基于WorldView-Ⅱ高分数据的盐湖矿化度含量定量反演研究——以尕斯库勒盐湖为例

王俊虎，陆冬华，周觅，武鼎，郝伟林

（1.核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029；2.中国核工业集团有限公司，北京 100822）

我国盐湖以化学类型全、分布数量多、矿产资源丰富和富含稀散元素而闻名于世，且尤以青藏高原、柴达木盆地、二连盆地等地区盐湖数量最多。我国盐湖湖水不仅矿化度高，而且蕴含着丰富的钾、钠、镁、硼、锂、铷、铯及铀、钍等矿产资源，开发利用价值极大［1-2］。据白朝军等学者研究，盐湖不同水域的矿化度高低不同，只有高矿化度的盐湖水域才能成矿［3］。张彭熹等通过开展柴达木盆地盐湖水矿化度与成矿元素含量的相关性研究，得出了湖水中钠、钾、镁、硼、锂等成矿元素含量存在着随湖水矿化度增高而增加的趋势［4］。因此，定量识别盐湖水体矿化度对湖水含矿性评价和开发具有重要的指导意义。传统获取盐湖水矿化度数据的方法主要为大量的人工取样分析并计算而得，但盐湖分布区盐沼密布、通行困难，自然环境十分恶劣。因此，传统的水样采集和矿化度分析周期长、难度大、成本高，不利于盐湖水域矿化度的快速识别和评价。

遥感技术具有探测范围广、时效性强、不受自然条件限制、性价比高等优势，已在盐湖成矿环境识别和矿产资源调查评价领域发挥了重要作用［5-8］。如田淑芳等（2005），张大林等（2007）分别基于TM 遥感数据定量反演了西藏扎布耶盐湖总盐含量和氧化硼含量［6-7］，取得了一定研究效果，但限于TM 数据空间分辨率偏低，定量反演精度受到一定的限制。王俊虎等（2015）基于SPOT 5 遥感数据开展了尕斯库勒含铀盐湖矿化度的定性估测，识别出了盐湖水域矿化度变异部位［8］，但限于SPOT 5 数据波段少，未开展定量反演。WorldView-II 高分辨率遥感卫星自2009 年成功发射以来，因其在可见—近红外谱带具有8个波段且空间分辨率达1.84 m 的优势，已在水体信息提取等领域开展了广泛应用并取得了良好效果［9-12］，但未见应用于盐湖矿化度信息提取领域的相关研究报导。

基于上述背景，笔者基于WorldView-II高分辨率卫星数据，开展了尕斯库勒盐湖矿化度含量定量反演研究，评价了WorldView-II数据的矿化度定量反演能力，旨在为盐湖湖表卤水高矿化水域定量识别提供新的技术支撑。

1 研究区概况和数据获取

1.1 研究区概况

尕斯库勒盐湖位于青海省西北部海西州，地理坐标为90°40′E～91°10′E，37°57′N～38°11′N，为柴达木盆地发展到晚更新世后，湖水变浅后，变为大小不等、散布各地、互不相连的多个咸水湖和盐湖之一，类型为硫酸镁亚型盐湖。盐湖湖盆为封闭型内流盆地，呈北西向展布，其北东、北西、南西分别由油砂山、阿尔金山和祁漫塔格山环绕，东南面被东柴山丘陵相隔。阿尔金山和祁漫塔格山主峰海拔均在4 000 m 以上，终年积雪不化，为盐湖主要的淡水补给来源。盐湖区平均海拔高度为2 835 m，为该区主要汇水洼地。湖表卤水面积约为103 m2，水深一般位于0.5～0.8 m 之间，盐湖中南部最深，可达1.3 m。该湖东部水域淡水补给少，蒸发量大，平均矿化度约为305 g/L。湖的西部和南部受多条淡水河流补给，矿化度有所降低［13］。

尕斯库勒盐湖是固液相并存的特大型石盐盐湖矿床，湖表卤水和晶间卤水十分丰富，卤水中富含钾、锂等矿产资源。核工业北京地质研究院盐湖项目团队于2010—2012 年，对该盐湖开展了系统的含铀性调查评价。经室内化学分析，湖表水平均铀含量为212 mg/L，属于潜在的盐湖型铀资源［14］。为形象展示尕斯库勒盐湖-蚀源区的地形、地貌及补给-径流-排泄特征，本文基于中等分辨率ETM＋741彩色合成影像，叠加DEM 高程数据制作出了盐湖-蚀源区补-径-排三维影像解译图（图1）。

图1 基于ETM＋741 和DEM 高程数据的尕斯库勒盐湖补给-径流-排泄三维解译图Fig.1 Interpreted 3D map of the recharge-runoff-discharge zones in Gasikule salt lake based on ETM＋741 and DEM

1.2 数据获取

1.2.1遥感数据获取

本次研究获取了覆盖尕斯库勒盐湖的WorldView-II 多光谱和全色波段数据，数据采集时间为2011 年8 月23 日，光谱波段范围为400～1 040 nm，多光谱波段空间分辨率为1.84 m，全色波段空间分辨率为0.46 m（表1）［10］。该数据信噪比高，质量良好，且均已经过辐射定标和几何校正，可满足本文研究的精度需求。为了提高矿化度定量反演精度，基于ENVI 4.8 软件平台的FLAASH 模块对数据进行了大气校正，并进行归一化处理，获得了WorldView-II 数据的反射率。

