面向找礦的高光譜遙感巖礦信息提取方法研究

1、面向找礦的高光譜遙感巖礦信息提取方法研究    遙感是使用某種裝置(如航空、航天傳感器)，不直接接觸被研究目標(biāo)，通過電磁波獲取目標(biāo)物數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理從而得到所需信息的一門科學(xué)和技術(shù)。傳統(tǒng)的多光譜遙感存在著一些局限，比如波段少、波譜寬、信息粗糙等。在找礦中多光譜遙感最大的不足是光譜分辨率低，這是影響地物光譜不能有效區(qū)分的原因。隨著遙感技術(shù)發(fā)展，高光譜遙感應(yīng)運(yùn)而生，它提供了繼承多光譜找礦的方法和發(fā)展新方法技術(shù)的機(jī)遇。高光譜遙感在電磁波譜的可見光和紅外波段內(nèi)光譜分辨率可達(dá)10 nm或更高，能獲取許多非常窄的近似連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)，它的這種獨(dú)特性能，

2、特別是在地表物質(zhì)的分類、識(shí)別等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它使得寬波段遙感中不可探測的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測，是20世紀(jì)80年代以來人類在對(duì)地觀察方面所取得的重大技術(shù)突破之一，是當(dāng)前遙感前沿技術(shù)。成像光譜儀(高光譜傳感器)的發(fā)展是為了獲取圖像數(shù)據(jù)，并在許多窄的波段范圍內(nèi)利用礦物診斷性吸收特征進(jìn)行礦物識(shí)別填圖。目前，已在運(yùn)營的一些典型航空成像光譜儀(AVIRIS，HyMap，CASI，MAIS等)和第一個(gè)星載高光譜成像儀(Hyperion)已成功進(jìn)行了大量地表礦物識(shí)別填圖工作。盡管人們最先認(rèn)識(shí)到高光譜遙感技術(shù)重要性的是地質(zhì)領(lǐng)域，但是現(xiàn)在它已應(yīng)用到包括地質(zhì)在內(nèi)的各個(gè)方面，比如巖礦識(shí)別、土地變化監(jiān)測、

3、植被類型區(qū)分等。本研究以有一定植被覆蓋下云南省中甸普朗斑巖銅礦區(qū)及其外圍區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，在分析研究普朗區(qū)域地質(zhì)背景及其區(qū)內(nèi)典型礦床普朗斑巖型銅礦床特征的基礎(chǔ)上，使用美國EO-1衛(wèi)星Hyperion的高光譜圖像數(shù)據(jù)、野外實(shí)測光譜數(shù)據(jù)以及當(dāng)前常用光譜庫USGS、JPL、JHU等中光譜數(shù)據(jù)，研究野外環(huán)境效應(yīng)下巖礦光譜的穩(wěn)定特征，探尋一套面向找礦的高光遙感巖礦信息提取技術(shù)方法流程。主要研究內(nèi)容及結(jié)論有：1對(duì)EO-1 Hyperion高光譜遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行了研究，對(duì)圖像中像元絕對(duì)輻射值轉(zhuǎn)換、壞線修復(fù)及垂直條紋去除、大氣校正和幾何糾正等進(jìn)行了處理，并實(shí)現(xiàn)了壞線修復(fù)及垂直條紋去除等算法。2分析研究區(qū)蝕變礦物

4、光譜特征，采用光譜角度制圖法SAM(Spectral AngleMapping)，從高光譜遙感圖像上提取了褐鐵礦、黃鐵礦、伊利石、高嶺石、白云母、蒙脫石、綠泥石、透閃石、白云石和方解石等蝕變礦物信息。但是，這些蝕變信息明顯地集中在地蘇嘎-浪都-卓瑪一帶，大部分都在4200米以上，植被覆蓋相對(duì)較少；其它區(qū)域識(shí)別效果不好，特別是植被影響嚴(yán)重的區(qū)域。分析認(rèn)為：使用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)礦物光譜作為參考光譜進(jìn)行識(shí)別存在缺陷，根源在于在野外混合光譜中礦物端元光譜表現(xiàn)復(fù)雜。同時(shí)研究中發(fā)現(xiàn)：蝕變信息提取時(shí)，閥值的存在給結(jié)果帶來不確定性，需要通過一定方式表達(dá)像元光譜匹配的程度，便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行取舍。3通過分析不同影響

