ICA在甘肃黄草滩地区铁染蚀变信息提取中的应用研究

付垒 赵鹏彬 于占超

摘要：本文以ICA（独立成分分析）作为遥感蚀变信息提取的主要方法，结合传统PCA（主成分分析）在光谱去相关性操作中的基本特性，通过互补式的ICA方法进行遥感蚀变信息的综合提取。以甘肃黄草滩矽卡岩型磁铁矿为研究区，使用ICA和PCA方法进行ETM+影像铁染蚀变信息提取，通过对提取结果进行比较分析，结合野外实地查证，评估了两种方法在特定地质背景下遥感蚀变信息提取的适应性和局限性，最后对遥感蚀变信息提取结果进行了归纳总结，结果表明：互补式的ICA能很好地反映研究区的蚀变异常分布状况，可以将该方法应用到此类地区的地质找矿中，同时为进一步分析研究区成矿模式提供科学依据。

关键字：独立成分分析；蚀变信息；矽卡岩型；地质找矿

Abstract： This paper using independent component analysis （ICA） as main method for extraction of alteration information from remote sensing data，combined the basic characteristics of traditional PCA （principal component analysis） in removing spectrum correlation，comprehensive extraction of alteration information from remote sensing data by complementary type ICA. Taking skarn magnetite in Huangcaotan of Gansu province as an example，using ICA and PCA method of ETM+ image for extraction of alteration information，through the results of a comparative analysis of the extraction，combined with field verification and evaluation of the two methods under the specific geological background in remote sensing alteration information from the adaptability and limitations. Finally，the remote sensing alteration information extraction results are summarized in the paper. The results showed that the complementary type of ICA can reflect the distribution of alteration anomaly primely，the method can be applied to such areas of geological prospecting，and provide a scientific basis for further analyzing and studying metallogenic model.

Key words：Independent Component Analysis；Alteration information extraction；Skarn；Geological prospecting

1. 引言

由于不同矿物的晶体结构各不相同，晶格振动所产生的光谱特征与其特有的晶体结构有关，因此不同的岩石具有不同的光谱特征。遥感技术可以识别这些光谱特征，从而判别出地物的矿物组成和岩性，这就为通过遥感技术识别蚀变矿物分布范围提供了物理基础[1]。目前遥感蚀变异常信息提取的方法有多种，较常用的有比值法、主成分分析法、光谱角法、归一化植被指数法、混合像元分解法以及它们的混合法。每种方法都有其针对性和适用的范围。其中主成分分析法提取蚀变信息是相对最为广泛的。主成分分析（PCA：Principal Component Analysis）是基于信号二阶统计特性的分析方法，由于所获各主成分之间不相关，主成分之间信息没有重复或冗余。PCA的这一基本性质在蚀变异常信息提取中被充分利用。多光谱遥感数据通过PCA所获每一主成分常常代表一定的地质意义[2]，且互不重复，即各主成分的地质意义有其独特性。但是由于蚀变矿物形成的影像特征在遥感图像上往往表现得很微弱或不明显，经常被主色调或“伪信息”所掩盖，而且很多弱信息包含在高阶统计量中。若仅仅采用PCA算法，对图像进行处理可能会忽略很多关键信息。因此，本文在提取矿物蚀变信息中引进了互补式的独立成分分析法（ICA：Independent Component Analysis）。ICA算法是一种基于高阶统计量的去相关多元数据处理方法[3]，不仅能够消除多变量数据中的二阶相关关系，而且能够消除数据间的高阶相关。本文利用PCA算法在光谱去相关性操作中的基本特性，以ICA为遥感蚀变信息提取的主方法，综合利用两种不同方法提取的异常信息，同时结合研究区地质环境背景，提取了遥感蚀变异常信息，通过室内分析及野外验证，取得了较好的成果。

2. 研究方法

2.1 ICA基本原理

ICA又称盲源分离（Blind source separation，BSS）[4]，它假设观察到的随机信号x服从模型x=As，其中s为未知源信号，其分量相互独立，A为一未知混合矩阵。ICA的目的是通过且仅通过观察x来估计混合矩阵A以及源信号s。用数学语言描述，即，通过独立成分分析，从一组观察信号分离出一组统计独立的信号源的估计值，也是统计独立的。

假定第个观测信号由个独立成分线性混合而成：

（1）

用矢量表示观测变量，矢量表示源变量，表示混合矩阵式（1）可表示成：

（2）

统计模型式（2）称为独立成分分析模型。该模型描述了观测数据是如何由信息源混合生成的。源变量是隐藏变量，不能直接观测到，而且混合矩阵也是未知。所有能观测到的数据只有随机变量，所以必须估计出混合矩阵和。

