(shí)別構(gòu)造和含礦巖性;也可以擴(kuò)大地物的色調(diào)差別，有助于區(qū)分某些在單波段圖像上容易混淆的地物，最大限度地抑制或消除與地質(zhì)無(wú)關(guān)的信息。

采用ETM3/ETM1比值處理，能增強(qiáng)鐵染礦物蝕變信息，簡(jiǎn)稱“3D1”組分;采用ETM5/ETM7比值能有效地提取粘土礦物蝕變信息，簡(jiǎn)稱“5D7”組分。

3．3 綜合分析

以上采用不同處理方法得到的礦化蝕變信息增強(qiáng)組分，對(duì)不同類型的蝕變信息增強(qiáng)各有側(cè)重，并存在一定的相關(guān)性，也就是說(shuō)，存在信息重復(fù)或冗余。實(shí)踐表明，在本區(qū)ETM3/ETM1與“鐵”組分之間、ETM5/ETM7與“羥基”組分之間存在較明顯的相關(guān)性?？梢愿鶕?jù)需要對(duì)以上4個(gè)組分(F、H、3D1和5D7)作一些處理，再利用主成分分析可以對(duì)各圖像變量進(jìn)行信息重組(去相關(guān)和歸并)，獲取信息最集中、干擾信息最少的特征組分，以該組分圖像作為蝕變信息提取對(duì)象。

從F、H、3D1和5D7等4個(gè)特征組分的PCA統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)可以看出，主成分變換后的主要信息集中在PC1和PC2兩個(gè)組分中，兩者占全部信息量的99．46%。其中PC1組分的信息主要來(lái)自H和F組分，且符號(hào)相反，是4個(gè)PC組分中能最好地突出礦化蝕變信息的特征組分。因而選擇信息量最豐富的PC1組分進(jìn)行金礦化蝕變信息提取。

表4 F、H、3D1和5D7特征組分的PCA統(tǒng)計(jì)Tab．4 PCA statistics of F，H，3D1 and 5D7

對(duì)PC1特征組分進(jìn)行線性反差增強(qiáng)、濾波、密度分割和分類處理，壓抑乃至去除與蝕變無(wú)關(guān)的信息，從而形成了只有蝕變暈的彩色圖像。蝕變暈從中心向外，顏色由藍(lán)黑色—黃色—青色，變化非常醒目。再把蝕變暈的彩色圖像與ETM7的黑白圖像疊合在一起，生成最終的金礦蝕變信息提取圖像(圖4)。

圖4 PC1組分密度分割分類圖像Fig．4 Classified image of PC1 density slicing

圖4中的藍(lán)、黃、青色區(qū)域?yàn)榕c金礦、鐵礦相關(guān)的信息異常區(qū)。與前面的結(jié)果(圖1～3)吻合程度相當(dāng)高，地質(zhì)效果較好。

4 野外驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)野外實(shí)地驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在上述處理所得的蝕變信息異常區(qū)內(nèi)，有已知的礦床在開(kāi)采;整個(gè)礦區(qū)的含礦破碎帶呈近南北向分布，與提取的蝕變信息相吻合。

5 結(jié)論

(1)ETM圖像的7個(gè)波段包含著豐富的光譜信息，用于提取礦化蝕變信息是可行的;本文采用的“多元數(shù)據(jù)分析+比值+主成分變換+密度分割+分類”可為成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)和找礦區(qū)帶的快速評(píng)價(jià)提供簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、有效的技術(shù)方法。

(2)本文方法注重多種方法的有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)特征變量的選擇，始終把干擾信息的剔除作為增強(qiáng)礦化蝕變信息的重要手段，通過(guò)層層剝離將礦化蝕變信息逐步從各種干擾中分離出來(lái)。

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(責(zé)任編輯:劉心季)

The Application of ETM Data to the Extraction of Gold Mineralization and Alteration Information:a Case Study of Xiashuangtai Area in Zhangjiakou

DENG Su－zhen1，HE Jia－h(huán)ui2，WANG Yong－jun3
(1．Hebei Institute of Geological Survey，Shijiazhuang 050000，China;2．China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;3．Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry，Shijiazhuang 050002，China)

The key point for gold exploration using remote sensing technology is the information extraction of oreforming structures and spectral characteristics of ferrite oxides and altered hydrousminerals．On the basis of the remote sensing image processing software(ENVI 4．0)and by using a new quick，exact and effective method for extraction of gold mineralization and alteration information，namely"multivariate data analysis+ratio+PCA+DS+classification"，the spectral characteristics of altered minerals can be extracted，and the influence of the vegetation can be suppressed．It is demonstrated that the gold mineralization and alteration information is in accordance with the known mine spot，and the method is very feasible．

ETM;Alteration information;Image ratio;Principal Component Analysis(PCA);Density Slicing(DS)

鄧素貞(1956－)，女，工程師，主要從事遙感地質(zhì)找礦應(yīng)用研究。

TP 79

A

1001－070X(2010)04－0056－04

2010－03－22;

2010－04－15

河北省地質(zhì)勘查資金項(xiàng)目(編號(hào):［2005］041)資助。