ASTER與WorldView2影像協同應用增強鐵染蝕變信息的方法研究

陳文志，童英良，陳一帆，許調娟，敖為赳，張登榮

（1.浙江省國土整治中心，浙江杭州310007；2.浙江省自然資源調查登記中心，浙江杭州310007；3.杭州師范大學，浙江杭州311121）

近年來國內外很多學者研究多光譜遙感技術勘查金屬礦產已有廣泛應用并取得顯著成效，Rokos[1]2000年采用多光譜TM影像進行比值分析提取金屬礦化信息。Timothy[2]2002 年采用TM 假彩色合成影像R：[TM5/TM7],G： [TM5/TM1], B： [(TM5/TM4)*(TM3/TM4)]增強金礦礦化蝕變信息，效果顯著。如Sankaran et.al[3]2011 年采用ASTER 進行假彩色合成影像增強鐵礦信息區，R：(ASTER 1+ASTER 3)/ASTER 2，G：(ASTER 3+ASTER 5)/ASTER 4，B：(ASTER 5+ASTER 7)/ASTER 6，假彩色影像中褐鐵礦化程度高的地區呈亮色調，與背景信息差異明顯。當時在礦化信息增強與提取方面還是以單一影像為主，2012年后有學者開始探討多源數據融合影像在地質遙感領域的應用研究。余健[4]把WorldView2影像重采樣至15m，剔除了與ASTER 影像重合的3、5、7 波段，剩下的波段與ASTER 數據重新組合成為一幅新的遙感影像（即協同影像），以昆侖山西部罕鐵熱克村作為研究區，把協同影像應用于紋理分割和巖性信息提取方面，研究結果表明協同影像信息提取的效果優于單一影像，能較好地提高信息提取的精度。

ASTER 多光譜影像的短波紅外譜帶擁有6 個通道，能表現許多巖石礦物內的碳酸鹽和氫氧化物光譜響應特征，通常被用來增強巖礦信息和識別地表巖體[4]。但ASTER數據存在較多缺點，主要體現在光譜分辨率和空間分辨率兩個方面：可見光—近紅外(VNIR)波段較寬，很難表現巖石礦物在該譜段的光譜特征[5]；15m的空間分辨率不僅影響了蝕變信息提取的精度，又不能滿足1∶5萬比例尺的制圖要求。WorldView-2 數據波段范圍僅覆蓋0.45～1.04μm，不能反映波長大于1.04μm 的巖石礦物光譜信息是致命缺點，限制了WorldView-2數據在遙感地質普查的應用和推廣。

本文利用ASTER 短波紅外譜帶在巖性信息提取方面的優勢，結合WorldView-2 數據在可見光—近紅外波譜范圍的光譜信息和空間信息。經過精確配準后進行重采樣、融合處理，經過波段重組后得到一幅協同影像。經過假彩色變換和信息識別，實驗結果表明協同影像能夠提升巖性增強能力。

1 研究區概況

本文選擇新疆塔什庫爾干縣的老并地區作為研究區，老并研究區位于西昆侖山系的帕米爾高原東部，山勢陡峻，冰川發育。研究區隸屬新疆喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣管轄，地處深山高寒區，交通不便，自然條件惡劣，地質工作程度極低[6]。區域內干旱少雨，地表裸露條件較好，含有典型礦床分布，巖體發育，圍巖蝕變特征明顯的區域作為研究區（圖1）。

圖1 研究區示意圖

康西瓦—瓦恰斷裂帶與塔阿西—色克布拉克斷裂帶將研究區分割成2 個各具不同特征的構造單元。以塔阿西—色克布拉克斷裂為界，以東為塔什庫爾干地塊，以西為明鐵蓋地塊。塔什庫爾干地塊主要以古元古界布倫闊勒巖群（Pt1B）、志留系溫泉溝組（S1w）為主要地層，沉積變質型鐵礦床主要產于該套變質地層中，是重要的含鐵地層。

區內主要礦產為鐵礦，重要礦床包括老并鐵礦、葉里克鐵礦、贊坎鐵礦、吉爾鐵克溝鐵礦[7]等，礦石類型為磁鐵礦石，礦物成分以磁鐵礦為主。經過野外實地調查，鐵（礦）化露頭較為發育，遠看為黑色，近看為紅褐色，與圍巖色彩差異明顯，此外從高分遙感影像（QuickBird）也可直接目視判讀鐵（礦）化帶。

2 研究方法

2.1 光譜分析

在前人的研究基礎上，對鐵染蝕變礦物的光譜特征進行歸納，總結Fe2+和Fe3+的吸收和反射特征，尋找ASTER及WorldView2影像所對應的特征波段。

鐵染蝕變礦物在0.63～0.69μm和1.6～1.7μm達到頂峰形成兩個反射峰，在兩峰之間0.78～0.86μm 形成吸收谷。Fe2+的吸收譜帶的中心波長位于0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm、1.0～1.1μm，有時還出現在1.8～1.9μm[8]。其中0.51μm、0.55μm 和1.0～1.1μm 的吸收比較強。Fe3+的吸收譜帶位于0.4μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm 和0.87μm 也是后面三個吸收帶比較強。

總體上看，鐵染蝕變礦物的光譜吸收和反射特征均覆蓋了可見光—近紅外波段以及短波熱紅外波段范圍，如果只運用單一的數據進行光譜分析和信息提取，ASTER數據則存在可見光—近紅外波段太寬，探測能力較弱的問題，WorldView2數據則缺失短波熱紅外的波段信息。因此，采用ASTER 數據與WorldView2 數據進行協同應用，完成信息增強和提取工作。

