國產GF-5高光譜遙感在鈾礦找礦中的應用
——以甘肅省龍首山地區為例

馮博，程旭，盧輝雄，李瑞煒，張恩，汪冰

1.核工業航測遙感中心，河北 石家莊050002

2.河北省航空探測與遙感技術重點實驗室，河北 石家莊050002

0 引言

航天高光譜遙感技術是近年來迅速發展起來的一種全新遙感技術[1-3]。利用高光譜成像光譜儀納米級的光譜分辨率（波段寬度小于10nm）在可見光-近紅外譜段（0.35μm～2.5μm）識別礦物種類高達幾十種，國內外學者基于航天高光譜遙感開展了大量找礦應用研究，找礦效果顯著，目前航天高光譜數據源主要為NASA 發射的Hyperion 高光譜數據[4-5]，針對國內首顆自主研發的GF-5 高光譜找礦應用研究較少[6-7]，其應用前景及效果需開展試驗研究。

甘肅省龍首山鈾成礦帶位于西北高海拔干旱區，基巖裸露條件好，成礦帶中段發育芨嶺鈾礦床、新水井鈾礦床、革命溝鈾礦床及多處鈾礦化點和鈾異常點[8-9]，本文基于GF-5高光譜遙感數據，在該區開展高光譜遙感鈾礦找礦應用研究，旨在試驗出一套GF-5高光譜處理和蝕變礦物信息提取方法流程，結合地面光譜測量驗證蝕變礦物提取結果的可靠性，為國產航天GF-5高光譜數據在鈾礦找礦中的應用提供參考。

1 研究區概況

研究區位于龍首山鈾成礦帶西部，大地構造位置位于華北板塊阿拉善隆起帶的西南緣，南接河西走廊、北鄰潮水盆地（圖1a），是早古生代早期祁連板塊與華北板塊碰撞造山形成的陸緣隆起帶[10]，經歷了多旋回地質構造演化。

研究區內出露最老的地層為下元古界龍首山巖群，是在古裂谷環境下沉積的雙峰式火山巖及碎屑巖、碳酸鹽巖經歷角巖相變質作用之后形成的一套強烈變質、變形地體，其次為中元古界墩子溝巖群和上元古界孩母山巖群，最新的地層為山前坳陷沉積的古近系紅色碎屑巖及新近系（圖1b）。

研究區內的巖漿巖主要為芨嶺花崗巖體，侵位于加里東期前寒武地層之中，是由混合花崗巖、閃長巖、灰白色斑狀閃長花崗巖、肉紅色（似斑狀）粗粒二長花崗巖、堿性巖及脈巖組成雜巖體，花崗巖巖體的分布受北西西向構造控制（圖1b）。區內花崗巖為陸殼重熔巖漿經結晶分異而成，巖漿演化成熟度高，后期伴生堿性巖及堿性熱液，為龍首山鈾礦形成奠定了物質基礎[10]。

研究區內斷裂構造極為發育，斷裂走向包括東西、北西、近南北和北東向（圖1b），其中以北西向最為發育，近東西向次之，近南北向活動最晚[11]。

圖1 龍首山成礦帶構造位置（a）及地質礦產圖（b）Fig.1 Geotectonic location（a）and Geological mineral map（b）of the Longshoushan metallogenic belt

2 數據源的選擇及預處理

2.1 數據源的選擇

本次試驗研究采用的高光譜數據源為GF-5高光譜遙感數據，數據獲取相機為AHSI 高光譜相機，具備可見光、近紅外和短波紅外330個波段（表1），其中可見光及近紅外波段有150個，平均采樣間隔為5nm，短波紅外波段有180個，平均采樣間隔為10nm，波段范圍為0.4～2.5μm，空間分辨率為30m，幅寬為60km。

表1 AHSI 高光譜相機基本物理參數Table 1 The main technical parameters of the advanced hyper-spectral imager（AHSI）

2.2 數據預處理

航天衛星遙感所利用的各種輻射能均與地球大氣層發生相互作用，導致光譜發生變化[12]，在開展蝕變信息提取前需要對GF-5 高光譜數據進行大氣校正、波段篩選、壞線修復、條帶濾波等預處理。

本文采用了FLAASH 模型對GF-5 高光譜數據進行大氣校正；剔除了光譜波長范圍分別在1356～1447nm、1800～1982nm、2375～2395nm 受水汽吸收影響的波段以及信噪比過低的波段；壞線修復采用了相鄰列均值進行填補代替處理；運用局部平均濾波法去除條帶。

3 地面光譜測量

地面光譜測量數據可直觀、精確評價航天高光譜遙感數據質量，分析巖石光譜與巖性的關系，確定礦化蝕變信息。

巖礦標本野外光譜測量采用的是美國ASD公司的FieldSpec Pro FR 地面光譜測量儀（表2），野外光譜測量需滿足能見度、云量、風力、太陽天頂角和測量時間的要求，對樣品測量前后均開展白板反射能量曲線測量，每隔5min，進行一次測量系統優化，保障巖礦標本光譜數據的質量。

表2 FieldSpec Pro FR 光譜儀主要技術參數Table2 FieldSpec Pro FR spectrometer main technical parameters

