ETM數據在金礦化蝕變信息提取中的應用研究
——以張家口下雙臺地區為例

鄧素貞，賀佳惠，王永軍

(1．河北省地質調查院，石家莊 050000;2．中國地質大學，武漢 430074;3．核工業航測遙感中心，石家莊 050002)

ETM數據在金礦化蝕變信息提取中的應用研究
——以張家口下雙臺地區為例

鄧素貞1，賀佳惠2，王永軍3

(1．河北省地質調查院，石家莊 050000;2．中國地質大學，武漢 430074;3．核工業航測遙感中心，石家莊 050002)

金礦遙感探測之關鍵在于成礦構造及鐵氧化物、含羥基蝕變礦物信息的提取。以張家口下雙臺地區為研究區，利用ENVI 4．0圖像處理軟件，通過“多元數據分析 +比值+主成分變換 +密度分割+分類”等方法，從Landsat－7 ETM數據中提取礦化蝕變信息并抑制植被波譜干擾，方法快速、準確、有效。結果表明，利用該方法獲得的礦化蝕變信息與已知礦點有很大的一致性，該方法是可行的。

ETM;蝕變信息;圖像比值;主成分變換;密度分割

0 引言

遙感技術如何應用于找礦實踐是遙感界多年來一直在探索的問題。蝕變信息提取是目前國內外地學工作者十分重視的課題，諸多學者競相開展應用遙感圖像進行蝕變巖填圖和提取熱液蝕變信息的試驗，并取得了不少成果［1－9］。一般都采用比值 +主成分分析的方法，要求研究區是干旱或半干旱環境，植被稀少或沒有植被，基巖露頭好，但在復雜環境下的效果卻不令人滿意。本研究則采用“多元數據分析+比值+主成分變換+密度分割+分類”方法，對張家口地區的ETM遙感數據進行處理及地質解譯，成功提取了該區與成礦有關的蝕變信息。

1 研究區概況

研究區為河北張家口東部下雙臺周圍地區，位于華北地臺燕遼沉降帶與內蒙古地軸交界部位，北部有一級區域控制性斷裂——崇禮—赤城深大斷裂。區內主要出露太古界谷咀子組角閃斜長片麻巖、二輝斜長麻粒巖、含石榴二輝斜長麻粒巖夾淺色麻粒巖、不純大理巖和磁鐵石英巖組成的混合巖及燕山期中酸性雜巖體。

該區主要圍巖蝕變有絹云母化、硅化、碳酸鹽化、黃鐵礦化、綠泥石化和黃鐵絹英巖化，其中硅化、絹云母化、碳酸鹽化、綠泥石化和黃鐵礦化與金礦化有密切關系。該區植被較發育，給地表直接找礦工作帶來一定的困難。

2 數據來源與分析

本次研究使用2000年5月23日獲取的Landsat－7 ETM數據。利用遙感圖像處理軟件(ENVI 4．0)對其進行處理分析。在ETM數據中，ETMl波段為鐵離子電荷轉移吸收帶，ETM4波段為鐵離子晶體場效應吸收帶，ETM5波段為大部分造巖礦物的高反射譜段，ETM7波段為粘土礦物及碳酸鹽礦物光譜吸收帶。研究表明，植被的葉綠素在ETM1～3波段有吸收特征，而在ETM3、4波段反射率陡然升高。從試驗區巖石礦物光譜吸收特征顯著程度來看，鐵氧化物的顯著吸收特征出現在ETMl波段，粘土礦物光譜吸收特征出現在ETM7波段。

與金礦礦化蝕變有關的礦物主要為一些含羥基(OH－)的粘土礦物(絹云母化、綠泥石化等)和富含三價鐵離子(Fe3+)的礦物。只有羥基(OH－)和三價鐵離子(Fe3+)信息在圖像上同時顯示為異常的地帶，才是可能與金礦礦化蝕變有關的部位。本區與金礦有關的蝕變主要有硅化、絹云母化、碳酸鹽化、綠泥石化及黃鐵礦化(多氧化形成鐵染)。

金礦礦化蝕變信息的提取主要是提取含羥基(OH－)和富含三價鐵離子(Fe3+)的礦物信息。根據波譜特性分析，ETM7能綜合反映吸收谷在2．2μm附近的粘土礦物(含羥基離子OH－)及吸收谷在2．35μm附近的碳酸鹽礦物信息;粘土礦物、碳酸鹽礦物在 ETM5波段均為高亮度值，并且 ETM5＞ETM7;對于含鐵離子(Fe3+)礦物的亮度值而言，ETM3＞ETM1;對于植被的亮度值而言，ETM4＞ETM3，ETM4＞ETM5，ETM5＞ETM7;對于水體的亮度值而言，ETM2＞ETM4。

