付佳偉，劉翰霖，李根軍，林 楠，楊雪松

（1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810008；3.青海坤拓遙感技術(shù)服務(wù)有限公司，青海 西寧 810007）

高光譜遙感是在上世紀(jì)八十年代初因成像光譜儀計(jì)劃蓬勃發(fā)展而逐漸形成的一種新型地球觀測(cè)技術(shù)，它主要基于波譜學(xué)理論，通過(guò)物質(zhì)電磁輻射信號(hào)傳輸過(guò)程中形成的反射光譜和吸收光譜反映物質(zhì)自身的組成、結(jié)構(gòu)差異。作為多光譜遙感技術(shù)的延伸，它不僅繼承了多光譜遙感技術(shù)探測(cè)空間范圍廣、觀測(cè)速度快、投入產(chǎn)出比高等特點(diǎn)，還兼具圖譜合一和光譜連續(xù)的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)下遙感科學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，已成為地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、區(qū)域構(gòu)造研究、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等地質(zhì)科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的主要技術(shù)手段[1,2]。新一代高光譜系統(tǒng)在地表礦物學(xué)識(shí)別和制圖方面比舊的多光譜系統(tǒng)具有更高的精度和準(zhǔn)確性。

長(zhǎng)久以來(lái)地質(zhì)工作者都在積極尋找一種可以在宏觀尺度上對(duì)巖礦空間分布進(jìn)行快速定位的判讀方法，而高光譜遙感技術(shù)能在準(zhǔn)確區(qū)分巖礦類(lèi)型的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物成分的定量分析，是一種快速、大面積、低成本觀測(cè)巖礦物質(zhì)組成的有效技術(shù)手段，相比傳統(tǒng)野外測(cè)繪，高光譜的傳感器成本更低、觀測(cè)更及時(shí)，高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展促使遙感地質(zhì)學(xué)向著多學(xué)科交叉領(lǐng)域進(jìn)一步前進(jìn)。巖性分類(lèi)識(shí)別是高光譜遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域應(yīng)用較為成功的方向，尤其是在困難地區(qū)實(shí)現(xiàn)大比例尺精細(xì)填圖具有一定的應(yīng)用價(jià)值[3]。巖石的波譜特征分析是高光譜遙感巖性分類(lèi)的重要前提，也是開(kāi)展巖石信息提取和典型礦物分類(lèi)相關(guān)研究的理論基礎(chǔ)。鑒于此，本文選擇ZY1-02D高光譜遙感影像，以青海冷湖地區(qū)為試驗(yàn)研究區(qū)，將區(qū)內(nèi)巖石實(shí)測(cè)光譜作為參考光譜，利用光譜角匹配技術(shù)在高光譜影像上進(jìn)行礦山地質(zhì)填圖，并對(duì)該技術(shù)流程進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處柴達(dá)木盆地北緣，位于冷湖鎮(zhèn)東南方向，行政區(qū)隸屬于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)93°45′～94°00′、北緯38°30′～38°40′之間。該地區(qū)屬典型高原大陸性氣候，年均降水量遠(yuǎn)小于年均蒸發(fā)量，年均氣溫在3℃以下，晝夜溫差較大，少雨多風(fēng)，發(fā)育有大量雅丹地貌，地勢(shì)險(xiǎn)峻，具有較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造特征。區(qū)內(nèi)受大陸高寒氣候影響，四季區(qū)分不明顯，5月份和6月份為雨季，該時(shí)段內(nèi)降雨量顯著增加，是區(qū)內(nèi)雨水含量較為充沛的季節(jié)。7月份到8月份是在區(qū)內(nèi)開(kāi)展野外工作的較好季節(jié)，9月后，氣溫下降較快，雨雪天氣時(shí)有發(fā)生，海拔4500米以上的局部地區(qū)會(huì)被積雪覆蓋，對(duì)野外踏勘工作造成了較多的困難。研究區(qū)內(nèi)植被分布稀疏，地表巖石出露程度較好，這為利用遙感技術(shù)提取巖性信息提供了便利。在海拔低于4700米的緩坡地帶，主要植被類(lèi)型為高原草甸，同時(shí)混雜喬、灌木等低矮植物；在地勢(shì)較高的陡坡和海拔4700米以上地區(qū)，植被覆蓋程度較低，有大量巖石裸露。研究區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，以金、銀、鉛、鋅、銅等為主，多形成金屬礦山，區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、自然條件惡劣、氣候多變，難以開(kāi)展全面的礦產(chǎn)勘查工作，致使部分地區(qū)的地質(zhì)工作仍為空白，這嚴(yán)重制約了該地區(qū)進(jìn)一步的找礦突破。因此，本研究在前人工作基礎(chǔ)上，利用高光譜遙感技術(shù)，結(jié)合巖性波譜特征，開(kāi)展巖性信息提取方法研究，研究成果能夠促進(jìn)高光譜技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中的有效應(yīng)用，為該區(qū)礦產(chǎn)資源高效開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)保障（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 高光譜遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

