ETM图像数据中矿化蚀变信息的提取

—以西昆仑塔什库尔干地区为例
王晓鹏，谢志清，伍跃中
（中煤航测遥感局遥感应用研究院 西安 710054）
摘要：以ETM图像数据为信息源，在西昆仑塔什库尔干地区进行了遥感找矿异常的提取，针对区内发育的不同蚀变类型先用特征波段比值、主成分分析、彩色空间变换等方法进行增强处理，然后利用阀值分割、并将不同蚀变类型的分割图像进行中值滤波，对经过中值滤波后的图像进行赋色、叠加，得到综合遥感矿化蚀变异常，并对圈定的异常效果进行了分析评价。
关键词：ETM图像 矿化蚀变异常 信息提取
第一作者简介：王晓鹏,男,27岁,硕士,2000年毕业于中国科学院地质与地球物理研究所，目前主要从事遥感地质应用研究。
0．引言
随着空间遥感技术和信息处理技术的迅猛发展，遥感与常规地质、地球物理、地球化学相结合的综合找矿方法成为现代找矿的技术主流[1][2]。其中遥感找矿异常信息提取技术仍处于起步阶段，但已显示出其在找矿领域的巨大应用潜力。80年代，智利利用航空摄影照片解译矿化蚀变带，发现了玛尔泰和洛博金矿。美国地调局利用陆地卫星数据处理，填绘了与矿化有关的褐铁矿化异常分布。1991年，Crosta和Loughin利用Landsat TM图像数据较成功地圈定了巴西等半干旱地区铁染和泥化现象。Robert.W.M等（1996）在新墨西哥南部Blue Greek盆地内热液蚀变填图使用TM图像数据成功地圈定了粘土、云母含羟基矿物的矿化蚀变区。国内这方面的工作主要是在90年代，如胡德永等（1994）提出的“微量信息处理”；马建文（1997）提出的TM掩模+主成分变换+分类识别提取矿化弱信息方法；张远飞等（1998），利用混合像元分解法提取遥感数据中矿化蚀变信息的方法等，都取得了一定的成果。笔者此次选择西昆仑塔什库尔干地区进行了遥感矿化蚀变信息提取的方法研究。
1．研究区地质矿产概述
研究区位于西昆仑西段，地理坐标为：东经74°45¢—76°30¢，北纬36°40¢—38°40¢（不含国界以外的地区），面积约29000km2。构造区划上横跨铁克里克陆缘隆起、昆盖山-库尔良晚古生代裂谷、公格尔-柳什塔格中间地块、阿克赛钦中间地块等四个构造单元[3]。
区内地层发育较齐全，以中下元古界的绿片岩系为主，另外古生代的陆源碎屑岩和碳酸盐岩发育于研究区东北部，中新生代红色岩系主要发育于塔什库尔干河谷及研究区西南部。
区内侵入岩发育，晚华力西期侵入岩主要分布于研究区东北部，以钙碱性系列的闪长岩、英云闪长岩为主；印支期侵入岩分布于研究区东南角，以花岗闪长岩为主；燕山期—喜马拉雅期侵入岩分布于研究区中部及西南部，以钾长花岗岩和花岗闪长岩为主。
根据前人资料，结合本次工作的认识，将研究区划分为三大成矿带：1.库斯拉甫铅、锌、铜、金成矿带，构造上属于铁克里克陆缘隆起，区内地层以晚古生代含相碳酸盐岩为主。含矿围岩为中泥盆统和下石炭统白云岩和白云质灰岩，北西向断裂控制成矿带的展布。围岩蚀变主要为碳酸盐化类；2.苏巴什—大同铜、金、铁成矿带，构造上主体属于公格尔-柳什塔格中间地块。成矿带内矿床以热液型为主，沉积型与矽卡岩型次之。成矿带西北部矿床以沉积型为主、热液型次之。含矿地层主要为元古代布伦阔勒群片岩、大理岩系和奥陶—志留系
本文为中国地调局技术方法类项目“西昆仑地区遥感找矿异常提取方法研究”项目部分成果总结
（项目编号为200120140115）
的片岩与结晶灰岩，围岩蚀变主要为硅化与褐铁矿化。成矿带中南部矿床均是与元古代、华
力西期岛弧花岗岩有关的热液脉型或矽卡岩型，含矿地层为元古代或早古生代大理岩，围岩蚀变主要为绿泥石化与硅化；3.卡拉苏—明铁盖铜、金、钨、铅、锌成矿带，构造上属于华南板块阿克赛钦中间地块，该地块属喀喇昆仑褶皱系，矿床成因以热液型为主，含矿地层为二叠系黑色含炭岩系。北西向断裂控制成矿带的展布。矿床均是与燕山期花岗岩有关的热液型，围岩蚀变主要为褐铁矿化、绿泥石化、少量硅化。
三个成矿带内发育的矿化围岩蚀变主要有褐铁矿化、碳酸盐化、硅化、绿泥石化、黄铁矿化、矽卡岩化等,这些蚀变矿物的特征谱带正是提取遥感矿化蚀变信息的理论基础。
2．遥感矿化蚀变信息的提取
