遥感图像中蚀变信息的提取方法研究.pdf

1、 地 质 与 矿 业 工 程 遥 感 图 像 中 蚀 变 信 息 的 提 取 方 法 研 究谢 艳 玲 ,洪 金 益(中 南 大 学 地 学 与 环 境 工 程 学 院 ,湖 南 长 沙 410086)摘 要 :鉴 于 矿 化 信 息 在 植 被 稀 少 的 地 区 反 映 在 遥 感 图 像 上 有 明 显 的 色 调 异 常 ,故 而 遥 感 在 地 质 找 矿中 的 应 用 如 今 越 来 越 广 泛 。 通 过 对 阿 尔 金 地 区 某 地 的 ETM + 图 像 进 行 一 系 列 比 值 、 主 成 分 分 析 ,提取 出 蚀 变 信 息 ,圈 定 找 矿 金 属 靶 区 ,为

2、大 规 模 的 找 矿 缩 短 了 周 期 。关 键 词 :比 值 分 析 ;主 成 分 分 析 ;泥 化 蚀 变 ;铁 化 蚀 变 ;最 优 密 度 分 割中 图 分 类 号 : P627 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1004 5716 (2009) 05 0095 041999 年 4 月 15 日 ,仅 带 有 一 个 星 下 点 传 感 器ETM + 的 LandSat7 在 美 国 加 州 的 Vandenburg 空 军 基地 发 射 成 功 1 。 它 的 发 射 ,为 地 质 工 作 者 通 过 遥 感 图 像在 浅 植 被 覆 盖 区 找 寻 矿 化 蚀 变

3、区 成 为 可 能 ,这 在 各 种 矿产 资 源 紧 缺 的 今 天 ,此 种 方 法 必 然 缩 短 了 找 矿 的 时 间 ,为 国 家 各 项 工 业 发 展 创 造 了 先 决 条 件 。遥 感 蚀 变 信 息 是 指 从 遥 感 数 据 中 提 取 的 、 可 能 与 成 矿 围岩 蚀 变 有 关 的 一 种 量 化 信 息 2 。 蚀 变 围 岩 常 见 于 热 液 矿 床周 围 ,在 热 液 作 用 的 影 响 下 ,使 矿 物 成 份 、 化 学 成 份 、 结 构 和构 造 发 生 变 化 的 岩 石 3 。 因 蚀 变 围 岩 于 正 常 围 岩 的 矿 物 成份 、 化

4、 学 成 份 、 岩 石 组 构 和 颜 色 上 有 所 不 同 ,所 以 在 多 光 谱 遥感 图 像 上 表 现 为 不 同 的 颜 色 、 色 调 和 纹 理 差 异 。1 蚀 变 信 息 提 取1. 1 研 究 区 遥 感 图 像 的 数 据 源在 本 研 究 中 ,选 用 LandSat7 的 ETM + 数 据 ,景 号为 138/ 33 ,时 相 为 2001 年 10 月 3 日 。 为 了 便 于 更 好展 现 提 取 到 的 蚀 变 信 息 ,选 取 图 像 子 区 大 小 为 533 行 611 列 ,该 区 的 详 细 统 计 数 据 见 表 1。表 1 研 究 区 E

5、TM + 数 据 统 计 信 息波 段 1 2 3 4 5 6 7最 小 值 25 11 1 1 1 91 1最 大 值 128 146 202 230 184 170 164均 值 73. 8827 76. 3293 94. 1662 106. 8517 94. 3073 134. 2692 92. 0825标 准 偏 差 ( %) 10. 5629 14. 0216 20. 1838 23. 7825 21. 0191 9. 5396 20. 2944相 1 1. 00 0. 98 0. 97 0. 97 0. 95 0. 63 0. 942 1. 00 0. 99 0. 99 0. 96

6、 0. 60 0. 94关 3 1. 00 0. 99 0. 96 0. 57 0. 944 1. 00 0. 95 0. 57 0. 93距 5 1. 00 0. 65 0. 996 1. 00 0. 68阵 7 1. 001. 2 蚀 变 信 息 提 取1. 2. 1 第 一 次 主 成 分 分 析通 过 ETM + 图 像 各 波 段 的 特 点 及 地 质 用 途 1 ,4 (见 表 2)来 选 取 用 于 提 取 铁 化 蚀 变 及 泥 化 蚀 变 信 息 进行 主 成 分 分 析 的 波 段 。由 表 2 ,采 用 Cro sta 法 ,用 E TM + 1 、 3 、 4 、 5

