基于分形的遙感蝕變提取及成礦預測:以青海野馬泉地區(qū)為例

趙迪斐，師慶民，張喜松，蘇 旺

(中國礦業(yè)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(shù)據(jù)影像蝕變異常提取的技術已經(jīng)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(jù)。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(tǒng)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(chǎn)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(shù)量進行統(tǒng)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(qū)地質特征及數(shù)據(jù)預處理

研究區(qū)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(tǒng)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(qū)域構造交匯處是尋找較大規(guī)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(chǎn)出厚大礦體；成分不純的碳酸鹽巖利于成礦。研究區(qū)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(shù)據(jù)，采集時間為2008年12月12日。對ETM數(shù)據(jù)進行幾何校正和大氣校正之后，將投影方式和坐標系統(tǒng)轉化為西安80-高斯投影，便于與其他地質資料統(tǒng)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(qū)即可，通常分形也只在這個無標度區(qū)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(tǒng)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(shù)；D>0，稱為分維數(shù)；N(r)表示尺度大于等于r的數(shù)目或和數(shù)。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(shù)據(jù)r對應的N(r)。將(a)式左右兩邊同時取對數(shù)，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(shù)據(jù)代入分形模型中生成的雙對數(shù)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(qū)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(qū)間擬合的直線與原始數(shù)據(jù)點之間的剩余平方和在各區(qū)間的總和最小[7]。至此，可以得到直線段對應的r的區(qū)域,即是無標度區(qū)。

3 基于ETM數(shù)據(jù)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(qū)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(jù)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(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)生成雙對數(shù)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(qū)的亮度值信息具有分形的特征。進一步對下表數(shù)據(jù)進行分析，可以得到如圖2所示，曲線證明該亮度值區(qū)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(jù)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(shù)多重分形圖

圖3 青海野馬泉地區(qū)鐵染異常分布圖

研究區(qū)提取的鐵染一級蝕變的面積約35.375km2，整個研究區(qū)的面積為516.7104km2，鐵染一級蝕變占整個研究區(qū)的6.84%。野馬泉礦區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)構造不僅是主要控礦因素,并且在成礦作用中占據(jù)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(fā)現(xiàn),整個研究區(qū)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(qū)主要斷裂生成500m的buffer。經(jīng)統(tǒng)計，落在該范圍內的礦化蝕變有18.75km2，占全區(qū)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(qū)的75%，約有25.82km2。說明該區(qū)礦化蝕變明顯受主干斷裂構造控制。研究區(qū)遙感異常的展布具有一定的不均勻性，大部分統(tǒng)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(huán)境的地區(qū)。個別區(qū)域占整個研究區(qū)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(qū)域,又集中了深程度的遙感異常信息[12]。一級異常主要發(fā)生在區(qū)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(chǎn)出的有利地段，說明本區(qū)遙感蝕變信息提取的結果是有效、可信的。本區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)物化探資料的缺乏,對區(qū)域二維成礦預測形成一定的影響，而通過遙感數(shù)據(jù)對鐵染蝕變異常的提取及與區(qū)域成控礦因素的分析,又為該地區(qū)的遙感地質找礦指明了方向。

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