空间约束条件下的遥感蚀变信息获取概述
第1 章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
矿产资源是一种不可再生的自然资源，同时也是经济建设和社会健康发展的重要物质基础，为我们的生产生活提供了至少70%的农业生产资料、至少80%的工业原材料、至少90%以上的能源原料。近些年来，国民经济的快速发展对矿产资源的需求也越来越大，同时矿产勘查工作的快速发展，使得出露于地表、容易发现、容易开采的矿产逐渐减少。因此选择一种高效准确的找矿方法成为一个急需解决的问题。
围岩蚀变是指岩浆热液活动中围岩发生的一系列化学反应，其物质成分、结构、构造的变化，它不仅能够反映矿体存在与否，而且能够指示矿体位置，因其常与矿体伴生并且分布范围更广，因此成为一种重要的找矿标志。围岩的蚀变范围变化很大，有的只是矿脉两侧几厘米宽的条带、有的在矿脉两侧分布有几十米的条带。常见的围岩蚀变有：绿泥石化、绢云母化、硅化、矽卡岩化、云英岩化。其中绿泥石化一般可以发生在多种岩石中，相关的矿产有铜、铅、锌、金、银、锡等；绢云母化分布较广泛，是一种热液蚀变，主要发生在中性、酸性火成岩以及板岩等岩石中，相关矿产有铜、钼、金、铅、锌等；硅化是分布十分普遍的一种矿化蚀变，它可以使围岩中隐晶质SiO2显著增加，相关矿产有铜、金、锑、汞、明矾石、重晶石等；矽卡岩化一般发生在碳酸盐岩和酸性侵入岩的接触带附近，相关的矿产有铁、铜、钨、锡、钼等；云英岩化主要发生在花岗岩类岩石中，由白云母、石英等矿物组成，相关的矿产有钨、锡、钼、锂、铍等。
二十世纪末期，遥感技术作为一种获取地球信息的高新技术快速发展起来，并且具有时效性、宏观性、波谱信息丰富、地形地貌明显等优势。随着遥感技术的不断发展，数据形式越来越多，数据量越来越大，空间分辨率从几千米到几厘米；光谱分辨率从几十纳米到几纳米；时间分辨率从几十天到几小时；光谱覆盖范围从可见光、近红外、中热红外到微波。与此同时，遥感数字图像处理技术的快速发展，使得遥感技术在经济建设中的应用更加有效和深远，在地质信息的识别与提取方面也取得了一些成果。通过遥感影像以及遥感影像的增强处理，可以进行地质构造的识别与解译、岩性的分类以及各种蚀变信息的提取。为大区域矿产资源调查以及成矿预测提供了可靠依据，为一些自然条件恶劣、交通不便的地区开展矿产勘查工作提供了便利条件。
1.2 国内外研究现状
上个世纪六十年代，遥感技术作为一门新兴的对地感测技术开始发展，最早主要用于军事方面。遥感技术发展以来，数据种类越来越多，数据量越来越大，因此从各种遥感数据源中准确、有效的提取地物的专题特征信息成为遥感界研究的重要方向。目前，很多国内外学者都致力于遥感信息识别与提取的方法与技术。围岩蚀变是找矿的重要标志，但是由于其受到多种背景因素的影响，以及数据源空间分辨率、波谱分辨率、辐射分辨率的制约，使得蚀变信息的提取难度加大。同时，国内外学者也在不断尝试各种技术方法抑制、去除这些干扰因素。
1976年，戈茨等，通过 SWIR 谱段1.6μm 和2.2μm的比值定量区分蚀变岩和非蚀变岩；
1977年，艾布拉姆斯等，通过大量实验发现多波段光谱范围(0.5-1.1μm)内含铁化蚀变岩石中三价铁离子的吸收反射诊断性波谱特征，同时在内华达州金矿区得到了验证；同年，罗曼等采用 MSS传感器的band4/band5、band5/band6、band6/band7的比值图像增强二氧化硅、次生粘土、褐铁矿特征的矿化蚀变区，并在研究区得到应用；
1978年，Hunt 等，根据 VNIR 谱段OH 基团的吸收反射波谱特征，进行研究区蚀变矿物和蚀变岩石的提取，并且经过验证取得了很好的成果；
1984年，Ambrams 等，利用Landsat-5 卫星的TM 数据，通过主成分分析法和比值法结合进行植被覆盖区蚀变信息提取，实践证明，该方法有效抑制了植被对蚀变信息提取结果的影响；
1991年，Crosta和Loughlin 利用Landsat-5 卫星的TM 数据，选择特定的主因子(TM1，TM3，TM5，TM7或 TMl，TM4，TM5，TM7)进行主成分变换，识别出巴西某研究区的三价铁蚀变区和羟基蚀变区，并进行成图；
2000年，D.Roos等，在ER Mapper 软件下，利用SPOT 数据、TM 数据、DEM 数据、以及地球化学的相关数据，对爱琴海盆地中的某火山岩地区的低温热液型金矿进行蚀变信息提取研究，用TM 数据的band5/band7，band3/band1 等比值和主成分分析方法的综合进行蚀变信息的识别与提取，同时利用进行线性构造的解译，成矿远景区的预测；
