ETM数据在金矿化蚀变信息提取中的应用研究—

引用本文

邓素贞, 贺佳惠, 王永军. ETM数据在金矿化蚀变信息提取中的应用研究——以张家口下双台地区为例[J]. 国土资源遥感, 2010,22(4): 56-59
DENG Su-zhen, HE Jia-hui, WANG Yong-jun. The Application of ETM Data to the Extraction of Gold Mineralization and Alteration Information: a Case Study of Xiashuangtai Area in Zhangjiakou[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2010,22(4): 56-59 复制到剪切板

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《国土资源遥感》编辑部

ETM数据在金矿化蚀变信息提取中的应用研究——以张家口下双台地区为例

邓素贞¹, 贺佳惠², 王永军³

1.河北省地质调查院,石家庄 050000

2.中国地质大学,武汉 430074

3.核工业航测遥感中心,石家庄 050002

第一作者简介: 邓素贞(1956-),女,工程师,主要从事遥感地质找矿应用研究。

收稿日期: 2010-03-22

基金: 河北省地质勘查资金项目(编号: [2005]041)资助

摘要

金矿遥感探测之关键在于成矿构造及铁氧化物、含羟基蚀变矿物信息的提取。以张家口下双台地区为研究区,利用ENVI 4.0图像处理软件,通过“多元数据分析+比值+主成分变换+密度分割+分类”等方法,从Landsat-7 ETM数据中提取矿化蚀变信息并抑制植被波谱干扰,方法快速、准确、有效。结果表明,利用该方法获得的矿化蚀变信息与已知矿点有很大的一致性,该方法是可行的。

关键词: ETM; 蚀变信息; 图像比值; 主成分变换; 密度分割

中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)04-0056-04

The Application of ETM Data to the Extraction of Gold Mineralization and Alteration Information: a Case Study of Xiashuangtai Area in Zhangjiakou

DENG Su-zhen¹, HE Jia-hui², WANG Yong-jun³

1.Hebei Institute of Geological Survey, Shijiazhuang 050000, China

2.China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

3.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry, Shijiazhuang 050002, China

Abstract

The key point for gold exploration using remote sensing technology is the information extraction of ore-forming structures and spectral characteristics of ferrite oxides and altered hydrous minerals. On the basis of the remote sensing image processing software (ENVI 4.0) and by using a new quick, exact and effective method for extraction of gold mineralization and alteration information,namely "multivariate data analysis+ratio+PCA+DS+classification",the spectral characteristics of altered minerals can be extracted,and the influence of the vegetation can be suppressed. It is demonstrated that the gold mineralization and alteration information is in accordance with the known mine spot,and the method is very feasible.

Keyword: ETM; Alteration information; Image ratio; Principal Component Analysis (PCA); Density Slicing (DS)

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0 引言

遥感技术如何应用于找矿实践是遥感界多年来一直在探索的问题。蚀变信息提取是目前国内外地学工作者十分重视的课题, 诸多学者竞相开展应用遥感图像进行蚀变岩填图和提取热液蚀变信息的试验, 并取得了不少成果^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。一般都采用比值+主成分分析的方法, 要求研究区是干旱或半干旱环境, 植被稀少或没有植被, 基岩露头好, 但在复杂环境下的效果却不令人满意。本研究则采用“ 多元数据分析+比值+主成分变换+密度分割+分类” 方法, 对张家口地区的ETM遥感数据进行处理及地质解译, 成功提取了该区与成矿有关的蚀变信息。

1 研究区概况

研究区为河北张家口东部下双台周围地区, 位于华北地台燕辽沉降带与内蒙古地轴交界部位, 北部有一级区域控制性断裂— — 崇礼— 赤城深大断裂。区内主要出露太古界谷咀子组角闪斜长片麻岩、二辉斜长麻粒岩、含石榴二辉斜长麻粒岩夹浅色麻粒岩、不纯大理岩和磁铁石英岩组成的混合岩及燕山期中酸性杂岩体。