独立成分分析模型的求解基于一个简单的假设：源变量是统计独立的，同时非高斯分布。在估计出混合矩阵后，可以进一步计算混合矩阵的逆，也即分离矩阵，从而得到独立成分的估计。

（3）

ICA的目的就是估计出分离矩阵。目前独立成分分析的实现方法有很多：信息最大化法、基于极大似然估计的ICA算法[5]、最小化互信息（负熵最大化）法[6]、FastICA算法[7]等。本文采用的是FastICA算法来做独立成分分析。

遥感影像所表现的信息是不同地物对某个波段反射率的一种反映[8]，多光谱遥感影像的各波段可以认为是相互独立的各种地物的光谱信息按一定的规律混合的结果。将ICA作用于多光谱影像，得到的每个独立成分可集中体现某些地物的信息，使得不同地物间的可识别度增大。

2.2 技术方法

本文采用ICA方法提取波段信息中的高阶信息和独立成分，以独立成分替代主成分提取铁染蚀变信息。经ICA处理后的各成分相对于PCA的各成分来说是独立的而且包含了一些基于高阶统计的信息。从统计分析的角度看，简单ICA和PCA一样，同属多变量数据分析的线性方法。因此可以按照PCA提取蚀变信息的准则来处理经ICA处理的成分。以TM数据为例，通过Crosta方法[9]说明其准则，通过TM1、TM3、TM4、TM5的波段组合进行主成分分析提取铁染蚀变。由TM1、TM3、TM4、TM5作为输入波段组合进行正交线性变换，变换后的某个新的组分图像可能集中了铁染蚀变信息[10]。对代表铁染蚀变的主成分的判断准则是：TM3的系数应与TM1、TM4的系数相反。铁染蚀变存在于绝大多数成矿岩体中，提取这种蚀变信息基本可以确定研究区成矿岩石的分布情况[11]。

所以，本文的研究方法就是通过ETM+1、ETM+3、ETM+4、ETM+5波段组合进行ICA提取铁染蚀变信息。为了充分发挥ICA提取结果的优越性，同时进行PCA处理，并对两种方法提取的结果进行分析总结，结合研究区地质背景，形成研究区的蚀变信息分布图。

基于ICA提取矿物蚀变信息的方法主要包括：图像预处理、ICA分析、选择有效成分、异常切割、蚀变信息处理等步骤[12]。原始数据经过一系列的图像预处理，包括几何纠正，大气校正，掩膜去背景等；再选择波段分别进行ICA和PCA处理，根据上述原则进行成分的选择；将选择的成分用相同的异常切割标准处理，突出蚀变信息；并与已知的矿化蚀变带进行叠加分析，利用PCA提取的蚀变信息结果来强化和完善ICA提取的蚀变结果。

在做异常切割时，利用（X+kσ）确定异常下限和划分异常强度等级[13]。X是某一成分的统计均值代表区域背景，σ是该成分的标准差。k取值一般是（1～3），有了这一标准，切割异常时可以减少主观任意性，并使操作较为规范化。经ICA处理后得到的各成分是相互独立的，每一成分可以看成是单一的地物。但是由于大气，传感器等影响，各成分并不只是单一的地物，所以在提取异常时还是利用了阈值切割法。

将提取的蚀变异常分布图与已知的矿化蚀变带进行叠加分析，计算出在一定区域内提取的蚀变信息量大小，用吻合率来表示。吻合率越大证明提取的有效信息量越大，伪异常信息量越小。

3. 应用实例

本文以甘肃黄草滩野马井南磁铁矿为研究区，采用ETM+作为遥感蚀变异常提取数据源，通过ICA方法提取蚀变信息，结合PCA的提取结果，运用互补式的ICA分析法，综合圈定研究区遥感蚀变异常区带。本次ETM+遥感数据采集的时相为2002/08/12，行带号为137-31。

3.1 区域地质背景

研究区北部出露地层为寒武系双鹰山组，中南部为平头山组和少量震旦系洗肠井群，二者呈断层接触，平头山组压覆在洗肠井群之上，呈“飞来峰”。双鹰山组岩性以深灰色硅质岩为主，局部夹灰黑色含炭质硅质岩、细砂岩、粉砂岩；平头山组以中厚层灰白色白云岩、白云质大理岩为主，局部夹细砂岩、粉砂岩透镜体。洗肠井群主要岩性为深灰色薄层状硅质岩。侵入岩主要有泥盆纪双峰山岩体，岩性主要有肉红色中粗粒二长花岗岩、灰色细粒闪长岩、灰色～浅灰绿色中细粒闪长岩。上述地层受该岩体侵位影响，致使二者之间的接触部位多呈港湾状接触，并多处形成矽卡岩带或矽卡岩化带，控制着矽卡岩型磁铁矿产的分布。