5、因素下野外巖礦光譜變化特征，得到野外光譜定量描述的穩(wěn)定特征參數(shù)：光譜曲線整體或部分形態(tài)和典型吸收谷位置(波長)。利用研究區(qū)野外地物光譜，對(duì)基于光譜向量的兩種常用方法光譜角余弦和相關(guān)系數(shù)的應(yīng)用表明：大部分地物基本上與各自的最接近地物有較高的度量值；光譜角余弦的區(qū)分精度不如相關(guān)系數(shù)高。在野外巖礦光譜穩(wěn)定特征參數(shù)研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)基于光譜吸收特征的相似性度量方法的研究，認(rèn)為：野外巖礦光譜吸收特征識(shí)別，可從典型吸收谷位置(波長)進(jìn)行定位分析。4從包含各種礦物信息的野外巖石光譜出發(fā)，提出了基于窮舉法的高光譜遙感圖像地物識(shí)別方法，并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該過程中關(guān)鍵技術(shù)方法有：光譜數(shù)據(jù)庫及其管理、包絡(luò)線去除歸一化處

6、理方法、識(shí)別結(jié)果成圖及其分析功能等。該識(shí)別方法通過提供像元光譜和對(duì)應(yīng)參考光譜的相關(guān)系數(shù)灰度圖，以顯示像元識(shí)別的匹配程度，并結(jié)合使用識(shí)別信息RGB圖及其分析功能，對(duì)參考光譜進(jìn)行取舍，這樣避免了參考光譜選取的局限性。對(duì)研究區(qū)遙感圖像未進(jìn)行包絡(luò)線去除歸一化處理的識(shí)別結(jié)果分析后表明：選取的14種參考光譜是適合的，識(shí)別結(jié)果是滿意的；經(jīng)野外18種地物檢驗(yàn)后認(rèn)為，無論是相關(guān)性差的地物，還是相關(guān)性好的地物，識(shí)別結(jié)果與實(shí)際情況基本相同。試驗(yàn)區(qū)外A、B區(qū)域的識(shí)別結(jié)果研究表明：只要參考光譜中包含了該區(qū)域的相關(guān)地物光譜，就一定能識(shí)別出每一像元的最接近物；只是由于環(huán)境條件等(如植被、云雪)影響，造成匹配程度的相關(guān)系數(shù)不

7、同。同時(shí)可知：野外環(huán)境因素(包括植被和土壤)對(duì)巖石光譜的影響是大的，因此在找礦中對(duì)蝕變巖的進(jìn)行識(shí)別時(shí)，考慮野外環(huán)境因素的影響是必須的。包絡(luò)線去除歸一化處理，能突出了地物光譜特征信息，尤其是對(duì)波形起伏較大的植被更加有效，但對(duì)于光譜波形較平緩的地物不太明顯。對(duì)遙感圖像進(jìn)行包絡(luò)線去除歸一化處理后的識(shí)別結(jié)果分析表明：在巖石等地物信息增強(qiáng)的同時(shí)，圖像的背景噪聲也被增強(qiáng)，造成識(shí)別結(jié)果不理想。因此，對(duì)環(huán)境背景噪聲高的高光譜圖像，采用包絡(luò)線去除歸一化處理，不利于巖礦信息的提取。5為了精確識(shí)別光譜整體形態(tài)極其相似的地物，在基于窮舉法的高光譜遙感圖像地物識(shí)別基礎(chǔ)上，增加了吸收谷位置的匹配，形成了基于光譜整體形態(tài)和

8、局部吸收特征的高光譜遙感圖像識(shí)別方法的流程。吸收谷位置匹配中關(guān)鍵技術(shù)主要有：吸收谷位置偏移范圍的確定、吸收谷位置的光譜匹配等。吸收谷位置偏移范圍的確定包括如下三步：使用交叉相關(guān)光譜匹配方法，分析野外典型地物的所有光譜，獲取光譜整體的最大偏移量；在包絡(luò)線去除法算法基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了吸收谷位置(波長)的自動(dòng)獲取。通過對(duì)比分析野外地物的所有光譜中，對(duì)應(yīng)著相同礦物或離子的吸收谷位置(波長)，獲取吸收谷位置的最大偏移量；在分析兩個(gè)最大偏移量的基礎(chǔ)上，確定吸收谷位置偏移范圍。吸收谷位置的光譜匹配，是通過兩項(xiàng)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的：參考光譜和像元光譜對(duì)應(yīng)的吸收谷位置的波長差在吸收谷位置偏移范圍之內(nèi)；以兩光譜對(duì)應(yīng)的吸收谷位置

