余 健，董玉森，張 志，楊日紅

基于ASTER影像的蝕變異常提取方法研究
——以贊比亞謙比希銅礦床地區(qū)為例

余 健1，董玉森1，張 志1，楊日紅2

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院，武漢 430074;2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

基于贊比亞謙比希(Chambishi)銅礦帶中的多種蝕變礦物及其在ASTER影像VNIR－SWIR譜帶的特征光譜分析，采用相對波段吸收深度(Relative absorption－Band Depth，RBD)和波段比值的方法對蝕變信息進行增強處理。用波段比值A(chǔ)STER 2/ASTER 1和ASTER 3的RBD增強黃鐵礦和黃銅礦信息，用ASTER 8的RBD增強白云石、方解石和黑云母信息，用ASTER 6的RBD增強絹云母信息;對已有的Crosta主成分分析法進行改進，將信息增強后的比值和RBD數(shù)據(jù)應(yīng)用于Crosta法則，對謙比希銅礦及其附近區(qū)域進行蝕變信息提取。經(jīng)已知銅礦床(點)驗證及地質(zhì)資料分析證明，上述方法能夠有效地提取蝕變信息并識別研究區(qū)內(nèi)主要礦物，提取結(jié)果可靠，可為蝕變異常提取工作提供參考。

ASTER;SWIR;蝕變異常;謙比希;相對波段吸收深度(RBD)

0 引言

礦化蝕變遙感異常作為一種獨立的找礦因子，可以為找礦提供新的思路和手段。近年來，國內(nèi)利用多光譜遙感技術(shù)進行金屬礦產(chǎn)勘查已有廣泛應(yīng)用并取得顯著成效，諸如張玉君等［1，2］利用TM數(shù)據(jù)在基巖裸露區(qū)及淺覆蓋區(qū)開展了蝕變信息遙感異常提取工作;趙元洪等［3］利用TM數(shù)據(jù)的波段比值加主成分分析的方法提取熱液蝕變信息;馬建文等［4］提出在TM數(shù)據(jù)中分離環(huán)境干擾因素從而增強蝕變信息的方法。而國外對這方面的研究開始較早，Rokos等［5］用 TM 5/TM 7、TM 3/TM 1 波段比值和主成分分析方法對愛琴海盆地Quaternary島弧中的低溫熱液型金礦進行了蝕變信息提取和找礦預測;Timothy等［6］利用TM數(shù)據(jù)進行假彩色合成分析，在干旱氣候下的阿拉伯—努比亞地盾提取出金礦化蝕變信息;Loughlin［7］利用 TM 圖像的 4 個波段(TM1、TM3、TM5、TM7 或 TM1、TM4、TM5、TM7)，采取主成分變換結(jié)合主因子求反方法，對巴西熱帶地區(qū)殘積土壤中的三價鐵和羥基蝕變巖信息進行了填圖。這些研究一般是基于一些與熱液成礦作用相關(guān)礦物(如鐵染礦物和羥基礦物)的診斷性波譜特征，從而使遙感能對其進行識別［8，9］。但由于TM數(shù)據(jù)空間分辨率不高，加重了混合像元的影響;Goets在1975年曾提出用短波紅外的1.6～2.2 μm波譜帶反射率的比值可以區(qū)分未蝕變巖石和蝕變巖［10］，但TM數(shù)據(jù)光譜范圍較寬，覆蓋1.6～2.2 μm波譜范圍的只有TM5和TM7波段，尤其對于含Al－OH、Mg－OH和碳酸根離子的礦物(其特征吸收波譜分別位于2.2 μm 及 2.3 μm 附近［11，12］)，不能將它們很好地區(qū)分，因此在通過光譜分析識別巖性方面，TM數(shù)據(jù)還存在一定的局限性。

