诸广岩体南部高植被覆盖区遥感蚀变信息提取

陈一江，祝民强

(东华理工大学江西省数字国土重点实验室、核资源与环境教育部重点实验室，江西 南昌 330013)



诸广岩体南部高植被覆盖区遥感蚀变信息提取

陈一江，祝民强

(东华理工大学江西省数字国土重点实验室、核资源与环境教育部重点实验室，江西 南昌 330013)

诸广南部花岗岩型铀矿田区内与铀矿化相关的赤铁矿化、绿泥石化和水云母化蚀变发育，但区内植被覆盖度高，直接对遥感图像进行铁染、羟基蚀变信息提取易受植被等因素的干扰。为了去除植被、水体、阴影和第四系的影响或使它们的影响降低到最小程度，分别采用ETM+4/3波段比值的高值掩模去除植被、7/1波段比值的低值掩模去除水体和阴影、以及用第四系分布的矢量图层掩模去除第四系的干扰。对去除干扰后的图像，利用ETM+ 1、3、4、5波段进行主成分分析，分析认为其第四主成分的高值为铁染主分量信息；ETM+ 1、4、5、7波段主成分分析结果显示其第四主成分为羟基主分量信息。将铁染和羟基主分量信息分别经过滤波处理和统计密度分割，获取诸广岩体南部铁染和羟基蚀变异常的分布信息。

诸广岩体；遥感蚀变信息提取；植被覆盖；主成分分析

诸广岩体南部铀成矿区是我国最为重要的花岗岩型铀矿产区，区内包含了百顺-澜河铀矿田、长江矿田等富大铀矿田。区内有与铀矿化相关的赤铁矿化、绿泥石化和水云母化蚀变发育，且植被覆盖度高，直接对遥感图像进行铁染、羟基蚀变信息提取易受植被等因素的干扰。上世纪90年代来，一些学者开始利用主成分分析法进行矿物蚀变的提取，这种方法所产生的新图像在当时被认为是最为准确和可靠的[1]，且到今天仍得到广泛应用，是蚀变信息提取的主选方法。主成分分析，即Principle Components Analysis，可以将占整个影像中很少一部分的微弱蚀变信息提取出来，并集中于单个主分量图像中。然而复杂的地表和各种不利因素，对蚀变信息的提取干扰很大。尤其南方植被覆盖高的地区，岩土出露面积过小并且受到植被覆盖程度不同的影响。张晋开、吴志春等针对不同植被覆盖度的地区进行蚀变信息提取，取得了一定的效果[1-2]。研究区植被覆盖度高，同时存在水体、阴影等干扰因素，本文针对此情况制定出相应的处理方法进行铁染、羟基蚀变信息提取。

1 研究区概况

研究区位于湘、粤、赣三省交界处，其大地构造位置处于闽-赣加里东褶皱地块以西，深部构造环境属幔隆与幔凹的过渡区域[3]，区内花岗岩体面积约为1130 km2，地貌以山地丘陵为主、各类地貌兼有，植被发育，森林资源极其丰富。

据先前资料，研究区地层从元古界至新生界均有出露。诸广岩体外围主要为古生界寒武、奥陶系片岩、板岩、石英砂岩，多分布于区内诸广岩体西部与东北角；中生界白垩系粉砂岩、砂砾岩等及新生界第三系地层多出露于东南侧南雄盆地内和仁化以南附近区域。区内火成岩分布广泛，分别为加里东期、印支期、燕山期的花岗岩，岩体主体以印支期和燕山期的花岗岩为主。20世纪70年代以来，核工业华南地质局在南岭全面进行了铀矿地质勘查工作，在诸广岩体南部发现了数个花岗岩型铀矿田、数十个铀矿床，诸广岩体由此成为我国花岗岩型铀矿著名的大型矿集区。

构造-岩浆活化作用对区域内铀成矿有着深远的影响[3-5]。陈跃辉运用伸展构造理论，认为伸展构造运动对华东南地区的铀矿化有明显控制作用[4]；王明太、罗毅等认为诸广地区的内生铀矿床于中生代晚期(95～72 Ma)在伸展裂陷构造作用下，由深源富铀地热流体与部分大气水混合产生[5]。研究区内构造众多，多为北东向与北北东向构造。北东向构造总体走向45°～65°，其特点是规模大、活动期次多、平行出现，是区内与矿化相关的重要构造，以牛澜断裂带为典型，其全长可达60 km。北北东向构造组走向约30°，以烟筒岭断裂为典型。并行出现的北东向构造带将诸广岩体切割成若干个北东向的断陷带，控制了大部分铀矿床、矿点的产出，断陷带内多组构造交汇点常为铀矿化赋存的良好场所。

