哈密黑山口地區遙感蝕變信息提取特征波段優選研究

段宗恩，朱谷昌，張思穎，姬祥永，隗含濤，朱莉莉

(1．中南大學地球科學與信息物理學院，長沙410083;2．有色金屬礦產地質調查中心，北京100012)

哈密黑山口地區遙感蝕變信息提取特征波段優選研究

段宗恩1，2，朱谷昌1，2，張思穎1，姬祥永1，隗含濤1，朱莉莉1

(1．中南大學地球科學與信息物理學院，長沙410083;2．有色金屬礦產地質調查中心，北京100012)

在遙感蝕變信息提取研究中，特征波段的選取是主要的技術關鍵。本文以新疆哈密市黑山口地區為研究區，利用ETM衛星遙感數據，在光譜數據空間幾何結構特征分析的基礎上，通過對七個多光譜波段的回歸偏度分析，評價蝕變信息的客觀存在性，從而選取出針對不同蝕變類型的特征波段，然后采用主成分分析、最優密度分割等方法，提取出礦化蝕變信息，并對結果信息進行了評價。通過野外地質調查和光譜測量的實地驗證，提取的蝕變信息與實地情況吻合性好，取得了較理想的效果。結論認為，次級斷裂構造帶上含礦化蝕變的鐵鎂質巖體找礦前景較好。

遙感蝕變信息二維散點圖回歸偏度特征波段黑山口

Duan Zong－en，Zhu Gu－chang，Zhang Si－ying，Ji Xiang－yang，Wei Han－tao，Zhu Li－li．Selection of characteristic bands in alteration information extraction from remote sensing images for the Heishankou area，Hami，Xinjiang［J］．Geology and Exploration，2012，48(4):0823－0828．

引言

遙感蝕變信息提取需要兩個條件:第一，研究區客觀上應該存在著礦化蝕變的成礦地質背景;第二，礦化蝕變信息在遙感圖像上至少應該有弱的反應(張遠飛，2008)。遙感弱蝕變信息提取主要依賴于合適的算法模型，常用的方法有比值法和主成分分析方法。趙元洪等提出了波段比值的主成分復合法(趙元洪，1991)，劉慶生等采用“主成分分析+比值法+分類+混合像元分解”成功地提取了內蒙哈達門溝金礦區山前鉀化帶遙感信息(劉慶生，1999)。目前國內外學者主要集中于蝕變信息提取算法研究(荊鳳等，2005)，缺乏對遙感信息結構等內在信息機理研究，本文從回歸偏度和二維散點圖等方面入手對蝕變信息進行分析。

針對多光譜遙感蝕變信息提取技術，主要是以巖石礦物的電磁波特征反射譜帶作為理論基礎，運用數學方法，從遙感圖像數據中提取出礦化蝕變信息(李紅，2010)。本文以新疆哈密市黑山口地區為研究區，利用ETM多光譜遙感數據，首先通過波段序偶的二維散點圖分析，對背景、干擾和蝕變信息三個主要對象的光譜空間結構特征進行研究，檢測蝕變信息的客觀存在性;再應用回歸偏度理論，計算各波段的回歸偏度值，從而優選出存在蝕變信息的特征波段;然后采用主成分分析、最優密度分割等方法，提取出反映客觀實際的蝕變信息。

1 研究區概況

哈密黑山口地區位于哈密市東南約150 km，地理坐標為東經94°45'～95°;北緯41°10'～41°20'。區內地形較緩，低山丘陵居多，無常年流水，干溝發育。

該區大地構造位置處于塔里木板塊與哈薩克斯坦－準噶爾板塊活動大陸邊緣膠結帶，中亞造山帶東天山東段。近東西向的黃山斷裂是控制成礦巖體的主要斷裂構造，侵入巖為華力西晚期的橄欖巖、蘇長巖、輝石巖、閃長巖等，含鎂鐵－超鎂鐵質巖體侵位于下石炭統干洞組，干洞組主要為細碧巖、砂礫巖、砂礫灰巖和生物碎屑灰巖。該區的巖體鐵染和礦床圍巖碳酸巖化、綠泥石化強烈。本區賦礦巖體包含四套巖體組合，主要為含礦橄欖巖－輝長巖組合(傅飄兒，2009)(見圖1)。