在多光譜數(shù)據(jù)中，ASTER數(shù)據(jù)由于具有較多的波段數(shù)(多達14個波段)、較高的波譜分辨率和空間分辨率(可見光/近紅外部分的空間分辨率為15 m)，對礦化蝕變信息的波譜特征有更好的識別能力。ASTER數(shù)據(jù)的VNIR、SWIR和TIR波段對巖性識別填圖可起到輔助作用，其中VNIR的3個波段對過渡金屬、尤其是鐵和稀土元素的波譜吸收［13，14］以及對光合作用植物的葉綠素的波譜吸收［15］是重要的信息源;在SWIR的6個波段中，碳酸鹽和氫氧化物礦物光譜顯示出與基團合頻和倍頻譜帶相關(guān)的分子吸收特征［16］。雖然一些組成巖石的重要礦物(如石英、長石)在VNIR和SWIR波段并沒有顯示出吸收特征，但在TIR波段顯示出基本分子吸收特征［17－20］，因此ASTER數(shù)據(jù)對硅酸鹽巖的識別有很大的優(yōu)勢。此外，ASTER數(shù)據(jù)的VNIR波段具有15 m的空間分辨率，盡管其幅寬僅為60 km，但ASTER的大角度側(cè)擺掃描成像能力將整個垂直軌道方向的成像范圍擴寬為232 km［21］。所以，在利用多光譜遙感數(shù)據(jù)對蝕變信息遙感異常提取中，與TM和ETM+數(shù)據(jù)相比，ASTER數(shù)據(jù)具有明顯優(yōu)勢。

基于上述背景，本文采用ASTER的可見光—近紅外波段和短波紅外波段數(shù)據(jù)，根據(jù)USGS標準波譜庫中的礦物波譜，借鑒前人研究方法并進行改進，開展了贊比亞謙比希(Chambishi)銅礦地區(qū)的蝕變遙感異常提取方法研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

謙比希銅礦位于贊比亞—剛果(金)銅礦帶的中部，該銅礦帶是非洲中部盧菲蓮(Lufilian)弧形構(gòu)造帶東段的一部分。盧菲蓮弧形構(gòu)造帶從贊比亞和剛果(金)邊境的東部呈弧形延伸到西部的贊比亞—安哥拉邊境，是一個長約500 km、寬80 km的Cu、Co、Ni、Pb、Zn 多金屬成礦帶。區(qū)內(nèi)最主要的構(gòu)造為NW向的卡富埃(Kafue)背斜，所有礦床均分布于該背斜兩翼的含礦地層中。銅礦帶的地層主要由前寒武紀的基底核與加丹加(Katangan)超群蓋層所組成;基底核地層為早前寒武紀的盧富布(Lufubu)超群和中前寒武紀的穆瓦(Muva)超群，前者為片巖、片麻巖及侵入其中的花崗巖，后者主要為石英巖(圖1)。

圖1 贊比亞謙比希銅礦帶地質(zhì)簡圖(引自趙興國，2010)Fig.1 The sketch geological map of Chambishi copper belt in Zambia(from Zhao Xing － guo，2010)

由于地表覆蓋物較薄，滲透性較好，致使礦體遭受了強烈的風化作用和氧化作用，形成了許多銅氧化物的礦物，主要有孔雀石、少量銅藍及原生黃鐵礦、黃銅礦和斑銅礦。脈石礦物有方解石、硬石膏、石英、長石、絹云母及白云母等。研究區(qū)的含礦建造還遭受了低級區(qū)域變質(zhì)作用，原始的礫石、長石質(zhì)砂巖、泥巖和粘土質(zhì)沉積物已變?yōu)榈[巖、長石質(zhì)石英巖、石英質(zhì)長石砂巖、泥巖和片巖;碳酸鹽巖建造已重結(jié)晶成白云質(zhì)或方解石質(zhì)大理巖;在粗粒的長石砂巖和礫巖中，受剪切作用影響的細粒白云母已變成絹云母和黑云母［22］。礦區(qū)內(nèi)只發(fā)現(xiàn)了一些小型斷裂，在背斜頂部石英巖中發(fā)現(xiàn)了與拖拽褶皺有關(guān)的小斷裂。沿著底礫巖、粗礫巖和下盤礫巖3個礫巖層都出現(xiàn)了層間滑動，雖然滑動距離并不大，卻形成了剪切帶。區(qū)內(nèi)斷裂對礦體無明顯的錯斷［23］。

