ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中的應(yīng)用與分析

李根軍，楊雪松，張興，李曉民，李得林，杜程

(1.青藏高原北部地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810012；2.青海省地質(zhì)調(diào)查院，西寧 810012)

0 引言

資源一號(hào)02D(ZY1-02D)衛(wèi)星于2019年9月12日成功發(fā)射，是我國(guó)自主建造并成功運(yùn)行的首顆民用高光譜業(yè)務(wù)衛(wèi)星。該衛(wèi)星運(yùn)行于太陽(yáng)同步軌道，回歸周期為55 d，設(shè)計(jì)壽命為8 a。衛(wèi)星配置可見(jiàn)-近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)，重點(diǎn)針對(duì)短波紅外譜段進(jìn)行了譜段細(xì)分，光譜遙感特性突出，可實(shí)現(xiàn)地物的精細(xì)化光譜信息調(diào)查，滿足新時(shí)期自然資源監(jiān)測(cè)與調(diào)查需求。

隨著高分五號(hào)(GF-5)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用，基于高光譜數(shù)據(jù)的礦物識(shí)別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但由于GF-5衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)能力有限，目前還滿足不了地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作的需要。ZY1-02D衛(wèi)星的發(fā)射，與GF-5衛(wèi)星交叉組網(wǎng)，極大地提升了高光譜數(shù)據(jù)的接收能力，為星載高光譜數(shù)據(jù)在地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)保障[1-2]。

為了測(cè)試ZY1-02D高光譜載荷數(shù)據(jù)在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中的應(yīng)用能力[3]，本文以青海省茫崖市冷湖鎮(zhèn)東地區(qū)為研究區(qū)，在數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展巖性及礦物信息識(shí)別，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用分析，為該數(shù)據(jù)在地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海、甘肅兩省交界處的阿爾金山東段及冷湖地區(qū)，屬南祁連山南緣及柴達(dá)木盆地北緣，行政區(qū)劃屬青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦鎮(zhèn)和冷湖鎮(zhèn)管轄。研究區(qū)中心坐標(biāo)為：E93°52′50″，N38°42′05″。區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峻，山脈橫亙呈NW走向，切割強(qiáng)烈，峰巒疊嶂，溝谷發(fā)育，地勢(shì)險(xiǎn)峻，屬?gòu)?qiáng)烈剝蝕的構(gòu)造高山區(qū)。地勢(shì)西北高，東南低。區(qū)內(nèi)西南部為高原低山丘陵地帶，屬柴達(dá)木盆地的一部分，多為戈壁及沙漠，地形較復(fù)雜。

1.現(xiàn)代湖泊；2.全新世沼澤堆積；3.晚更新世沖洪積；4.晚更新世洪積；5.油砂山組；6.干柴溝組上段；7.干柴溝組下段；8.懷頭他拉組；9.灘間山群碎屑巖組；10.灘間山群火山巖組；11.達(dá)肯達(dá)坂巖群片麻巖組；12.達(dá)肯達(dá)坂巖群碎屑巖組；13.大理巖；14.二疊紀(jì)似斑狀二長(zhǎng)花崗巖；15.二疊紀(jì)正長(zhǎng)花崗巖；16.二疊紀(jì)閃長(zhǎng)巖；17.泥盆紀(jì)閃長(zhǎng)巖；18.泥盆紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖；19.泥盆紀(jì)中泥盆世二長(zhǎng)花崗巖；20.泥盆紀(jì)花崗斑巖；21.泥盆紀(jì)晚泥盆世二長(zhǎng)花崗巖；22.志留紀(jì)輝長(zhǎng)巖；23.奧陶紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖；24.花崗巖脈；25.閃長(zhǎng)巖脈；26.石英脈；27.地質(zhì)界線；28.斷裂構(gòu)造

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

2.1.1 高光譜數(shù)據(jù)

本次研究選取的數(shù)據(jù)為ZY1-02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)載荷數(shù)據(jù)，并選取GF-5高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其數(shù)據(jù)參數(shù)見(jiàn)表1。本文選取的L1A級(jí)ZY1-02D星AHSI數(shù)據(jù)，時(shí)相為2020年3月4日，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，無(wú)積雪、云等干擾因素(圖2)，能夠滿足本次研究工作的需要。

表1 ZY1-02D與GF-5數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.1 Data parameter of ZY1-02D與GF-5

圖2 研究區(qū)ZY1-02D星AHSI數(shù)據(jù)B29(R)，B19(G)，B10(B)合成圖像Fig.2 The synthetic images of ZY1-02D star Ahsi Data B29(R),B19(G),B10(B)in the study area

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理目的是降低或遙感圖像因輻射度失真、大氣消光和幾何畸變等造成的圖像質(zhì)量的衰減[5-7]。本次工作數(shù)據(jù)預(yù)處理流程為：輻射定標(biāo)—波段合成—去除條紋—輻射校正—大氣校正—幾何糾正。