研究区已知的矿床主要为铁矿，次为锰矿、黄铁矿、黄铜矿等，磁铁矿点主要分布在野马井之南的平头山组、洗肠井群与晚泥盆世双峰山石英闪长岩、闪长岩岩体和早泥盆世冰墩子山钾长花岗岩热液交代作用形成的矽卡岩化带或矽卡岩带。侵入岩比较发育，主要有早泥盆世冰敦子山钾长花岗岩、花岗斑岩及晚泥盆世炭山子辉长岩等，见后期侵入的辉长辉绿岩脉（图1）。

野马井地区已知的矿床主要为铁矿，次为锰矿、黄铁矿、黄铜矿等，磁铁矿点主要分布在野马井之南的平头山组、洗肠井群与晚泥盆世双峰山石英闪长岩、闪长岩岩体和早泥盆世冰墩子山钾长花岗岩热液交代作用形成的矽卡岩化带或矽卡岩带。出露地层为青白口系园藻山群平头山组和南华-震旦系洗肠井群，二者为逆冲断层接触，平头山组压覆在洗肠井群之上，呈“飞来峰”。平头山组岩性主要为灰白色弱矽卡岩化中薄层白云岩、弱矽卡岩化白云质大理岩夹少量细碎屑岩；洗肠井群主要岩性为深灰色薄层状硅质岩。侵入岩比较发育，主要有早泥盆世冰敦子山钾长花岗岩、花岗斑岩及晚泥盆世炭山子辉长岩等，见后期侵入的辉长辉绿岩脉（图1）。

根据研究区成矿地质背景，区内最主要的矿产是铁矿和锰矿，铁矿的富集使得遥感可以识别的铁离子增多，研究区主要蚀变类型有磁铁矿化、黄铁矿化、黄铜矿化、绿帘石化、阳起石化、透闪石化等。因此，本文主要关注含铁矿物蚀变的光谱特征[14]（图2）。

3.2 铁染信息提取

研究区铁染蚀变较强，根据含铁离子矿物的特征波谱，对ETM+1、3、4、5波段分别进行ICA和PCA处理，生成反映铁离子变化的蚀变信息。由ICA提取的铁染蚀变波段组合特征向量见表1。为了比较验证ICA方法的准确性，并对ICA方法的完整性进行补充，辅以PCA进行特征向量的提取见表2。

各独立成分和主成分的特征向量是趋于一致的，这说明ICA和PCA在统计分析上是一致的，由此选择了相同的切割标准对成分进行分割；同时，也表明ICA可以和PCA一样用于提取蚀变信息。在特征向量表IC4/PC4中，由于1和3波段的贡献系数最大，说明它们对IC4/PC4的贡献最大，也就是说IC4/PC4的信息主要来源于ETM+1、3波段，并且ETM+3为负值，ETM+1、ETM+4为正值，具有ETM+3与ETM+1、4相反的贡献标志，正符合铁染信息在ETM+1波段具有强吸收，在ETM+3具有强反射的特点。因此该成分可以作为铁染信息的指示分量。为了体现ICA方法在蚀变信息提取中的准确性和差异性，利用PCA提取蚀变结果对ICA进行验证和补充，首先保证两种方法提取的矿物蚀变异常信息的标准一致，将得到的IC4和PC4进行同一水平切割。根据研究区已有的矿化信息和蚀变带来确定阈值。本次试验采用（X+2.5σ）对IC4和PC4进行切割，然后对切割后的二值图像进行窗口为3×3的中值滤波，最终将提取的蚀变结果与已知的矿化蚀变带进行叠加分析（图3），计算两种方法分别在对应的蚀变带中提取的蚀变总面积及与蚀变带吻合的面积，最后计算出两种方法的蚀变提取吻合率（表3）。

（紫色）和PCA（绿色）提取的铁染蚀变信息与研究区的已知蚀变带（橙色）重叠度较高。从图中可以发现经ICA提取的铁染蚀变信息大部分落在已知蚀变带内及该蚀变带附近，也有部分异常信息落在非蚀变带区域附近，这部分零散的蚀变信息经实地验证是伪蚀变信息。从图3中也可以发现相对于PCA法，ICA提取的信息量和吻合率都有一定程度的提升，吻合率提升了近13%（表3）；通过分析图3中各个已知蚀变带的异常信息分布图，发现经PCA提取的蚀变信息在4号蚀变带附近只有部分异常，其中2号、6号蚀变带周边完全没有PCA提取的信息，表3的结果正符合图3所显示的结果。从表3可以看出总体上经ICA提取的铁染蚀变信息的吻合率大于PCA法，但是5号蚀变带相反，ICA在5号蚀变带附近提取的蚀变信息较弱，而PCA在该蚀变带有较好的体现，这说明针对不同的区域、不同矿化蚀变类型，ICA法具有一定的局限性，为了更好地总结研究区矿化蚀变异常的提取方法，需要借鉴PCA的提取方法，综合利用两种方法的提取结果，采用一种互补式的ICA方法，全面准确地提取研究区含铁矿物的蚀变信息。