2 研究区蚀变种类及提取机理

围岩蚀变是热液矿床的重要找矿标志，矿床成矿时常伴有热液蚀变现象。一般来说，蚀变程度强、范围广不一定会成矿，但大型的热液矿床往往伴随着强烈的蚀变，利用遥感手段来探寻蚀变的存在对指导找矿具有深远意义[6]。

研究区内各矿床的蚀变主要包括：钾长石化、钠长石化、伟晶岩化、绿泥石化、水云母化、硅化、黄铁矿化、赤铁矿化、萤石化、碳酸盐化和高岭土化等。赤铁矿化、绿泥石化、水云母化等蚀变是区内重要的找矿标志。三价铁离子能在ETM+图像亮度曲线上有所反映，即ETM+3波段和5波段有相对的高反射峰，在1、2、4波段上呈弱反射的特性；以羟基、碳酸根为特征的一些矿物具有5波段高反射、7波段强吸收的特性。而没有以上蚀变类型的岩石中难以有这样的反映[6]。利用这种特性作为蚀变遥感提取的基础，进行铁染、羟基蚀变信息提取是可行的。

提取出蚀变信息后，对蚀变异常进行分级处理时，借用标准误差δ来作为蚀变异常分级的尺度，将均值作为区域的背景值，以“均值+Kδ”来划分异常强度，K代表了标准差δ的倍数，通常取1、2、3，并根据实际情况做适当调整[7]。

3 矿化蚀变信息提取

诸广岩体南部地区植被发育，难以直接提取蚀变信息。因此，需要应用掩膜等技术，消除、抑制植被和其它干扰因素再进行分析，从而尽可能地提取出蚀变信息。本文使用的方法分以下几个步骤：

3.1 图像数据源的选取与预处理

数据源使用Landsat ETM+数据，行列号122-043，成像时间为2001年11月20日。该时段为降低植被影响的最有利时间段。整幅影像清晰，无云雾影响，质量良好且不存在损坏条带，经过辐射定标、大气校正、裁剪等一系列预处理后生成基础图像。

3.2 利用掩膜消除干扰因素

在蚀变信息提取的过程中常需要消除的干扰因素有：植被、水体、阴影、云、雪、第四系覆盖物等等。此次研究需要对植被、水体、山体阴影及第四系覆盖物做掩膜处理。通过查看地物波谱曲线来选取合适的掩膜波段。

图1 蚀变异常信息提取流程图Fig.1 Flowchart of alteration anomaly extraction

波段比值二值图像掩膜处理是通过对波段比值图像进行阈值选取，再将图像二值化，即“0”和“1”，然后将二值化的图像覆上原图像进行分析，保留需要的信息，掩膜区域不参与主成分分析。

研究区高覆盖度的植被对蚀变信息的提取影响最大。选用ETM+ 4波段与3波段做比值处理，统计结果，借鉴阈值分割的思想，对比值后的高值地区进行掩膜，即掩膜高植被覆盖区域，保留中低植被覆盖区来进行分析[2]。研究中采用“均值+1倍标准差”的地区为高植被覆盖区，再经调整后建立植被掩膜。

对水体和山体阴影的处理，选用ETM+ 7波段/1波段进行比值处理。根据水体的反射光谱特征可知，纯净水体的反射区间主要集中在蓝绿光波段，其它区间均有不同程度的吸收。水体与阴影有相似的波谱特征，可用该方法一并去除。比值分析后，掩膜掉低值部分，再通过人机交互选取合适阈值。

第四系、城镇用地中含有大量的铁染、羟基异常的伪信息，这对于本身占整个图像很小一部分的蚀变信息来说是极为不利的。这部分的掩膜是根据地质图并结合遥感图像判定的第四系矢量图层转为栅格来制作，以此来尽可能掩膜掉第四系等的干扰。值得一提的是，此法效果因判读准确性而异，必须谨慎判定需掩膜的场地。