ZY1-02D高光譜短波紅外波段(SWIR)數(shù)據(jù)中條紋現(xiàn)象明顯，故采用“全局去條紋”的方法進(jìn)行條紋修復(fù)，從圖3中可見(jiàn)條紋去除的效果較好。

(a)原始圖像 (b)條紋修復(fù)后圖像

大氣校正在高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理中占有重要作用。大氣中含有的氣溶膠、水汽、光照角度、強(qiáng)度的不同，都會(huì)影響傳感器接收記錄地物的反射波譜；大氣校正能夠在很大程度上糾正由這些因素引起的誤差，獲取到地物真實(shí)反射率等。本次工作采用了遙感圖像處理軟件ENVI中的FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正處理。

為了驗(yàn)證大氣校正效果，本文選取冷湖鎮(zhèn)東研究區(qū)的大理巖地層，提取ZY1-02D數(shù)據(jù)和JHU波譜庫(kù)中大理巖光譜曲線進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示該數(shù)據(jù)高光譜反射率光譜曲線與JHU波譜庫(kù)曲線形態(tài)特征基本一致，且特征吸收位置(2.33 μm附近)一致(圖4(a))；并且用ZY1-02D數(shù)據(jù)和GF-5高光譜數(shù)據(jù)的光譜曲線進(jìn)行對(duì)比，顯示該數(shù)據(jù)高光譜反射率光譜曲線與GF-5光譜曲線形態(tài)特征基本一致(圖4(b))，在大理巖特征譜帶范圍內(nèi)譜形吻合度高。表明ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)能夠滿足巖礦信息識(shí)別的要求。

(a)ZY1-02D與JHU波譜庫(kù) (b)ZY1-02D數(shù)據(jù)與GF-5數(shù)據(jù)

2.2 礦物識(shí)別與提取技術(shù)方法

本次研究采用以重建光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜相似性度量為基礎(chǔ)的光譜匹配方法開(kāi)展研究區(qū)礦物信息提取，主要包括端元光譜選取、礦物識(shí)別與提取兩部分。

2.2.1 端元光譜選取

采用像元純度指數(shù)(pixel purity index,PPI)法選取端元光譜，主要包括最小噪聲分離(minimum noise fraction,MNF)變換、PPI計(jì)算、N維可視化與端元選取3個(gè)部分(圖5)。其中MNF變換是將數(shù)據(jù)中的信息與噪聲分離，起到降維與去噪的目的，提高了后續(xù)處理計(jì)算的效率；PPI計(jì)算是將像元光譜矢量反復(fù)投影到不同隨機(jī)方向的“軸”上，統(tǒng)計(jì)各像元投影到各個(gè)軸兩端或接近兩端的次數(shù)；PPI僅是選出純像元指數(shù)較大的備選像元子集，須將計(jì)算結(jié)果輸入N維可視化工具中，通過(guò)向不同方向的低維空間投影，在低維散點(diǎn)云圖中進(jìn)行端元的選取。

圖5 端元波譜識(shí)別技術(shù)流程Fig.5 Technical flow of endmember spectrum identification

2.2.2 礦物識(shí)別與提取

本文選用光譜角和混合調(diào)制匹配濾波法進(jìn)行巖礦信息提取。其中混合調(diào)制匹配濾波算法計(jì)算的結(jié)果是兩組圖像，即匹配濾波得分圖像與非合理性圖像。非合理性越小，匹配濾波得分越大，像元光譜與端元光譜匹配就越好。

3 結(jié)果分析

3.1 礦物信息識(shí)別及分析

在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上運(yùn)用MNF變換對(duì)反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行波譜降維，然后利用PPI分析進(jìn)行空間降維并用N維可視化方法進(jìn)行端元識(shí)別，基于圖像獲取了褐鐵礦、白云石、綠泥石、方解石及黃鐵礦等礦物的波譜信息，運(yùn)用光譜角法和混合調(diào)制匹配濾波法分別提取礦物信息[8-11]。結(jié)果顯示，綠泥石信息主要分布在不同巖性層的接觸帶及北西向斷裂構(gòu)造附近；褐鐵礦和黃鐵礦信息集中分布在該區(qū)南部的北西向斷裂構(gòu)造附近；方解石信息集中分布在碳酸鹽巖地層中(圖6)。

本文采用同一種技術(shù)方法對(duì)ZY1-02D和GF-5數(shù)據(jù)進(jìn)行礦物信息提取(圖7)，分析ZY1-02D數(shù)據(jù)識(shí)別礦物信息的正確性。對(duì)兩種數(shù)據(jù)提取的方解石礦物信息進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示方解石礦物信息均分布在研究區(qū)東北部的大理巖地層之中，其中4處集中分布的地段，方解石的分布位置及形態(tài)均一致，并且礦物信息的集中強(qiáng)度均具有較好的一致性，表明ZY1-02D數(shù)據(jù)提取礦物信息是可行的。