銅鎳硫化物礦床賦存于橄欖巖輝長巖和閃長巖組成的鎂鐵－超鎂鐵質雜巖體中，含礦巖體巖相發育完全，橄欖巖相發育，是鐵鎂－超鐵鎂質成礦巖漿作用的典型區域。

圖1 哈密黑山口地區區域地質簡圖Fig．1 Geological sketch map of the Heishankou area in Hami，Xinjiang

2 遙感波段數據分析

2．1 遙感數據特征

本文選用ETM數據。以ETM為代表的Landsat類多光譜遙感數據，由于其地面覆蓋范圍寬，空間分辨率、光譜分辨率能滿足1∶50000區域地質調查及地質信息提取的要求，數據形式易于處理，多波段優化組合的圖像信息豐富。ETM的各個波段各自針對著不同的探測對象和探測目的。對于地質應用而言各個波段都能提供地質構造、地形地貌信息。波段1～4能夠區分巖石中鐵、錳礦物和含鐵、錳礦物的相對含量，尤其是第4波段對于含三價鐵的礦物比較敏感，往往借此區分巖性;第5波段對綠簾石族礦物的特征譜帶敏感;第6波段識別地熱異常、巖石和構造的含水性，鑒別地質構造有一定的用途;第7波段對于羥基礦物等具明顯的光譜吸收性。

2．2 光譜空間結構特征分析

光譜數據的二維散點圖所包含著豐富的信息:

(1)二維散點圖是兩個波段的聯合概率密度分布的幾何表達，表達了二維變量數據空間的聚類結構;

(2)二維散點圖可以作為主成分分析的幾何解釋，其中Pc1為第一主成分軸，Pc2為第二主成分軸。

(3)橫坐標表示具有吸收峰的波段，縱坐標表示具有反射峰的波段。每個散點位置坐標(bx，by)。坐標點位于對角線上方，必定有，反之，對角線下方的點，必定有于對角線上方的點才表示存在蝕變信息。

基于波段序偶的二維散點圖，下面對研究區的遙感數據進行光譜空間結構幾何特征分析(圖2、圖3)。

圖中箭頭直線表示背景主軸，虛線表示對角線。大氣散射影響地物光譜反射曲線(主要為ETM1、ETM4波段)，由此導致(ETM1、ETM3波段)光譜空間結構發生改變(背景主軸不經過原點)，大氣散射影響了地物在光譜特征空間中的分布位置，但并不影響典型地物間的空間分布關系。由于鐵化巖石在ETM1、ETM2或ETM4波段具有吸收帶，而在ETM3波段具有反射峰，那么它在ETM3波段的反射率必定大于其它具有吸收帶的波段(ETM1或ETM2或ETM4波段)，因此，在ETM3、ETM1二維光譜空間中，具有鐵化的巖石散點位于對角線的上方，則可以從圖像數據統計意義上判別該研究區有鐵化信息存在。由于泥化巖石在ETM5為強反射，在ETM7為強吸收，那么它在ETM5、7組合中必然會位于對角線的上方，從統計意義上可以判斷存在泥化蝕變信息。

黑山口地區地表主要為裸巖，圖2大的橢圓表示該區域的巖石背景。圖2中大部分散點位于對角線上方，該區存在鐵化異常信息的可信度較高。游離于背景橢圓之外的綠線橢圓位于對角線上方，為干擾或蝕變信息，滿足信息提取的基本條件。圖3中對角線與背景主軸幾乎重合，圖像左下角有散點分布在背景大橢圓周邊，遠離背景橢圓中心，并且存在于對角線上方，可以推斷ETM5、ETM7波段含有泥化蝕變信息。

2．3 回歸偏度分析

對于遙感影像的參數與圖形分析，本文主要采用序結構分析技術(張遠飛，2009，2010)，序結構分析是對序列數據的結構形態特征與變化規律的研究。ETM七個波段數據可以構成波段序列，波段之間的相似性大小主要取決于兩個波段的相近程度和對地物光譜響應的差異程度。波長越相近，則越相似，對地物光譜響應差異程度越小則越相似，這種相似性在波段之間是漸變的。回歸偏度分析是序結構分析技術的方法之一。回歸偏度計算是基于兩波段，兩波段回歸散點圖的回歸軸兩側圖形是不對稱的，回歸偏度值也是對這種不對稱性的數學描述。從理論上講，這種兩側的不對稱性是由于異常信息的存在引起的。由于異常信息存在而得到的回歸偏度值在理論上有正常范圍，且不同地域的回歸偏度值正常范圍不一，不同蝕變類型的回歸偏度值正常范圍也有所不同。若兩個波段(比如ETM6和ETM7)不相關，計算出來的回歸偏度太大，這種大的回歸偏度值就不是因為異常信息的存在而導致的。