该区主要围岩蚀变有绢云母化、硅化、碳酸盐化、黄铁矿化、绿泥石化和黄铁绢英岩化, 其中硅化、绢云母化、碳酸盐化、绿泥石化和黄铁矿化与金矿化有密切关系。该区植被较发育, 给地表直接找矿工作带来一定的困难。

2 数据来源与分析

本次研究使用2000年5月23日获取的Landsat-7 ETM数据。利用遥感图像处理软件(ENVI 4.0)对其进行处理分析。在ETM数据中, ETMl波段为铁离子电荷转移吸收带, ETM4波段为铁离子晶体场效应吸收带, ETM5波段为大部分造岩矿物的高反射谱段, ETM7波段为粘土矿物及碳酸盐矿物光谱吸收带。研究表明, 植被的叶绿素在ETM1~3波段有吸收特征, 而在ETM3、4波段反射率陡然升高。从试验区岩石矿物光谱吸收特征显著程度来看, 铁氧化物的显著吸收特征出现在ETMl波段, 粘土矿物光谱吸收特征出现在ETM7波段。

与金矿矿化蚀变有关的矿物主要为一些含羟基(OH^-)的粘土矿物(绢云母化、绿泥石化等)和富含三价铁离子(Fe³⁺)的矿物。只有羟基(OH^-)和三价铁离子(Fe³⁺)信息在图像上同时显示为异常的地带, 才是可能与金矿矿化蚀变有关的部位。本区与金矿有关的蚀变主要有硅化、绢云母化、碳酸盐化、绿泥石化及黄铁矿化(多氧化形成铁染)。

金矿矿化蚀变信息的提取主要是提取含羟基(OH^-)和富含三价铁离子(Fe³⁺)的矿物信息。根据波谱特性分析, ETM7能综合反映吸收谷在2.2 μ m附近的粘土矿物(含羟基离子OH^-)及吸收谷在2.35 μ m附近的碳酸盐矿物信息; 粘土矿物、碳酸盐矿物在ETM5波段均为高亮度值, 并且ETM5> ETM7; 对于含铁离子(Fe³⁺)矿物的亮度值而言, ETM3> ETM1; 对于植被的亮度值而言, ETM4> ETM3, ETM4> ETM5, ETM5> ETM7; 对于水体的亮度值而言, ETM2> ETM4。

3 图像处理

3.1 主成分分析(PCA)

PCA中每一个PC组分都是原ETM各波段信息的线性组合, 都存在着信息的增强和归并; 不同的PC组分所增强和归并的信息类型不同, 各自包含着不同的地物特征地物信息, 这与地物的波谱特征有关。一般地说, 在某个PC组分中, 它所含ETM某些波段载荷因子的绝对值越大, 则表示在此PC组分中反映这些ETM波段的光谱特征信息越多, 也就是说这些波段信息对此PC组分图像的贡献越大。

3.1.1 矿化蚀变信息增强

根据以上波谱特性分析, 含铁矿物在ETM3波段(0.63~0.69 μ m)反射最强, 在ETM1波段(0.45~0.52 μ m)反射最弱; 粘土矿物(如绢云母)在ETM5波段(1.55~1.75 μ m)反射最强, 在ETM7波段(2.08~2.35 μ m)反射最弱; 对该区ETM1~5、7波段的主成分分析(PCA)结果(表1)进行特征组分分析。

表1 ETM1~5、7波段的PCA统计 Tab.1 PCA statistic of ETM1~5、7

从表1可以看出, 在PC4组分中, ETM1和ETM3两个波段的载荷系数的绝对值比该组分中其他波段载荷系数都大得多, 故认为PC4组分图像主要由ETM1和ETM3决定; 结合二者的波谱特性分析, 铁氧化物在ETM1波段表现为吸收特征, 在ETM3波段表现为高反射特征, 故PC4组分是反映含铁(Fe³⁺)矿物信息的特征组分; 2个载荷系数符号相反; 在PC4组分图像上铁氧化物呈亮色调。

