Landsat8-OLI遥感影像的组合分析法对铁染蚀变的提取研究

Landsat8 OLI遥感影像的组合分析法对铁染蚀变的提取研究-以云南昭通毛坪铅锌矿为例马威，温兴平，石振杰，沈攀(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南省矿产资源预测评价工程实验室,昆明 650093)摘 要：本文以云南昭通毛坪铅锌矿为研究区域，利用最新的Landsat8 OLI影像，在详细解读云南昭通毛坪的Landsat8 OLI影像的基础上，以蚀变围岩的光谱异常为理论依据，结合研究区的地质资料，根据矿物的光谱特征，利用掩膜技术去除水体、阴影等干扰信息，采用主成分分析为主、比值法为辅的方法利用OLI卫星数据提取研究区内铁染异常蚀变信息，并用ETM+影像的主成分分析作为比对，研究表明，利用组合分析法，也就是在主成分分析的基础上，采用比值法辅助，对Landsat8 OLI遥感影像上的铁染异常蚀变信息有较好的提取效果。关 键 词：OLI影像;蚀变信息;提取方法;毛坪铅锌矿引言围岩蚀变（wall-rock Alteration）,又称围岩交代蚀变或主岩交代蚀变，是指近矿围岩在流体的作用下发生的化学和物理变化，从而引起围岩化学成分和结构构造的变化1。蚀变围岩因其矿物成分、岩石结构与正常围岩有所不同, 所以二者在遥感图像表现为不同的色调, 在波谱维表现为截然不同的波谱曲线 2-3。这为利用遥感影像提取围岩蚀变信息提供了基础。到目前为止，围岩蚀变信息的提取多利用ETM+,ASTER等影像数据。2013 年2 月，NASA 成功发射了Landsat 8 卫星，Landsat 8既保持了Landsat 7 卫星的基本特征，又在波段数量、波段光谱范围和影响的辐射分辨率方面有了改进。2013年，徐涵秋基于Landsat 8 的首幅影像，分析和研究了Landsat 8 遥感影像的新增特征及其生态环境意义4。李旭文利用Landsat 8 卫星上运营性陆地成像仪OLI 获取的太湖流域遥感影像数据，开展了其在大气能见度、蓝藻水华及建设用地等生态环境监测领域中的应用研究5。OLI 数据在地质遥感找矿方面的应用还没有文献报道。此外，基于多光谱数据进行矿化蚀变信息提取的方法主要有主成分分析法、比值方法、光谱角法等6-7。这些方法在大量的实践应用中均表现出了不同的问题 8，主成分分析法依据蚀变围岩与非蚀变围岩波谱差异提取矿化蚀变异常时, 使得提取微弱的蚀变围岩信息淹没于背景噪声中, 比值方法在波段相除时减弱源数据的信噪比,光谱角法因多光谱数据谱带过宽、数目偏少而导致结果精度偏低。针对以上问题，本研究在详细解读云南昭通毛坪的OLI影像的基础上，以蚀变围岩的光谱异常为理论依据，提取遥感蚀变信息。结合研究区的地质资料，根据矿物的光谱特征，采用主成分分析为主、比值法为辅的方法利用OLI卫星数据提取研究区内蚀变信息，并利用Landsat 7ETM+影像的蚀变信息提取结果进行对比分析。1研究区概况毛坪位于云南省东北部的昭通地区，地形上属云岭高原与四川盆地的交接处，典型的山地地貌，地势南高北低，地形切割强烈，地理坐标是N26.80-28.50，E102.88-105.309。矿区出露的地层有上泥盆统宰格组（D3zg），下石炭统大塘组（C1d）、下石炭统摆佐组（C1b）、中石炭统威宁组（C2w），下二叠统梁山组（P1l）、下二叠统栖霞茅口组（P1q+m），及第四系（Q）（图1）。矿体赋存于上泥盆统宰格组第二段（D3zg2）和下石炭统摆佐组上段（C1b2）及中石炭统威宁组（C2w）10 。主要有容矿层的白云岩的退色、结晶和白云石化、黄铁矿化、重晶石化、方解石化、硅化9。各种不同的围岩蚀变作用大致具有一定分布规律：即黄铁矿大多出现在矿体以内或近矿强烈蚀变的中粗晶白云岩中，显见它和矿化关系十分密切；铁白云石和铁方解石化常伴随矿体出现，一般矿体都与铁白云石和铁方解石化有关，离矿体越近白云石结晶越粗大，方解石团块越发育。