回歸偏度值太高可能是不相關的體現。

設有線性回歸方程:

則實測數據中^yi的與回歸值^yi之間的偏差(yi－^yi)的平方和為

n為觀測點數，Q值改寫成如下形式

Q值稱之為回歸偏度，回歸偏度較大預示著蝕變信息存在。

2．4 蝕變信息客觀存在性評

對研究區波段數據作回歸偏度分析來選擇信息提取的特征波段，表1為六個波段的回歸偏度矩陣。ETM6波段屬于熱紅外(10．4～12．5μm)，與其他波段呈負相關，所以不對其進行回歸偏度分析。回歸偏度矩陣中，0值表示某波段和自身的回歸偏度。

表1 TM123457波段回歸偏度矩陣Table1 Bands(TM123457)partial regression matrix

ETM3、ETM5、ETM7三波段的回歸偏度較大，此三波段集中了主要光譜信息。由地物波譜的物理機制可知，ETM1和ETM3是兩個重要的鐵化蝕變特征波譜帶。ETM3的偏度較大，表明該地區的三價鐵離子在該波段存的反射特征很明顯，信息豐富，預示鐵化信息的存在。ETM3和ETM7的回歸偏度最高。ETM5和ETM7是羥基礦物蝕變特征波譜帶，從圖中可知，ETM5、ETM7這兩個波段偏度較大，說明它們載荷了較多的泥化信息。本區的特征波段選擇方案如下:

(1)鐵化蝕變異常信息主要在ETM1、ETM3波段;

(2)泥化蝕變異常信息主要在ETM5、ETM7波段。

3 遙感蝕變信息提取

3．1 主成分分析

多光譜各波段是高度相關的，相鄰波段相關系數更高。因此，要去除一些相關信息。主成分分析(K－L變換)就是在一定程度上保證數據質量，消除數據冗余，將相關的波段轉化成不相關的幾個主成份。將研究區數據作主成分分析得到:

對ETM1、ETM3、ETM4、ETM5做主成分分析(見表2)。一般而言，含鐵礦物在第1波段波譜具有吸收特性，在第3波段具有反射特性(張建國，2005)。表1中PC1和PC2載荷較多的背景信息。PC3、PC4主分量中ETM1和ETM3中符號相反。PC4中ETM3的絕對值大于PC3，因此可認為PC4中載有較高的鐵的反射率，可以看出鐵化異常信息位于第四主分量，最后選擇PC4做最優密度分割，提取鐵化信息。同樣選取ETM1、ETM4、ETM5、ETM7做主成分分析(見表3)，PC1和PC2載荷較多的背景信息。PC4中ETM5、ETM7波段符號相反，反射大于吸收，對PC4做最優密度分割提取泥化蝕變信息。

表2 1、3、4、5波段主成分分析表Table2 Principal component analysis for bands 1，3，4，and 5

表3 1、4、5、7波段主成分分析表Table3 Principal component analysis for bands 1，4，5，and 7

3．2 最優密度分割

最優密度分割方法是將數學地質中有序地質量的最優分割法引入到遙感圖像的彩色密度分割中，并加以變化改進(吳德文，2002)。密度分割是遙感信息分級的主要方法之一，該方法類似于多級閾值法，即根據圖像的灰度值及其概率分布(直方圖)特征選擇幾個分割點，將灰度值分成幾個級別，分別代表不同的地物覆蓋類型(張遠飛，2010)。

對主成分分析的PC4做最優密度分割。當分割段數達到12后，曲線趨于平衡，因此選12為合理分割段數，最優12段分割區間。分析對比認為第1、2、3分割段為鐵化蝕變信息異常區，分別賦予紅綠藍三種顏色，該灰度段以外的灰度級作為背景處理，為消除噪聲影響對其進行平滑濾波，而后將提取的鐵化信息與ETM1、ETM2、ETM3波段圖像進行疊加，得到圖4、圖5鐵化、泥化蝕變結果。

