基于ETM+數據的某礦區遙感異常信息提取

謝 周

（成都理工大學地球科學學院 四川 成都 610059）

0 引言

隨著遙感技術的不斷發展，地物識別和信息提取技術也不斷完善，越來越多的地質從業者也認識到了遙感技術的運用對于地質研究區的宏觀尺度的分析以及找礦預測具有非常重要的意義。國外遙感技術發展早于國內，1989年，Crosta等[1]依托TM數據采用主成分分析法成功提取了巴西某地區的礦化蝕變異常信息，研究中所運用的光譜波段組合提取遙感礦化蝕變信息的經典方法，為后來學者長期沿用并發展。國內遙感礦化蝕變信息提取技術的應用起步較晚，以主成分分析法、獨立成分分析法和波段比值法為主要分析手段，并在此基礎上加以優化和改良，逐步形成了比值—主成分分析法等交叉結合方法。1997年，馬建文[2]提出了掩膜與主成分變換相結合提取弱蝕變信息的方法；1998年，楊武年[3]利用TM正射遙感影像直接進行地質解譯和物化探等多元地學信息綜合與復合處理，并順利開展成礦預測研究；趙福岳等[4]系統地闡述遙感技術應用于地質領域的基礎理論，在進行遙感蝕變異常提取時，研究者們普遍使用ETM+數據。

1 研究區概況

研究區位于大興安嶺西坡，得爾布干成礦帶西南段，大地構造位置屬西伯利亞板塊與華北板塊之間的中蒙古—額爾古納微板塊，經歷了復雜增生、碰撞、拼合而構成了亞洲大陸和東北緣的一部分[5]。區內斷裂構造發育，巖漿活動強烈，礦產豐富，是我國重要的多金屬成礦區。從地質特征看，研究區內巖漿活動表現為頻繁而劇烈的火山噴發和巖漿侵入，其中以燕山期侵入和噴發最為劇烈，區內巖漿巖為燕山期的花崗巖，與內生金屬礦床成礦關系最密切[6]，而且礦體呈脈狀多產于近南北向的構造破碎帶中，礦化蝕變局限于斷裂破碎帶及鄰近圍巖，區內圍巖蝕變較為普遍，成礦巖體主要為晶屑凝灰巖和蝕變凝灰巖[7]，因此斷裂構造與圍巖蝕變信息是研究區內重要的找礦標志[8]。

2 遙感數據源及數據預處理

2.1 遙感數據源

Landsat-7是美國的陸地衛星計劃（Landsat）中的第七顆，于1999年4月15日發射升空。衛星攜帶增強型專題制圖儀（enhanced thematic mapper，ETM+）傳感器。ETM+數據因前景覆蓋面積大、免費易獲取、分辨率適中，是目前我國在礦產資源調查、預測與評價工作中使用最多的數據之一，數據特征見表1。

表1 Landsat-7 ETM+數據特征

由于研究區位于內蒙古東北部，易受冬季冰雪覆蓋影響，因此為了減少冰雪對于地表遙感數據分析的干擾，選擇使用夏季的ETM+影像。本次遙感解譯工作選取了一景Landsat-7 ETM+數據，影像號為LE71250262002220SGS00，成像時間為2002年8月8日，數據是從地理空間數據云（Geospatial Data Cloud）網站免費下載，影像成像質量優，基本無云覆蓋，無積雪覆蓋。

2.2 數據預處理

ETM+數據需要利用ENVI(the Environment for Visualizing Images)軟件對影像進行幾何校正、輻射定標、大氣校正、干擾地物掩膜等處理，處理流程見圖1。ENVI軟件中的radiometric calibration工具可以對影像進行輻射定標，具體數值可以在原始數據的頭文件中獲取。大氣校正基于ENVI軟件，通過頭文件內獲取的各項參數，分別選取大氣參數模型與氣溶膠模型后，利用FLAASH模塊開展大氣校正和地表反射率的工作，最終生成了反射率圖像，從而獲取研究區遙感數據的基礎影像。

圖1 ETM+數據異常信息提取流程圖

3 遙感數據提取方法

3.1 構造信息提取方法

構造信息提取是利用目視解譯結合計算機自動化識別的辦法。目視解譯利用圖像的影像特征和空間特征，與多種地質資料組合，運用相關規律，進行基于經驗化的綜合分析和邏輯推理。計算機自動化識別則是應用一系列圖像處理方法進行影像的增強，提高影像的視覺效果后結合目視解譯，從而提高構造信息提取的準確性。

3.2 蝕變信息提取方法

利用PCA主成分分析方法開展礦化蝕變信息提取。該方法本質上是基于變量之間相互關系的多維正交線性變換，不僅可以降低空間變量的維數，同時也可以消除變量的冗余信息。基于經典的Crosta方法，利用蝕變礦物的診斷特征對應的多光譜波段數據進行主成分分析變換后，經過直方圖線性、直方圖均衡化等增強處理，采用主分量分析門限法，利用正態分布數據的平均值與標準偏差計算閾值，分割異常值和背景值，從而提取遙感蝕變信息進行蝕變礦物填圖。

4 構造與蝕變信息提取

4.1 線環構造信息提取

利用Landsat-7影像波段321真彩色合成，發現研究區內線性影像特征顯著，如圖2（a）。構造信息提取主要在ENVI和ARCGIS軟件中進行，利用具有豐富線形體信息的ETM+波段5，通過卷積濾波方法進行圖像增強，再結合目視解譯，提取了區域線環構造，如圖2（b）所示。