2数据来源近年来，遥感技术和地理信息技术飞速发展，2013年，美国地质调查局USGS（及太空署NASA发射了“陆地卫星数据连续性任务”卫星（Landsat Data Continuity Mission卫星，发射后更名为Landsat-8）。Landsat-8卫星上携带有两个主要载荷：OLI(陆地成像仪)和TIRS(热红外传感器)。为了避免大气吸收特征，还在波段数量、波段光谱范围和影响辐射分辨率方面有了改进。此外，还新增了两个波段，蓝色波（OLI1）段可应用于海岸带观测，短波红外段（OLI9）包括水汽强吸收特征，可用于云检测5。OLI成像仪包括9个短波谱段（波段1波段9），幅宽185km，其中全色波段地面分辨率为15m，其他谱段地面分辨率为30m。如表1所示。 表1 OLI卫星数据波段Table1 OLI-band satellite data序号 波段 空间分辨率（m）10.4330.453 3020.4500.515 3030.5250.600 304567890.6300.6800.845-0.88501.560-1.6502.100-2.3000.500-0.6801.360-1.390 30 30 30 301530 OLI成像波段在波谱范围上做出了很大的调整。OLI成像仪的波段5（0.845m0.885m）去除了波谱范围中波长为0.825附近的水蒸气吸收段；波段波谱范围变窄，这将有助于减少提取找矿信息时碳酸盐岩对羟基的干扰；另外，为了使得有植被的地表和没有植被的地表之间的反差更大，OLI成像仪的全色波段（波段8）的波谱范围也很窄5。3蚀变提取的的理论依据遥感数据的事变信息是依据电磁波与出露的岩石和地质体发生作用，产生岩石和地质体的特征光谱来提取的11-12。研究区黄铁矿化大多出现在矿体以内或近矿强烈蚀变的中-粗晶白云岩中，显见它和矿化关系十分密切铁离子矿物的提取具有一定意义。含铁（Fe3+、Fe2+）矿物，铁矿物以次生氧化物为主，部分作为热液蚀变带的原生矿物，如常见的褐铁矿、针铁矿（Goethite）、赤铁矿、黄钾铁矾等含大量Fe3+，也有少量Fe2+的纤铁矿等氧化物62。0.45m，0.55m，0.85m，0.90m，0.94m存在较强的吸收谷。一般来讲，浅部黄铁矿会由于氧化作用形成褐铁矿化，也就是说，研究区内的铁染蚀变在遥感影像上读取为褐铁矿化13。褐铁矿化实际上并不是一种单独矿物，而是由水针铁矿、针铁矿、水纤铁矿、纤铁矿、更富含铝的氢氧化物、水的氢氧化铁胶凝体、以及含水的泥质、氧化硅等常共同产出而形成；含铁量达30% 40%14。其主要成分的光谱特征含量如下图，在可见光及近红外区中，岩石特征谱带形成占有优势。在在0.6-0.9m间产生强的吸收谱带，因而诊断性吸收峰位于0.9m处。通过野外地质调查和岩性地层剖面测量，在典型岩性段内建立地质观察点，采集具有代表性的岩石，保证样品有风化面和新鲜面，用GPS定位采样点位置并拍摄野外采样点照片，同时记录岩石特征、地质地貌特征以及环境参数；然后对采样点进行野外光谱测试，每个采样点测试三条光谱曲线，以备后期实验室数据处理减小误差，最后，对每个观察点的光谱曲线取平均值，所得的波谱曲线图如图所示，反映在OLI影像上，OLI2与OLI5波段上具有明显的吸收谷，在OLI4波段具有相对较高的反射率 图1 主要铁染蚀变矿物及对应波段（根据USGS-MIN波谱库） Fig.1 The main alteration minerals iron staining and the corresponding band图2 野外 铁染蚀变矿物及对应波段 Fig.2 Field iron stained alteration minerals and the corresponding band4蚀变信息提取4.1研究区干扰信息的去除由于研究区地物光谱、遥感成像时间以及辐射分辨率的限制, 传感器很难精确地记录复杂的地表信息, 因而误差就不可避免地存在于遥感数据获取的过程中, 误差的存在降低了遥感数据的质量,.所以, 在数据处理、信息提取前, 需要对原始数据进行预处理15。