热红外遥感岩矿氧化物含量反演研究

第 1 章 绪论

1.1选题背景与意义
随着人们对多种矿产的不断开采，容易被发现与开采的矿产总量逐渐减少，人们越来越重视如何快速地寻找更多可用的矿产资源。如何将先进的技术运用到成矿预测，从而为快速准确高效地开展矿产资源勘察服务，成为需要解决的重要问题。二十世纪末，随着遥感技术快速发展起来，这一门获取地球资源与环境信息的高新技术，通过所获取的影像能宏观地反映出作为成矿的热液蚀变，通过各种级别的断裂构造进行岩性识别，通过波谱曲线的异常表达出不同程度的矿化蚀变，为矿产资源调查以及区域内的成矿预测提供了有效的参考数据源[1-3]。
地质特征异常是其与所围绕的地质环境与地质现象明显不同的一种地质结构，是一种必要的成矿依据或者成矿基础背景。围岩蚀变是成矿预测的重要标志之一，由蚀变产生的某些矿物相对富集，与非蚀变岩相比，其波谱特征、色调类型、色彩类别均不同，这为采用遥感技术通过增强变换等方式提取蚀变异常提供了理论基础。热液成矿作用造成围岩蚀变，使得靠近矿的围岩与热液进行反应从而产生一系列的由原来的物质为新生成物质所更替的交代作用[4]。由于包含在蚀变围岩中的各种矿物的组成、岩石结构构造与一般围岩存在差异，在成像遥感数据及其光谱特征上亦表现出不同于正常围岩的色调差别和诊断性光谱特征[5]。
在很多热液成矿中，产生较多的蚀变类型为铁染、高岭土化、绿泥石化、绢云母化等，这些蚀变矿物中分别含有 Fe3+、镁羟基和铝羟基等基团或离子，且蚀变矿物中含有的各种离子在多/高光谱遥感数据中均有不同的诊断性光谱特征。经过遥感数据增强和变换等，增强了这些指示遥感地质异常信息的离子或基团等信息，从而通过分割制图等手段进行地质异常信息提取。可见光 短波红外遥感技术在地质领域的应用使得该技术得到了较好的发展，并取得了一定的应用和实验成果，其技术体系及方法正在趋于成熟。但是可见光 短波红外遥感存在的不足也不断凸显出来：首先，该技术波普范围有很大局限，这使得该技术不足以达到识别硅酸盐矿物，也就是 Si O 键产生的振动波谱特征无法被识别，从而不能识别出不含水的成岩矿物；其次，由于可见光 短波红外光谱范围内主要为反射光谱，不同地物反射光谱的混合为非线性的，这样为混合光谱分解带来了很大的难度，另外也加大了矿物含量估算与反演的难度[6]。而热红外遥感则可以弥补上述两个方面的问题，不仅可以识别硅酸盐矿物 Si O键产生的振动光谱，而且热红外波段的地物发射光谱经研究，呈现线性混合特征。
热红外遥感弥补了可见光 短波红外遥感技术的不足，在提高了矿物含量定量是别的同时，增加了可以识别的矿物的种类。硅酸盐、氧化物、硫酸盐、氢氧化物等离子基团的振动及其他任何微小改变均可以发射能量，从而能被热红外遥感感应到。从热红外遥感还可区分识别PO43、SinOk、SO42、CO32等矿物的角度来讲，其在岩矿大类的识别能力增强的同时提高了矿物种类探测的精度[7]。另外，由于矿物在热红外波段混合发射光谱呈现线性混合，这使得选用线性混合光谱技术进行矿物含量的精度得到了保证。现阶段对热红外遥感的应用研究主要集中在对其温度信息的利用，而提取发射率信息从而利用发射率进行地质岩矿填图等应用的不多。地物温度的高低主要随其所处地形和太阳照度等自然因素的变化而变化。地物的成分、结构，及其与地形和太阳辐照度等因素都影响地物的发射率，不同地物的物质组成直接决定了其不同的地物发射率。因此在地形、太阳辐照度等条件一定的情况下，可以利用这一点在一定程度上进行地物的组成成分和结构的识别与反演。
目前热红外遥感发射率的反演较少，是因为可供研究的数据源比较有限，图像处理算法复杂。随着一批热红外多（高）光谱传感器 MODIS/ASTER[8]的发射成功，越来越多的人投入到对上述问题的研究中。MODIS 数据的信息量/噪声比较低，这决定了其只能用于温度的提取研究，ASTER 热红外波段数据信噪比较高，可以用来较好地反演温度和地表发射率。随着热红外遥感影像源的逐渐增多，发射率的反演研究及其应用体系也逐渐成熟。结合矿物岩石发射波谱特性，将热红外遥感数据运用于发射率的反演研究，以及岩矿信息提取方法的研究，弥补着可见光 短波红外遥感的不足，是推进遥感岩矿信息提取的重要动力。

