基于分形的遙感蝕變提取及成礦預測:以青海野馬泉地區為例

趙迪斐，師慶民，張喜松，蘇 旺

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

目前，基于ETM(TM)以及Aster數據影像蝕變異常提取的技術已經日趨成熟。近礦圍巖蝕變形成的蝕變巖石的光譜異常,為用遙感圖像的異常信息提取提供了理論依據。礦化蝕變信息的遙感提取方法,主要有比值變換法、主成分分析法、光譜角填圖法、對應分析法、Gram-schmidt投影方法和MPH技術[1]。在蝕變信息分級處理時，張玉君等人基于統計學原理，形成了“去干擾異常主分量門限” 技術，以標準離散差σ作為尺度，以n*σ+均值的方法來限定異常分級，在全國礦產資源潛力評價項目中得到推廣應用[2]。

分形的概念是由曼德布羅特(B B Mandelbort)在1975年首先提出的[3]，之后分形和多重分形理論廣泛應用于地球科學的諸多領域。李長江等[4]通過對浙江中生代熱液礦床的研究提出，礦床分布類似于隨機康托集在空間上的分布，具有分形叢集的特征。成秋明等[5]成功地將分形理論應用于地球化學背景與異常分解。借鑒已有的化探異常提取的方法，將分形理論應用于遙感蝕變信息提取與異常限的確定：以蝕變礦物的異常波譜特征為基礎，應用主成分分析的方法，增強遙感圖像中礦化蝕變信息，并對增強圖像的象元亮度值及對應數量進行統計，利用分形的方法得到遙感異常的分形特征，以達到精確、有效的蝕變信息提取及分級。

1 研究區地質特征及數據預處理

研究區成礦巖漿巖為印支期中酸性侵入巖，屬典型造山巖漿巖；圍巖是石炭系上統締敖蘇組和早古生界祁漫塔格群。礦體見于印支期中酸性侵入巖接觸帶，受層間破碎、圍巖巖性、巖體侵入接觸帶、裂隙、斷裂綜合控制。NWW向構造控制礦體分布和巖體展布，區域構造交匯處是尋找較大規模礦體的有利部位；巖體與地層緩接觸帶，尤其是舌狀凹陷帶常產出厚大礦體；成分不純的碳酸鹽巖利于成礦。研究區礦床是典型的矽卡巖型礦床，非常有利于遙感蝕變異常的提取。此次研究采用景號為LT51380342007205IKR00的ETM數據，采集時間為2008年12月12日。對ETM數據進行幾何校正和大氣校正之后，將投影方式和坐標系統轉化為西安80-高斯投影，便于與其他地質資料統一進行分析，并裁剪出91°45′～92°00′E，36°50′～37°00′N的范圍進行處理。

2 遙感異常處理的分形方法

在實際問題中，為了考察一個事物是否存在局部和整體的相似性，只要檢測該事物是否存在無標度區即可，通常分形也只在這個無標度區間范圍內才成立。遙感蝕變異常作為一種地質特征，不具有嚴格的自相似性，只具有統計意義上的分形特征[6]。本次研究采用求和法，即像元亮度-面積模式來確定蝕變異常限。

分形模型[7]：

N(r)=Cr-D

(1)

式中，r表示特征尺度；C>0， 稱為比例系數；D>0，稱為分維數；N(r)表示尺度大于等于r的數目或和數。設像元亮度值{xi},i=1,2,…,N，記作：

(2)

(2)式是對于所有滿足xi>=r的xi求和，minxi<=r<=maxxi。這樣就得到了數據r對應的N(r)。將(a)式左右兩邊同時取對數，可得：

lgN(r)=lgc-Dlgr

(3)

由(3)式可以得到lgr與lgN(r)為線性關系，斜率為-D。將以上數據代入分形模型中生成的雙對數圖，以最小二乘法分段擬合直線，求取分維值D和擬合度R2。遙感異常值和背景值可以對應不同的斜率值，不同線段所對應的分界值可以區分背景和異常的臨界值[8]。臨界值確定的基本思想是：找出的臨界點使各區間擬合的直線與原始數據點之間的剩余平方和在各區間的總和最小[7]。至此，可以得到直線段對應的r的區域,即是無標度區。