2 蝕變異常提取

2.1 數(shù)據(jù)預處理

采用的ASTER數(shù)據(jù)獲取于2005年4月10日，圖幅范圍為12°07'40″～12°46'09″S，27°38'08″～28°20'08″E，產(chǎn)品等級為L1B。由于原始數(shù)據(jù)在衛(wèi)星接收時受到各種因素影響，為了減小誤差、提高蝕變信息提取的精度，需對ASTER L1B數(shù)據(jù)進行預處理。

2.1.1 去串擾處理

ASTER短波紅外波段(SWIR)存在因探測器單元的光子泄漏而產(chǎn)生的輻射率偏移或附加誤差導致的串擾(Crosstalk)現(xiàn)象。考慮到串擾效應(yīng)有可能引起數(shù)據(jù)的反射率異常，本文應(yīng)用Crosstalk校正軟件［24］對ASTER L1B數(shù)據(jù)的短波紅外波段數(shù)據(jù)進行了去串擾處理，以保證蝕變異常信息的提取精度。

2.1.2 重采樣

ASTER數(shù)據(jù)的空間分辨率在可見光—近紅外波段(VNIR)為15 m，而在短波紅外波段(SWIR)為30 m。為了充分利用ASTER數(shù)據(jù)在VNIR波段的高空間分辨率優(yōu)勢，將SWIR波段的像元重采樣到15 m;然后與VNIR波段合成，形成9個波段的數(shù)據(jù)。

2.1.3 大氣校正

蝕變信息提取基于礦物光譜在各個波段的反射強度，因此需去除大氣、氣溶膠對輻射傳輸?shù)挠绊懀囱莸乇碚鎸嵎瓷渎?。利?ENVI軟件中的FLAASH模塊對ASTER數(shù)據(jù)進行大氣校正，消除大氣和光照等因素對地物反射的影響，從影像中還原出地物的地表反射率、輻射率和地表溫度等真實物理模型參數(shù)［25］。分別選用典型地物(如植被、砂土、銅礦點等)對大氣校正效果進行驗證，結(jié)果表明，大氣校正后地物的波譜曲線與實際地物波譜有較好的擬合，校正效果較好。

2.1.4 邊框去除

由于ASTER數(shù)據(jù)的可見光—近紅外波段和短波紅外各波段的覆蓋范圍不一致，造成邊框區(qū)域在蝕變信息提取時會出現(xiàn)假異?，F(xiàn)象，因此需將覆蓋范圍不一致的邊框區(qū)域去除，以保證處理結(jié)果有效、準確、合理。利用ASTER 3和ASTER 6進行波段“與”(and)運算，做成掩模，使數(shù)據(jù)在東西方向覆蓋范圍一致;然后利用ASTER 5和ASTER 7進行波段“與”運算，使數(shù)據(jù)在南北方向覆蓋范圍一致。

2.1.5 干擾地物去除

本研究區(qū)中主要的干擾地物有植被、河流、居民地、干泥地、云和尾礦庫等，這些地物會對蝕變信息的提取造成影響。根據(jù)干擾地物的特征光譜(如:植被在ASTER 3有強反射而在ASTER 2卻有強吸收;水體整體反射率均很低且在近紅外波段反射值幾乎為零;云的反射率在近紅外波段呈異常高值)，對其提取并進行掩模運算，將干擾物分離并去除。

2.2 蝕變異常信息提取

遙感蝕變異常信息的提取主要依據(jù)蝕變礦物的波譜特征采用主成分分析方法實現(xiàn)。對遙感數(shù)據(jù)進行主成分分析以增強蝕變異常信息，近年來已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)，國內(nèi)也有多位學者和專家對多種不同類型的研究區(qū)域進行了相關(guān)的研究工作，取得了顯著成果;但從地質(zhì)成礦理論來看，每個成礦帶都有各自的成礦特點和蝕變組合，不同的蝕變組合對于成礦類型判斷的指導意義也各有不同。因此，前人研究的蝕變異常提取方法只能作為成礦類型相似地區(qū)蝕變異常提取的參考，而對于成礦類型不同的地區(qū)，最適宜的方法還有待不斷嘗試和創(chuàng)新，以期達到最好效果。