1.2国内外研究现状和发展趋势
1.2.1遥感找矿异常信息提取方面
国外研究中，1976 年，戈茨对短波红外波段 2.2 m 和 1.6 m 波长的两个谱带反射率进行比值运算，从而定量地区分出蚀变岩与非蚀变岩；1977 年，艾布拉姆等发现多波段光谱区间 0.5 1.1 m 内，由于三价铁离子的强吸收，含褐铁矿的蚀变岩石产生了独特的反射波谱，并将这一理论应用到内华达州金矿区，通过遥感图像对研究区褐铁矿化蚀变岩石进行了填图；与此同时，罗曼等人通过比值方法对 MSS 数据进行矿化蚀变提取，利用 band5/band6，band6/band7，band4/band5，对以氧化硅、褐铁矿、次生粘土为主的热液蚀变区进行了填图[9]；Hunt 等在 1978 年根据羟基基团在 VNIR 的波谱特征提取出研究区特定的矿物，并寻找出蚀变岩石[10]；1984 年，为了排除植被对蚀变信息提取的影响，Ambrams对 TM 影像运用比值与主成分分析结合的方法去除植被干扰提取出蚀变信息。

   1.3 研究内容和关键技术 .........................12-15
第2章 地质异常信息遥感提取的理论基础 .........................15-19
    2.1 遥感蚀变异常信息提取的理论基础 .........................15-17
    2.2 岩矿氧化物含量反演的理论基础 .........................17-19
第3章 遥感蚀变信息提取方法及其改进 .........................19-24
    3.1 蚀变信息提取的常用方法 .........................19-21
    3.2 蚀变信息提取方法的改进 .........................21-24
第4章 热红外遥感岩矿氧化物含量反演研究 .........................24-30
    4.1 波谱数据选择与处理 .........................24-26
    4.2 氧化物含量反演模型建立 .........................26-30
第5章 地质异常信息提取实例 .........................30-49
    5.1 新疆且末研究区概况 .........................30
    5.2 数据来源及数据特点 .........................30-31
    5.3 数据预处理 .........................31-33
    5.4 基于 ASTER 数据的 DEM 提取 .........................33-36
    5.5 基岩裸露区蚀变信息提取实例 .........................36-43
    5.6 热红外遥感岩矿氧化物含量提取 .........................43-45
    5.7 高植被覆盖区蚀变信息提取实例 .........................45-47
    5.8 中等植被覆盖区蚀变信息提取实例 .........................47-49

结论

本文充分利用 ASTER 数据的特点，根据可见光 短波红外波段的反射特性及热红外波段的发射特性，对新疆且末某基岩裸露区分别进行了热液蚀变信息提取及岩矿氧化物含量反演。同时，运用 ASTER 数据特有的立体像对提取出研究区的 DEM，并将其运用到蚀变信息提取中用于去除地形对异常提取的影响。
对比于以往的地质异常提取方法，本研究提出下述改进方案。比值与主成分分析方法是目前最常用的蚀变信息提取方法，但是，在运用比值方法时，经比值运算后的波段之间依旧存在着相关关系，对异常的提取产生干扰；由于地形差异和部分大气衰减等因素引起的乘性噪声，以及难以掩膜掉的雪等干扰地物的存在对主成分分析方法产生很大的影响，造成由于淋滤作用产生的冲沟里的铁然异常被提取出来，干扰真正意义上的异常提取工作。
组合分析同时结合两种方法互补的优点，一方面消除乘性噪声，另一方面去除波段间的相关性，使得异常提取更为容易、精确，提取结果有实际意义。考虑到地形因素对异常提取产生的影响，本研究运用太阳天顶角、太阳方位角、坡度、坡向对研究区进行地形校正。坡度、坡向的提取则充分利用 ASTER 数据具有的立体像对，根据立体像对构建出该研究区的 DEM，运用 DEM 提取出坡度图、坡向图，运用到遥感影像中，校正由于地形所引起的辐射差异。去除地形影响的蚀变信息提取结果能够更好地反映研究区的异常情况，利于成矿预测。