高建陽

(福建省地質(zhì)遙感中心,福州 350011)

Hyperion高光譜數(shù)據(jù)在福建鐘騰銅鉬礦區(qū)的應(yīng)用研究

高建陽

(福建省地質(zhì)遙感中心,福州 350011)

以福建平和鐘騰銅鉬礦區(qū)為例,簡要介紹了 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù),探討了基于特征譜帶的光譜微分及基于完全波形特征的光譜匹配等遙感礦物識別方法,初步識別出該礦區(qū)的絹英巖,并為地質(zhì)資料、野外踏勘以及巖礦鑒定所證實。旨在交流基于高光譜遙感數(shù)據(jù)的巖礦信息提取方法技術(shù),對高植被覆蓋區(qū)的遙感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探索。

Hyperion高光譜;信息提取;礦物識別

0 引言

高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展,改善了巖礦信息識別與提取的技術(shù)條件,大大地增強了遙感對地物的鑒別能力,提高了遙感技術(shù)的定量化水平,使遙感從對地物的鑒別發(fā)展到對地物的直接識別和量化階段,并將使遙感地質(zhì)工作方法發(fā)生了突破性的變化[1]。

Hyperion高光譜圖像雖幅寬較窄,但光譜分辨率較高,對地物的成分、含量、存在狀態(tài)、動態(tài)變化等方面的探測能力是多光譜圖像所不能及的。隨著成像光譜儀光譜分辨率和空間分辨率的不斷提高,高光譜遙感正在廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、植被研究、農(nóng)業(yè)遙感、大氣以及環(huán)境遙感等領(lǐng)域,并發(fā)揮著越來越重要的作用。其中,地質(zhì)調(diào)查是高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用最成功的一個領(lǐng)域,利用高光譜數(shù)據(jù)可以識別多種礦物和繪制礦物分布圖等[2]。

本文應(yīng)用福建省平和地區(qū)鐘騰銅鉬礦區(qū)的Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行了該礦區(qū)絹英巖的初步識別與提取研究,對高植被覆蓋區(qū)的礦物識別與提取技術(shù)進(jìn)行了初步探索。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

福建平和鐘騰銅鉬礦區(qū)位于福安—南靖北東向斷裂帶和上杭—云霄北西向斷裂帶交叉復(fù)合部位,屬上杭—云霄銅多金屬成礦亞帶的南段。鐘騰銅鉬礦床位于鐘騰深成巖體內(nèi),礦體分布于斑巖體內(nèi)外接觸帶。鐘騰巖體的花崗閃長巖侵入時代為早白堊世。與成礦有關(guān)的斑巖體主要是石英閃長玢巖和花崗閃長斑巖,呈不規(guī)則的巖枝侵入到鐘騰巖體中,集中分布于東西向斷裂帶上,時代屬于早白堊世晚期。

鐘騰礦區(qū)包括銅坑和桐樹棵 2個礦段,共計 70多個大小礦體,其中主要工業(yè)礦體有 10個。礦體形態(tài)不規(guī)則,埋深 7～440m,在地表或近地表可見到礦體。礦石以細(xì)脈浸染狀構(gòu)造為主,也有團(tuán)塊狀、致密塊狀和細(xì)脈條帶狀。近礦圍巖蝕變有絹英巖化和黑云母鉀長石化;富礦體常伴有硅化、綠泥石化和綠簾石化;圍巖蝕變水平分帶不明顯,但略具垂直分帶性,自上而下大致可分為絹英巖化帶和鉀化帶。

金屬礦物以黃銅礦、輝銅礦、輝鉬礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦和磁鐵礦為主,偶見閃鋅礦、方鉛礦和斑銅礦;脈石礦物有長石、石英、綠泥石、黑云母以及次生褐鐵礦、孔雀石和膽礬等。