2.2.1 蝕變礦物光譜特征分析

利用ASTER的VNIR和SWIR波段進行巖性識別的基礎(chǔ)是巖石的礦物組成及其在各波段的光譜反射率。正如Hunt等［26］早在1978年基于礦物標本反射光譜試驗研究得出的結(jié)論:巖石中礦物的主要化學成分(即Si、Al、O和Mg)在可見光—近紅外及短波紅外區(qū)間不能產(chǎn)生診斷性譜帶，而次要礦物中的Fe2+、Fe3+、OH－和CO2－3離子或離子基團反而在巖石譜帶中占據(jù)著具診斷意義的優(yōu)勢地位。

裸露巖石的光譜主要由組成巖石的礦物光譜疊加而成，因此礦物的光譜特征是巖石光譜特征的主要決定因素［27］。研究區(qū)內(nèi)組成出露礦點的主要礦物有孔雀石、銅藍、黃鐵礦、黃銅礦和斑銅礦，蝕變礦物主要為白云石、方解石、絹云母和黑云母。本文采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)丹佛光譜實驗室采集的標準礦物波譜庫中的波譜曲線，對研究區(qū)主要蝕變礦物進行波譜對比分析。利用ENVI軟件中的波譜運算功能，將波譜庫中的相應(yīng)礦物波譜重采樣到ASTER波譜段上，得到ASTER礦物波譜曲線(圖2)。

圖2 USGS波譜庫波譜(實線)與ASTER重采樣波譜(虛線)Fig.2 Spectra from USGS spectral library(solid)and spectra resampled from ASTER(dashed)

在含金屬離子的礦物中，黃鐵礦的波譜在ASTER 1和ASTER 3波段均有強吸收特征，而在ASTER 2和ASTER 4波段有強反射特征，特征譜帶較為明顯;黃銅礦的波譜在ASTER 1和ASTER 3波段有吸收特征，在ASTER 2和ASTER 4波段呈反射特征，與黃鐵礦相似，在ASTER 5和ASTER 6波段呈現(xiàn)弱吸收谷;斑巖銅礦的反射波譜曲線總體呈遞增趨勢，特征譜帶不明顯。

在含CO2－3離子的礦物中，方解石和白云石在ASTER 1～4波段反射率均呈上升趨勢，在ASTER 5、6波段才略有吸收特征，而在ASTER 7、8波段兩者均呈現(xiàn)明顯吸收特征，且在ASTER 8波段存在吸收谷，這與CO2－3離子在NIR光譜2.35 μm和2.55 μm附近出現(xiàn)的內(nèi)振動的倍頻或合頻較強有密切關(guān)系。

硅酸鹽類礦物中，從黑云母波譜曲線可以看出，反射率總體穩(wěn)定增大，但在ASTER 8波段存在微弱吸收特征;絹云母在ASTER 1～3波段反射率緩慢遞增，在ASTER 4、5波段則呈下降趨勢，在ASTER 6波段呈現(xiàn)吸收谷特征譜帶。

對上述礦物光譜特征的描述見圖3。

圖3 研究區(qū)主要礦物反射率波譜曲線及吸收特征(ASTER各波段中心在圖頂部標出)Fig.3 The reflectance spectra and absorption features of main rock－forming minerals in study area(ASTER band centers shown at the top)

從圖3可以看出，根據(jù)研究區(qū)主要礦物的吸收特征譜帶，可以將它們分為3類:第1類礦物(黃鐵礦、黃銅礦)在ASTER 1、3波段有強吸收，而在ASTER 2、4波段有強反射;第2類礦物(方解石、白云石和黑云母)在ASTER 8波段有吸收谷;第3類礦物(絹云母)在ASTER 5、6波段有弱—強吸收特征。通過歸納，選擇出每類礦物的特征吸收譜帶，進而選擇相應(yīng)的ASTER波段組合進行相關(guān)信息的提取。