圖2 研究區構造解譯圖

從大地構造位置來看，研究區位于得爾布干斷裂西南段，興安地槽褶皺系額爾古納興凱地槽褶皺帶內，屬中生代大興安嶺—燕山火山巖帶中部。構造具有多期性、多方向性等特點。區內斷裂構造較為發育，以NE向、NW向和近N向斷裂最為發育，燕山期巖漿活動強烈，遙感影像特征表現為線、環構造交匯，形成明顯的網格狀構造格局，且多集中在研究區西側。區內小型環形構造有6個，主要是古火山機構與穹窿構造，侵入體沿斷裂不同程度地侵入到環形構造中。區內巖漿活動頻繁且劇烈，使得區域構造格局遭受強烈扭壓，并形成了大量破碎剪切帶。研究區東部NE向扭壓性斷裂十分發育，且形成規模巨大，其次是近N向張性斷層，此組斷裂對巖漿侵入—噴溢活動均有控制作用。NW向斷裂是研究區內的主干斷裂構造，與NE向斷裂交叉部位呈貫通式構造，與環形構造呈相交和相切交匯，易于深部巖漿及礦液上升，并在適當構造空間成礦，與成礦關系十分密切。

4.2 鐵染蝕變信息提取

研究區內與鐵離子有關的蝕變礦物主要為黃鉀鐵礬與褐鐵礦，將ETM+數據的第1、3、4、5波段進行主成分分析來提取鐵染蝕變信息，主成分分析的特征向量結果具體見表2，其診斷特征應為反射峰波段3的特征向量值與吸收谷波段1、波段4的符號相反，因此向量4符合上述要求。因此將向量4作為鐵染蝕變信息的主分量并進行密度分割，以均值+1.5、2、2.5倍的標準差作為異常下限進行鐵染蝕變信息提取，提取結果見圖3（a）。

表2 ETM+-1345波段組合主成分分析特征向量表

4.3 羥基蝕變信息提取

研究區內含羥基的蝕變礦物多為白（絹）云母、蒙脫石、高嶺石，采用主成分分析方法處理了ETM+影像中的1、4、5、7四個波段，主成分分析的特征向量結果具體見表3，其診斷特征應為吸收谷波段4的特征向量值與反射峰波段1、波段5的符號相反，因此向量4符合上述要求。但在向量4中波段4符號為正，利用Bandmath對圖像取反，將取反后的向量4作為羥基蝕變信息的主分量并進行密度分割，以均值+2、2.5、3倍的標準差作為異常下限進行羥基蝕變信息提取，提取結果見圖3（b）。

圖3 研究區蝕變提取結果圖

表3 ETM+-1457波段組合主成分分析特征向量表

5 蝕變信息分布特征及綜合評價

圍巖蝕變是熱液型礦床的最直接找礦指示標志，根據Landsat-7 ETM+影像的光譜分辨率特征，利用可見光譜段可提取富含鐵離子和羥基的兩種礦物，進而展示出區域熱液活動的情況。礦化蝕變信息和地質構造信息雖然都屬于遙感弱信息，但將主成分分析法提取出的鐵染蝕變信息和羥基蝕變信息通過GIS技術將兩種蝕變信息與線環構造進行疊加分析，可以極大提高成礦預測的準確性，在與研究區構造解譯圖疊加綜合分析后可見，研究區遙感礦化蝕變異常信息的分布主要圍繞巖體或者是沿斷裂分布，并在線性構造交叉部位以及地貌較破碎區域分布較為集中，破碎區則是由于斷裂構造處的地殼運動應力導致的，這一現象很好地體現了熱液運移的痕跡，從而更好體現熱液形成礦產資源的依據。

從圖3（a）中可以看出，區域內鐵染蝕變分布廣泛，根據提取的鐵化蝕變信息按照空間分布和成因類型可分為兩類：（1）呈面型集合體分布，分布較為集中，該類蝕變主要與研究區內大面積分布的燕山期中酸性侵入巖密切相關，推測是由酸性侵入巖體本身所含較高鐵質和區域性鐵染所引起，對于找礦預測的意義不顯著；（2）為分散于各時代地層中呈星點狀、不規則面狀和連續性較好的帶狀條帶狀分布的鐵化異常，這類蝕變主要由地層所導致的局部鐵染和區內的構造運動引起，這類鐵化異常的分布與地層和構造較為吻合，可以很好地預測出成礦的有利位置。

區域鐵蝕變主要集中在研究區東南部，總體上沿NW向展布，與線性構造的走向特征吻合，說明蝕變礦物的分布受侵入體的控制，且多出現在線環構造交匯部位，與構造運動關系密切，易形成熱液脈型礦床。

根據Landsat波段設置范圍，ETM+第7波段具有比較好的羥基信息提取特征，因此通過第7波段開展密度分割提取出層狀硅酸鹽、碳酸巖等蝕變礦物。從圖3（b）可以看出，區域內羥基蝕變分布分散，受影像空間分辨率的限制，研究區內未出現大面積異常特征，羥基蝕變不顯著。

6 結論

本文基于Landsat-7 ETM+多光譜數據綜合運用多種遙感信息提取技術，提取了研究區構造信息與礦化蝕變信息，利用地物光譜特性的找礦方法，開展了研究區地質解譯工作與初步找礦預測，并總結了構造與蝕變信息分布特征。本文通過研究區遙感構造與蝕變信息研究主要得出以下認識：

（1）研究區內構造運動強烈，熱液活動頻繁，且以NW向斷裂為主要斷裂構造發育，以NE向斷裂為次級斷裂構造發育。

（2）研究區內鐵染蝕變信息分布廣泛，礦化蝕變信息多出現于線性構造、環形構造附近，與構造運動關系密切，區域成礦潛力巨大。