分别建立了上述掩膜后，一起相乘后归并为一个综合掩膜二值图像备用。

3.3 蚀变信息的提取

研究中采用Crosta法[6-7]，以 ETM+ 1、3、4、5波段和1、4、5、7波段的组合形式，覆上前面生成的综合掩膜二值图像分别进行主成分分析，并确认铁染异常和羟基异常所属的主分量。

各主分量图像的灰度值等于各特征向量与相应波段相乘后的总和。以表1铁染主成分分析中PC4为例，其DN值为DNPC4=0.67023×Band1-0.723684×Band3-0.063777×Band4+0.152146×Band5。主成分分析法利用波段间的差值来突出所要提取的信息。

通过观察ETM+ 1、3、4、5波段主成分特征向量(表1)，PC4中Band1 、Band4符号与Band3符号相反，Band4在PC4图像中所占比重极低，PC4图像的暗色部分包含了铁染蚀变的信息，符合大部分已知矿点和基岩裸露区，为高亮显示铁染异常，对 PC4取反后作为铁染异常的主分量。

表1 Band1、Band3、Band4、Band5主成分分析特征向量

观察ETM+ 1、4、5、7波段主成分特征向量(表2)，发现PC3、PC4 Band4、Band5与Band7符号均相反，由于PC3 Band5、Band7信息量较少，且高值多处阴影区中，而PC4 Band5、Band7载荷较高，反映了羟基蚀变的信息，故舍PC3，取PC4，将其取反后作为羟基蚀变主分量。

表2 Band1、Band4、Band5、Band7主成分分析特征值向量

3.4 蚀变信息后处理

确定了蚀变异常主分量后通常需要作进一步处理来优化提取的异常信息，并对这些异常做等级分割，即按亮度值由高至低分为3级以突出图像中的蚀变信息强弱。为了平滑图像并消除孤立异常，对提取出的铁染异常图像和羟基异常图像分别进行一次3×3的高斯低通滤波后再进行一次3×3的中值滤波。

对蚀变信息主分量做滤波处理后，对其进行统计(表3)，参考统计值做密度分割。一般情况下，采用“均值+Kδ”对蚀变异常主分量图像进行密度分割并划分为3个等级，即K取值1、2、3，分别对应于低值、中值和高值异常，均值代表背景值。针对本研究区，铁染异常提取K选取1.2、1.85、3，羟基异常提取K取值0.9、1.45、2.2分级效果较好。

表3 铁染、羟基主分量统计值

4 提取结果验证与分析

铁染异常分布范围零星遍布整个研究区。在诸广花岗岩体中，沿百顺西部到东部一线较为集中，部分异常沿断裂带附近分布，尤其在百顺东坑矿床露天采场异常明显，与表层蚀变岩石的赤铁矿化有关；但也有部分高异常分布于山顶，可能与植被稀少、基岩出露较好有关。西部、东北部的变质岩、沉积岩区域分布较少。东南侧的南雄盆地及仁化南部附近的异常主要由盆地内的白垩系—第三系地层中富含赤铁矿的红色砂砾岩引起，同时也说明铁染异常信息的提取方法和结果是可靠的。

羟基异常主要于诸广岩体西部和南部边缘(扶溪-闻韶-黄坑-苍石)一线分布，其余地区零星出露。研究区中部花岗岩岩体上所提取到的羟基异常较少，可能与区内植被发育有关。羟基异常的提取未能达到预期效果，需要采用其它数据或方法来进一步提取。

研究中将提取的蚀变图像与野外实际观察是否能够重合作为验证的基础。通过野外调查和对比已有的地质资料，对提取的蚀变异常进行了验证。表明提取的铁染蚀变信息能够大致吻合已知的蚀变区域(图2)。

在361矿床露天采坑处，观测点的矿体呈北东向展布，露天采坑内有大面积蚀变岩出露，伴有非常强烈的赤铁矿化、黄铁矿化、萤石化和绿泥石化等蚀变，提取的铁染蚀变效果较好(图2-左)。

在牛澜断裂带白茫洞蚀变异常区，牛澜断裂附近裸露区有数条规模不一的断裂构造通过，赤铁矿化强烈，提取的铁染蚀变信息能够较好吻合，表明观测点处蚀变受牛澜断裂影响较大。水云母化、高岭土化等羟基蚀变虽然存在，但未能在遥感图像上反映出来(图2-右)。

