吳德文，張遠(yuǎn)飛，袁繼明，楊自安，張建國(guó)

（有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012）

0 引言

高光譜數(shù)據(jù)以其圖譜特征在巖石礦物識(shí)別方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是航空高光譜數(shù)據(jù)，兼具高空間分辨率和高光譜分辨率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物的精細(xì)識(shí)別和定量提取。隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，航空高光譜礦物識(shí)別與填圖技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中逐漸發(fā)揮了重要作用，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外遙感地質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，并取得了顯著的應(yīng)用成效（甘甫平等，2003；葉發(fā)旺等，2018）。但這些研究和應(yīng)用主要集中在典型礦物的光譜特征、光譜識(shí)別與蝕變礦物填圖方面，而對(duì)巖相-巖性的識(shí)別，乃至全巖信息提取和地質(zhì)填圖則較少涉及。實(shí)際上，巖相-巖性、構(gòu)造的光譜識(shí)別是智能化地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)，對(duì)區(qū)域地質(zhì)背景和成礦地質(zhì)條件研究，以及快速進(jìn)行找礦預(yù)測(cè)與礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)同樣具有重要意義。本團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開展高（多）光譜遙感技術(shù)在金屬礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用研究，注重于技術(shù)方法總結(jié)以及新技術(shù)方法和數(shù)據(jù)模型研發(fā)，在多源地學(xué)信息挖掘方面，逐步形成了一些新的技術(shù)思路和技術(shù)方法，并在自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。尤其是構(gòu)建起高光譜巖相、礦物填圖的技術(shù)框架和方法體系，在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中取得了良好的應(yīng)用效果，本文以新疆東疆地區(qū)白干湖幅（K46E012020）1∶5萬航空高光譜巖相、礦物填圖為例加以介紹。

1 航空高光譜數(shù)據(jù)源

有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心于2014—2015年組織實(shí)施中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“新疆重點(diǎn)地區(qū)航空高光譜調(diào)查與找礦預(yù)測(cè)技術(shù)研究”項(xiàng)目時(shí)，利用HyMap機(jī)載成像儀，在東戈壁—野馬泉西地區(qū)飛行獲取了約4000 km2的高光譜數(shù)據(jù)，本次選取了其中的白干湖幅1∶5萬圖幅范圍的數(shù)據(jù)開展研究工作。

該次飛行獲取的高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率為4.5 m，光譜分辨率在可見光近紅外（VNIR）波長(zhǎng)范圍約為15 nm，短波紅外（SWIR）波長(zhǎng)范圍約為18 nm。在獲取的128個(gè)波段數(shù)據(jù)中，有效波段為125個(gè)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)經(jīng)過了輻射定標(biāo)、大氣校正（光譜重建）、幾何校正和地理編碼等處理，以及各航帶圖像的匹配和無縫拼接。主要問題是圖像局部存在拼接錯(cuò)位和色調(diào)不匹配（鑲嵌線兩側(cè)色差明顯），但采用合適的處理方法，可以在一定程度上消除這些問題帶來的影響，基本滿足本次填圖應(yīng)用的要求。

2 高光譜數(shù)據(jù)處理分析與信息獲取

2.1 波段序列直方圖與圖像統(tǒng)計(jì)特征分析

遙感圖像的數(shù)據(jù)質(zhì)量和信息特征（包括光譜信息量、光譜值的分布形態(tài)、背景區(qū)域、異常分布等）可通過直方圖及統(tǒng)計(jì)特征值（均值、眾數(shù)、中值、方差、偏度、峰度等）反映出來。遙感圖像各個(gè)波段的灰度直方圖和統(tǒng)計(jì)特征值，在多波段圖像分析中可以逐一進(jìn)行觀察和對(duì)比分析，但對(duì)于多達(dá)一百個(gè)以上波段的高光譜圖像，難以做到這一點(diǎn)。為了總體把握與分析高光譜圖像數(shù)據(jù)特征，可采用波段序列直方圖的描述與表達(dá)方式：橫坐標(biāo)（X軸）是波段序列（即波段序號(hào)由小到大排列），縱坐標(biāo)（Y軸）是輻射值（相當(dāng)于灰度值），第三維（Z軸）為輻射值出現(xiàn)的頻數(shù)，采用彩色分級(jí)的方式予以可視化表達(dá)。這樣的波段序列直方圖能夠很好地總覽與分析高光譜圖像所有波段的直方圖及統(tǒng)計(jì)特征信息。