2.2.2 蝕變異常提取方法

根據(jù)上述主要蝕變礦物波譜分析，參考Crosta主成分分析法［28］的原理，選用ASTER各波段組合進行蝕變異常信息提取:①第1類礦物信息提取中，選用 ASTER 1、ASTER 2/ASTER 1、ASTER 3 和(ASTER 2+ASTER 4)/ASTER 3等4種波段組合進行主成分分析，雖然只有黃鐵礦的特征譜帶比較明顯，但黃鐵礦、黃銅礦和斑巖銅礦的波譜均在ASTER 1、2波段有較大反差，且黃鐵礦在ASTER 3波段具有強吸收，ASTER 3波段的吸收谷與ASTER 2、4波段的吸收肩形成強烈對比，故使用波段比值［29，30］ASTER 2/ASTER 1和ASTER 3波段的相對波段吸收深度［31］(Relative absorption － Band Depth，RBD)即RBD 3對蝕變礦物信息進行增強;②第2類礦物信息提取中，選用 ASTER 1、ASTER 3、ASTER 4和(ASTER 7+ASTER 9)/ASTER 8，將RBD 8選入波段組合也是考慮到ASTER 8波段的吸收特征與鄰近波段形成很好的反差，能起到增強蝕變信息的作用;③第3類礦物信息提取則選用 ASTER 1、ASTER 3、ASTER 4 和(ASTER 5+ASTER 7)/ASTER 6，同理，也是利用RBD 6來更好地識別和提取蝕變信息。

2.2.3 方法應(yīng)用

將上述方法應(yīng)用于研究區(qū)ASTER影像，得到以下特征向量矩陣(表1～3)。

從第1類礦物波段組合主成分分析的特征向量矩陣(表1)中可以看出，PC3主分量所包含的信息中，ASTER 2/ASTER 1波段組合的權(quán)值最大，(ASTER 2+ASTER 4)/ASTER 3波段組合次之，且兩者權(quán)值均為負值，因此可以認為，PC 3主分量的信息主要由 ASTER 2/ASTER 1和(ASTER 2+ASTER 4)/ASTER 3貢獻，而ASTER 2/ASTER 1和(ASTER 2+ASTER 4)/ASTER 3波段組合能夠增強含金屬離子的礦物。將第三主分量進行PC 3×(－1)處理后，亮色調(diào)區(qū)域即為第1類礦物的蝕變強烈區(qū)。

表1 第1類礦物波段組合主成分分析特征向量矩陣①Tab.1 Eigenvector matrix for the first group of minerals

從第2類礦物波段組合主成分分析的特征向量矩陣(表2)中可以看出，PC 4主分量的信息量主要由(ASTER 7+ASTER 9)/ASTER 8波段組合貢獻，正好體現(xiàn)了第2類蝕變礦物在ASTER 8波段的吸收特征，而且PC 4主分量的他波段的權(quán)值符號也能反映第2類礦物波譜曲線的反射和吸收特征，因此認為PC 4為第2類蝕變礦物的主分量。

表2 第2類礦物波段組合主成分分析特征向量矩陣Tab.2 Eigenvector matrix for the second group of minerals

同理，在第3類礦物波段組合主成分分析的特征向量矩陣(表3)中，PC 4主分量的信息量主要由(ASTER 5+ASTER 7)/ASTER 6波段組合貢獻，最能體現(xiàn)第3類礦物的波譜特征，可作為第3類蝕變礦物的主分量。

表3 第3類礦物波段組合主成分分析特征向量矩陣Tab.3 Eigenvector matrix for the third group of minerals

將上述3類蝕變礦物的蝕變信息主分量分別提取出來后，采用張玉君等［32］提出的主分量閾值化技術(shù)分級的作法，計算單波段圖像的平均值及標準離差(σ)，以標準離差的值作為分級的尺度，并以標準離差的倍數(shù)作為閾值，用于限定異常水平。最后，為了避免提取結(jié)果圖中的大量噪聲點，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行了窗口為5×5的中值濾波，得到蝕變礦物異常信息分布圖(圖4)。

圖4 研究區(qū)蝕變礦物異常信息分布圖及構(gòu)造綱要圖(緯度為南緯，經(jīng)度為東經(jīng))Fig.4 Anomaly distribution images of alteration minerals and tectonic sketch map of the study area

