干旱半干旱地区降雨对遥感地质信息提取影响研究

栾卓然，吕凤军，赵志远，王梦然

(1.河北地质大学河北省战略性关键矿产资源重点实验室，石家庄 050031；2.河北地质大学地球科学学院，石家庄 050031；3.河北水文工程地质勘察院，石家庄 050021；4.河北省水文工程地质勘查院，石家庄 050021)

0 引言

近年高光谱分辨率、高空间分辨率、中等空间分辨率等多源遥感数据已经成为资源勘查的有效信息源[1-7]，与之配套的提取遥感地质信息的技术方法研究不仅成为学科前沿[8-11]，而且成为了区域地质调查、矿产资源勘查的主要技术支撑和有效手段[1,4-6,12-14]。高质量的遥感数据是获取准确地质信息的前提[15]。目前，在时相选择上更多考虑避开云、雨、雾霾、雪天等自然条件因素。但是，利用多时期特别是不同季节，不同气象条件的遥感数据进行地质遥感解译、提取地质信息研究成果较为罕见，特别是在干旱、半干旱地区进行遥感数据和时相的选择时，很少考虑降雨前后对各种地质信息提取的影响。随着遥感技术的飞速发展，可以用于遥感地质信息提取的数据日益丰富，已经能够达到3～7天内获取相应遥感数据的要求，为研究利用不同气象条件下的遥感数据提取地质找矿信息奠定了基础。本文以河北省围场地区为研究区，对比分析降雨对遥感成矿地质信息提取结果的影响，以期为未来遥感地质工作优质数据源筛选提供依据。

1 研究区概况

研究区位于河北省北部，承德市围场满族蒙古族自治县。属燕山山脉东段北麓的中低山—中山区，海拔标高一般为800～1400 m，相对高差一般为200～400 m，地势起伏较大。春季多风沙，干旱无雨，雨季多集中在7—8月份，年平均降水量400 mm左右。

研究区地处华北陆块(Ⅱ3)北缘[16-17]，属华北陆块北缘中段成矿带[18-21]。断裂构造以NE向为主，其次为NNE向和EW向。区内出露地层主要有侏罗系张家口组，岩性以酸性、偏碱性火山熔岩及火山碎屑岩为主，底部为杂色砂砾岩；其次为白垩系义县组，下部岩性为灰褐色辉石安山岩夹灰褐色安山质角砾岩、集块岩，上部为绿色气孔-杏仁状安山岩；少量九佛堂组出露在中西部，岩性为一套湖相正常碎屑沉积岩，夹有安山岩层；新生界主要分布于河谷两岸、山麓及沟谷地带。中深成酸性、中酸性侵入岩在区内分布最广，其次为浅成—超浅成酸性、亚碱性侵入岩；潜火山岩在区内也较发育，主要为晚侏罗世和白垩世潜火山岩(图1)。

图1 工作区区域矿产图Fig.1 Map showing regional mineral resources distribution

2 数据源与遥感地质信息提取方法

2.1 数据源

由于本项目主要研究降雨对遥感地质信息提取的影响，因此需要根据工作区气象资料、结合工作区各种遥感卫星过境时间及遥感数据质量，分别利用降雨前、隆雨后的遥感影像，提取工作区遥感地质信息。依据天气网的历史天气查询功能和地理空间数据云OLI、SPOT、Pleiades-1A、Pleiades-1B遥感数据查询结果，查询了每景数据获取前9天降雨信息，在此基础上选择表1中卫星数据为研究数据源。

表1 遥感数据类型及数据质量Table 1 Schedule of remote sensing data types and quality

2.2 数据处理

高分辨率遥感数据处理以SPOT-6为例。首先对SPOT-6的全色和多光谱遥感图像分别进行正射校正。检查正射校正后的遥感图像校正精度是否满足项目要求；同时检查正射校正后全色和多光谱图像重叠度是否良好。将符合要求的校正后全色和多光谱结果进行Pansharp方式融合，融合后即得到遥感图像处理结果。

中分辨率LandSat-8遥感数据处理方式，首先对多光谱遥感数据进行辐射校正，再对辐射校正后的数据进行大气校正，大气校正采用ENVI软件FLAASH模块进行处理。将处理后的多光谱数据和全色数据进行融合，得到15 m空间分辨率的融合后遥感数据。将融合后的Landsat-8数据进行正射校正得出中分辨率遥感数据处理结果。