1.2.2湖水矿化度实测数据获取

为了获取盐湖水域湖表卤水矿化度实测值，项目团队于2010 年划船进入尕斯库勒湖区水域，按照预先设计的采样点位，均匀采集了40 个湖表水样，并对水样进行室内阴阳离子分析和矿化度计算，获得了40 个点位湖表水的矿化度值。选取跨越盐湖水域20 个水样的矿化度数值用于反演建模，剩余20 个水样的矿化度数值用于模型精度评价。

2 盐湖水域矿化度定量反演

2.1 盐湖水际线提取

盐湖水际线，即盐滩和湖水的分界线，可以呈现盐湖水域分布范围及其变化状况。在水体遥感中，因水体对近红外波段具有很强的吸收特性，使得陆、水影像特征截然不同。因此，河流、湖泊和海洋的水际线可以用遥感数据的近红外波段来准确提取［15］。考虑到WorldView-II 数据有两个近红外波段，本文选用了对水体吸收效果最好的WorldView-II 第8 波段，采用计算机自动分类结合人机对话解译，提取出了尕斯库勒盐湖的水际线。利用提取出的水际线对WorldView-II 其余各波段数据进行掩模处理，获得了尕斯库勒盐湖WorldView-II 各波段的水域分布图。通过提取盐湖水际线，消除了湖区以外信息的干扰，为盐湖水体矿化度含量定量反演奠定了良好基础。

2.2 不同矿化度盐湖水体光谱信息提取和诊断特征分析

笔者对尕斯库勒盐湖不同矿化度的盐湖水进行了室内光谱测试和诊断特征分析，得出了盐湖湖水的光谱反射率与湖水矿化度的高低呈明显的正相关性［8］。因此，本文直接从尕斯库勒盐湖WorldView-II 彩色影像中依据反射率值的高低，选取一条反射率值由高到低的剖面，并在剖面上均匀的选取了8 个点（图2a），从每个波段影像中读取这8 个点反射率值，形成了WorldView-II 全波段光谱曲线图（图2b）。1～8 号点位湖水的光谱曲线形态基本相同，在第2 波段 （蓝光波段）处为明显的吸收特征，在第3 波段（绿光）和第4波段（黄光）处为明显反射特征，从第5 波段（红光）～第8 波段（近红外）影像反射率快速降低。此外，不同矿化度湖水点位在WorldView-II 第1 波段、第3 波段和第4 波段处反射率值最高，在WorldView-II 第7 波段和第8 波段反射率值最低。

表1 WorldView-II 数据波段参数表Table 1 Band parameters of WorldView-II data

2.3 盐湖水体矿化度信息遥感指数构建

通过研究不同矿化度湖水在WorldView-II多波谱影像的光谱曲线特征得出：在可见光光谱区间，以WorldView-II 第1 波段、第3波段和第4 波段反射率最高，在近红外光谱区间以WorldView-II 第8 波段反射率最低。用这种反射率最高与最低谱段的比值便可以反映不同区域湖水的矿化度信息。因此，本文建立了基于WorldView-II 数据的盐湖水体矿化度信息指数SIWVII （即WorldView-II 第3 波段反射率/WorldView-II 第8 波段反射率）。为了充分体现WorldView-II 不同波段对湖水矿化度信息的综合反映，将该矿化度指数进行拓展，得到了WorldView-II 综合矿化度信息指数T-SIWVII，即WorldView-II 第3 波段反射率/WorldView-II 第8 波段反射率、WorldView-II 第4 波段反射率/WorldView-II第8 波段反射率、WorldView-II 第1 波段反射率/WorldView-II 第 8 波段反射率。WorldView-II 多波段综合矿化度指数相较单一波段矿化度指数可反映更为丰富的矿化度信息，为后续湖水矿化度信息识别和提取奠定了坚实基础。

2.4 盐湖水体矿化度信息分离

WorldView-II 遥感数据获取的盐湖水体信息包含了深度信息、矿化度信息以及可能存在的悬浮物信息等，尤以湖水深度信息对WorldView-II 数据光谱反射率影响较大。因此，为了剥离出WorldView-II 综合矿化度指数所包含的深度及其他信息，本文基于主成分分析法对WorldView-II 综合矿化度指数进行了信息分离，获得了PC1、PC2 和PC3 3 个主成分影像（图3）。因PC3 影像主要为水体杂质信息和数据自身噪声，本文不做阐述。

图2 WV-II 彩色影像不同矿化度湖水点位选取图（a）、选取点位光谱曲线图（b）Fig.2 The sampling location of different salinity brine in WV-II color image （a）and spectral curve of samples （b）

图3 WorldView-Ⅱ综合矿化度信息分离PC1 主分量图（a）和PC2 主分量图（b）Fig.3 Extracted salinity information in PC1（a）and PC2 （b）of WV-2 PCA image