4 蝕變信息提取

4.1 技術思路

GF-5 高光譜數據提取蝕變礦物信息的基本技術思路是基于反演或重建的地物反射光譜與已知的蝕變礦物標準光譜或實測光譜之間做定量對比分析，進而確定地物的蝕變礦物類型。自然界中地物對電磁輻射的發射、反射、投射和吸收特征是遙感地物識別的基礎，不同地物在不同波長范圍內會形成各自的可診斷性特征譜帶（表3）。

表3 常見蝕變礦物信息診斷光譜特征位置表Table3 Table of common alteration mineral information diagnosis spectral feature location

4.2 方法試驗

基于GF-5 高光譜數據，針對龍首山地區進行了蝕變礦物信息提取的研究，構建了基于GF-5 高光譜的主要蝕變信息提取流程圖（圖2）。

圖2 航天高光譜遙感蝕變礦物信息提取方法研究流程圖Fig.2 Flow chart of extraction method of altered min‐eral information from space hyperspectral remote sensing

構建標準參考光譜集，篩選區內主要的堿性長石、綠泥石、赤鐵礦、高嶺土、褐鐵礦、石英及方解石等蝕變礦物的光譜特征，總結出研究區蝕變礦物類型的吸收峰、反射谷的位置、幅度等診斷光譜特征。

在礦物提取前對數據進行降維處理，本次采用了最小噪聲分離變換（MNF），去除噪聲干擾，增強微弱信息。在降維處理后采用純凈像元指數（PPI）和自動圖像端元提取法（ORASIS）對GF-5 高光譜遙感數據開展端元提取工作。

端元提取基礎上開展了端元識別研究，對比光譜角填圖（SAM）、波譜特征擬合（SFF）、二值匹配法（BE）三種光譜匹配算法后，最終采用光譜角填圖（SAM）技術進行端元識別。

5.結果及地面驗證

5.1 蝕變信息提取結果

在本次研究工作，完成了甘肅龍首山地區蝕變礦物的提取研究，提取了區內堿性長石、綠泥石、赤鐵礦、高嶺土、褐鐵礦、石英和方解石7種蝕變礦物，獲得研究區高光譜蝕變礦物分布信息圖（圖3）。

圖3 GF-5 高光譜遙感蝕變礦物分布圖Fig.3 GF-5 Hyperspectral Remote Sensing Alteration Mineral Distribution Map

龍首山地區高光譜蝕變礦物總體呈北西向帶狀展布，與區內北西向區域斷裂構造和龍首山巖群空間關系密切。鈾礦床出露區蝕變類型呈增多趨勢，表明本次提取到的高光譜蝕變礦物分布在區域鈾礦勘查中具有重要的應用潛力。

5.2 地面光譜驗證

為了驗證GF-5 高光譜遙感蝕變信息提取的準確性和有效性，利用FieldSpec Pro FR 地面光譜測量儀和手持便攜式GPS，在試驗區開展了地面光譜野外查證工作。

高光譜遙感蝕變信息提取的準確性和有效性的驗證方法為：將同一地點的樣品光譜與高光譜提取的蝕變礦物光譜進行對比，通過計算光譜之間的相關性系數來獲得光譜匹配的準確度，采用的計算公式為：

公式中，n為光譜的一個波長范圍，為高光譜影像光譜曲線在波長n范圍處的平均值為實測樣品的光譜曲線在波長n范圍處的平均值。相關性系數R越接近1，表明相關性越好，兩條光譜越相似。在實際驗證中，當R＞0.6 時，認為是兩種光譜高度相關，識別為同一種蝕變礦物。

在研究區選取了20處驗證點（圖3）。圖4a為一處赤鐵礦化野外露頭，地表可見紅褐色浸染狀赤鐵礦化，與GF-5 高光譜蝕變礦物提取類型和位置相符（圖4b-c），采集手標本并開展地面光譜曲線測量，進行地面光譜曲線、GF-5光譜曲線和標準波譜曲線（圖4d）進行相關性模擬計算，該驗證點R 值為0.84。本次選取的20 處野外驗證點，地面光譜、GF-5 光譜和標準波譜曲線三者的相關性R＞0.6的占比達85%。

圖4 地面光譜野外驗證圖Fig.4 Field validation of ground spectrum

6 結論

本文利用中國首顆自主研發的高光譜衛星GF-5數據，針對甘肅龍首山地區，開展了蝕變礦物識別和提取試驗研究，得到以下結論：

（1）針對GF-5 高光譜數據開展了數據預處理研究，構建了一套以標準數據光譜集構建、高光譜數據降維（MNF）處理、純凈像元指數（PPI）端元提取和光譜角填圖（SAM）為主的GF-5 高光譜蝕變礦物提取技術流程。

（2）完成龍首山地區高光譜蝕變礦物提取，共提取出堿性長石、綠泥石、赤鐵礦、高嶺土、褐鐵礦、石英和方解石7 種蝕變礦物。本文為未來GF-5高光譜數據在蝕變信息提取方面提供了參考。

（3）針對蝕變礦物空間定位和蝕變種類的準確性開展野外查證，驗證發現，基于GF-5 數據提取的蝕變異常與地質信息一致性好，地面光譜曲線、GF-5光譜曲線和標準波譜曲線吻合度高，提取結果可靠性好。

（4）結合已知的地質礦產資料，對提取的蝕變礦物進行分析驗證，驗證發現，該數據提取的蝕變礦物呈北西向帶狀展布，與區域構造和龍首山巖群空間關系密切。本次研究成果將對該區未來找礦勘查起到重要的指導作用。