2.2.4 結(jié)果分析

參照研究區(qū)地質(zhì)簡圖(圖1)分析3類蝕變信息提取結(jié)果可以看出，研究區(qū)內(nèi)的蝕變信息多分布于已知礦點及其周圍地區(qū)，且大部分沿加丹加地層邊緣分布，這與地質(zhì)資料中描述的有礦體賦存的加丹加群下羅恩組含礦建造具有較好的相關(guān)性。區(qū)域內(nèi)的主要構(gòu)造——卡富埃背斜兩側(cè)的含礦地層也有蝕變信息分布，因此認為，提取的蝕變信息結(jié)果比較符合地質(zhì)資料的描述。

具體分析3類蝕變信息提取結(jié)果，發(fā)現(xiàn)3類蝕變礦物的分布雖整體在空間關(guān)系上具有較好的一致性，但仔細觀察每處礦點蝕變信息的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，3者的覆蓋范圍僅具有很低的重合率，說明只有3種方法的綜合運用才能比較完整地提取研究區(qū)各類蝕變異常信息，也能更好地體現(xiàn)ASTER數(shù)據(jù)對各種礦物的識別能力。

3 結(jié)論

(1)本文利用相對波段吸收深度(RBD)和波段比值方法對贊比亞謙比希銅礦帶ASTER影像中蝕變礦物信息進行增強，并將信息增強后的影像運用于Crosta法則，替換其中相應(yīng)波段進行主成分分析，提取了研究區(qū)內(nèi)3類主要蝕變礦物的異常信息。經(jīng)謙比希銅礦帶地質(zhì)資料驗證，此方法提取的礦化蝕變信息分布與地質(zhì)資料的描述有較好的相關(guān)性。

(2)采用3種波段組合進行主成分分析，所提取的3類蝕變礦物信息在空間分布上重疊率較低，證明了ASTER數(shù)據(jù)對蝕變礦物具有很好的識別能力，這主要取決于在蝕變礦物比較敏感的2.0～2.5 μm范圍內(nèi)ASTER具有5個波段能夠?qū)蠱g－OH、Al－OH 和 CO2－3離子的蝕變礦物加以區(qū)分。

(3)本文對植被覆蓋區(qū)礦化蝕變信息提取方法的研究還比較欠缺，有待進一步探索。

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Research on the Methods for Extraction of Alteration Information by Using ASTER Data:A Case Study of the Chambishi Copper Deposit in Zambia

YU Jian1，DONG Yu －sen1，ZHANG Zhi1，YANG Ri－h(huán)ong2
(1.The Faculty of Earth Science，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;2.China Aero Geophysical Survey ＆ Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China)

Based on several altered rocks in the Chambishi copper deposit and the spectral characteristics of the rocks existing in VNIR －SWIR bands of ASTER data，the authors adopted the methods of Relative absorption－Band Depth(RBD)and band ratio to enhance the mineral alteration information in this paper.The band ratio of ASTER 2/ASTER 1 and the RBD of ASTER 3 were used to enhance the chalcopyrite and pyrite information，the RBD of ASTER 8 was used to enhance biotite and calcite information，and the RBD of ASTER 6 was used to enhance the sericite information.To improve the existing method of Crosta principal component analysis，the authors applied the combination of the enhanced band ratio and RBD to Crosta method with the purpose of extracting the alteration information of the copper deposit and neighborhood areas in Chambishi.As proved by known copper deposit locations and geological analysis，the methods mentioned above can effectively extract the alteration information and distinguish the main minerals in the study area.The results are reliable，thus supplying references to the extraction of alteration information.

ASTER;SWIR;Alteration anomalies;Chambishi;Relative absorption－Band Depth(RBD)

TP 79

A

1001－070X(2011)03－0054－07

2010－12－27;

2011－02－14

科技部項目(編號:2008AA121103－3)資助。

余 健(1986－)，男，土家族，中國地質(zhì)大學(武漢)在讀碩士研究生，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)、遙感地質(zhì)等遙感應(yīng)用研究。

(責任編輯:劉心季)