3.3 野外查证及分析

本次工作在研究区共查证7处矿点，包括2个沉积型磁铁矿点、5个矽卡岩型磁铁矿矿点。

5个矽卡岩型磁铁矿区的ICA异常都比较明显，提取的蚀变带呈团块状分布，特别是在岩体与地层的接触带上，ICA异常比较集中，例如在6号蚀变带的矽卡岩化带两侧均有ICA异常展布。而PCA异常在5个矽卡岩型磁铁矿区的吻合率就相对较低，特别是在2、6号蚀变带中基本没有提取出相关蚀变（表3）。在2个沉积型磁铁矿点的查证中，例如5号蚀变带附近就少见ICA法提取的异常信息，而大部分异常信息为PCA法提取的（图3），这说明了ICA法在不同成因类型的矿化信息提取中存在的局限性。在对研究区北部韧性剪切带两侧的PCA异常进行查证中，并没有发现蚀变矿物，说明在同一标准下，PCA提取的蚀变异常信息中含有更多的假异常信息，产生这些假异常信息主要是由于在干旱地区普遍存在“荒漠漆”现象造成假象褐铁矿化蚀变异常所致，既由于气候干燥，属于构造破碎带的岩石常年裸露，风化作用使岩石内部的Fe2+转变成为Fe3+积聚在表面而形成，野外查证中较易发现这种铁染异常假象。由此可以说明经ICA法提取的有效蚀变信息量要高于PCA法。

通过分析总结：对于矽卡岩型的磁铁矿，热液交代作用形成的围岩蚀变信息较弱，空间展布不规则，干扰因素也较多，遥感光谱反射形成的可识别信号往往包含于高度相关的信息中，而ICA通过去相关操作，理论上保留了一些弱化的高阶信息，从而使得在此类地质背景下的弱化信息得到了加强，提取效果就要优于PCA法。而对于沉积型的磁铁矿，其含矿层位、矿体宽度、厚度及延伸都较为稳定，主要受地层和构造控制，围岩蚀变相对集中，因而传统PCA法提取的效果就相对较好。

ICA法作为本次遥感蚀变信息提取的主要方法，采用互补式的ICA法进行遥感蚀变带的圈定，既能提高ICA法的准确性，发挥其它方法（PCA法）的特殊优势，又能提高ICA法在蚀变信息提取中的全面性，为进一步把握研究区的找矿方向奠定了理论基础。

4. 结语

研究区地处半干旱戈壁荒漠区，蚀变矿物主要为岩浆热液交代形成的矽卡岩型磁铁矿。结合研究区地质背景，通过遥感技术方法，在获取特征波段之间的独立成分前提下，利用ICA方法提取隐藏在高阶统计信息中的有用信号（特定的矿物蚀变信息），更加全面的揭示了多光谱数据间的本质结构。

在借鉴了传统PCA法的提取结果后，采用互补式的ICA方法提取矿物蚀变信息，经实地查证取得了较好的效果，在统一标准下比传统的PCA方法效果要好，经ICA提取蚀变信息的吻合率相比传统PCA法要高近13%，这也充分说明了ICA法在研究区提取蚀变的准确性和适用性。这一方法在类似区域开展遥感蚀变信息提取工作具有一定的指导意义。

将互补式的ICA方法用于提取遥感蚀变信息，以下几点需要不断研究与探索：

（1）在对选择的成分进行分割时，阈值的选择具有一定的局限性，根据已知的地质资料并不能完全满足要求，而且阈值的确定对提取的结果有很大的影响，如何实现快速确定阈值有待进一步的研究。

（2）表3中的5号蚀变带PCA法提取信息的吻合率要高于ICA法，说明了ICA方法也有一定的适用范围，并不是所有经ICA提取的蚀变信息就一定比PCA法提取的有效信息量大，这可能与阈值的选择及研究区地质背景有关。

（3）蚀变信息的提取，要尽可能地采用多种不同的方法进行对比研究，找到一种适合该区域的方法或几种方法的组合来提高蚀变信息提取结果的可信度。将ICA方法与其它方法组合可能会取得更好的应用效果。

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