7、 波段 来 进 行 主 成 分 分 析 提 取 铁 质 成 份 ;用 E TM + 1 、4 、 5 、 7 波 段 进 行 主 成 分 分 析 提 取 O H - 、 CO2 -3 等 泥化 蚀 变 信 息 5 。鉴 于 仅 通 过 特 征 向 量 并 不 能 完 全 能 说 明 新 的 主 成分 代 表 什 么 ,在 本 文 中 ,通 过 计 算 每 个 波 段 k 与 各 个 主成 分 p 的 载 荷 矩 阵 来 说 明 每 个 波 段 与 各 个 主 成 分 间 的联 系 1 。 计 算 公 式 为 :Rpk = apk pVark式 中 :apk 第 p 主 成 分 与 第 k 波

8、段 的 特 征 向 量 ;592009 年 第 5 期 西 部 探 矿 工 程 p 第 p 个 特 征 值 ;Vark 协 方 差 矩 阵 中 第 k 波 段 的 方 差 ,它 等 于标 准 偏 差 的 平 方 。表 3 是 ETM + 1、 3、 4、 5 波 段 主 成 分 分 析 后 计 算 得 到的 各 主 成 分 p 与 各 个 波 段 k 相 关 程 度 的 结 果 表 ,为 了 取 得代 表 铁 染 物 的 主 分 量 ,有 如 下 判 断 准 则 5 :在 ETM + 1、 3、 4波 段 有 较 大 的 载 荷 ;ETM + 3 系 数 与 ETM + 1 及 4 的 系 数

9、符 号 相 反 ,一 般 与 ETM + 5 系 数 符 号 相 同 。 依 据 该 规 则 ,从 表 3 可 知 ,只 能 选 取 pc4 作 为 铁 染 信 息 的 主 分 量 。表 2 ETM + 图 像 特 点 及 地 质 用 途波 段 波 段 范 围( m) 图 像 特 征 主 要 地 质 用 途1 0. 4500. 515 对 水 体 有 穿 透 能 力 检 测 土 壤 、 岩 石 含 氧化 铁 、 锰 状 况2 0. 5250. 605 对 健 康 植 被 的 绿 光 反射 有 响 应探 测 植 被 ,检 测 岩 石含 氧 化 铁 、 氧 化 锰 状况 ,识 别 地 质 构 造3

10、 0. 6300. 690健 康 绿 色 植 被 叶 绿 素吸 收 波 段 ,与 第 1、 2 波段 相 比 ,该 波 段 有 较 强的 反 差植 被 分 类 ,生 长 状 况调 查 ,识 别 地 质 构 造4 0. 7500. 900 对 植 被 的 生 物 量 有 很好 的 响 应圈 绘 水 体 边 界 ,检 测岩 石 所 含 Fe3 + 、Cu2 +5 1. 551. 75 对 植 被 中 水 分 的 含 量很 敏 感区 分 云 、 雪 ,检 测 蚀变 及 蚀 变 岩 ,识 别 地质 构 造6 10. 4012. 50 该 波 段 测 度 来 自 表 明发 射 的 红 外 辐 射 能检

11、测 水 温 、 地 热 ,区分 岩 石 类 型 ,探 测 隐状 构 造7 2. 082. 35是 区 分 地 质 岩 层 的 重要 波 段 ,鉴 别 岩 石 中 的水 热 蚀 变 带 有 效区 分 岩 石 类 型 ,检 测热 液 蚀 变 带 ,识 别 地质 构 造表 3 研 究 区 ETM + 1、 3、 4、 5 波 段 与 各 主 成 分 间 的 相 关 程 度1 3 4 5 贡 献 率pc1 0. 979225 0. 99712 0. 996755 0. 981204 97. 77 %pc2 - 0. 03909 - 0. 07972 - 0. 09089 0. 204159 1. 69

12、 %pc3 0. 204615 0. 010401 - 0. 04006 - 0. 00926 0. 37 %pc4 - 0. 04749 0. 062933 - 0. 03603 - 0. 00017 0. 17 %表 4 是 ETM + 1、 4、 5、 7 波 段 主 成 分 分 析 后 计 算 得 到的 各 主 成 分 p 与 各 个 波 段 k 相 关 程 度 的 结 果 表 ,为 了 取得 代 表 羟 基 化 物 的 主 分 量 ,有 如 下 判 断 准 则 5 :在 ETM+ 5、 7 波 段 有 较 大 的 载 荷 ; ETM + 5 波 段 的 系 数 符 号 与ETM +