2.3 遥感地质信息与蚀变异常信息提取方法

常规的遥感地质信息提取包括岩性、地层、线性构造、环形构造等地质信息的遥感解译，文中以目视解译的方法来对比研究降雨前后典型遥感地质信息解译标志的差异。

本文采用“改进去干扰主分量门限法”[22-23]流程提取工作区蚀变遥感异常。该方法包括大气校正、去坏像元、去干扰因素、选择主成分分析、异常切割、去孤立点、自动矢量化等过程。影像中的植被信息是影响蚀变遥感异常提取的主要因素，其次工作区居民地、耕地信息也将影响蚀变遥感异常提取的结果。因此利用遥感数据提取蚀变遥感异常前，需抑制影像中上述干扰因素。不同时相获取的遥感数据，去除影响因素所用波段或增强方案、切割阀值略有差异(表2)。

表2 雨前、雨后遥感数据蚀变遥感异常掩膜方法和切割阈值Table 2 Statistics of remote sensing anomaly mask results and cutting threshold of remote sensing data from images taken before and after rainfall

2.4 岩矿石雨前雨后实测波谱方法

为验证岩矿石雨前、雨后波谱特征的变化，本次研究应用FieldSpec 3便携式光谱辐射计进行野外和室内测量。室外测量选择可能存在矿化蚀变处的蚀变遥感异常点和8处已知的矿点进行野外检查，对金矿点、萤石矿点、灰岩矿点处的铁染异常进行了野外波谱测量，同时采集了相关的典型岩石样品。野外对同一波谱测试点分别测试了雨前和雨后岩矿波谱数据，并且在每一测试点分别采取多距离多次波谱测试，尽可能选取测试点围岩或周边岩性差别明显的测试点测试波谱数据。

(1)模拟雨前岩矿石波谱测量

把野外采回的岩矿石样品晒干，在岩矿鉴定切片处利用ASD波谱仪的接触式探头进行岩矿石波谱测量。该波谱测量结果可以代表雨前实测波谱数据。

(2)模拟雨后岩矿石波谱测量

在整理箱中放入清水，把岩矿石样品放入水中浸泡直至完全浸泡，浸泡时间约3天。再把浸泡后的岩石取出来，放到阴凉通风处晾晒1～3天，使得岩矿石表面干燥。在岩矿鉴定切片处利用ASD波谱仪的接触式探头分别测试了晾晒1天、3天的岩矿石的波谱数据。该波谱测量结果可以代表雨后1天、雨后3天岩矿石实测波谱数据。

3 遥感地质信息提取结果与分析

3.1 蚀变遥感信息提取结果分析

3.1.1 主成分特征向量对比分析

利用“改进去干扰主分量门限法”提取工作区蚀变遥感异常的关键是主成分变换的特征向量是否能够反映出蚀变异常[23-24]。因此，对雨前雨后主成分变换的特征向量特征进行对比，能够定量说明降雨对蚀变异常提取的影响。

(1)铁染异常主成分分析特征向量对比

利用遥感数据提取的铁染异常主要是指含过渡性金属离子有关异常，该类异常诊断性波谱位于400～1100 nm区间。根据现有铁染异常提取理论，铁染异常要利用含过渡性金属阳离子在450 nm、550 nm、700 nm及870 nm波长处的吸收峰，该吸收峰与OLI遥感数据2、3、5波段对应。由于过渡性金属阳离子在OLI遥感数据的2波段、3波段、5波段形成吸收峰，那么其在相邻波段1、4、6波段形成反射峰，因此，利用差值方法增强与过渡性金属元素阳离子有关的异常信息，即间接提取铁染异常。利用2、4、5、6波段组合主成分分析提取铁染异常主要考查2、4或2、6波段特征向量值的大小。该数值绝对值越大，说明2、4或2、6波段在对应主分量信息贡献越大，提取的铁染异常可靠性越高[22-25]。

本次工作，分别选择雨前雨后3景遥感数据提取了工作区铁染异常。3景雨前遥感数据2、4、5、6波段组合的主成分特征向量见表3。3景雨后遥感数据的2、4、5、6波段组合的主成分特征向量见表4，所用的3景遥感数据均可以提取工作区的铁染异常。