PC5组分中, ETM5和ETM7两个波段的载荷系数绝对值比其他波段的载荷系数都大, 故可认为PC5组分图像主要由ETM5和ETM7波段决定; 2个载荷系数的符号相反, 结合其波谱特性分析, 粘土矿物(含OH^-)和碳酸盐岩矿物(含C $\begin{matrix} O_{3}^{2 -} \end{matrix}$ )在ETM7波段光谱范围内存在明显的吸收谷, 而在ETM5波段上相对高反射, 由此可以知道粘土矿物和碳酸盐岩矿物在PC5组分图像上呈亮色调, 并认为PC5为反映粘土矿物和碳酸盐岩矿物信息的特征组分。

在PC2组分中, 有ETM4、ETM5和ETM7波段的载荷系数为负值, ETM1、ETM2和ETM3波段的载荷系数均为正值, 故可认为PC2组分反映的主要是地物在可见光波段与近红外波段反射亮度的差别; 从波谱特性分析, 水的反射主要出现在可见光波段, 而ETM4、ETM5和ETM7波段对地物的含水量较为敏感, 所以PC2主要是反映湿度(地物含水量)的特征组分。

将PC4(图1)、PC5和PC2等3个组分的直方图作均衡化处理, 得到如图2所示的PC452合成图像。图像上, 与铁矿相关的铁氧化物蚀变信息呈浅白色斑块(图1), 与金矿相关的蚀变信息呈淡紫— 粉红色团块状(图2)。

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	图1 下双台地区PC4图像Fig.1 PC4 image in Xiashuangtai area

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	图2 下双台地区PC452合成图像Fig.2 PC452 composite image in Xiashuangtai area

3.1.2 铁氧化物蚀变信息增强

如前所述, 铁氧化物的特征光谱信息集中在ETM1~4波段, 并且在ETM1和ETM4波段为吸收谷, 在ETM3呈高反射特征; 在选择铁氧化物蚀变信息提取的PCA波段组合时, 为了减少含羟基和碳酸根矿物的干扰, 舍弃了ETM7波段; 在ETM2波段由于铁氧化物信息偏弱, 也被舍弃。该区ETM1、3、4和5波段的PCA结果如表2所示。

表2 ETM1、3、4、5波段的PCA统计 Tab.2 PCA Statistic of ETM1, 3, 4, 5

从表2可以看出, 在主成分分析得到的4个PC组分中, PC4组分中的ETM1和ETM3绝对值最大, 也就是说贡献率最大, 且符号相反。结合“ 铁帽” 的波谱特性分析, PC4组分反映了最强的铁氧化物蚀变信息特征, 故称PC4特征组分为“ 铁组分” (图3), 以“ F” 表示。

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	图3 PC4铁组分特征图像Fig.3 Character image of PC4 (F)composition

3.1.3 粘土化蚀变信息增强

如前所述, 粘土矿物(含羟基矿物)的特征光谱信息主要集中在ETM5和ETM7波段, 前者为相对高反射带, 后者为特征吸收带。为增强粘土化矿物的蚀变信息, 选择ETM1、4、5和7波段(舍弃ETM2和ETM3旨在减少含铁矿物的干扰)进行PCA分析。

PCA分析统计结果如表3所示。PC4组分中ETM5和ETM7波段载荷因子最大, 且符号相反, 反映了最强的粘土化蚀变信息, 故称其为“ 羟基组分” , 以“ H” 表示。

表3 ETM1、4、5、7的PCA统计 Tab.3 PCA statistic of ETM1, 4, 5, 7

3.2 比值分析

比值处理将不同波段图像的对应像元值相除, 得到的结果可以消除地形阴影对地物影像特征的影响; 增强构造形迹和岩石特征, 有利于识别构造和含矿岩性; 也可以扩大地物的色调差别, 有助于区分某些在单波段图像上容易混淆的地物, 最大限度地抑制或消除与地质无关的信息。

采用ETM3/ETM1比值处理, 能增强铁染矿物蚀变信息, 简称“ 3D1” 组分; 采用ETM5/ETM7比值能有效地提取粘土矿物蚀变信息, 简称“ 5D7” 组分。