13、4、 7 波 段 的 系 数 符 号 相 反 ; ETM + 1 波 段 的 系 数符 号 与 ETM + 5 波 段 的 系 数 符 号 相 同 。 依 据 这 一 规 则 ,从 表 4 可 知 ,选 取 pc4 作 为 羟 基 化 物 的 主 分 量 。表 4 研 究 区 ETM + 1、 4、 5、 7 波 段 与 各 主 成 分 间 的 相 关 程 度1 4 5 7 贡 献 率pc1 0. 971102 0. 982561 0. 991328 0. 982156 96. 85 %pc2 0. 111866 0. 183183 - 0. 10055 - 0. 17462 2. 44 %p

14、c3 0. 176057 - 0. 01701 - 0. 06449 0. 045889 0. 41 %pc4 - 0. 116 0. 027152 - 0. 05464 0. 052858 0. 29 %对 pc4 作 最 优 密 度 分 割 得 到 的 泥 化 蚀 变 图 像 见 图 2。图 1 经 一 次 主 成 分 分 析 提 取 的 泥 化 蚀 变图 2 经 比 值 分 析 提 取 的 泥 化 蚀 变1. 2. 2 比 值 分 析比 值 运 算 是 指 两 个 不 同 波 段 的 图 像 对 应 像 元 的 灰度 值 相 除 6 。 在 地 质 探 测 中 ,常 使 用 如 下 的

15、比 值 分 析 来增 强 各 类 蚀 变 信 息 及 识 别 矿 石 类 型 526 : ETM + 3/ETM + 1 可 以 增 强 铁 氧 化 物 类 蚀 变 ; ETM + 5/ 7 可 以增 强 含 羟 基 矿 物 ,如 碳 酸 盐 化 及 绿 泥 石 化 蚀 变 ; ETM +5/ 4 可 以 识 别 铁 矿 石 ,区 分 云 母 及 黄 钾 铁 矾 ,明 矾 石 及石 膏 、 方 解 石 及 粘 土 这 三 类 矿 物 ; ETM + 3/ ETM + 4 用来 识 别 植 被 和 区 分 褐 铁 矿 化 岩 石 。 在 本 文 中 ,采 用ETM + 3/ ETM + 1 来

16、提 取 铁 化 蚀 变 信 息 ; ETM + 5/69 西 部 探 矿 工 程 2009 年 第 5 期ETM + 7 来 提 取 泥 化 蚀 变 信 息 (见 图 2) 。1. 2. 3 第 二 次 主 成 分 分 析为 了 更 好 的 提 取 出 研 究 区 铁 化 蚀 变 和 泥 化 蚀 变 信 息 ,在 本 文 中 提 出 用 第 一 次 主 成 分 分 析 于 比 值 分 析 再 做 一 次主 成 分 分 析 ,采 用 分 析 后 的 第 一 分 量 ,其 中 包 含 了 大 部 分的 有 用 信 息 ,去 除 了 各 种 噪 声 ,使 提 取 的 信 息 更 趋 真 实 。表 5

17、 为 提 取 铁 化 蚀 变 的 第 二 次 主 成 分 分 析 的 相 关 程度 表 ,这 次 主 成 分 分 析 的 输 入 波 段 为 1. 2. 1 中 通 过 ETM +1、 3、 4、 5 波 段 进 行 主 成 分 分 析 的 PC4 (V2) 及 1. 2. 2中 的ETM + 3/ ETM + 1 (V1) ;结 果 采 用 第 一 主 成 分 ,因 为 它 们都 反 应 铁 化 蚀 变 信 息 ,两 者 的 相 关 程 度 系 数 必 须 相 同 。表 5 v1 及 v2 与 各 主 成 分 间 的 相 关 程 度v1 v2 贡 献 率pc1 - 1 - 0. 15881

18、99. 65 %pc2 0. 000558 - 0. 98729 0. 35 %表 6 为 提 取 泥 化 蚀 变 的 第 二 次 主 成 分 分 析 的 相 关程 度 表 ,这 次 主 成 分 分 析 的 输 入 波 段 为 1. 2. 1 中 通 过ETM + 1、 4、 5、 7 波 段 进 行 主 成 分 分 析 的 PC4 (V4)及 1.2. 2 中 的 ETM + 5/ ETM + 7 (V3) ;结 果 采 用 第 二 主 成分 ,因 为 它 们 都 反 应 泥 化 蚀 变 信 息 ,两 者 的 相 关 程 度 系数 必 须 相 同 。表 6 v3 及 v4 与 各 主 成 分