表3 雨前遥感数据2、4、5、6波段主成分分析特征向量Table 3 Eigenvector of principal component analysis of data of band 2, 4, 5, 6 of remote images taken before rainfal

表4 雨后遥感数据2、4、5、6波段主成分分析特征向量Table 4 Eigenvector of principal component analysis of band 2, 4, 5, 6 from remote sensing images taken after rainfall

上述分析表明，利用雨后或雨后3天遥感数据提取铁染异常结果较为合理。

(2)羟基异常主成分分析特征向量对比

利用遥感数据提取的羟基异常主要是指含羟基基团、碳酸根基团蚀变矿物，如高岭石、绢云母、绿泥石等。该类异常诊断性波谱位于2000～2400 nm波长区间。根据现有羟基异常提取理论，羟基异常要利用羟基(或金属+羟基)、碳酸根离子团在2200 nm、2350 nm波长处的吸收峰，该吸收峰与OLI遥感数据7波段相对应[22-25]。由于羟基(或金属+羟基)、碳酸根离子团在OLI遥感数据的7波段为吸收峰，在相邻6波段形成反射峰。因此，利用差值方法增强含羟基(或金属+羟基)、碳酸根离子团异常信息，间接提取羟基异常。利用2、5、6、7波段进行主成分分析提取羟基异常，主要考查6、7波段特征向量值的大小。该数值绝对值越大，说明6、7波段在对应主分量信息贡献越大，提取的羟基异常可靠性越高。

本次工作，分别选择雨前雨后3景遥感数据提取了工作区羟基异常。总结分析雨前3景遥感数据和雨后3景遥感数据的2、5、6、7波段主成分分析特征向量数值(表5、表6)，提取羟基异常可信度较低。

表5 雨前遥感数据2、5、6、7波段主成分分析特征向量Table 5 Eigenvector of principal component analysis of band 2, 5, 6, 7 of remote sensing images taken before rainfall

表6 雨后遥感数据2、5、6、7波段主成分分析特征向量Table 6 Eigenvector of principal component analysis of band 2, 5, 6, 7 of remote sensing images taken after rainfall

上述分析表明，利用雨前或雨后的遥感数据对提取羟基异常结果没有影响。

3.1.2 蚀变遥感异常的野外验证对比结果

本项研究室内提取蚀变异常信息大部分与已知矿点重叠，重合率达90%以上(图2)。所提取异常处大部分能够见到较好的褐铁矿化现象(图3a, 图3b)和绢英岩化现象(图3c)。重点选择庄头营村西北金矿点及庞家窝铺东侧萤石矿区内的异常点进行野外验证。野外检查结果表明，雨前和雨后提取的铁染异常的数量和准确率有区别。每景雨后遥感数据提取的铁染蚀变遥感异常图斑平均为17处，准确率约76%；每景雨前遥感数据提取铁染异常图斑平均为1.5处，虽然雨前提取的几处异常与野外现象吻合，但有许多异常未能提取。野外实际有19处褐铁矿化异常，雨前蚀变异常信息损失率最低达89.4%。从信息损失率角度考虑，利用雨后遥感数据提取的铁染异常损失率要远低于利用雨前遥感数据提取铁染异常损失率。对庞家窝铺东侧萤石矿点的铁染异常进行了野外查证也得出相同的结论。

图2 蚀变遥感异常信息及矿权分布图Fig.2 Map showing distribution of the remote sensing alteration anomalies and mineral properties

对庞家窝铺东侧萤石矿点的羟基异常进行了查证，在羟基异常处，大部分都能见到大量含萤石的绢云母化和绿泥石化岩石(图3c-图3e)。通过对比雨前、雨后遥感数据所提取的羟基蚀变异常信息，发现不同降雨条件下遥感数据提取的羟基异常信息基本一致。

图3 金矿和萤石矿点野外照片Fig.3 Photos of Au and flurite ore occurrences taken in fielda.金矿附近褐铁矿化；b.金矿附近硅化探槽；c.萤石矿点绢英岩化石英闪长岩风化露头；d.大型萤石粉加工开采基地野外照片，萤石矿堆浸池；e.萤石矿矿石堆