航磁△T為正負(fù)伴生的北東向帶狀異常,基本反映了復(fù)式巖體范圍,有 2個局部異常(編號分別為 75-15和 75-4)。其中,75-4號異常位于上水湖,為輝石閃長巖所致;75-15號異常位于南山,成因不詳。

1∶20萬水系沉積物異常組合為 Cu-M o,Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30×10-6～60×10-6。1∶5萬水系沉積物測量有 Cu-M o異常。土壤測量以 Cu-M o異常為主,異常規(guī)模較大,面積達(dá) 0.006～0.31 km2。

鐘騰銅鉬礦成礦溫度為磁黃鐵礦 340～480℃、黃鐵礦 325℃、黃銅礦 285℃和石英 280℃,與我國斑巖銅礦成礦溫度 (主要為 200～380℃)相比偏高。另據(jù)蝕變礦物鉀長石及絹云母的氧同位素測定,反映成礦作用早期鉀化階段的流體主要為巖漿水,而中、晚期絹云母化階段的流體亦以巖漿水為主。

綜合分析認(rèn)為,鐘騰礦床應(yīng)屬淺成侵入巖漿期后脈狀斑巖型銅鉬礦床,礦床成因類型為斑巖型,礦床成礦模式見圖 1。

圖 1 鐘騰銅鉬礦床成礦模式Fig.1 The mineralization model of Zhongteng Cu-Mo deposit

2 研究方法

2.1 Hyperion數(shù)據(jù)預(yù)處理

Hyperion是一種推掃式傳感器,光譜范圍為356～2 577 nm,242個波段,光譜分辨率為 10 nm,空間分辨率為 30m,信噪比為 190∶1～38∶1,量化位數(shù) (數(shù)據(jù)編碼)12位,幅寬 7.7 km,總視場 (FOV)0.63°,瞬時視場 (IFOV)0.043m rad。Hyperion數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為:Level0和 Level1兩級,通過原始數(shù)據(jù) L0生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品 L1提供用戶使用[1]。

本研究使用的數(shù)據(jù)為 2006年 2月 11日獲取的福建省漳州市平和地區(qū)一景 Hyperion L1R數(shù)據(jù)。L1R數(shù)據(jù)經(jīng)過美國 USGS對 L0數(shù)據(jù)的初步處理,已排除VN IR和 SW IR的空間錯位問題。獲取數(shù)據(jù)當(dāng)天云量小,成像效果較好。

平和是中國有名的蜜柚之鄉(xiāng),鐘騰礦區(qū)一帶種植有大量蜜柚,屬于高植被覆蓋區(qū)。因此在數(shù)據(jù)處理過程中除了剔除植被強反射波段外,還利用植被指數(shù)進(jìn)行一定區(qū)域的掩模運算等方法抑制植被信息的干擾。Hyperion數(shù)據(jù)預(yù)處理流程見圖 2。

圖 2 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.2 Flow chart of the pre-processing of Hyperion image data

2.2 基于特征譜帶的礦物識別

礦物光譜通常具有一系列的特征吸收譜帶。這些特征譜帶在不同的礦物中具有較穩(wěn)定的波長位置和獨特的波形,能夠指示離子類礦物的存在[3]。

絹云母化是一種分布廣泛的熱液蝕變,是尋找Cu、Pb、Zn、Au和某些稀有金屬的重要標(biāo)志。黃鐵絹英巖化是各種中溫?zé)嵋旱V化的常見蝕變,特別是在斑巖銅礦、黃鐵礦型銅礦、多金屬礦床和金礦床中極為常見。鋁硅酸鹽巖 (長石類和部分暗色礦物)為次生絹云母所交代形成絹云母、石英為主的巖石[4]。

絹云母在短波紅外波段有 3個特征吸收谷[3],分別在 2 200 nm、2 350 nm和 2 440 nm處,其中2 200 nm是云母類礦物吸收谷,2 350 nm處吸收谷特征很強且具有對稱性,2 440 nm處吸收谷特征相對較弱、較寬且不具有對稱性。