2002年，Timothy M.usy 等，在干旱气候得阿拉伯一努比亚地盾地区研究金矿化蚀变信息的提取方法，实验结果表明通过band5/band7，band5/band1，band5/band4进行彩色合成可以有效识别研究区蚀变信息；
2003年Bernard E.Hubbard， ames .Crowley 和 David R. Zimbelman 利用具有不同的光谱分辨率、不同空间分辨率的数据ASTER 和ALI，进行蚀变信息提取方法研究，并在智利、阿根廷、撒拉族德尤耶亚科火山地区铁化、硫酸盐化粘土化蚀变岩填图中得到了验证；
第 2 章 遥感蚀变信息提取理论基础及其基本方法
在地球科学的研究中，岩石作为地壳的基本组成物质，成为了主要的研究对象。遥感作为对地观测的一种新兴技术，岩性的识别、分类，矿物成分的含量反演等一直是地质遥感界的重要研究内容。遥感理论的基础是电磁波理论，即地物的电磁辐射和地物对电磁波的反射，在可见光、近红外、热红外、微波范围内，不同成分、不同结构、不同构造、不同表面形态岩石均具有不同的光谱特征，形成了与众不同的光谱曲线，地质遥感中就是依据这些波谱曲线的特征来进行目标地物的探测和识别的。因此基于波谱特征的遥感地质信息提取是地质遥感中的一个重要研究内容。
遥感蚀变异常提取是为了识别、提取蚀变矿物、蚀变岩，进一步圈定成矿区域。由于蚀变岩和非蚀变岩在物质组成、结构、构造等方面都会有很大的不同，因此也表现出不同的诊断性波谱特征，这就是遥感蚀变信息提取的物理基础。不同地质体波谱特征的差异主要是由他们的矿物成分（铁离子、羟基基团、二氧化硅）及其含量、表面状况所决定。
2.1 地物波谱特征物理基础
在可见光近红外波段，矿物内部粒子的振动可以使其产生特定的吸收波谱；分子化合物中的振动主要是指阴离子基团的振动，而阴离子基团的振动会吸收或发射能量产生基频、倍频和合频，从而产生不同的波谱特征，如羟基的吸收波谱为：铝羟基 2.2um，镁羟基2.3um；各种矿物的晶格结构各不相同，而晶格振动产生的光谱特征与晶格的结构关于，因此不同的岩石矿物可以产生不同的波谱特征；电子在不能能量级之间的跃迁能够产生特定的吸收波谱。这样产生的电磁波是遥感识别的物理基础。
除了矿物本身以外，大气层中各种气体、微粒的吸收、散射的影响、传感器的观测角度以及晶格中的元素替代也会影响矿物的波谱特征。
1977年，Hunt 测定了 300个粒状矿物的波谱特征，并得出以下结论：主要造岩矿物成分有Si、Al、Mg 和O，其振动基频在中红外和远红外区，波长位于10um附近或更长区域，第一倍频也在5um附近或更长区域；在可见光的光谱特征是以这样或那样形式存在的铁产生的，或者是以水、羟基基团、碳酸根基团产生的；热液蚀变矿物在短波红外波段具有较强的吸收诊断性特征，岩石的波谱是组成岩石的纯矿物波谱的线性组合，但某种矿物吸收特征的强弱不但取决其含量，而且还取决于辐射能量可接近的程度；绝对反射率和谱带对比度对矿物颗粒大小异常敏感，对透明物质来说，一般粒级越小，总反射率越高，但光谱对比度降低，对不透明物质,粒级越小，反射率越低。并将其结果用光谱特征标记图;表示出来，图2.1生动形象的表述了地物的电磁波特性。
2.2 典型蚀变矿物的波谱特征
一般而言，矿物的波谱特征主要与一些阳离子、羟基基团、碳酸根等关于，而且其特征波谱主要在可将光近红外波段范围内。本研究中，遥感蚀变信息提取的蚀变矿物可分为两类：铁化蚀变矿物、泥化蚀变矿物。
2.2.1 铁化蚀变矿物波谱特征
在成矿预测中，铁化蚀变异常具有很重要的意义，如针铁矿、赤铁矿、褐铁矿、黄钾铁矾等，其重要的诊断性波谱特征是由三价铁离子产生的0.85um~0.94um强吸收、0.45um~0.55um的吸收，对应TM影像上的band1、band2、band4的低值，而在band3 上呈高值。图2.2为USGS矿物波谱库中的含铁离子矿物波谱曲线图。
2.2.2 泥化蚀变矿物波谱特征
粘土矿物主要是指具有层状结构的硅酸盐矿物，常含有镁、铝等金属元素，如绿泥石、高岭石、绢云母等。羟基基团是粘土矿物的共同组分，因此粘土矿物识别的主要依据是羟基集团中O-H键的振动和晶格振动产生的特征谱带。羟基在1.4um、2.2um、2.3um 处有吸收特征，当羟基基团和不同的金属阳离子配位的时候，其特征谱带位置会发生一定的变化：当与铝配位的时候，其吸收带出现在2.2um处；当与镁配位时，其吸收带出现在2.3um处。由于 TM 数据的波段较少，谱带较宽，只能识别羟基基团的波谱特征，难以知道其配位金属离子的种类，因此，在 TM 波段中，粘土矿物的波谱特征表现为band7为低值，band5 为高值。图2.3 为USGS矿物波谱库中典型粘土矿物的波谱曲线图。