19、 间 的 相 关 程 度v3 v4 贡 献 率pc1 0. 675195 - 0. 94143 71. 88 %pc2 - 0. 73763 - 0. 33719 28. 12 %1. 2. 4 密 度 分 割为 了 增 强 图 像 处 理 后 的 地 物 ,密 度 分 割 是 一 种 重 要的 信 息 提 取 手 段 ,本 文 采 用 最 优 密 度 分 割 方 法 7 ,该 方法 将 图 像 的 灰 度 级 作 为 有 序 量 ,其 频 数 作 为 权 重 ,利 用费 歇 尔 准 则 进 行 分 割 ,使 各 分 割 段 内 的 离 差 总 和 最 小 ,而 段 间 离 差 总 和 最 大

20、 ,同 时 还 给 出 最 优 的 分 割 段 数 ,以达 到 密 度 分 割 的 最 优 化 。表 7 各 分 割 段 所 对 应 的 分 割 点分 割 段 数 分 割 点最 优 2 段 分 割 190 ,99 98 ,38最 优 3 段 分 割 190 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 4 段 分 割 190 ,121 120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 5 段 分 割 190 ,128 127 ,121 120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 6 段 分 割 190 ,139 138 ,128 127 ,121 120 ,112 111 ,99

21、 98 ,38最 优 7 段 分 割 190 ,141 140 ,139 138 ,128 127 ,121 120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 8 段 分 割 190 ,143 142 ,141 140 ,139 138 ,128 127 ,121 120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 9 段 分 割 190 ,146 145 ,143 142 ,141 140 ,139 138 ,128 127 ,121 120 ,112 111 ,9998 ,38最 优 10 段 分 割 190 ,148 147 ,146 145 ,143 142 ,141 140 ,

22、139 138 ,128 127 ,121 120 ,112111 ,99 98 ,38最 优 11 段 分 割 190 ,148 147 ,147 147 ,146 145 ,143 142 ,141 140 ,139 138 ,128 127 ,121120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 12 段 分 割 190 ,154 153 ,148 147 ,147 147 ,144 143 ,143 142 ,141 140 ,139 138 ,128126 ,121 120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 13 段 分 割 190 ,156 155 ,154 15

23、3 ,148 147 ,147 147 ,144 143 ,143 142 ,141 140 ,138137 ,127 126 ,121 120 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 14 段 分 割 190 ,157 156 ,156 155 ,154 153 ,148 147 ,147 147 ,144 143 ,142 141 ,141140 ,138 137 ,127 126 ,120 119 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 15 段 分 割 190 ,158 157 ,157 156 ,156 155 ,154 153 ,148 147 ,147 147 ,14

24、4 143 ,142141 ,141 140 ,138 137 ,126 125 ,120 119 ,112 111 ,99 98 ,38最 优 16 段 分 割 190 ,159 158 ,158 157 ,157 156 ,156 155 ,154 153 ,148 147 ,147 147 ,144143 ,142 141 ,140 139 ,137 136 ,126 125 ,120 119 ,112 111 ,99 98 ,38792009 年 第 5 期 西 部 探 矿 工 程 以 提 取 泥 化 蚀 变 为 例 ,鉴 于 其 第 二 次 主 成 分 分 析 后的 第 一 主 成

25、分 图 像 过 于 离 散 而 表 现 出 多 峰 值 的 情 况 ,首先 要 进 行 数 次 5 5 均 质 滤 波 以 使 该 图 像 平 滑 ;然 后 通过 ENV I 的 Comp ute statistics 菜 单 来 导 出 其 平 滑 后 的直 方 图 统 计 值 ;最 后 通 过 自 编 的 程 序 计 算 出 最 优 的 分 割段 数 级 分 割 点 (见 图 1 及 表 7) 。通 过 图 3 ,可 看 出 从 六 段 分 割 开 始 ,曲 线 变 得 平 缓 ,故 而 选 择 最 优 六 段 分 割 ,从 表 7 中 读 出 分 割 点 数 ,在PCI 中 对 其 进