在可见光和短波红外的范围里，物体所产生的光谱特征主要是分子和离子的振动以及自由电子激发造成的，与地物中所含水、羟基、硅、铝和氧分子和离子的状态及组合有关。因此，地物中具体成分的光谱特征主要是由组成物体的基本成分所决定的，同时也易受周围晶格结构、基质的分布以及杂质成分存在的影响。特征谱带是由岩（矿）石中典型金属元素离子的电子跃迁（可见及近红外波段）或分子振动而引起的，铁、锰、钛等金属离子及蚀变矿物中的“羟基”成分、水分子等能够在可见-红外波段产生较强的吸收谱带，构成多光谱图像的识别信息。依据这些特征谱带在多光谱遥感图像中所处的波段位置，便可设计和选择出有关岩石单元的最佳识别波段及其特征信息提取的波段比值变量。这项研究的应用意义在于它可以从岩（矿）石本征光谱信息识别特征中提取有效的波段变量及其组合，建立最佳光谱识别模式[4]。考虑到工作性质及研究精度，本次选取了ETM图像作为信息源。
由于ETM图像相对较宽的波段范围，详细的识别某一种蚀变类型是比较困难的。但如果把本区近矿围岩蚀变分为褐铁矿化类、碳酸盐化及绿泥石化类、硅化类等三类。便可通过不同波段组合的比值和主成分分析等方法区分。提取过程包括下列几个步骤：
①图像的预处理
包括对图像的几何精校正、地理配准、反差调整等，跨景的还需进行图象镶嵌。另外为了提高矿化蚀变信息提取的精度，还需对研究区图像进行掩膜处理和分区处理。
研究区地处西昆仑西段，平均海拔在3800米以上，为典型的高原、高寒区。研究区内北部公格尔山、慕士塔格山等常年积雪，大面积分布的雪区会干扰对矿化蚀变信息的提取。因此需要先对图像进行雪区掩膜处理，掩模是雪盖区像元取零值，其它取1而产生，将处理选用波段与掩模产生的图像相乘，所有雪盖区像元为黑色，其它像元保持不变，然后即可进行运算。由于雪盖区的反射特性基本一致，因而通过监督分类的方法极易区分。
另外由于研究区内可分为沿北西方向展布的卡拉苏—明铁盖、苏巴什—大同、库斯拉甫三个成矿带，其内部成床地质条件各不相同，在进行遥感矿化蚀变异常分割时选取的阀值也会有所差别，因此在三个成矿带内分别对各类蚀变异常进行提取，圈出异常后再按类进行镶嵌。
②图像的增强处理
A．波段比值
对两个波段的图像进行比值运算，可减弱背景而突出类别或目标信息，消除地形、山影、云影等的影响。波段的选择基于对各种蚀变类型多波段光谱特征的研究。利用TM3/1可增强铁氧化物类蚀变，TM5/4可增强亚铁矿物类蚀变，TM5/7可增强碳酸盐化及绿泥石化类蚀变。
B．主成分分析
主成分分析主要采用“克罗斯塔”分析法，又称特征主成分选择技术。是根据地物的波谱特征和主成分分析后生成的特征向量矩阵中的各波段的载荷因子大小来提取目标地物信息的方法，它对PCA特征向量载荷进行分析，以确定那个主成分更集中地反映了某个波段（或某种地物）的特征波谱信息。为减少个别波段的干扰，提高工作效率，采用了4波段的主成分分析法。即用于增强粘土类矿物信息的4个波段采用TM1、4、5、7，删去TM2、3波段，避免3个可见光波段同时参与运算，主要是为了排除铁氧化物的干扰，这样在PC4负值图像中，绿泥石等粘土矿物将以浅色调特征突出出来，用于铁氧化物矿物增强的4个波段采用TM1、3、4、5，避免TM5、7波段同时参加运算，是为了排除粘土类矿物蚀变信息干扰，结果在PC4中氧化铁类矿物得到增强[5]。
C．芒塞尔彩色空间变换
在计算机内定量处理色彩时通常采用RGB（Red、Green、Blue）表色系统，但在视觉上定性的描述色彩时，采用HSV显色系统更直观些。Munsell HSV变换就是对标准处理彩色合成图像在红（R）、绿（G）、蓝（B）编码赋色方面的一种彩色图像增强方法，它是借助改变彩色合成过程中的光学参数的变化来扩展图像色调差异，将图像彩色坐标系中红、绿、蓝三原色组成的彩色空间(RGB)变换为由Hue(色度)，Saturation (饱和度)，Value(纯度)三个变量构成的HSV色彩模型。其目的是为了更有效地抑制地形效应和增强岩石单元的波段差异，并通过彩色编码增强处理达到最佳的图像显示效果，扩展了色调的动态变化范围，有利于细分[6]。对于褐铁矿化类，利用波段比值3比1、5比4、1345波段主成分分析PC4向量合成褐铁矿化增强图像；对于碳酸盐化及绿泥石化类，利用波段比值5比7、3比1、1457波段主成分分析PC4向量负值合成增强图像；再对其进行芒塞尔彩色空间变换，扩展色调分量的动态范围。
