Question

基于特征光谱的矿化蚀变信息增强提取模型

Answer 1

1.矿化蚀变信息增强提取模型的理论基础

依据矿化蚀变岩与围岩的波谱特征的差异，可采用图像增强处理方法获取矿化蚀变信息增强的图像变量，从而最终实现提取矿化蚀变信息的目的。

一般图像增强突出蚀变信息有以下几种方法：

（1）波段加减组合运算

波段加减组合运算可以扩展波段间亮度值的差异。对比矿化蚀变岩与围岩的光谱曲线（图6-2）可以看到，矿化蚀变岩的光谱曲线波动大，也就是说波段间的差值大；相反，围岩的光谱曲线相对平缓，也就是说波段间的差值较小。根据这一特征，采用波段加减组合运算，可以扩大矿化蚀变岩与围岩的亮度差，达到增强矿化蚀变岩信息的目的。矿化蚀变岩在TM5，TM3波段为反射峰，与围岩差值大且高于围岩，在TM1，TM4，TM7波段为吸收峰，与围岩接近，因此，可采用如下运算以减小地形对图像信息的干扰：

（TM5 +TM3 +TM2）-（TM7 +TM4 +TM1） （6-1）

为了避免出现负值，用TM2作加数。

（2）波段比值

波段比值法是根据代数运算的原理，当波段间差值相近但斜率不同时利用反射波段与吸收波段的比值处理增强各种岩性之间的波谱差异，抑制地形的影响，并显示出动态的范围。因而，以矿物的特征光谱为基础，选用适当的波段比值进行彩色合成可增强弱信息。对于蚀变矿物就是分析蚀变矿物的波谱曲线找出斜率变化最大的区间和曲线中的反射峰和吸收谷，确定波谱范围，作比值增强处理，形成突出蚀变信息的图像。比值一般计算公式：

DN′_ls=a（DN_ils/DN_jls）+b （6-2）

式中：DN′_ls是l行s列象元在波段i和波段j上亮度值的比值；a，b是两个常数，用于调整比值的动态范围。

根据野外光谱测量，理论上能被TM图像资料识别的蚀变矿物有3类：①铁的氧化物，氢氧化物和硫酸盐，包括褐铁矿，赤铁矿，针铁矿和黄钾铁矾，这类矿物在TM1、TM2和TM3波段光谱反射率曲线上升梯度较大，而在TM4波段附近有一个较强的光谱吸收带；②羟基类矿物，包括粘土矿物和云母其反射光谱的典型特征表现在TM7波段存在有较强的光谱吸收；③水合硫酸盐矿物（石膏和明矾石）和硫酸盐矿物（方解石和白云石）在TM7波段均有较强的光谱吸收。

识别热液蚀变常用的波段比值有TM3/TM1，用于识别褐铁矿。TM5/TM4，用于区分有植被和无植被覆盖的土壤和岩石，区分云母及黄钾铁矾，明矾石及石膏，方解石及粘土这三类矿物，识别褐铁矿化；TM5/TM7识别含羟基矿物，水合硫酸盐和碳酸盐。

（3）主成分分析

主成分分析法（PCA），在数学上常称KL变换，是现在广泛采用的提取岩石蚀变信息的方法。这种方法是对图像数据的集中和压缩，它将多光谱图像中各个波段那些高度相关的信息集中到少数的几个波段并且尽可能地保证这些波段的信息互不相干。即用几个综合性波段代表多波段的原图像，使处理的数据量减少。对于TM图像，通常PC1，PC2，PC3就包含了95%以上的信息。其运算模型图如图6-3。

主成分分析基于变量之间的相互关系在信息总量守恒的前提下利用线性变换的方法来实现去相关性。由于所获各主分量之间不相关，故各主分量之间信息没有重复或冗余。蚀变异常信息的提取正是利用了主成分分析的这一基本性质。TM多波段数据通过PCA所获每一主分量常常代表一定的地质意义且互不重复，即各主分量的地质意义有其独特性。

提取岩石蚀变信息中较为经典也是使用较多的方法CROSTA法就是利用主成分分析法，该方法通过（TM1，TM3，TM4，TM5）和（TM1，TM4，TM5，TM7）两组主成分分析提取铁质成分和OH^-和

蚀变信息。

图6-3 主成分分析模型

用TM1、TM3、TM4、TM5这4个波段进行PCA，对代表铁染物主分量的判断准则是构成该主分量的特征向量其TM3系数应与TM1及TM4的系数符号相反，TM3一般与TM5系数符号相同。依有关地物的波谱特征，铁染信息包含于符合这一判断准则的主分量内，将该主分量称之为铁染异常主分量，避免TM5、TM7波段同时参加运算主要是为了排除粘土类矿物蚀变信息干扰。

用TM1、TM4、TM5、TM7这4个波段进行PCA，对代表羟基化物主分量的判断准则是：构成该主分量的特征向量其TM5系数应与TM7及TM4的系数符号相反，TM1一般与TM5系数符号相同。依有关地物的波谱特征，羟基信息包含于符合这一判断准则的主分量，故此主分量可称为羟基异常主分量。删去TM2、TM3波段，是为了避免可见光波段同时参加运算，主要是为了排除铁氧化物的干扰。

2.研究区矿化蚀变信息提取

依据以上的矿化提取的波谱依据和理论基础，采用ERDAS8.7遥感图像，对本研究区进行了多种增强提取模型的实验，最后选用了效果比较好的一种，具体提取步骤如下。

（1）用ETM⁺1，ETM⁺3，ETM⁺4，ETM⁺5作主成分分析提取“铁组图”

铁氧化物的特征光谱信息集中在ETM⁺1～4波段，在ETM⁺4，ETM⁺1波段为吸收峰，在TM3波段无特征吸收而呈相对高反射。在主成分分析获得的4 个PC图像中，铁化信息最强的应是ETM⁺3和ETM⁺1的载荷因子最大，且载荷因子数值符号相反的PC，称为“铁组图像”，因此，最终选取PC4为铁组图像（表6-3）。

表6-3 ETM⁺1，ETM⁺3，ETM⁺4，ETM⁺5波段特征向量及特征值

（2）用ETM⁺1，ETM⁺4，ETM⁺5，ETM⁺7作主成分分析提取“羟基组图”（碳酸盐化，粘土化）

粘土类矿物（含羟基矿物）的特征光谱信息集中在ETM⁺5，ETM⁺7波段，在ETM⁺7波段为特征吸收带，在ETM⁺5相对高反射。ETM⁺5系数应与ETM⁺7及ETM⁺4的系数符号相反，ETM⁺1一般与ETM⁺5系数符号相同。因此，最终选取PC4为羟基图（表6-4）。

表6-4 ETM⁺1，ETM⁺4，ETM⁺5，ETM⁺7波段特征向量及特征值

（3）彩色合成

原始图的亮度指数很低。为了产生良好的视觉效果和进一步解译，对铁组图和羟基图分别进行了线性拉伸和直方图均衡化，最后和ETM⁺5/ETM⁺7波段按R，G，B彩色合成，黄色的地方为混合蚀变带（见图6-4）。

图6-4 研究区蚀变带分布图（黄色为混合蚀变）

（彩图见书后图版）