4 野外實測光譜驗證

設計13條穿越工作區地層的主干剖面線，采集野外巖石標本，利用美國ASD(350－2500nm)光譜儀對標本巖石進行光譜測試。根據常見礦物的近紅外吸收特征，400～1100nm為Fe吸收譜帶，2300～2500nm為含羥基和碳酸鹽礦物的特征譜帶(童慶禧等，1999;甘甫平，2003)。

在圖4和圖5鐵化、泥化蝕變區里實測的光譜曲線中絕大部分都存在光譜特征吸收，樣品也有相應的礦化蝕變。本區的鐵化蝕變主要在北部鉀質花崗巖和東南方向的侵入巖體中心部位(肉紅色黑云母花崗巖)，巖體風化強烈;干溝里也存在鐵化蝕變。結合野外光譜測試，提取的鐵化蝕變區主要發生鐵染，地表未見黃鐵礦化，干溝中的洪積物含有鐵離子。該區鐵化對成礦作用意義不大。該區泥化蝕變主要有綠泥石化、蛇紋石化、綠簾石化、碳酸巖化，偶見滑石化，并沿黃山斷裂帶分布，提取的泥化蝕變信息與實際情況相符。在南部的大巖體周邊，靠近斷裂帶處有綠泥石化蝕變分布，熱液活動強烈;東部的花崗巖見有泥化，酸性巖體的泥化蝕變對銅鎳硫化物礦床成礦意義不大;北部的硅質凝灰巖泥化蝕變也比較強烈，成片狀分布;礦床附近的灰色閃長巖和輝長巖見有蛇紋石化、綠泥石化，對成礦有利。本次所提取的蝕變信息與實測蝕變區吻合性好。

5 結論

本文基于回歸偏度理論對蝕變信息客觀存在性進行評估，準確地鎖定含蝕變信息的波段，對含蝕變信息波段做主成分分析，最終利用最優密度分割法提取出蝕變信息。

(1)在波段序結構理論指導下，通過回歸偏度分析來理解光譜特征信息，這對遙感蝕變信息提取具有重要意義。通過回歸偏度分析確定蝕變信息潛在波段，對蝕變信息提取工作具有較高的實用價值。

(2)光譜曲線顯示的波譜反射吸收特征與主成分分析中的特征向量矩陣表示的蝕變信息機理存在一致性，將實測光譜數據與蝕變信息提取結果對比，吻合性好。

(3)超鐵鎂質巖體的礦化蝕變與銅鎳硫化物礦床成礦關系密切，次級斷裂帶為熱液上升提供通道，位于次級斷裂構造帶上的輝長巖泥化蝕變對成礦有利。在以后工作中應該注意次級斷裂構造帶上鐵鎂質巖體的蛇紋石化、綠泥石化、碳酸巖化信息。

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Selection of Characteristic Bands in Alteration Information Extraction from Remote Sensing Images for the Heishankouyong Area，Hami，Xinjiang

DUAN Zong－en1，2，ZHU Gu－chang1，2，ZHANG Si－ying1，JI Xiang－yong1，WEI Han－tao1，ZHU Li－li1
(1．Centre South University，Changsha，Hunan410083; 2．China Non－ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing100012)

Selection of characteristic bands is a critical process for extracting mineral alteration information from remote sensing images．Taking the Heishankou area in Hami of Xinjiang as an example，we make geometric structural analysis of spectral data space and use ETM data to study the partial regression of the 7 ETM bands，and to evaluate mineral alteration information from these data．Then we select the characteristic bands for varied alteration types to extract alteration information，and use the principal component analysis method and the optimal density separation method to extract mineral alteration information．Field geological survey and spectral measurements prove that the extracted alteration information is consistent with the real situation，indicating the ideal result of this method．And this work suggests that the mineralized alteration–bearing ferruginous rock bodies on the secondary fault zone shows a good prospecting potential．

remote sensing alteration information，planar scatter plot，partial regression，characteristic band，Heishankou

book=7,ebook=228

P627

A

0495－5331(2012)04－0823－6

2011－12－30;

2012－03－20;［責任編輯］郝情情。

國家高科技研究發展計劃(863)項目(編號:2006AA06Z112)資助。

段宗恩(1988年—)，男，黃岡市人，中南大學，在讀碩士研究生，主要從事GIS和RS的應用研究。E－mail:dze2008@163．com。