第3章 基于空间制约因子的蚀变信息提取方法研究.......................14
3.1 地形因子影响......................14
3.2 像元尺度因子影响..........................17
第4章 遥感蚀变信息提取应用研究.......................19
4.1 研究区概况...............................19
4.2 数据源及其预处理..........................20
第5章 结论与讨论......................38
5.1 结论...........................38
5.2 讨论................38
第 4 章 遥感蚀变信息提取应用研究
基于上述空间制约条件下的蚀变信息的提取方法，本文将考虑地形起伏的蚀变信息提取方法应用在大兴安岭砂宝斯地区，将高空间分辨率数据应用在内蒙古巴彦图嘎地区进行蚀变信息提取，经过验证结果精度较高。
4.1 研究区概况
4.1.1内蒙古巴彦图嘎地区
研究区位于内蒙古阿巴嘎旗，经纬度范围是114°30′~114°45′E，44°50′~45°N（图 4.2）。该区地形相对平坦，地表以草被为主，基岩裸露，脉岩发育，矿产资源丰富。区内主要蚀变类型为褐铁矿化、绿帘石化、碳酸盐化，均产于断裂附近，与热液活动关于。
4.2 数据源及其预处理
4.2.1 数据源介绍
（1）大兴安岭砂宝斯地区数据源
本研究采用数据是LANDSAT4-5卫星的TM 数据和30m分辨率的DEM 数据，来源于中国科学院的地理空间数据云网站，遥感影像数据获取时间为 2006年10 月16日。其中可见光-近红外波段6个，空间分辨率30m，热红外波段1个，空间分辨率120m，其波长范围及用途详见表4.1。本研究主要利用可见光-近红外波段进行研究区蚀变信息提取。
（2）内蒙古巴彦图嘎地区数据源
本研究所用数据源包括：LANDSAT-7卫星的ETM+数据、日本 ALOS 卫星的多光谱数据、Quic Bird 卫星数据。
ETM+数据可见光-近红外波段6个，空间分辨率30m，热红外波段1个，数据量化级别8bit，空间分辨率 60m，全色波段一个，空间分辨率15m，本研究所用数据获取时间是2000年 10月21日，主要利用可见光-近红外波段进行研究区铁化蚀变信息提取。
第 5 章 结论与讨论
5.1 结论
本文在传统蚀变信息提取方法的基础上加入对地形因子和像元尺度因子影响的考虑。对于地形因子的影响，本文提出两个蚀变信息提取中抑制地形影响的方法，一个是改进的经验统计地形校正模型，另一个是波谱分区法，有效去除了地形对蚀变信息提取结果的影响，并将该方法应用在大兴安岭砂宝斯地区。对于像元尺度因子的影响，本研究充分发挥高分辨率数据（Quic Bird）的优势，将其应用到蚀变信息提取中，并与中低分辨率数据（ALOS、ETM+）提取结果进行对比，该方法也在内蒙古巴彦图嘎地区得到应用。
5.1.1 考虑地形因子的蚀变信息提取
(1)通过坡度分级的方法对经验统计地形校正模型进行改进，在保证影像光谱保真性的条件下提高校正精度，并将改进后模型用于研究区影像的校正，对校正后影像进行蚀变信息提取，结果表明该方法可以有效去除地形对蚀变信息提取的影响，经验证结果更加准确，普适性好。
(2)波谱分区法通过太阳方位角和坡向的关系将研究区划分为I、II、III、IV 四个波谱区，在各个波谱区分别提取蚀变信息，根据每个波谱区的波谱特征设置不同的蚀变阈值，能够很好的识别出各个波谱区的蚀变信息，结果表明：该方法能够在不改变蚀变岩波谱信息的情况下有效去除地形对蚀变信息提取的影响，操作简易，普适性好。
5.1.2 考虑像元尺度的蚀变信息提取
通过研究高分辨率Quic Bird数据的数据特征（空间分辨率、辐射分辨率、波谱分辨率）以及不同尺度数据源蚀变信息提取结果，表明高空间分辨率QuicBird 数据可以用于铁化蚀变信息提取，而且能够更好的识别和表述细节信息，准确定位蚀变分布区域。
5.2 讨论
（1）本研究在地形校正模型的改进和波谱分区中用到了坡度分级和坡向分级方法，当结果精度要求更高的时候，坡度、坡向需要分成更多的级别才能达到要求，计算量会很大，因此需要进一步探讨简化的计算方法。
（2）本研究中只是定性评价 Quic Bird数据对地物辐射差异的灵敏度，如果可以从辐射机理的角度定量评价，其在蚀变信息提取中的优势将能够具体化。
参考文献（略）