3 圖像處理

3．1 主成分分析(PCA)

PCA中每一個PC組分都是原ETM各波段信息的線性組合，都存在著信息的增強和歸并;不同的PC組分所增強和歸并的信息類型不同，各自包含著不同的地物特征地物信息，這與地物的波譜特征有關。一般地說，在某個PC組分中，它所含ETM某些波段載荷因子的絕對值越大，則表示在此PC組分中反映這些ETM波段的光譜特征信息越多，也就是說這些波段信息對此PC組分圖像的貢獻越大。

3．1．1 礦化蝕變信息增強

根據以上波譜特性分析，含鐵礦物在ETM3波段(0．63～0．69 μm)反射最強，在 ETM1 波段(0．45 ～0．52μm)反射最弱;粘土礦物(如絹云母)在ETM5波段(1．55 ～1．75 μm)反射最強，在ETM7 波段(2．08～2．35μm)反射最弱;對該區ETM1～5、7波段的主成分分析(PCA)結果(表1)進行特征組分分析。

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

從表 1可以看出，在 PC4組分中，ETM1和ETM3兩個波段的載荷系數的絕對值比該組分中其他波段載荷系數都大得多，故認為PC4組分圖像主要由ETM1和ETM3決定;結合二者的波譜特性分析，鐵氧化物在 ETM1波段表現為吸收特征，在ETM3波段表現為高反射特征，故PC4組分是反映含鐵(Fe3+)礦物信息的特征組分;2個載荷系數符號相反;在PC4組分圖像上鐵氧化物呈亮色調。

PC5組分中，ETM5和ETM7兩個波段的載荷系數絕對值比其他波段的載荷系數都大，故可認為PC5組分圖像主要由ETM5和ETM7波段決定;2個載荷系數的符號相反，結合其波譜特性分析，粘土礦物(含OH－)和碳酸鹽巖礦物(含CO2－3)在ETM7波段光譜范圍內存在明顯的吸收谷，而在ETM5波段上相對高反射，由此可以知道粘土礦物和碳酸鹽巖礦物在PC5組分圖像上呈亮色調，并認為PC5為反映粘土礦物和碳酸鹽巖礦物信息的特征組分。

在PC2組分中，有ETM4、ETM5和ETM7波段的載荷系數為負值，ETM1、ETM2和ETM3波段的載荷系數均為正值，故可認為PC2組分反映的主要是地物在可見光波段與近紅外波段反射亮度的差別;從波譜特性分析，水的反射主要出現在可見光波段，而ETM4、ETM5和ETM7波段對地物的含水量較為敏感，所以PC2主要是反映濕度(地物含水量)的特征組分。

將PC4(圖1)、PC5和PC2等3個組分的直方圖作均衡化處理，得到如圖2所示的PC452合成圖像。圖像上，與鐵礦相關的鐵氧化物蝕變信息呈淺白色斑塊(圖1)，與金礦相關的蝕變信息呈淡紫—粉紅色團塊狀(圖2)。

3．1．2 鐵氧化物蝕變信息增強

如前所述，鐵氧化物的特征光譜信息集中在ETM1～4波段，并且在ETM1和ETM4波段為吸收谷，在ETM3呈高反射特征;在選擇鐵氧化物蝕變信息提取的PCA波段組合時，為了減少含羥基和碳酸根礦物的干擾，舍棄了ETM7波段;在ETM2波段由于鐵氧化物信息偏弱，也被舍棄。該區ETM1、3、4和5波段的PCA結果如表2所示。

表 2 ETM1、3、4、5 波段的 PCA 統計Tab．2 PCA Statistic of ETM 1，3，4，5

從表2可以看出，在主成分分析得到的4個PC組分中，PC4組分中的ETM1和ETM3絕對值最大，也就是說貢獻率最大，且符號相反。結合“鐵帽”的波譜特性分析，PC4組分反映了最強的鐵氧化物蝕變信息特征，故稱PC4特征組分為“鐵組分”(圖3)，以“F”表示。