2.1 典型巖石光譜分析

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)資料，在區(qū)內(nèi)開(kāi)展巖石光譜信息采集，分析典型巖性的波譜機(jī)理和反射特征，并深入研究了巖石信息提取的技術(shù)方法。為了減小地面實(shí)測(cè)光譜和影像光譜探測(cè)環(huán)境誤差，野外采集時(shí)間選擇與ZY1-02D衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間一致。選用ASD Filed Spec4地物波譜儀，配合標(biāo)準(zhǔn)礦物探頭，對(duì)礦山覆蓋范圍內(nèi)采集的二長(zhǎng)花崗巖、大理巖、輝長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖5種巖石樣品進(jìn)行光譜測(cè)量。為提高光譜測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，每次測(cè)量前都對(duì)白板進(jìn)行校準(zhǔn)，取10次光譜測(cè)量的均值作為采集樣品的反射光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量得到的光譜數(shù)據(jù)可以看出，在350nm～399nm以及2451nm～2500nm范圍的測(cè)量光譜噪聲較大，信噪比低，故將原始光譜數(shù)據(jù)的該范圍內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)剔除（圖2）。由圖2可知，二長(zhǎng)花崗巖、大理巖、正長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖波譜特征在780nm～2050nm區(qū)間范圍內(nèi)基本一致，均在1408nm和1996nm處存在強(qiáng)烈的吸收谷，但在2100nm后存在較大差異，其中大理巖分別在2200nm和2341nm處形成了微弱反射峰和強(qiáng)烈吸收谷；輝長(zhǎng)巖與其他巖石區(qū)別明顯，其實(shí)測(cè)光譜反射率低于0.15，在2121nm處存在顯著的反射峰。

圖2 研究區(qū)典型巖石光譜曲線

2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取及其預(yù)處理

本研究選用ZY1-02D衛(wèi)星作為遙感數(shù)據(jù)來(lái)源，ZY1-02D是我國(guó)于2019年9月發(fā)射的太陽(yáng)同步軌道光學(xué)衛(wèi)星，搭載可見(jiàn)近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)，可以同時(shí)采集9個(gè)光譜波段的全色和多光譜數(shù)據(jù)，以及166個(gè)光譜波段的高光譜數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m，其中可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的光譜分辨率為10nm，而短波紅外則為20nm。此外，ZY1-02D衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了高光譜載荷在軌偏航標(biāo)定，顯著提高了在軌標(biāo)定精度、遙感數(shù)據(jù)的量化應(yīng)用和獲取地球表面地物信息能力，可為巖性信息提取技術(shù)的相關(guān)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。本研究選取的高光譜影像成像時(shí)間為2020年7月，研究區(qū)影像云覆蓋率為0%。在應(yīng)用ZY1-02D高光譜影像進(jìn)行巖性分類(lèi)識(shí)別前，需要高光譜影像進(jìn)行預(yù)處理，具體包括以下幾部分內(nèi)容：①采用字段標(biāo)識(shí)工具去除水汽影響波段和重復(fù)波段；②利用全局去條帶法對(duì)影像數(shù)據(jù)開(kāi)展條帶修復(fù)；③基于ENVI軟件平臺(tái)對(duì)ZY1-02D影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)處理，將原始遙感影像像元亮度值（DN）轉(zhuǎn)換成大氣外層表觀反射率；④利用ENVI軟件平臺(tái)的FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正，將大氣外層表觀反射率反演為地物表面真實(shí)反射率；⑤通過(guò)將控制點(diǎn)擬合中誤差設(shè)定為1.5～2個(gè)像元，在每景影像選取分布均勻的控制點(diǎn)15個(gè)左右，利用二次多項(xiàng)式糾正方法對(duì)ZY1-02D影像進(jìn)行幾何校正；⑥選取29/19/10對(duì)影像進(jìn)行波段組合，并參照研究區(qū)范圍裁剪影像（圖3）。