该莹石矿点勘查区内，每景雨后遥感数据提取的羟基遥感异常图斑平均为6.5处，准确率约93%；每景雨前遥感数据提取的羟基异常图斑平均为5.5处，准确率约100%。但是，野外检查过程中，该勘查区内至少有7处与羟基异常有关的蚀变，雨前遥感数据最多提取6处蚀变异常，蚀变异常损失率最低为14.2%；而雨后遥感数据提取的羟基蚀变遥感异常最少为6处,蚀变遥感异常损失率最高为14.2%。利用雨后遥感数据提取异常损失率与利用雨前遥感数据提取异常的损失率大致相当，表明降雨对提取羟基蚀变遥感异常结果基本没有影响。

对比利用不同气象条件的遥感数据所提取的羟基蚀变遥感异常，认为利用雨前、雨后不同气象条件获取的遥感数据所提取羟基蚀变异常信息基本一致，表明降雨对羟基蚀变遥感异常提取结果没有影响。

3.2 雨前雨后遥感地质解译信息的对比分析

本文主要对工作区张家口组火山岩、义县组及晚侏罗世中酸性侵入岩在雨前雨后ETM+、OLI遥感影像中的差异进行对比分析。由水的反射波谱可知，水的反射率随波长变长而小，至900 nm处时，水的反射率基本为0，即水在ETM+7、ETM+5波段及OLI 7、OLI6、OLI5波段上的反射率为0或极低。同时，地物反射率与地物含水量成反比，即同一地物含水量越高其反射率越低[26]。因此，本次主要对比工作区各种地质体在雨前、雨后ETM+ 741(RGB)、OLI 752(RGB)合成影像图的差异。

在工作区雨前、雨后2期处理方式相同的ETM+741(RGB)彩色合成影像图中，雨前ETM+741(RGB)合成影像图亮度总体上高于雨后ETM+752(RGB)合成影像图的亮度，如工作区西部下白垩统义县组火山岩在雨前ETM+彩色合成影像中呈浅粉色色调夹杂相对少量的灰黑色色调，而在雨后ETM+彩色合成影像图中该地层呈深粉色色调夹杂相对多的灰黑色色调(图4)；工作区东北部中侏罗世碱房单元中细粒二长花岗岩在雨前ETM+遥感影像中呈浅灰绿色色调、相对稀疏的树枝状水系(部分水系不清晰)，岩体内部影像对比度相对较小，而在雨后ETM+遥感影像中该岩体呈深亮绿色色调，水系相对密集，岩体内部影像对比度相对较大(图5)；工作区东北部张家口组火山岩在雨前ETM+遥感影像中呈较浅的深粉色色调，影纹相对模糊，而在雨后ETM+遥感影像中呈相对较深的深粉色色调，影纹相对清晰(图6)。

图4 下白垩统义县组ETM+ 741(RGB)合成影像图Fig.4 Composite image of EMT+741 (RGB)of Lower Cretaceous Yixian formationa.雨前；b.雨后

图5 中侏罗世碱房单元中细粒二长花岗岩ETM+ 741(RGB)合成影像图Fig.5 Composite image of ETM+741 (RGB) of the fine-grained monzogranite of Jianfang unit of Middle Jurassic Epocha.雨前；b.雨后

图6 上侏罗统张家口组ETM+ 741(RGB)合成影像图Fig.6 Composite image of ETM+741 (RGB) of Upper Jurassic Zhangjiakou formationa.雨前；b.雨后

在工作区OLI 752(RGB)遥感影像中，雨前OLI遥感影像亮度较雨后高、粉色色调相对较多。如工作区东部中侏罗世碱房单元中细粒二长花岗岩在雨后OLI遥感影像中的纹理比雨前OLI遥感影像中该岩体内部的纹理清晰(图7)。

图7 中侏罗世碱房单元中细粒二长花岗岩OLI 741(RGB)合成影像图Fig.7 Composite image of OLI 741 (RGB) of Middle Jurassic Jianfang unit fine-grained monzogranitea.雨前；b.雨后

上述特征表明，由于雨后地物含水量要大于雨前地物的含水量，导致ETM+遥感数据或OLI遥感数据的7波段反射率较低，导致工作区雨后遥感影像中粉色色调要少于雨前遥感影像中的粉色色调。同时，由于降雨使得影像中线性影纹的含水量比其周围地物含水量增多，使得线性影纹与其周围影像对比度变大，因此雨后遥感中纹理信息较雨前纹理信息更为丰富。