基于特征譜帶的礦物識別主要依據(jù)礦物光譜的吸收特征參數(shù),如吸收波段的位置 (P)、深度 (H)、寬度 (W)、對稱度 (S)以及面積 (A)等[5]。采用光譜微分技術(shù)(Spectral Derivative)處理光譜曲線的變化和壓縮均值影響,通過對反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和計算不同階數(shù)的微分值,可以迅速地確定光譜彎曲點及最大、最小反射率波段的位置、深度和寬度等。

2.3 基于完全波形特征的礦物識別

高光譜最大的優(yōu)勢在于利用有限細(xì)分的光譜波段去再現(xiàn)像元對應(yīng)地物的波譜曲線。這樣就可以利用整個光譜曲線進(jìn)行礦物匹配識別,在一定程度上可改善單個波形的不確定性,提高礦物識別的精度?；谕耆ㄐ翁卣鞯牡V物識別主要采用光譜匹配技術(shù)[6]。

光譜匹配分析方法通過地物光譜與參考光譜或地物光譜與光譜數(shù)據(jù)庫的比較,分析研究 2條光譜曲線之間的相似性程度,以判別未知地物的屬性類別。典型的光譜匹配方法是光譜角測量 (Spectral Angle Mapper)技術(shù),通過計算地物光譜與參考光譜的“夾角”來確定兩者之間的相似程度,進(jìn)而實現(xiàn)光譜的匹配分類。夾角越小說明兩者的相關(guān)性越高,識別和提取的信息也越可靠。

3 結(jié)果與分析

的地物波譜與野外實測參考波譜進(jìn)行光譜匹配的效果見圖 3～5。

3.1 礦物識別效果

利用經(jīng)過預(yù)處理的 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)提取

圖 3 Hyperion提取的光譜與實測光譜匹配結(jié)果Fig.3 The results of spectral matching between the spectra extracted from Hyper ion data and measured in the field

圖 4 與實測黃鐵礦化絹英巖光譜匹配后的假彩色合成效果Fig.4 False color composition after matching with the measured spectrum of pyrite-sericite rock

圖 5 鐘騰礦區(qū)絹英巖光譜角匹配效果Fig.5 Spectral angle matching effect of the sericite rock in Zhongteng mining district

3.2 識別效果分析

鐘騰銅鉬礦區(qū)及其周圍 30 km2的 Cu-M o-Pb-Zn等元素呈條帶狀異常,有一定規(guī)律地集中分布在一定區(qū)域內(nèi),形成異常集中分布區(qū)。鐘騰礦區(qū)的桐樹棵、銅坑及阿貝礦段有 6處銅多金屬異常 (表1)。

表 1 鐘騰地區(qū)土壤測量異常特征①據(jù)福建省閩東南地質(zhì)大隊,鐘騰銅鉬礦區(qū)以及外圍銅金鉛鋅成礦預(yù)測報告,1991。Tab.1 Anomaly characteristics measured in the soil in Zhongteng

通過對收集的土壤異常等地質(zhì)資料的分析以及野外實地勘查,初步判斷利用 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)所識別的蝕變礦物基本都落在了土壤地球化學(xué)參數(shù)圈定的異常區(qū)內(nèi),并且在該區(qū)域野外實地勘查中發(fā)現(xiàn)了較強的絹英巖化蝕變。經(jīng)對礦區(qū)采集巖石樣品的進(jìn)一步巖礦鑒定,確定為黃鐵礦化絹英巖,且含有少量的白云母。因此,利用 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)識別蝕變礦物的效果還是比較理想的。

3.3 與 ETM提取結(jié)果對比

圖 6是在研究區(qū)進(jìn)行 ETM礦化蝕變信息提取的結(jié)果,是采用比較成熟的方法技術(shù),對 ETM 1、4、5、7波段進(jìn)行主成分分析提取羥基,再經(jīng)過等密度分割完成的。