圖3 研究區(qū)遙感影像圖

2.3 光譜角匹配技術(shù)

光譜角匹配（SAM）是一種通過(guò)計(jì)算目標(biāo)光譜與參考光譜間廣義夾角來(lái)表征光譜相似程度的一種監(jiān)督分類(lèi)方法[4，5]。通常情況下，二者的光譜夾角越小，相似度越大，代表匹配效果越佳。其數(shù)學(xué)計(jì)算公式可表示如下：

式中：n代表高光譜數(shù)據(jù)的波段數(shù)；ti為目標(biāo)光譜第i波段的反射率值；ri為參考光譜第i波段的反射率值。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦山地質(zhì)填圖結(jié)果

應(yīng)用光譜角匹配技術(shù)構(gòu)建巖性識(shí)別模型，繪制研究區(qū)礦山覆蓋區(qū)域巖性空間分布圖。從圖4中可以看出，提取的二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)花崗巖聚集程度較高，兩種巖性主要以交叉疊加形式沿山脊線在研究區(qū)西部呈塊狀分布，大理巖、花崗閃長(zhǎng)巖識(shí)別結(jié)果則表現(xiàn)為NW向的泛化式空間展布，多在研究區(qū)東部及南部以條帶狀形式存在，而輝長(zhǎng)巖僅在研究區(qū)中部零星分布。

圖4 基于光譜角匹配技術(shù)的礦山地區(qū)巖性空間分布信息提取結(jié)果

3.2 礦山地質(zhì)填圖精度驗(yàn)證

通過(guò)光譜角匹配技術(shù)的礦山地區(qū)巖性識(shí)別結(jié)果與研究區(qū)已有地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比（圖5），可以發(fā)現(xiàn)提取結(jié)果在宏觀尺度上雖然存在部分錯(cuò)分與漏分現(xiàn)象，但同類(lèi)像元聚集程度相對(duì)較高、類(lèi)別的空間分布與參考圖的總體一致性較好。為了更好地評(píng)價(jià)光譜角匹配技術(shù)的巖性識(shí)別結(jié)果，本文采用空間疊加分析方法，以已知地質(zhì)圖巖性分布范圍為參考，統(tǒng)計(jì)巖性分類(lèi)正確的圖斑數(shù)量，通過(guò)計(jì)算識(shí)別準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)分類(lèi)結(jié)果的定量評(píng)價(jià)（表1），結(jié)果表明礦山覆蓋范圍5種巖性識(shí)別結(jié)果的制圖精度均超過(guò)了70%，總體識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到76.83%，證明了高光譜遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)填圖中的有效性。

圖5 研究區(qū)已有地質(zhì)資料

表1 巖性信息識(shí)別精度

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用ZY1-02D高光譜遙感數(shù)據(jù)，選取光譜角匹配技術(shù)構(gòu)建巖性識(shí)別模型，對(duì)研究區(qū)礦山內(nèi)典型巖石進(jìn)行信息的快速提取，并根據(jù)區(qū)內(nèi)已知地質(zhì)礦產(chǎn)資料，利用識(shí)別準(zhǔn)確率展開(kāi)分析評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：提取的礦山地區(qū)巖性信息與區(qū)內(nèi)已知礦產(chǎn)資料空間分布范圍基本一致，僅在局部地區(qū)出現(xiàn)了錯(cuò)分和漏分現(xiàn)象，總體識(shí)別準(zhǔn)確率能達(dá)到70%以上，證明了聯(lián)合光譜角匹配技術(shù)和高光譜遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)填圖工作中的優(yōu)勢(shì)，具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值，可在后續(xù)礦山地質(zhì)資源勘查相關(guān)研究工作中推廣使用。