对比分析张家口组火山岩、义县组火山岩及侏罗纪中酸性侵入岩的遥感影像特征发现，雨前雨后影像特征主要表现在色调、色彩和影像纹理的清晰度上的差异。差异大小取决于岩石的裂隙发育程度和风化程度的高低。张家口组和义县组的火山岩的构造裂隙不发育，雨前雨后遥感影像特征的差异不显著。早侏罗世以石英二长岩为主的蛇盘兔单元在ETM+741(RGB)彩色合成影像中呈绿色色调夹杂少量的粉色色调，较为密集的树枝状水系，地形起伏较大。其在雨前ETM+遥感影像中呈灰绿色色调夹杂相对少量的淡粉色色调，纹理相对稀疏，与周围岩石单元色调差异较小(图8a)。在雨后ETM+遥感影像中，该岩性单元为亮绿色色调中夹杂较多的粉色色调，纹理相对密集，与相邻岩石单元色调、纹理特征差异较大(图8b)。这是由于冀北及燕山地区岩浆岩的风化裂隙、构造裂隙带发育，导致侏罗纪中酸性侵入岩在雨后遥感影像中影像特征与周围岩石影像特征差异较大。

图8 下白垩统义县组OLI 752(RGB)合成影像图Fig.8 Composite image of OLI 752 (RGB) of Lower Cretaceous Yixian formationa.雨前；b.雨后

线性构造信息提取是遥感地质工作的重要内容[27-30]，由于线性纹理发育，降水导致地物含水性提高，致使影像对比度提高，使得线性构造、环形构造在雨后遥感影像中识别程度较其在雨前遥感影像中识别程度有所提高。在工作区东部ETM+741(RGB)彩色合成影像中，雨后遥感影像对比度好于雨前遥感影像的对比度，线性影纹更为发育(图9)。工作区中西部燕山期火山岩广泛分布，与火山机构有关的环形构造也较发育，在遥感影像中主要通过地貌环、色调环、影纹环等影像特征表现出来。在工作区中西部ETM+741(RGB)彩色合成影像中，雨后遥感影像对比度好于雨前遥感影像的对比度，纹理更为密集。在ETM+741(RGB)影像中部环形构造内部呈深粉色色调夹杂少量的浅绿色色调，旋转放射状水系是其解译标志。环形构造的北部以弧形山脊为其边界，南部以弧形沟谷为边界，东西两侧以其色调为边界(图10)。在雨后遥感影像中该环形构造北部边界、西部边界比雨前遥感影像中更清晰(图10a、图10b)。

图9 线性构造雨前雨后ETM+741(RGB)合成影像图Fig.9 Composite image of ETM 741(RGB) of linear structure taken before and after rainfalla.雨前；b.雨后；c.雨前；d.雨后

图10 环形构造雨前雨后ETM+741(RGB)合成影像图及解译图Fig.10 Composite image and interpretation map of ETM+741 (RGB) of ring structure before and after rainfalla.雨前；b.雨前；c.雨后；d.雨后