白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)波段序列直方圖表明（圖1）：①HyMap數(shù)據(jù)各波段的直方圖均呈近于高斯分布（正態(tài)分布）的正常形態(tài)；②第62波段（1391 nm）和63波段（1406 nm）出現(xiàn)輻射值范圍的突變，是因?yàn)檫@2個(gè)波段位于大氣水帶吸收波長(zhǎng)上，反映的基本是大氣水汽的特征，極少包含地面信息，故本次被棄用；③序列直方圖頻帶（不同顏色表示）反映出了光譜曲線的整體變化趨勢(shì)與形態(tài)特征，如波段序列兩端的波段（波段1～9、124～125）的輻射值相對(duì)較低，輻射值范圍相對(duì)較窄，統(tǒng)計(jì)得到的標(biāo)準(zhǔn)差也相對(duì)較小，說明這些波段的信息量相對(duì)較少，其它波段的信號(hào)和噪聲分布正常；④各波段直方圖均存在一定偏度變化（綠色、青色至藍(lán)色的各個(gè)色級(jí)分布區(qū)域），分析認(rèn)為大的偏度往往是干擾因素引起的，而小的偏度可以看作異常信息作用的結(jié)果。

圖1 白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)波段序列直方圖

2.2 波段序結(jié)構(gòu)分析與蝕變礦物檢測(cè)

進(jìn)行遙感蝕變信息提取時(shí)，為了減少盲目性，首先需要了解工作區(qū)內(nèi)各類蝕變的存在及其在圖像上的光譜響應(yīng)，通常情況下，可以參考已有地質(zhì)資料，把已知地段作為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析來加以驗(yàn)證。但是，在缺少礦產(chǎn)資料或者已知地段不能準(zhǔn)確定位的情況下，難以進(jìn)行蝕變信息的判別和分析。針對(duì)這個(gè)問題，本團(tuán)隊(duì)提出了波段序結(jié)構(gòu)分析的解決方案，主要技術(shù)方法為回歸偏度序結(jié)構(gòu)分析和相關(guān)序結(jié)構(gòu)分析，通過遙感數(shù)據(jù)本身的特征統(tǒng)計(jì)信息來評(píng)價(jià)工作區(qū)“蝕變異?！钡臐撛谛院臀g變強(qiáng)度（張遠(yuǎn)飛等，2009，2010）。

2.2.1 回歸偏度序結(jié)構(gòu)分析

上面已經(jīng)提到，單波段直方圖的偏度反映了不同于背景的異常或干擾信息的存在；同樣地，二維散點(diǎn)圖上背景橢圓范圍之外的點(diǎn)群或回歸軸兩側(cè)的圖形不對(duì)稱現(xiàn)象也反映了異常信息的存在，在統(tǒng)計(jì)意義上可用兩個(gè)波段的回歸偏度來表征。對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩波段的回歸偏度統(tǒng)計(jì)，用圖形表示就形成回歸偏度曲線圖，可反映波段之間的相似程度漸變的過程，其起伏與大小決定了高光譜波段序列結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并通過波形突變揭示蝕變特征譜帶。

統(tǒng)計(jì)獲得白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)全波段回歸偏度曲線（圖2～3），依據(jù)曲線的相似度和波形變化規(guī)律大體可劃分為如下波段（譜帶）組：1—9波段（471—590 nm）、10—45波段（605—1109 nm）、46—61波段（1124—1335 nm）、64波段（1421 nm）、65—93 波 段（1435—1800 nm）、94—95 波 段（1941—1960 nm）、96—105 波 段（1979—2147 nm）、106—113 波段（2164—2287 nm）、114—118波段（2304—2371 nm）、119—123 波 段（2387—2452 nm）和124—125波段（2467—2483 nm）。圖2和圖3分別為10—45波段組和96—105波段組的回歸偏度曲線圖，這兩組曲線圖較好地反映了區(qū)內(nèi)存在的蝕變礦物的光譜響應(yīng)。