PC2 影像呈现出盐湖湖岸浅水区色调浅、亮度高，深水区色调深、亮度低的特性，主要反映了湖水水深变化以及水底物质反射所引起的图像色调和亮度值变化信息。PC1 影像集中了WorldView-II 综合矿化度指数的主要信息，影像清晰且亮度值变化有明显的层次性。盐湖东部和东北部亮度值总体偏高，反映了湖水因淡水补给量少、蒸发量大而形成的高矿化度，湖水西部和南部亮度值总体偏低，反映了湖水因淡水补给量大而形成的低矿化度。为了进一步论证PC1 影像亮度值非湖水深度信息的反映，本文引入实测的尕斯库勒盐湖水深等深线图进行对比（图4）［14］。由图4 可见，盐湖湖岸的水深值大致相同，约为40 cm 左右。越靠近盐湖中央水深越深，最深约为120 cm 左右。因此，如果PC1 影像东部和北部湖区亮度值高代表了盐湖深度，则依据盐湖水深等深线分布，PC1 影像西部和南部湖区也应同东部和北部湖区一样高亮显示。但是，PC1 影像西部和南部湖区则主要呈现低亮度值。因此，本文分离的PC1 影像亮度值的高低非盐湖深度信息而为湖水的矿化度信息。

图4 尕斯库勒盐湖人工实测等深线图［14］Fig.4 Contour map of manually measured water depth in Gasikule salt lake

2.5 盐湖矿化度含量定量反演

以1.2.2 节所述的20 个实测盐湖水矿化度样本为建模数据，利用最小二乘法对自变量20 个实测盐湖水矿化度点位的PC1 影像值与其对应的实测矿化度值进行线性回归拟合，得到了一次直线函数、对数曲线函数、指数曲线函数拟合模型（表2）。由表2 中可见，一次直线函数决定系数（R2）最大，拟合效果最好，故选其作为矿化度定量反演模型。基于ENVI 4.8 软件进行一次直线反演函数运算，得到了盐湖矿化度定量反演灰度影像图，再对其进行彩色密度分割，得到了尕斯库勒盐湖矿化度定量反演结果图（图5）。

2.6 盐湖矿化度含量定量反演模型精度评价与误差分析

为评价上节建立的尕斯库勒盐湖矿化度含量定量反演模型的反演精度，选取了1.2.2节所述的20 个实测尕斯库勒盐湖水矿化度值与模型反演值进行统计分析（表3）。据表3 可以得出，矿化度反演值与实测值相比较，绝对误差平均值为9.33 g/L，反演精度平均值达到96.61%。由图5 可见，绝对误差大于10 g/L的水样点分别是3、5、8、13、14、15、18和20 号点，除14 号点位于盐湖中央深水区外，其余水样点位均分布在靠近湖岸的浅水区。而湖岸浅水区受到外部淡水不定量的动态补给，湖水矿化度的波动变化也比较大。此外，水样采集间距较大、取样部位不完全为湖表水、WorldView-II 遥感影像与取样单元空间分辨率的不匹配、室内化学分析测试误差等众多因素，也是造成矿化度定量反演产生误差的主要原因。

表2 盐湖矿化度定量反演回归拟合函数Table 2 Regressing fitting function of quantitatively inversed salinity

图5 基于WorldView-II 数据的尕斯库勒盐湖矿化度定量反演图Fig.5 Quantitatively inversed salinity map of Gasikule salt lake based on WV-2 data

表3 尕斯库勒盐湖矿化度定量反演模型精度评价表Table 3 Accuracy evaluation on the salinity quantitative inversion model for Gasikule salt lake

3 结论与讨论

本文基于WorldView-II 高分辨率卫星遥感数据开展了盐湖矿化度含量定量反演研究，并以尕斯库勒盐湖为例进行了矿化度定量反演和精度验证，得出结论如下：

1）基于WorldView-II 第1、3、4、8 波段建立了可表征盐湖矿化度信息的WorldView-II 综合矿化度指数，利用主成分分析法实现了对WorldView-II 综合矿化度指数中盐湖矿化度和深度信息的分离，获取的PC1主成分影像亮度值即可表征湖水的矿化度高低。

2）一次直线函数对基于WorldView-II 数据构建盐湖矿化度定量反演模型的效果最好，经精度评价，模型总体反演精度达到96.61%，反演成功。

3）影响盐湖矿化度定量反演模型精度的因素主要为湖岸浅水区淡水补给、水样采集间距较大、取样部位不完全为湖表水、WorldView-II 遥感影像与取样单元空间分辨率的不匹配、室内化学分析测试误差等。

总之，由于受到各种因素影响，基于WorldView-II 遥感数据定量反演的盐湖矿化度值与实际值有一定的误差，但反演的矿化度变化趋势及空间展布规律与实际值基本一致，完全可以应用于盐湖矿化度含量的定量识别，发挥遥感技术宏观、快速、不受地域条件限制的综合优势，降低盐湖区湖水取样与分析的劳力和财力成本，为湖水矿化度分布规律分析和成矿预测提供重要的数据支撑。