3.3 综合分析

以上采用不同处理方法得到的矿化蚀变信息增强组分, 对不同类型的蚀变信息增强各有侧重, 并存在一定的相关性, 也就是说, 存在信息重复或冗余。实践表明, 在本区ETM3/ ETM1与“ 铁” 组分之间、ETM5/ ETM7与“ 羟基” 组分之间存在较明显的相关性。可以根据需要对以上4个组分(F、H、3D1和5D7)作一些处理, 再利用主成分分析可以对各图像变量进行信息重组(去相关和归并), 获取信息最集中、干扰信息最少的特征组分, 以该组分图像作为蚀变信息提取对象。

从F、H、3D1和5D7等4个特征组分的PCA统计结果(表4)可以看出, 主成分变换后的主要信息集中在PC1和PC2两个组分中, 两者占全部信息量的99.46%。其中PC1组分的信息主要来自H和F组分, 且符号相反, 是4个PC组分中能最好地突出矿化蚀变信息的特征组分。因而选择信息量最丰富的PC1组分进行金矿化蚀变信息提取。

表4 F、H、3D1和5D7特征组分的PCA统计 Tab.4 PCA statistics of F, H, 3D1 and 5D7

对PC1特征组分进行线性反差增强、滤波、密度分割和分类处理, 压抑乃至去除与蚀变无关的信息, 从而形成了只有蚀变晕的彩色图像。蚀变晕从中心向外, 颜色由蓝黑色— 黄色— 青色, 变化非常醒目。再把蚀变晕的彩色图像与ETM7的黑白图像叠合在一起, 生成最终的金矿蚀变信息提取图像(图4)。

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	图4 PC1组分密度分割分类图像Fig.4 Classified image of PC1 density slicing

图4中的蓝、黄、青色区域为与金矿、铁矿相关的信息异常区。与前面的结果(图1~3)吻合程度相当高, 地质效果较好。

4 野外验证

经过野外实地验证, 发现在上述处理所得的蚀变信息异常区内, 有已知的矿床在开采; 整个矿区的含矿破碎带呈近南北向分布, 与提取的蚀变信息相吻合。

5 结论

(1)ETM图像的7个波段包含着丰富的光谱信息, 用于提取矿化蚀变信息是可行的; 本文采用的“ 多元数据分析+比值+主成分变换+密度分割+分类” 可为成矿远景区预测和找矿区带的快速评价提供简便、准确、有效的技术方法。

(2)本文方法注重多种方法的有机结合, 强调特征变量的选择, 始终把干扰信息的剔除作为增强矿化蚀变信息的重要手段, 通过层层剥离将矿化蚀变信息逐步从各种干扰中分离出来。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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吕凤军, 邢立新, 范继璋, 等. 遥感蚀变信息提取应用研究[J]. 新疆地质, 2004, 22(4): 435-437 .

围岩蚀变是成矿作用发生的重要标志之一.从遥感图像中提取蚀变信息也成为一种重要手段.以波谱理论为基础,以遥感信息提取理论为依据,根据ETM+数据特征,选择多种遥感图像处理方法,对吉林省东部小西南岔铜金矿南山矿区(地表植被覆盖严重)、北山矿区(地表裸露)及其外围的金泉岗地区(地表植被覆盖严重)的遥感图像处理后进行彩色合成.对色调信息运用统计学原理进行评估,提取蚀变信息,经野外实地验证,取得较好的找矿效果.

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张佩民, 黄林日, 鲍巨才, 等. 辽西肖家营子地区金矿遥感信息提取及成矿预测[J]. 国土资源遥感, 2000(3): 31-37.

The methods of TMbands ratio and principle component analysis were used to select the characteristic vector that can stress gold alteration mineral information. Based on the characteristic vector, the color composite images were produced. The space filtering and non-supervised classification methods were further used to process the image. There were halo-shaped color abnormal areas in the image. After field verification, some color abnormal areas tally with the geochemical abnormal distribution. In three new-discovered gold ore occurrence, the tenor of gold is 2.74×10 -6 , 9.61×10 -6 and 9.6×10 -6 . According to the color abnormal information in image and the sample analysis result, after analysis of metallogenetic conditions, three gold (silver, copper) mineralization prognostic area were given.