圖3 白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)96-105波段回歸偏度曲線圖

圖2、3表明，檢測(cè)到的特征譜帶主要有：1.42 μm附近的水帶或Al-OH弱吸收譜帶、1.94 μm附近的水帶、2.22 μm附近的Al-OH吸收譜帶、2.25 μm附近的Fe-OH吸收譜帶、2.34 μm附近的Mg-OH吸收譜帶、2.35 μm附近的碳酸根吸收譜帶和2.44 μm附近的伴隨Mg-OH吸收譜帶等。一般來說，回歸偏度值越大，在曲線上的波形變化越顯著，反映的蝕變礦物信息越強(qiáng)。根據(jù)上述曲線分析，結(jié)合已有地質(zhì)資料判斷，該圖幅內(nèi)普遍存在的蝕變類型有綠泥石化和絹云母化，其次有綠簾石化、高嶺石化、方解石化、黃鉀鐵礬化等。

2.2.2 相關(guān)序結(jié)構(gòu)分析

相關(guān)（似）系數(shù)能夠反映兩個(gè)波段之間的相關(guān)或相似程度。所有相鄰波段之間的相關(guān)性是比較高的，高光譜序列波段中兩兩波段之間的相關(guān)性通常情況下是按序列方式漸變的，當(dāng)出現(xiàn)突變時(shí)，就表明有“異常”光譜地物存在，這種“異?！惫庾V地物可能是“干擾”地物或蝕變礦物。與回歸偏度統(tǒng)計(jì)類似，對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩波段的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)，用圖形表示就得到序列相似分析曲線，其波形突變部位反映了蝕變特征譜帶。

統(tǒng)計(jì)獲得白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)全波段相似分析曲線，根據(jù)曲線的相似度和波形變化規(guī)律分析，獲得了與回歸偏度序結(jié)構(gòu)分析基本相同的檢測(cè)結(jié)果。

2.3 高光譜地質(zhì)信息的分類提取與識(shí)別

2.3.1 高光譜地質(zhì)信息的分類提取

常規(guī)的高光譜蝕變信息識(shí)別與提取方法主要是基于光譜相似度的整體光譜匹配法和基于診斷性光譜吸收譜帶的局部光譜識(shí)別法，這些方法對(duì)提取某些特定蝕變礦物信息是有效的，但對(duì)不同巖性的巖石信息提取卻難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閹r石一般為不同礦物的集合體，并受諸多地質(zhì)因素的影響，其光譜復(fù)雜而多變，基本上無標(biāo)準(zhǔn)光譜與之匹配。此外，它們對(duì)高光譜數(shù)據(jù)的校正有較高的要求，即重建的光譜應(yīng)同標(biāo)準(zhǔn)光譜相近或相似，當(dāng)無法重建光譜或重建的光譜出現(xiàn)嚴(yán)重的“變形”時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致無法應(yīng)用光譜匹配方法。至于多維數(shù)據(jù)的分類方法，監(jiān)督分類很難根據(jù)已知樣本數(shù)據(jù)確定出最佳的“分類模式”，而非監(jiān)督分類的最佳分類數(shù)和分類效果也難以估計(jì)和達(dá)到。本團(tuán)隊(duì)研制的最優(yōu)動(dòng)態(tài)聚類法可以有效地解決這些問題，實(shí)現(xiàn)全巖信息提取，該方法是一種改進(jìn)與優(yōu)化的動(dòng)態(tài)集群分類（屬非監(jiān)督分類），分類算法能自動(dòng)估算出最佳分類數(shù)目和初始類別中心，實(shí)現(xiàn)聚類核最佳逼近，讓分類結(jié)果達(dá)到全局最佳，可稱之為高維聚類核最佳逼近動(dòng)態(tài)集群分類，簡(jiǎn)稱最優(yōu)動(dòng)態(tài)聚類（張遠(yuǎn)飛等，2011）。分類過程中全部波段參與，保證了圖像光譜信息的完整性，達(dá)到有效識(shí)別不同的地物類型。