圖 6 ETM提取的羥基效果Fig.6 Result of the hydroxy extracted from ETM data

從 ETM提取的結(jié)果來看,用 Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變信息提取的能力與 ETM相當(dāng);但 Hyerion數(shù)據(jù)不僅能提取蝕變信息,還能對蝕變信息的類別進(jìn)行鑒定,這一點是 ETM數(shù)據(jù)無法比擬的。

4 結(jié)論

(1)利用 Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變信息提取的能力在一定程度上優(yōu)于 ETM數(shù)據(jù);基于特征譜帶的光譜微分及基于完全波形特征的光譜匹配等礦物識別方法不僅能提取蝕變信息,還能鑒定蝕變信息的類別。

(2)對于高光譜巖礦信息提取技術(shù),建議深入分析、研究巖礦的地球物理、地球化學(xué)特性與光譜特征的相關(guān)性,進(jìn)一步完善高光譜遙感混合像元光譜分離與分析技術(shù),重點開展多種地物成分混合像元分解方法的研究。

(3)對高光譜遙感在地質(zhì)領(lǐng)域的深化應(yīng)用,還需要測試分析礦物同物異譜、異物同譜以及不同環(huán)境下的礦物光譜特征,建立礦物多樣性光譜庫與特征知識庫。

(4)必須加強對高植被覆蓋區(qū)巖石礦化蝕變信息提取方法的研究,特別是利用高光譜遙感數(shù)據(jù)結(jié)合 SAR數(shù)據(jù)提取巖礦光譜信息的方法技術(shù)有待研究。

[1] 甘甫平,王潤生,楊蘇明.西藏 Hyperion數(shù)據(jù)蝕變礦物識別初步研究[J].國土資源遙感,1998(4):44-50.

[2] 萬余慶,譚克龍,周日平.高光譜遙感應(yīng)用研究 [M].北京:科學(xué)出版社,2006:78-98.

[3] 張宗貴,王潤生,郭大海,等.成像光譜巖礦識別方法技術(shù)研究和影響因素分析[M].北京:地質(zhì)出版社,2006:188-200.

[4] 陳亨亮.蝕變圍巖及其找礦意義[J].福建地質(zhì),2008,27(2):137-141.

[5] 張宗貴,王潤生,郭小方,等.基于地物光譜特征的成像光譜遙感礦物識別方法[J].地學(xué)前緣,2003,10(2):437-443.

[6] 闞明哲,田慶久,張宗貴.新疆哈密礦區(qū)典型蝕變礦物的 HyM ap高光譜遙感信息提取[J].國土資源遙感,2005(1):37-70.

(責(zé)任編輯:劉心季)

The Application of the Hypeion Hyper-spectral Image to the Zhongteng Cu-Mo Deposit in Pinghe County of Fujian Province

GAO Jian-yang
(Fujian Province Geology Remote Sensing Center,Fuzhou 350011,China)

This paper takes the Zhongteng Cu-Mo deposit in Pinghe County of Fujian Province as an example and makes a brief introduction to Hyperion hyper-spectral data processing technology. The author adopted the differential spectrum technology based on feature bands and the spectrum matching techniques based on full wave features in remote sensing study to make mineral identification. Phyllic rock in the ore district was recognized preliminarily and confirmed by geological data,field reconnaissance as well as rock and mineral identification.The purpose of this paper is to exchange the techniques of rock and mineral information extraction based on high spectral remote sensing data and to exp lore the application of the remote sensing technology to the high vegetation coverage area.

Hyperion image;Information extraction;Mineral identification

高建陽 (1969-),男,高級工程師,福建省地礦局遙感地質(zhì)首席專家,主要從事遙感地質(zhì)應(yīng)用研究。

TP 79

A

1001-070X(2011)01-0087-04

2010-05-02;

2010-06-22

福建省地礦局“十一五”科研項目“平和鐘騰—大礬山、莆田泗洋—福清鳳跡成礦區(qū)遙感地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查”(編號:閩地科2009042-15)資助。