对TM图像作比值及主成分分析,选择能突出金矿蚀变的高特征向量值所在的主分量进行彩色合成,通过空间滤波及非监督分类处理,图像上显示出似晕圈状的彩色异常区。经野外验证,部分彩色异常区与化探异常分布范围相叠合,新发现的3处金矿点金品位分别达到2.74×10 -6 、9.61×10 -6 和9.6×10 -6 。结合图像上的彩色异常信息和取样分析结果,在进行成矿条件分析后,提出了三处金(银铜)遥感综合成矿预测区。

1996

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张远飞, 吴健生. 基于遥感图像提取矿化蚀变信息[J]. 有色金属矿产与勘查, 1999, 12(6): 606-606.

系统总结了国内外有关从ＴＭ图像上提取金矿化蚀变信息的方法技术，并在此基础上加以拓展和深化，形成了“多元数据分析＋比值＋主成份变换＋掩膜＋分类（分割）”这种具有快速、准确、有效特点的识别提取“矿化弱信息”的方法。应用该方法技术先后在新疆、内蒙古及江西、云南提取金矿化蚀变信息，取得令人满意的效果

1998

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王建君, 朱亮璞. 冀东地区金矿地质遥感信息提取方法研究[J]. 地质与勘探, 1998, 11(6): 29-32.

The Jinchangyu-type, Great Wall-type and Yuerya-type deposits are typical gold deposits in eastern Hebei. The orebodies are controlled by late superimposed faults.The mineralization is characterized by pyritization. The wallrocks , altered rocks and veins can be distinguished by spectrum features. The areas in which the hydroxyl anomaly and iron stain are developed near faults are good prospects for gold mineralization. It is proved that the thermal infrared multispectral scanner is efficient in discrimination of lithology and structures, which can be used to distinguish the metamorphic rocks and dolomite.The ore-controlling structures such as regional linear structure, ductile shear zone and fractures can be easily identified on images.

冀东地区金矿主要包括金厂峪，长城式和峪耳崖型。后期叠加断裂主往直接控制矿体产出，黄铁矿化是矿化主要标志。根据光谱特征可把金矿区围岩，蚀变岩和矿脉分开。位于断裂附近的羟基和３价铁信息复合异常地带是金矿化远景区。热红外光谱资料对岩性和构造识别有明显效果，可以进行变质岩与白云岩的区分和区内主要出露岩类的区分。区域性断裂－线性构造，韧性剪切带和挤压破碎等控矿构造遥感影响循环明显。

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张玉君, 曾朝铭, 陈薇. ETM+(TM)蚀变遥感异常提取方法研究与应用——方法选择和技术流程[J]. 国土资源遥感, 2003(2): 44-49.

This is the second paper among the serial articles on the new parameter for the prediction of the mineral resources; alteration RSanomalies. The RM (Ratio Method),SAM (Spectral Angle Mapper)and PCA (Principle Component Analysis) were compared with each other by the analysis of their principles and by the model test. PCAwas selected as the main method and SAMas the supplementary one. The essential concepts of the error theory were quoted. The standard deviation σ was used as the measure for anomaly slicing. The flow chart "De-interfered Anomalous Principal Component Thresholding Technique" was given. Apractical application example for Qulong-Jiama anomaly group in Tibet was given in comparison with the hyperspectral results.

China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China

从原理、模型试验及实际数据处理等方面分析对比了比值法、光谱角法及主分量分析法的优劣;选择了以主分量分析为主、光谱角法为辅进行蚀变遥感异常的提取;引用了误差理论某些基本概念,以标准离差σ作为遥感异常切割的尺度;建立了"去干扰异常主分量门限化技术流程"。以西藏驱龙—甲马蚀变遥感异常群为例,展示了此技术的效果,并与高光谱研究结果进行了比较。

2002

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