③矿化蚀变信息提取
对上面经过芒塞尔彩色空间变换的增强图像色调（H）分量选取一适当的阀值进行分割，得到褐铁矿化类、碳酸盐化及绿泥石化类异常图像，由于SiO2可引起TM6的高吸收，根据这一点，直接对ETM第6波段取阀值即可得到硅化类异常图像[7]。阀值通过分割出的图像与已知矿化蚀变区的对比人工选定，条件是分割出的异常图像范围与已知蚀变区的范围基本一致。
④异常图的编制
将在三个成矿带分别圈定的褐铁矿化类、碳酸盐化及绿泥石化类、硅化类遥感矿化蚀变异常按类进行镶嵌，得到全区的三类异常，再对其进行中值滤波，使其边界圆滑，然后分别赋色，叠加在影像上编制成遥感矿化蚀变异常图，将其叠加在遥感解译构造地质图上形成遥感构造与矿化蚀变异常图。
3．遥感矿化蚀变异常的分布特征
利用上述方法圈定的异常具有不均匀性、集中分布的特点，褐铁矿化类大致以塔什库尔干断裂为界，大体沿燕山期中酸性侵入岩体内、外接触带分布。硅化类主要分布于元古代、华力西期、燕山期等三期中酸性侵入岩内及元古代深变质岩系中，绿泥石化类与碳酸盐化类主要分布于研究区西南部二叠系黑色岩系内与研究区东北部恰尔隆、库斯拉甫一带的晚古生代地层中。根据异常的分布特征，可将全区划分为七大异常区：库斯拉甫异常区、恰尔隆异常区、皮勒异常区、苏巴什异常区、卡拉苏异常区、明铁盖异常区、赞坎异常区。
4．应用效果评价与结论
异常圈定效果分析主要考虑以下几各方面：遥感异常与已知矿床、矿（化）点的吻合性、与化探异常的吻合程度、与区域成矿规律、成矿特征的吻合性。
据统计、研究区内26个已知铜矿床、矿（化）点中有10个落在蚀变异常区内或边缘，吻合率约为40%，各类蚀变异常的分布具有规律性，与区域成矿规律、成矿特征基本吻合；遥感异常区与化探异常区（水系沉积物）吻合度较高，圈定的七大遥感异常区中有六个与化探异常区全部或部分吻合，总体而言，利用所选定的最佳遥感异常圈定方法所圈定的遥感异常效果是比较令人信服的。
依据上述方法圈定出的遥感矿化蚀变异常，通过对区域成矿地质特征分析，根据研究区内不同地区地质条件、成矿条件的差异性，在整个研究区内划分出六个成矿远景区和三个找矿靶区。六个远景区为：库斯拉甫铅锌矿远景区，苏巴什铜、金、铁矿远景区，恰尔隆—皮勒铜、铁矿远景区，卡拉苏铜、金、铁矿远景区，明铁盖铜、金、钨矿远景区，赞坎—西若铜、金矿远景区。三个找矿靶区为：恰尔隆铜矿找矿靶区、大同西南铜矿找矿靶区、明铁盖铜矿找矿靶区。经实地验证，在明铁盖、苏巴什已发现小型矿床，在大同—恰尔隆一带发现多处矿点。
通过对西昆仑塔什库尔干地区遥感矿化异常信息的提取，认为在交通不便、自然地理条件恶劣、研究程度低、利用常规方法找矿难度较大的地区，利用遥感的方法可以快速高效的圈定各种矿化蚀变异常、圈定成矿远景区，为常规找矿方法指明方向，缩小工作范围。

【参考文献】：
[1] 郑威、陈述彭，1995。资源遥感纲要，北京：中国科学技术出版社。
[2] 肖克炎、朱裕生、张晓华等，1999。矿产资源评价中的成矿信息提取与综合技术，矿床地质（18）4:379—384。
[3] 张振飞、卢登蓉、姜常义、张篷勃，2001。《昆盖山北坡—布伦口地区矿产资源综合找矿评价》课题研究报告。
[4] 薛重生、楼性满、徐成彦等。地矿部“七五”科技攻关项目研究成果报告：1：5万区调中遥感方法技术研究，1990。中国地质大学（武汉）、地矿部航空物探遥感中心。
[5] 张佩民、黄林日、鲍巨才、王俊清，2000。辽西肖家营子地区金矿遥感信息提取及成矿预测，国土资源遥感（45）3：31—37。
[6] 周成虎、骆剑承、杨晓梅等，1999。遥感影像地学理解与分析，北京：科学出版社。
[7] 赵鹏大、陈永清、刘吉平等，1999。地质异常成矿预测理论与实践，武汉：中国地质大学出版社。


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