利用白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)的全部有效波段參與最優(yōu)動(dòng)態(tài)聚類分類。運(yùn)算過程中，首先通過各波段直方圖最優(yōu)分割獲取初始類中心，根據(jù)初始聚類的類-頻數(shù)曲線（圖4）確定最佳分類數(shù)，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)聚類至類中心收斂（最佳逼近）。

從圖4可以看到，按頻數(shù)由大到小排序后，前5類已聚類了絕大部分像元，對(duì)應(yīng)于較大范圍分布的地質(zhì)體；排后的基本為小類，對(duì)應(yīng)于小范圍分布的地質(zhì)體或局部異常，20類以后只存在極少像元，因此取20為全區(qū)大類分類數(shù)，將其余小類進(jìn)行歸并。分類完成后提取各類單元的圖像光譜曲線，根據(jù)各類單元中以云母類為主的Al-OH礦物（統(tǒng)稱為絹云母化）和以綠泥石為主的Mg-OH礦物（統(tǒng)稱為綠泥石化）的光譜響應(yīng)強(qiáng)弱變化進(jìn)行賦色（表1），得到分類結(jié)果圖像（圖5）。

圖4 白干湖幅HyMap數(shù)據(jù)最優(yōu)動(dòng)態(tài)聚類的初始類-頻數(shù)曲線

2.3.2 分類信息的光譜識(shí)別

對(duì)照研究區(qū)原有地質(zhì)圖可以看到，高光譜分類圖能夠較好地區(qū)分不同的地質(zhì)體（包括巖性層、巖體、巖脈、松散堆積物等），并明細(xì)表現(xiàn)出構(gòu)造（帶）、蝕變帶等地質(zhì)現(xiàn)象。各類地質(zhì)體的巖性特征可依據(jù)其光譜特征進(jìn)行判斷，在軟件中通過實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的圖像與光譜分析來實(shí)現(xiàn)，稱之為“圖譜一體化識(shí)別”。從高光譜數(shù)據(jù)中提取各分類單元的圖像光譜曲線（類均值曲線），結(jié)合典型巖石的地面光譜測(cè)試數(shù)據(jù)，通過光譜特征參數(shù)提取與譜帶特征分析進(jìn)行巖性識(shí)別。圖6為白干湖幅各分類單元的圖像光譜曲線，各類單元的圖像光譜特征及地物類型判別見表2。

表2 白干湖幅分類單元圖像光譜特征簡(jiǎn)表

續(xù)表

圖6 白干湖幅各分類單元光譜曲線圖

3 高光譜巖相、礦物填圖

在上述高光譜數(shù)據(jù)處理分析與信息獲取工作的基礎(chǔ)上，借助高光譜信息地質(zhì)解譯編制巖相、礦物分布地質(zhì)圖。航空高光譜信息地質(zhì)解譯以HyMap數(shù)據(jù)的全波段分類圖像為基礎(chǔ)圖像，輔以假彩色合成圖像（第120、60、1波段RGB合成）。解譯基本原則是：在地層單元內(nèi)圈出不同的巖相（建造）單位，按巖性單元圈定侵入巖。地層組群的劃分及巖體時(shí)代歸屬以已有區(qū)域地質(zhì)資料為依據(jù)，解譯單元根據(jù)不同巖石（組合）或建造類型在圖像上的可分性來確定。各解譯單元的解譯標(biāo)志依據(jù)其影像特征建立，以分類圖的顏色或顏色組合（代表地物類別）為主要標(biāo)志，輔以合成圖像的色調(diào)、色彩、影紋和空間分布等特征標(biāo)志；構(gòu)造解譯標(biāo)志主要是線性影像特征。通過野外地質(zhì)調(diào)查和驗(yàn)證工作，對(duì)高光譜信息的地質(zhì)解譯標(biāo)志進(jìn)行補(bǔ)充、修正和完善。