圖3 PC4鐵組分特征圖像Fig．3 Character image of PC4(F)composition

3．1．3 粘土化蝕變信息增強

如前所述，粘土礦物(含羥基礦物)的特征光譜信息主要集中在ETM5和ETM7波段，前者為相對高反射帶，后者為特征吸收帶。為增強粘土化礦物的蝕變信息，選擇 ETM1、4、5和7波段(舍棄 ETM2和ETM3旨在減少含鐵礦物的干擾)進行PCA分析。

PCA分析統計結果如表3所示。PC4組分中ETM5和ETM7波段載荷因子最大，且符號相反，反映了最強的粘土化蝕變信息，故稱其為“羥基組分”，以“H”表示。

表 3 ETM1、4、5、7 的 PCA 統計Tab．3 PCA statistic of ETM 1，4，5，7

3．2 比值分析

比值處理將不同波段圖像的對應像元值相除，得到的結果可以消除地形陰影對地物影像特征的影響;增強構造形跡和巖石特征，有利于識別構造和含礦巖性;也可以擴大地物的色調差別，有助于區分某些在單波段圖像上容易混淆的地物，最大限度地抑制或消除與地質無關的信息。

采用ETM3/ETM1比值處理，能增強鐵染礦物蝕變信息，簡稱“3D1”組分;采用ETM5/ETM7比值能有效地提取粘土礦物蝕變信息，簡稱“5D7”組分。

3．3 綜合分析

以上采用不同處理方法得到的礦化蝕變信息增強組分，對不同類型的蝕變信息增強各有側重，并存在一定的相關性，也就是說，存在信息重復或冗余。實踐表明，在本區ETM3/ETM1與“鐵”組分之間、ETM5/ETM7與“羥基”組分之間存在較明顯的相關性。可以根據需要對以上4個組分(F、H、3D1和5D7)作一些處理，再利用主成分分析可以對各圖像變量進行信息重組(去相關和歸并)，獲取信息最集中、干擾信息最少的特征組分，以該組分圖像作為蝕變信息提取對象。

從F、H、3D1和5D7等4個特征組分的PCA統計結果(表4)可以看出，主成分變換后的主要信息集中在PC1和PC2兩個組分中，兩者占全部信息量的99．46%。其中PC1組分的信息主要來自H和F組分，且符號相反，是4個PC組分中能最好地突出礦化蝕變信息的特征組分。因而選擇信息量最豐富的PC1組分進行金礦化蝕變信息提取。

表4 F、H、3D1和5D7特征組分的PCA統計Tab．4 PCA statistics of F，H，3D1 and 5D7

對PC1特征組分進行線性反差增強、濾波、密度分割和分類處理，壓抑乃至去除與蝕變無關的信息，從而形成了只有蝕變暈的彩色圖像。蝕變暈從中心向外，顏色由藍黑色—黃色—青色，變化非常醒目。再把蝕變暈的彩色圖像與ETM7的黑白圖像疊合在一起，生成最終的金礦蝕變信息提取圖像(圖4)。

圖4 PC1組分密度分割分類圖像Fig．4 Classified image of PC1 density slicing

圖4中的藍、黃、青色區域為與金礦、鐵礦相關的信息異常區。與前面的結果(圖1～3)吻合程度相當高，地質效果較好。

4 野外驗證

經過野外實地驗證，發現在上述處理所得的蝕變信息異常區內，有已知的礦床在開采;整個礦區的含礦破碎帶呈近南北向分布，與提取的蝕變信息相吻合。

5 結論

(1)ETM圖像的7個波段包含著豐富的光譜信息，用于提取礦化蝕變信息是可行的;本文采用的“多元數據分析+比值+主成分變換+密度分割+分類”可為成礦遠景區預測和找礦區帶的快速評價提供簡便、準確、有效的技術方法。

(2)本文方法注重多種方法的有機結合，強調特征變量的選擇，始終把干擾信息的剔除作為增強礦化蝕變信息的重要手段，通過層層剝離將礦化蝕變信息逐步從各種干擾中分離出來。

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(責任編輯:劉心季)

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)

The key point for gold exploration using remote sensing technology is the information extraction of oreforming structures and spectral characteristics of ferrite oxides and altered hydrousminerals．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．

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

鄧素貞(1956－)，女，工程師，主要從事遙感地質找礦應用研究。

TP 79

A

1001－070X(2010)04－0056－04

2010－03－22;

2010－04－15

河北省地質勘查資金項目(編號:［2005］041)資助。