3.3 岩矿石雨前雨后实测波谱特征对比

为了验证降雨对岩石波谱特征的影响，本次工作在野外和室内分别对工作区的主要岩石类型进行了实际测量。结果显示：泥质粉砂岩、灰岩及凝灰岩雨前雨后波谱曲线谱形基本相同，3种岩石雨前雨后波谱曲线的反射率均随波长的变长而变小，雨前波谱曲线反射率最高，雨后1天波谱曲线反射率最低。由于雨前雨后岩石波谱曲线谱形相同，而反射率降低，间接表明水没有改变岩石的化学成分，仅降低了沉积岩的反射率。雨前、雨后1天、雨后3天的中细粒石英闪长岩的波谱曲线的反射率均随着波长的变长而降低，3条曲线波谱谱形基本一致。3条波谱曲线反射率总体特征为：450～500 nm波长区间雨后1天岩石样品的反射率最高，雨前岩石样品的反射率最低，但是雨前1天岩石样品的反射率与雨后3天岩石样品的反射率差异较小。700～2500 nm波长区间雨后3天岩石样品的反射率最高，雨前岩石样品的反射率最低。雨前雨后实测中细粒石英闪长岩波谱曲线谱形相同，说明水没有改变岩石的化学成分，只是改变了岩石的反射率。两个波长区间岩石样品反射率变化差异可能与波谱测试面颜色有关。雨前雨后绢云母化石英闪长岩的实测波谱曲线的反射率均随着波长的变长而降低，3条曲线波谱谱形基本一致，且雨前雨后实测绢云母化岩反射率差异较小。3件样品的反射率波谱曲线总体特征为：450～620 nm波长区间雨前岩石样品反射率最高，雨后3天岩石样品反射率最低；620～1400 nm波长区间雨后3天岩石样品反射率最高，雨后1天岩石样品反射率最低；1400～1950 nm波长区间雨后3天和雨前岩石样品反射率基本相同且大于雨后1天岩石样品反射率；2000～2500 nm波长区间雨前岩石样品反射率最高，与雨后3天、雨后1天岩石样品反射率差异较小。由于雨前雨后岩石波谱曲线谱形相同，没有改变绢云母化岩的化学成分，仅降低了反射率大小(图11)。

图11 岩矿石雨前雨后波谱曲线对比图Fig.11 Diagram showing spectral curves of rock and ore before and after rainfalla.泥质粉砂岩；b.灰岩；c.含角砾晶屑岩屑凝灰岩；d.含角砾岩屑熔结凝灰岩；e.中细粒石英闪长岩；f.绢云母化岩

以上实测波谱特征结果表明：降雨对岩石的波谱强度有一定的影响，对波谱的整体形态没有影响。不同类型的岩石风化程度和裂隙发育程度不同，对于干旱和半干旱地区而言，降雨后其含水量出现显著的差异，从而反映在岩石的波谱强度的差异，特别是线性构造更突出，反映在遥感影像上的纹理、色调、色彩等特征有了显著区别。这与前述对雨前、雨后遥感地质信息影像特征的对比结果是一致的。

4 结语

通过对干旱半干旱地区降雨对遥感地质信息提取影响研究，可以得出以下结论：

(1)应用相同的异常提取方法、流程、异常分级方法提取蚀变遥感异常，表明利用雨后遥感数据提取的铁染蚀变遥感异常结果优于利用雨前遥感数据所提取的铁染蚀变异常。野外检查结果亦表明，利用雨后遥感数据提取铁染蚀变遥感异常的损失率远低于利用雨前遥感数据提取的铁染蚀变遥感异常的损失率。

(2)对比分析利用不同气象条件的遥感数据所提取的羟基蚀变遥感异常，结果表明雨前、雨后不同气象条件获取的遥感数据所提取羟基蚀变遥感异常信息基本一致，降雨对羟基蚀变遥感异常提取结果没有影响。

(3)张家口组、义县组岩石裂隙不发育，在雨前雨后获取的ETM+遥感影像图中差异较小，与相邻地质体影像特征差异较大；二长花岗岩裂隙发育，在雨后获取的ETM+遥感影像中的特征与周围岩石影像特征差异较大，而在雨前获取的ETM+遥感影像与雨前雨后分别获取的OLI遥感影像中的特征与周围岩石影像特征差异较小。

(4)由于线性纹理发育，降水导致地物含水性提高，致使影像对比度提高，使得线性构造、环形构造及绿泥石化蚀变带在雨后遥感影像中识别程度较其在雨前遥感影像中识别程度有所提高。

(5)雨前、雨后岩矿石的波谱特征有一定的区别，除中细粒石英闪长岩外，大部分岩石雨后的反射率低于雨前岩石的反射率。雨前、雨后实测岩石波谱曲线特征差异，为利用遥感影像灰度值识别岩性提供了依据，为遥感影像彩色合成中波段选择提供了借鉴。不同的岩石类型波谱特征有显著的区别，与组成岩石的矿物成分有关。引起羟基异常的主要矿物是绢云母，绿泥石是次要矿物；绢云母化的吸收峰显著程度与岩石中绢云母的含量有关，绢云母蚀变岩的特征最显著；在不同岩石中方解石的含量多少在波谱特征上的差异也非常显著，灰岩的碳酸根吸收峰最显著。