3 基于ETM數據的礦化蝕變信息提取

以鐵染蝕變異常的提取、分級的過程為例,說明分形方法在青海野馬泉地區蝕變提取中的應用。首先,對遙感圖像中形成干擾的植被、陰影、河流等信息進行掩膜[9]。根據鐵染礦物的波譜曲線特征，選取TM1、TM3、TM4、TM5四個波段作為組合波段做主成分分析增強遙感圖像的鐵染信息[10]。鐵染蝕變各主分特征向量見表1。

表1 鐵染蝕變各主成分特征向量

由表1可以得到PC4中Band 3和Band 4特征向量絕對值最大且符號相反，這是因為鐵氧化物的特征光譜信息集中在了TM1-4波段，在TM3波段呈高反射，在TM4和TM1波段相對吸收。所以，將PC4波段作為鐵染蝕變信息提取的的變量[11]。首先將PC4波段的亮度值拉伸到0～255之間，根據門限法的異常下限對應該波段的DN值,利用分形方法進行統計分析[12]，如表2所示。

表2 PC4波段灰度分布略表

由表2中的數據生成雙對數圖像，見圖1。利用散點擬合的線性關系，得到其擬合度為0.9652，說明該區的亮度值信息具有分形的特征。進一步對下表數據進行分析，可以得到如圖2所示，曲線證明該亮度值區間具有多重分形的特征。由圖2中直線與散點的交點，可以得到臨界點的DN值，從而根據此臨界值對圖像進行密度分割。將亮度值進行均值濾波，除去散點，制作遙感圖像的分級圖，如圖3所示。

圖1

圖2 PC4波段高亮DN值雙對數多重分形圖

圖3 青海野馬泉地區鐵染異常分布圖

研究區提取的鐵染一級蝕變的面積約35.375km2，整個研究區的面積為516.7104km2，鐵染一級蝕變占整個研究區的6.84%。野馬泉礦區主要為矽卡巖型鐵銅礦床，交代蝕變是本類礦床最主要的地質特征，提取鐵染異常信息對于本區的遙感地質找礦具有一定的指導意義。

4 鐵染蝕變信息分布與構造的的關系分析及成礦預測

本區五萬地質圖上，共有實測構造33條，主要呈北西西向、近北西向展布。本研究區構造不僅是主要控礦因素,并且在成礦作用中占據主導地位。通過分析構造展布與礦化蝕變之間的對應關系，對成礦預測具有非常重要的理論性指導意義。

從圖3可以發現,整個研究區的遙感異常信息，絕大部分沿構造呈北西西向、近北西向大斷裂條帶狀展布?；贏rcgis平臺，沿研究區主要斷裂生成500m的buffer。經統計，落在該范圍內的礦化蝕變有18.75km2，占全區總礦化蝕變面積的約50.3%;落在兩條主干斷裂之間的蝕變占全區的75%，約有25.82km2。說明該區礦化蝕變明顯受主干斷裂構造控制。研究區遙感異常的展布具有一定的不均勻性，大部分統計到的蝕變信息,落在具有明顯構造背景與一定成礦物質來源環境的地區。個別區域占整個研究區面積比例較小，但是集中了絕大部分的蝕變信息，更小一部分的蝕變區域,又集中了深程度的遙感異常信息[12]。一級異常主要發生在區域性主干斷裂與次一級斷裂交匯部位,這部位是熱液礦床產出的有利地段，說明本區遙感蝕變信息提取的結果是有效、可信的。本區的主要找礦線索,就是位于兩條主干斷裂之間的明顯礦化部位，這個地段也存在已知礦點,如圖4所示。

圖4 青海野馬泉地區鐵染異常與構造、礦點疊加示意圖

5 結論

1)利用分形理論的基本方法對研究區ETM圖像進行處理，提取與礦化相關的遙感異常。通過這個過程,可以得到遙感異常作為蝕變信息在遙感圖像上的反應?？梢詰梅中芜@一理論進行研究。圖像的像元亮度-面積模式,可通過求和法將遙感蝕變異常從背景中分離出來，進行蝕變異常的進一步分級。

2)青海野馬泉地區物化探資料的缺乏,對區域二維成礦預測形成一定的影響，而通過遙感數據對鐵染蝕變異常的提取及與區域成控礦因素的分析,又為該地區的遙感地質找礦指明了方向。

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