(a)ZY1-02D數(shù)據(jù)提取方解石信息 (b)GF-5數(shù)據(jù)提取方解石信息

3.2 地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查應(yīng)用分析

3.2.1 巖性信息可識(shí)別性

依據(jù)實(shí)測(cè)的巖石礦物波譜，利用ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)豐富的光譜信息可識(shí)別不同的巖石類型。首先對(duì)實(shí)測(cè)的巖石波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的光譜增強(qiáng)處理，分別進(jìn)行歸一化、包絡(luò)線去除、一階微分變化等光譜增強(qiáng)處理，達(dá)到突出巖石特征波段信息，增加巖石光譜之間距離的目的；然后在確定端元波譜的基礎(chǔ)上，采用光譜匹配的方法有效地提取了該區(qū)的大理巖、二長(zhǎng)花崗巖巖性信息[12]。大理巖巖石的光譜特征明顯，依據(jù)實(shí)測(cè)的大理巖光譜數(shù)據(jù)(圖8(a))，采用光譜匹配技術(shù)能夠準(zhǔn)確地提取，結(jié)合地質(zhì)圖顯示，大理巖信息與測(cè)試區(qū)分布的大理巖地層完全吻合(圖8(b))。經(jīng)實(shí)測(cè)調(diào)查，本次工作提取的測(cè)試區(qū)西部大理巖信息，為早石炭世懷頭他拉組地層，巖性為大理巖。該套巖性層走向?yàn)镹NW，傾向57°，地層近于直立(圖8(c)和(d))。受到風(fēng)化剝蝕作用的影響，地層較為破碎，形成孤立的山體。結(jié)合該區(qū)地質(zhì)圖，本次工作提取的二長(zhǎng)花崗巖信息集中分布在中二疊世淺肉紅色中粗粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖和淺肉紅色中粒二長(zhǎng)花崗巖巖體中，且吻合度高(圖9)，反映出ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)提取中酸性侵入巖具有較好的應(yīng)用效果。

(a)ZY1-02D數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)大理巖光譜特征對(duì)比(b)大理巖信息

圖9 研究區(qū)南部二長(zhǎng)花崗巖信息Fig.9 The Adamellite in the south of the study area

3.2.2 礦物信息可識(shí)別性

本文選取造巖礦物和蝕變礦物開(kāi)展ZY1-02D數(shù)據(jù)的礦物信息識(shí)別能力評(píng)價(jià)。

(a)方解石礦物信息 (b)白云石礦物信息 (c)大理巖地層影像

2)蝕變礦物信息。研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)出的礦床主要為金礦和鐵礦，其中金礦為構(gòu)造蝕變巖型，鐵礦為矽卡巖型，其礦化蝕變類型主要有褐鐵礦化、黃鐵礦化、綠泥石化、絹云母化等。本文選取褐鐵礦化、黃鐵礦化、綠泥石化3種蝕變類型進(jìn)行蝕變礦物信息提取[13-16]。從提取結(jié)果(圖11)來(lái)看，綠泥石信息主要沿F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3(斷裂北段)，F(xiàn)4，F(xiàn)5斷裂及晚奧陶世輝長(zhǎng)巖體和達(dá)肯大坂巖群片麻巖巖組地層的接觸帶附近分布；褐鐵礦和黃鐵礦信息集中分布在F2斷裂北側(cè)的灘間山群下碎屑巖組地層之中，部分地段順層展布。綜上所述，采用ZY1-02D高光譜數(shù)據(jù)提取的蝕變礦物信息具有較高的準(zhǔn)確性，對(duì)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作能夠提到一定的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

本文利用ZY1-02D高光譜載荷數(shù)據(jù)和GF-5數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)波譜庫(kù)在光譜特征和礦物信息識(shí)別方面對(duì)ZY1-02D數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了研究區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查應(yīng)用分析。研究認(rèn)為，ZY1-02D高光譜載荷數(shù)據(jù)在基巖裸露-半裸露區(qū)能夠滿足地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查應(yīng)用需求。結(jié)論如下：

1)經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、去除條紋處理、大氣校正及幾何糾正等數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得的影像，其地物光譜特征譜形清晰可辨，特征光譜吸收位置準(zhǔn)確，與實(shí)測(cè)光譜曲線吻合度高，表明ZY1-02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，噪聲干擾較少，能夠較好地應(yīng)用到自然資源調(diào)查之中。

2)針對(duì)冷湖鎮(zhèn)東測(cè)試區(qū)的不同巖性進(jìn)行提取試驗(yàn)，結(jié)果顯示大理巖和二長(zhǎng)花崗巖信息與實(shí)地地質(zhì)體分布情況一致，提取效果較好。表明ZY1-02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦源層信息提取方面，具有較大的潛力。

3)通過(guò)礦物信息提取試驗(yàn)，碳酸鹽巖的造巖礦物識(shí)別效果好，方解石和白云石礦物信息均能精確地提??；褐鐵礦、綠泥石及黃鐵礦等蝕變礦物的提取效果較好，整體上能反映出測(cè)試區(qū)礦化蝕變的分布特征。表明ZY1-02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠較為準(zhǔn)確地提取礦物信息，有效地指導(dǎo)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作。