基于Landsat-8OLI数据的遥感蚀变信息提取与分析 ——以新疆巴里坤别勒库都克地区为例_吾尔娜.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-06-29 第一作者简介 吾尔娜 （1985-） ， 女 （蒙古族） ， 新疆伊犁人， 工程师， 现从事野外地质、 室内综合研究工作。 基于Landsat-8OLI数据的遥感蚀变信息提取与分析 以新疆巴里坤别勒库都克地区为例 吾尔娜*， 郗文亮， 王明阳， 刘晓燕， 张莉 （新疆地质矿产研究所， 新疆 乌鲁木齐 830000） 摘要 通过对巴里坤别勒库都克研究区的landset-8 OIL遥感数据采用主成分分析法提取其铁染与 羟基蚀变异常信息， 证实了提取的遥感异常与1 ∶ 5万化探数据基本吻合， 可以为遥感找矿提供依据。 关键词 东天山； 遥感； Landsat-8； 异常； 高光谱 中图分类号 P62 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0103-04 1概论 遥感技术发展迅速， 特别是高光谱遥感技术在地 质领域的应用越来越广泛， 已经成为一种重要的技术 手段， 主要包括岩性识别、 地质构造解译和矿化蚀变信 息提取等[1]。围岩蚀变信息是重要的找矿依据。利用 遥感提取围岩蚀变信息成为快速有利的探矿手段。不 同蚀变矿物在可见近红外短波红外光谱区间具有不 同的波谱特征。遥感数据多个波段信息的获取， 可以 鉴别矿物具有的诊断性波谱特征， 从而提取矿化蚀变 信息。比较成熟的矿化蚀变信息提取方法有波段代数 运算法、 主成分分析、 光谱角法及基于图像光谱的矿物 端元信息提取等。研究区位于新疆哈密地区， 属干旱 半干旱地区， 依据中国地质调查局 我国干旱半干旱地 区异常提取的技术方法体系 推荐， 应采用主成分分析 法[2-6]。 本文以新疆巴里坤别勒库都克地区为例， 基于 Landsat-8影像通过数据预处理、 主成分分析解译了研 究区矿化蚀变信息， 并与研究区的1 ∶ 5万区域地质调查 和地球化学调查资料进行对比研究， 验证本文提取的 蚀变信息的准确性和可靠性， 并为后续矿产开采提供 遥感技术支持。 2研究区地质概况 研究区位于博格达山东段， 大地构造单元属于哈 萨克斯坦准噶尔板块的四级构造单元准博格达晚古 生代裂谷。区内出露地层为上石炭统柳树沟组， 区北 部主要出露为中基性的火山岩夹火山碎屑岩， 见有玄 武岩、 安山岩和少量的火山角砾岩。工区南部主要以 凝灰岩为主夹有少量灰岩， 西南角见有小面积的粉砂 岩。区内中部分布一些侵入岩， 岩性主要为流纹斑岩、 霏细岩、 石英正长斑岩、 辉绿岩等， 其中以辉绿岩为 主。区内脉岩主要为石英脉， 较为发育， 但脉规模相对 较小， 脉体与围岩接触部位具褐铁矿化及黄钾铁矾蚀 变。脉体与围岩接触部位普遍具网脉状及浸染状褐铁 矿化、 黄钾铁矾化矿化蚀变。区内见有一条北西向的 大断裂， 断裂处岩石破碎蚀变较强， 细小石英脉比较发 育， 该断裂也是矿区的主要控矿构造[7]。 研究区属于博格达晚古生代裂陷盆地铜金多金属 成矿带， 附近分布有双峰山金矿、 马王庙金矿、 金山金 矿、 索尔巴斯套金矿、 骆驼井子金矿等等。该区域控矿 构造控制了金矿 （点） 的分布。断裂活动不仅为金矿的 形成提供储矿空间， 而且为金矿热液的形成提供活化 热能和大量流体。在断裂走向和倾向的变化处， 热液 富集， 构造破碎蚀变带和石英脉发育。因此构造蚀变 带和石英脉是该地区重要的金矿床找矿标志。 3遥感数据预处 3.1遥感数据源 本文研究采用的是美国Landsat-8号卫星遥感影 像数据， 轨道号为140， 30， 时相为2013年7月22日， 为 夏季影像。夏季研究区冰雪融化， 遥感影像数据受冰 雪干扰小， 有利于矿化信息提取。遥感影像云量为 地质与矿业工程 103 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 3， 总体影像清晰， 不同地物的层次感较强， 色调对比 度好， 纹理细节清晰， 波段的设置基本上能满足矿化蚀 变信息提取的要求。