2.2 協同影像的數據處理

分別完成ASTER數據和WorldView2數據的輻射校正、大氣校正、幾何校正等圖像融合前的預處理工作，研究發現并非分辨率越高時融合圖像越準確，融合圖像分辨率與原始影像為1/4 的關系時，逼近最優尺度。融合圖像分辨率過高造成信息與數據冗余，超出圖像的承載和表現能力，使圖像模糊不清晰，分辨率過低則引起信息丟失。經過反復實驗得出ASTER 數據和WorldView2 數據融合的最優尺度為2m，把World-View2 的全色波段和ASTER SWIR 波段的分辨率重采樣至2m，進行小波融合處理，得到的融合圖像與WorldView2的多光譜圖像進行波段組合，得到一幅共14個波段的ASTER與WorldView2同化數據影像。

下面以老并試驗區為例，分析其ASTER原始圖像光譜、融合圖像光譜與協同數據圖像的光譜特征。ASTER 原始圖像與融合圖像的光譜曲線基本保持一致，僅反射率的值發生變化，光譜的吸收和反射特征對應的波長位置未發生改變。根據圖2 顯示的World-View2與ASTER協同數據影像光譜曲線，光譜的整體連續性較好，不存在跳躍現象，在可見光—近紅外波段表現為WorldView2 的光譜信息，比ASTER 原始圖像的光譜信息更加豐富，也突出了細節信息，1.04μm以后的光譜與融合圖像完全重疊，與ASTER原始圖像保持一致。

圖2 影像光譜曲線（左：ASTER原始光譜，中：融合圖像光譜，右：協同數據影像光譜）

WorldView2與ASTER協同數據影像不僅豐富了光譜信息，影像特征也得到較大改善。協同數據影像保留了WorldView2的空間分辨率信息，又增加了ASTER圖像的色彩信息，圖像的紋理特征更加突出，使圖像具有更高的可解譯程度和信息識別能力。

2.3 協同影像的假彩色增強

對試驗區的WorldView2與ASTER的短波熱紅外波段數據光譜進行疊加使用，進行挖掘地質信息。結合蝕變礦物的光譜特征，利用協同數據中的World-View2、ASTER 數據的特征波段進行主成分分析，選擇包含蝕變信息的特征分量，構建特征信息分量的集合，計算各個分量的相關系數和標準差，再通過相關系數矩陣和標準差得到各個分量組合的OIF 值，進行圖像假彩色合成，從而獲得與礦化蝕變有關的色調異常信息。美國查維茨提出的最佳指數法(OIF)綜合考慮單波段圖像的信息量及各波段間的相關性，更接近于波段選擇的原則，目前得到廣泛的應用。OIF 指數先計算單波段圖像的標準差，計算各波段間的相關系數矩陣，再分別求出所有可能的波段組合對應的OIF 指數，根據該指數大小來判斷各種波段組合的優劣。指數越大，則相應組合影像所包含的信息量就越大。

3 結果和討論

對試驗區的WorldView2與ASTER的短波熱紅外波段數據光譜進行疊加使用，進行挖掘地質信息。結合蝕變礦物的光譜特征，利用協同數據中的WorldView2、ASTER數據的特征波段進行主成分分析，選擇包含蝕變信息的特征分量，構建特征信息分量的集合，計算各個分量的相關系數和標準差，再通過相關系數矩陣和標準差得到各個分量組合的OIF 值，進行圖像假彩色合成，從而獲得與礦化蝕變有關的色調異常信息。

根據波譜特征分析章節可知，鐵染蝕變礦物的吸收特征對應WV2、3、7、8 波段（WV 指WorldView2），反射特征對應WV5、ASTER4 波段。因此，可用WV2、3、5、7、8及ASTER4進行主成分分析，查看主成分分析的特征向量矩陣，若主成分分量的貢獻系數符號與特征波段的吸收或反射特征相符，則可用來表示鐵染蝕變的特征分量。

通過反復比較研究區的地質圖與圖像信息，發現R（band3）、G（band5）、B（band7）彩色合成圖能較好反映蝕變信息的強烈程度，亮度值越高的蝕變強，呈亮色調。此外，R（band4）、G（band2）、B（band1）彩色合成圖也能較好反映蝕變信息的強烈程度，亮度值越低的蝕變強，呈暗色調。

WorldView2 851 波段高分辨率影像中，磁鐵礦化嚴重的區域呈淺褐色，主成分分量彩色圖像中不管是呈亮色調還是暗色調的蝕變信息，均與1∶5千地質圖的礦化帶相符。對比老并試驗區地質圖發現鐵染蝕變主要分布于古元古界布倫闊勒巖群（Pt1B），花崗閃長巖（γδ2）及二長花崗巖（ηγ2）地層也有少量蝕變異常出現，鐵染蝕變的展布與地質圖的黃鐵磁鐵礦化層基本吻合。

4 結論

本文運用兩種不同衛星影像資源組合在一起，打破單一數據源在地質遙感應用的傳統思維，綜合利用不同衛星數據的優點，起到優勢互補的增效作用，協同一致完成蝕變信息增強和提取的目標。

總體上看，協同數據綜合利用了WorldView2 和ASTER的光譜信息，圖像的空間分辨率和光譜分辨率都顯著提高。綜合來看蝕變信息的增強的效果，結合野外調查數據、1∶5 千地質圖作為驗證，發現協同數據鐵染蝕變信息增強和提取的效果顯著。本實驗是在協同影像光譜的反射和吸收特征所對應的波長位置與原始光譜一致的基礎上進行，忽略了不同衛星、不同傳感器平臺、不同時相差異造成的誤差，協同影像光譜的連續性和物理意義有待進一步研究。