26、行 密 度 分 割 即 可 (见 图 4) 。图 3 离 差 分 段 数 曲 线图 4 经 比 值 分 析 及 主 成 分 分 析 后再 主 成 分 分 析 得 到 的 泥 化 蚀 变3 结 论本 文 提 出 了 蚀 变 信 息 提 取 的 新 思 路 ,即 采 用 一 次 密度 分 割 及 一 次 主 成 分 分 析 ,再 将 各 自 的 结 果 进 行 一 次 主成 分 分 析 ,这 样 更 加 突 出 了 蚀 变 信 息 的 提 取 ;同 时 ,本 文采 用 了 有 理 论 依 据 的 密 度 分 割 方 法 来 指 导 蚀 变 信 息 的显 示 ,试 验 表 明 有 较 好 的 效 果

27、 。在 图 4 中 所 示 的 1 处 ,对 比 采 用 三 种 方 法 得 到 的 泥化 蚀 变 ,显 然 是 经 比 值 分 析 及 主 成 分 分 析 后 再 组 成 分 分析 的 效 果 最 好 ,蚀 变 信 息 表 现 最 为 明 显 。3 存 在 问 题 与 改 进在 本 文 中 ,人 工 参 与 的 信 息 提 取 占 了 很 重 的 比 例 。如 在 密 度 分 割 步 骤 中 ,尽 管 采 用 程 序 的 形 式 来 实 现 了 分割 段 的 自 动 划 分 ,但 是 由 于 很 多 不 确 定 因 素 造 成 的 信 息误 分 ,使 得 人 不 得 不 手 动 调 整 部

28、分 分 割 点 ,以 达 到 较 好效 果 。 本 文 的 改 进 思 路 是 通 过 更 多 的 辅 助 资 料 (包 括 地质 、 物 探 、 化 探 等 资 料 ) ,建 立 一 个 专 家 知 识 库 ;然 后 再 调用 知 识 库 中 的 知 识 来 实 时 地 对 图 像 进 行 信 息 提 取 的 指导 ,以 建 立 比 较 准 确 的 遥 感 蚀 变 信 息 图 。参 考 文 献 :1 John R. Jensen ,遥 感 数 字 影 像 处 理 导 论 M . 北 京 :机 械 工业 出 版 社 ,2007.2 张 万 良 ,刘 德 长 ,张 静 波 . 相 山 铀 矿 田

29、 蚀 变 遥 感 异 常 及 地 质意 义 J . 遥 感 技 术 与 应 用 ,2006 ,21 (3) :1892192.3 吕 凤 军 ,邢 立 新 ,等 . 基 于 蚀 变 信 息 测 场 的 遥 感 蚀 变 信 息 提取 J .地 质 与 勘 探 ,2006 ,42 (2) :65267.4 甘 甫 平 ,王 润 生 ,等 . 遥 感 地 质 信 息 提 取 提 取 集 成 与 矿 物 遥感 地 质 分 析 模 型 J ,2003 ,7 (3) :2072213.5 荆 凤 ,陈 建 平 . 矿 化 蚀 变 信 息 的 遥 感 提 取 方 法 综 述 J . 遥感 信 息 ,2005

30、 (2) :62265.6 汤 国 安 ,张 友 顺 ,刘 永 梅 ,等 . 遥 感 数 字 图 像 处 理 M . 北京 :科 学 出 版 社 ,2004.7 吴 德 文 ,朱 谷 昌 ,等 . 多 元 数 据 分 析 与 遥 感 矿 化 蚀 变 信 息 提取 模 型 J . 国 土 资 源 遥 感 ,2006 ,67 (1) :22230.The Method of Mineralization InformationXtract Form Remote Sensing ImageXIE Yan2ling , HON G Jin2yi( I nstitute of Geoscience a

31、nd Envi ronmental Engineering ,Cent ral S outh Universit y , Changsha H unan 410083 , China)Abstract : Because in seldom vegetation areas , the mineralizationinformation reflected in remote sensing images has obvious hueabnormity , the remote sensing is applied in looking mine in geol2ogy more and m

32、ore widely. In this paper , take for Aerjin as anexample , firstly , fusing its ETM + image , and then making rati2o2prime component analysis ( PCA) , extract the mineralizationinformation. The results have proved this method is feasible andeffective in extracting mineralization information from remotesensing image.Key words : ratio2prime analysis ; component analysis ; minerali2zation89 西 部 探 矿 工 程 2009 年 第 5 期