研究区地处荒漠戈壁， 植被稀少， 露头明显， 岩石风化破碎明显， 非常适合ETM蚀变遥 感异常信息找矿。 美国航空航天局NASA于2013年2月11日成功 发射Landsat-8卫星。Landsat-8卫星上携带两个传感 器， 分别是OLI陆地成像仪Operational Land Imager 和 TIRS 热 红 外 传 感 器 Thermal Infrared Sensor。 Landsat-8在空间分辨率和光谱特性等方面与Landsat 1-7保持了基本一致， 卫星一共有11个波段， 波段1～ 7， 9～11的空间分辨率为30m， 波段8为15m分辨率的 全色波段， 卫星每16d可以实现一次全球覆盖。OLI陆 地成像仪有9个波段， 空间分辨率为30m， 其中Band8 为15m的全色波段， 成像宽幅为185km185km。 3.2数据预处理 3.2.1辐射定标和大气校正 辐射定标是将传感器记录的 DN 值转化为绝对辐 射率的过程。其目的是为了消除传感器本身的误差对 DN 值的影响。使用ENVI软件5.3版本中提供的模块 Radiometric calibration 对 Landsat-8 数据完成辐射定 标。大气校正为了消除大气和光照等因素对地物反射 的影响。使用 ENVI 软件 5.3 版本中提供的模块 FLASH进行大气校正。 3.2.2掩模 研究区地处荒漠戈壁， 植被稀少， 地表干旱缺水， 植被和水体的干扰影响局部的。但是为了保证蚀变信 息结果的精度， 本文采用掩膜的方法去除水、 植被、 阴 影等干扰元素的影响。利用掩膜方法剔除干扰信息简 单快捷， 基本可以消除上述干扰因素， 应用ENVI5.3软 件中的Band math和Masking工具实现掩膜方法剔除 干扰信息。 4矿化蚀变信息提取 矿化蚀变类型主要有铁染Fe2、 Fe3离子和泥化 OH－、 CO32-两种。这两种离子团构成的岩石矿物在 Landsat8数据OIL的0.45～2.35μm波段上存在明显波 普特征。 4.1含铁离子矿物的波谱特征 本文从 USGS波谱库中选取赤铁矿、 纤铁矿、 黄钾 铁矾、 黄铁矿及褐铁矿的波谱并制作成常见铁染蚀变 矿物波谱特征曲线， 如图1所示。从图上可以看出， 赤 铁矿、 纤铁矿、 针铁矿波谱曲线在0.48μm处呈现较小 的吸收谷， 该吸收谷位于Landsat8数据OLI2波段波长 范围内;在0.65μm处， 赤铁矿、 纤铁矿、 针铁矿和黄钾铁 矾呈现较高的反射峰， 该反射峰位于 Landsat8 数据 OIL4波段波长范围内； 在0.86μm处， 赤铁矿、 针铁矿和 黄钾铁矾出现较大的吸收谷， 该吸收谷位于Landsat8 数据OLI5波段波长范围内; 在1.6μm处， 赤铁矿、 黄钾 铁矾和针铁矿呈现较大的反射峰， 该反射峰位于 Landsat8 数据OLI5波段波长范围内。 图1常见铁染蚀变矿物波谱曲线 （据USGS-MIN波谱库） 4.2含羟基矿物的波谱特征 本文从 USGS波谱库中选取白云母、 伊利石、 高岭 石、 绿泥石、 蒙脱石的波谱并制作成常见羟基蚀变矿物 波谱曲线， 如图 2 所示。白云母、 高岭石、 蒙脱石在 0.48μm处呈现较小的反射峰。白云母在0.86μm处呈 现较小的吸收谷， 高岭石则在此处呈现微小的反射 峰。在1.6μm 处高岭石和白云母皆呈现较大的反射 峰， 并且大约在 2.2μm 处二者呈现出较强的吸收特 征。由常见羟基蚀变矿物波谱曲线分析得出， 常见羟 基蚀变矿物波谱曲线的反射和吸收特征分别位于在 Landsat8 数据的OLI2、 OLI5、 OLI6、 OLI7 波段。 图2常见羟基蚀变矿物波谱曲线 （据USGS-MIN波谱库） 4.3基于主成分分析法的蚀变信息提取 根据铁染类矿物光谱特征的分析， 选取选择 OLI2、 OLI4、 OLI5、 OLI6波段四个特征波段进行主成 分变换， 变换后生成四个波段相关性较低的主分量。 