根據(jù)各分類單元的蝕變類型和強(qiáng)弱變化（或礦物種類和相對(duì)含量）圈定蝕變礦物分布區(qū)（帶），以不同的顏色加以區(qū)分。白干湖地區(qū)的蝕變礦物主要為以絹云母為主的Al-OH礦物、以綠泥石為主的Mg-OH礦物及碳酸鹽礦物等。據(jù)此劃分的蝕變區(qū)（帶）包括強(qiáng)絹云母化帶、絹云母化帶、弱絹云母化帶、弱絹云母化+綠泥石化帶、強(qiáng)綠泥石化+絹云母化帶、強(qiáng)綠泥石化帶、綠泥石化帶、弱綠泥石化帶、綠泥石化+絹云母化帶、強(qiáng)硅化帶、無蝕變或弱蝕變區(qū)、碳酸鹽巖區(qū)等。

成果圖的圖件框架結(jié)構(gòu)和圖面表達(dá)形式按照相關(guān)制圖要求編制。圖7為白干湖幅原區(qū)域地質(zhì)圖與高光譜地質(zhì)圖的局部對(duì)比，從對(duì)比圖可以看到，航空高光譜填圖的成果圖信息量更加豐富，對(duì)地質(zhì)體、構(gòu)造線的勾繪更加精細(xì)、完整、全面、客觀。

圖7 白干湖幅原區(qū)調(diào)地質(zhì)圖（左）與高光譜地質(zhì)圖（右）對(duì)比（局部）

4 結(jié)語

高光譜遙感技術(shù)是一種新的高效、綠色勘查方法技術(shù)，通過地質(zhì)找礦綜合應(yīng)用，可以快速查明找礦目標(biāo)區(qū)內(nèi)礦物信息空間分布與組合特征，快速進(jìn)行巖相-巖性-構(gòu)造識(shí)別，結(jié)合成礦理論快速實(shí)現(xiàn)找礦定位預(yù)測(cè)與找礦預(yù)測(cè)區(qū)查證，并能快速對(duì)找礦靶區(qū)的資源環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)礦業(yè)開發(fā)及基地規(guī)劃提供相關(guān)地質(zhì)環(huán)境信息。在整個(gè)勘查過程的綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)中，可以大大節(jié)省勘查投入。

高光譜遙感地質(zhì)找礦綜合應(yīng)用已成為國(guó)外礦產(chǎn)勘查重要技術(shù)支撐之一。在國(guó)內(nèi)還存在不足，一是受高光譜數(shù)據(jù)獲取限制，尚以試驗(yàn)性應(yīng)用為主，工程化應(yīng)用還未實(shí)質(zhì)性地開展；二是以數(shù)據(jù)處理和信息提取技術(shù)方法研究為主，與地質(zhì)找礦和礦產(chǎn)資源勘查評(píng)價(jià)結(jié)合程度低。這些不足加之研究成果的碎片化，使得高光譜遙感技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中的優(yōu)勢(shì)作用還沒有充分顯現(xiàn)出來。近年來，隨著高光譜數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是我國(guó)高分五號(hào)高光譜衛(wèi)星的投入使用，改變了因高光譜數(shù)據(jù)采集不易或數(shù)據(jù)缺乏對(duì)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查應(yīng)用的制約，必將促進(jìn)國(guó)內(nèi)高光譜遙感技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用。

本文所述是一種技術(shù)研究和探索，目的是為了拓展和深化高光譜遙感技術(shù)的地質(zhì)礦產(chǎn)勘查應(yīng)用。該套技術(shù)方法在全巖地質(zhì)信息提取和智能化地質(zhì)填圖應(yīng)用方面獲得了顯著效果，通過進(jìn)一步完善和提高，將具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。