9、為中心，在參考光譜的每一個(gè)吸收谷波段范圍內(nèi)，計(jì)算參考光譜和像元光譜的相關(guān)系數(shù)，并保證該值大于指定的閥值。五種野外代表性地物光譜的偏移結(jié)果研究表明：研究區(qū)一般地物光譜曲線整體錯(cuò)位都較小，局部吸收谷位置的偏移主要由自身位置漂移引起的。識(shí)別應(yīng)用結(jié)果表明：編號(hào)為R11R13的三個(gè)地物和各自對(duì)應(yīng)的參考光譜，在整體光譜形態(tài)上有較小的相關(guān)性，但是它們和各自對(duì)應(yīng)參考光譜有高度一致的局部吸收特征，為識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)，避免了單純通過光譜整體形態(tài)進(jìn)行識(shí)別的不足。6對(duì)基于普朗斑巖銅礦區(qū)地物光譜的礦區(qū)高光譜遙感圖像識(shí)別結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為該結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性的原因在于：基于光譜整體形態(tài)和局部吸收特征的識(shí)別方法考

10、慮到了地物內(nèi)在物理化學(xué)性質(zhì)及外在光譜形態(tài)；使用的野外地物光譜具有該礦區(qū)環(huán)境下的特征，適合于礦區(qū)遙感圖像的識(shí)別。使用14種礦區(qū)野外地物光譜作為參考光譜，對(duì)礦區(qū)及外圍區(qū)域遙感圖像進(jìn)行識(shí)別，分析兩區(qū)識(shí)別結(jié)果中不同相關(guān)系數(shù)范圍內(nèi)像元數(shù)百分含量情況，認(rèn)為礦區(qū)野外地物光譜能用于外圍區(qū)域的高光譜遙感圖像識(shí)別，且準(zhǔn)確性較高；野外實(shí)地檢驗(yàn)，也證實(shí)了識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)比14種(礦區(qū))地物光譜、18種(礦區(qū)及其外圍)地物光譜進(jìn)行礦區(qū)及其外圍遙感圖像的識(shí)別結(jié)果，研究表明：普朗斑巖型銅礦區(qū)野外蝕變巖光譜可用于外圍區(qū)域的高光譜遙感圖像上蝕變信息識(shí)別，這為利用典型礦區(qū)野外蝕變巖光譜進(jìn)行未勘探區(qū)蝕變信息識(shí)別提供了依據(jù)。同時(shí)

11、，得到了基于野外地物光譜的高光譜遙感圖像蝕變信息圖，從圖中信息可知，除了地蘇嘎-浪都-卓瑪-比都一帶蝕變信息明顯外，地蘇嘎-松諾-普朗一帶蝕變信息也很明顯，而且與斑巖體吻合較好；歐賽拉、阿熱蝕變信息較明顯，與斑巖體也存在一定程度的吻合，這些與我們?cè)谝巴饪疾榈慕Y(jié)果是一致的。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：1通過分析不同影響因素下野外巖礦光譜變化特征，得到野外光譜定量描述的穩(wěn)定特征參數(shù)：光譜曲線整體或部分形態(tài)和典型吸收谷位置(波長)。2建立了基于窮舉法的高光譜遙感圖像地物識(shí)別方法。該方法通過提供像元光譜和對(duì)應(yīng)參考光譜的相關(guān)系數(shù)灰度圖，以顯示像元識(shí)別的匹配程度，并結(jié)合使用識(shí)別信息RGB圖及其分析功能，對(duì)參考光譜進(jìn)行取舍，這樣避免了參考光譜選取的局限性。3提出了基于光譜整體形態(tài)和局部吸收特征的高光譜遙感圖像識(shí)別流程。4證明了普朗斑巖型銅礦區(qū)野外蝕變巖光譜可用于外圍區(qū)域的高光譜遙感圖像上蝕變信息識(shí)別，這為利用典型礦區(qū)野外蝕變巖光譜進(jìn)行未勘探區(qū)蝕變信息識(shí)別提供了依據(jù)。目前，在礦產(chǎn)勘查遙感應(yīng)用領(lǐng)域，以高光譜圖像數(shù)據(jù)和地物光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展了信息提取技術(shù)研究。光譜建模、光譜匹配和地質(zhì)填圖技術(shù)，是當(dāng)前礦產(chǎn)勘查高光譜遙感領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本研究就是在此背景下進(jìn)行的相關(guān)工作研究。光譜的吸收特征參數(shù)，包括：吸收位置、吸收深度、吸收寬度、吸收對(duì)稱性等，本研究從野外光譜定量描述的相對(duì)穩(wěn)定特征參數(shù)：光譜曲線整體或部分