受研究区的地形地貌及数据时相等原因, 要采用掩膜15-16的方法去除研究区范围内的水体、植被等干扰元素的影响,，使蚀变提取的结果更加精确。 掩膜前 Before Mask 掩膜后After Mask图3 掩膜处理前后对比图 Fig.3 Mask before and after comparison chart4.2蚀变提取及结果主成分分析法17-19很好地去除了多波段间的相关性, 使得变换后各主分量之间相互独立, 分别代表不同的地质意义, 并且互不重复, 矿物的蚀变信息集中于某一个主分量中。主成分分析法虽然可以降低波段间的相关性和冗余性, 但是干扰地物, 以及乘性噪声( 部分大气衰减和地形差异等)的存在, 影响异常信息提取, 因此采用比值法20作为辅助手段，提取蚀变信息。与铁离子有关的蚀变矿物主要是黄铁矿，由于野外的风化剥蚀，在遥感影像上，其表现为褐铁矿化。特征光谱主要集中在OLI2-OLI5波段，在OLI4波段表现为相对高反射。根据蚀变矿物的波普曲线及研究区地质概况，确定蚀变提取方法为主成分分析法，在主成分分析中，为避免含羟基和含碳酸根矿物的干扰，舍弃了OLI7波段。根据研究区蚀变矿物波普特征，OLI6 /OLI5 比值扩大了OLI6与OLI5的光谱反差, 具有增强铁化蚀变图像的亮度反差功能。用OLI6 /OLI5 代替OLI6, 即应用OLI2、OLI4、OLI5、OLI4 /OLI3 作为输入波段组合进行主成分分析,以增强 铁染蚀变信息。得到主成分分析的特征向量矩阵(表1)， 表2 OLI（2、4、5、4/3）主成分特征向量表Table 2 OLI (2,4,5,4 / 3) main component feature vector主成分OLI2OLI4OLI5OLI4/3 PC1-0.139400-0.369006-0.918913-0.000156PC2-0.488834-0.7813770.387933 0.000318PC3-0.8611670.503273 -0.0714590.001117PC4-0.000785 0.000868-0.000060.999999 从表中可以看出，PC3上OLI5特征向量为负，OLI6/5特征向量为正，因此对PC3图像上进行主成分分析提取蚀变异常，并利用同研究区的ETM+影像的蚀变信息提取结果进行对比，其结果如下: 图4 OLI铁染蚀变异常分布图Figure 4 OLI iron stained alteration anomaly maps图5 ETM+铁染蚀变异常分布图 （取值波段为1、3、4、5）Figure 5 ETM + iron stained alteration anomaly maps (Value band of 1,3,4,5) 图中的红色区域为铁染蚀变异常与ETM+对比的情况，通过比对可以看出，采取主成分分析法为主、比值法为辅的方法，能较好地提取铁染蚀变；采用主成分分析法，能较好地提取羟基蚀变。 5 结论（1）通过分析地质体波谱特征和遥感蚀变信息提取的地质依据，依据矿区矿化蚀变类型发育特征和各类典型蚀变矿物的波谱特征，提取研究区的铁染蚀变信息。综合比较各蚀变信息提取方法，结合研究区实际情况采用主成分分析法为主，比值法为辅进行遥感蚀变信息提取。其中，采用OLI2、OLI4、OLI5、OLI4 /OLI3波段组合进行主成分分析获取铁染蚀变信息，采用OLI2，OLI5，OLI6,OLI7波段组合进行羟基蚀变信息提取。（2）主成分分析法、比值分析法是现今遥感蚀变信息提取中广泛应用的方法。主成分分析法, 需要将干扰地物去除才能取得较好的效果。而根据研究区实际情况，对铁染蚀变信息而言，干扰地物的影响很难消除，因此在主成分分析的基础上，采用比值法辅助，很好地克服了使用单一方法会出现的问题。从而达到较好的提取效果。参考文献：1Chen Chun-fu, Liang You-bin. 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