104 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 根据羟基类矿物光谱特征的分析， 选取选择 OLI2、 OLI5、 OLI6、 OLI7波段四个特征波段进行主成 分变换， 变换后生成四个波段相关性较低的主分量。 根据铁染矿物主分量的判断标准， 由OLI2、 5、 6、 7波段 主成分分析的特征向量表2可知， 选择OLI5、 OLI7的 贡献系数和OLI6的贡献系数符号相反的， 因此PC4 符 特征 向量 PC1 PC2 PC3 PC4 波段 Band 2 0.214354 0.283061 -0.674516 -0.647269 Band 4 0.371399 0.369597 -0.431537 0.734328 Band 5 0.421079 0.656502 0.595144 -0.19365 Band 6 0.799255 -0.593531 0.067881 -0.065613 表1OLI2、 4、 5、 6波段主成分分析的特征向量 特征 向量 PC1 PC2 PC3 PC4 波段 Band 2 0.158701 0.277439 0.736187 -0.596549 Band 5 0.292394 0.851269 -0.031708 0.434558 Band 6 0.681983 -0.004193 -0.542704 -0.49026 Band 7 0.651321 -0.445366 0.403107 0.46361 表2OLI 2、 5、 6、 7波段主成分分析的特征向量 根据铁染矿物主分量的判断标准， 由OLI2、 4、 5、 6波段 主成分分析的特征向量表1可知， PC4主分量的OLI5 系数与OLI4系数符号相反， OLI2与OLI5 系数符号相 同， 因此PC4 符合条件， 可作为铁染异常的主成分[5]。 合条件， 可作为羟基异常的主成分。 增强异常强度的变化特征有利于蚀变异常信息的 显示， 本文根据上述表中的统计数据对异常强度进行 分级处理， 利用均值加上 k倍的标准差划分异常等级， k 值一般取1～3。对于铁染蚀变信息， k值分别取1.5、 2 和2.5 ， 划分为三级、 二级、 一级铁染异常。对于羟基 蚀变信息， k值分别取2、 2.5 和 3.0， 划分为三级弱异常 区、 二级中异常区、 一级强异常区三个等级。 5矿化蚀变信息提取与分析 本文研究区内， 铁染蚀变异常提取结果相对较强， 呈条带或团块状;羟基蚀变遥感异常提取结果较弱， 分 布较少， 呈零星或不连续条带状分布。据研究区1 ∶ 5万 区域地质地质调查和地球化学调查资料Ⅱ、 Ⅲ号工区 内化探异常较强， 这些异常主要分布在Ⅱ、 Ⅲ号工区内 的辉绿岩、 流纹斑岩、 霏细岩、 石英正长斑岩、 玄武岩及 安山岩附近。而据图3， 研究区铁染蚀变异常基本都和 化探异常分布吻合， 也分布在Ⅱ、 Ⅲ号工区及周边侵入 岩和火山岩附近。 此外研究区最大的一条断裂F1呈东北向展布， 如 图4所示， 断裂两边均有岩体顺着断裂方向侵入延伸。 据研究区1 ∶ 5万化探资料可知化探异常是随断裂附近 侵入体呈线性分布的。本文提取的铁染异常分布也是 随断裂F1附近侵入体呈岩性分布， 如图4所示， 与化探 结果相似度很高。综上所述， 本文提取的蚀变信息较 为可靠。 图3研究区Ⅱ、 Ⅲ号工区化探异常区与铁染异常区叠合 6结论 105 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 （1） 别勒库都克研究区铁染与羟基蚀变异常信息 与1 ∶ 5万区域地质和地球化学调查资料对比研究， 验证 了利用landset-8卫星OIL数据采用主成分分析法提 取铁染与羟基蚀变异常信息的准确性。 （2） landset-8卫星OIL数据涵盖的光谱范围更窄， 空间分辨率更高， 蚀变信息提取方便， 利用OIL数据可 在遥感找矿领域发挥重要作用。 参考文献 [1]田淑芳， 詹骞.遥感地质学[M].北京地质出版社， 2013 . 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