图2 百顺矿田361铀矿床露天采场及尾矿堆(左)、牛澜断裂白茫洞一带(右)铁染蚀变验证图Fig.2 Field verified ferric anomaly in open pit and tailing pile of uranium deposit 361(left) and Baimangdong along NiuLan fault zone(right)， Baishun uranium ore field1—铁染一级异常区；2—铁染二级异常区；3—铁染三级异常区； 4—野外观察点；5—断裂带(左：烟筒岭断裂；右：牛澜断裂带)。

5 结论

(1)用比值掩膜去除干扰、主成分分析和滤波后处理相结合的方法，提取出的铁染异常沿百顺西部到东部一线较为集中，部分异常沿断裂带附近分布，部分分布于山脊、裸露的岩土地带和露天采场；提取的羟基异常集中于诸广岩体西部及南部边缘，岩体中部较少。

(2)从提取效果来看，提取的铁染蚀变异常表现较好，较能吻合主要露天采场、部分矿点和部分断裂构造蚀变带，而羟基蚀变受植被等因素的干扰导致提取不佳。利用ETM+数据提取诸广岩体南部的蚀变信息应主要考虑提取的铁染蚀变信息，提取研究区内的羟基蚀变信息需要采用其它方法优化或采用其它数据。

(3)根据提取的蚀变分布，建议在研究区铁染中、高值区域开展异常筛选工作，尤其在断裂带附近和断裂交汇区应予以重点关注。

[1]张晋开.基于主成分分析的植被掩模与模式滤波方法在中等植被区蚀变信息提取中的应用[J].中国图像图形学报，1996，1(2)：108-114.

[2]吴志春.基于TM/ETM影像的复合法遥感蚀变异常提取应用研究[J].地质与勘探，2013，49(3)：511-522.

[3]王明太.诸广铀成矿区矿床成因探讨[J].铀矿地质，1999，15(5)：279-285.

[4]陈跃辉.华东南中新生代伸展构造时空演化与铀矿化时空分布[J].铀矿地质，1997，13(3)：129-138.

[5]姚振凯.万洋山-诸广山花岗岩带铀成矿的区域地质背景[J].湖南地质，1991，10(1)：9-15.

[6]张玉君.基岩裸露区蚀变岩遥感信息的提取方法[J].国土资源遥感，1998，36(2)：46-53.

[7]张玉君.ETM+(TM)蚀变遥感异常提取方法研究与应用——方法选择和技术流程[J].国土资源遥感，2003，56(2)：44-49.

The Extraction of Remote Sensing Alteration Anomaly in High Vegetation Coverage Area，South Zhuguang Pluton

CHEN Yi-jiang， ZHU Min-qiang

(DigitalLandKeyLaboratoryofJiangxiProvince，KeyLaboratoryofNuclearResourcesEnvironment，ministryofEducation，EastChinaInstituteofTechnology，Nanchang，Jiangxi， 330013)

Uranium mineralization related mineral alteration like hematitization， chloritization and hydromica are widely distributed in the south of Zhuguang granite type uranium ore field， but the high vegetation coverage and other factors cause much disturbance to anomaly extraction by remote sensing . To remove and/or minimize the interfere factors，high band ratio value of ETM+ B4/B3 image is used to mask vegetation，low band ratio value of ETM B7/B1 image to mask water and shadow， and quaternary vector layer to mask quaternary area. After image mask processing， the PCA (principal component analysis) method was applied to band 1，3，4，5 group and band 1，4，5，7 group respectively. The result shews that the fourth principal component of band 1，3，4，5 group contains the information of ferric alteration and the fourth principal component of band 1，4，5，7 group indicated the hydroxylate alteration . With filtering and density separatation， distribution information of ferric anomaly and hydroxylate anomaly was acquired successfully by these two principle components in south Zhuguang granitic batholith area and the extracting results was proved by field work.

Zhuguang pluton； remote sensing alteration anomaly； high vegetation coverage； principal component analysis

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.03.007

2014-03-11 [改回日期]2014-06-30

陈一江(1989—)，男，在读硕士研究生，主要从事遥感与地理信息建模研究。E-mail：ECIT＿Cyj @126.com

1000-0658(2015)03-0395-06

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