CASI/SASI航空高光譜遙感測量系統(tǒng)及其在鈾礦勘查中的初步應(yīng)用

葉發(fā)旺，劉德長，趙英俊

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

CASI/SASI航空高光譜遙感測量系統(tǒng)及其在鈾礦勘查中的初步應(yīng)用

葉發(fā)旺，劉德長，趙英俊

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

介紹了我國首次引進(jìn)的CASI/SASI航空高光譜遙感測量系統(tǒng)組成及其主要技術(shù)指標(biāo)，并以新疆柯坪地區(qū)鈾礦勘查為例，闡述了該系統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、鈾礦化蝕變礦物填圖和野外驗證等。研究表明，CASI/SASI航空高光譜遙感測量系統(tǒng)可以獲取高空間、高光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)，在新疆柯坪地區(qū)大比例尺提取鈾礦化蝕變信息方面取得了很好的效果。

CASI/SASI航空高光譜測量系統(tǒng)；鈾礦勘查；柯坪地區(qū)

自20世紀(jì)80年初期，高光譜技術(shù)出現(xiàn)至今，其已形成一個頗具特色的前沿領(lǐng)域，并成為當(dāng)前對地觀測的重要前沿技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)的各個方面，在地質(zhì)制圖、植被調(diào)查、海洋遙感、農(nóng)業(yè)遙感、大氣研究、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。世界各國都高度重視高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。自1983年世界上第一臺成像光譜儀AIS-1（Aero Imaging Spectrometer-1）在美國噴氣推進(jìn)實驗室研制成功以來，至今全球有大約50多套成像光譜儀投入使用，其中最具代表性的是：美國早期研制的可見光紅外成像光譜儀（AVIRIS）、澳大利亞的 HyMap、 美國的 Probe、加拿大ITRES公司的CASI、SASI、TASI系列產(chǎn)品等航空成像光譜儀和美國研制的星載成像光譜儀Hyperion。

2008 年至今，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室首次引進(jìn)了加拿大ITRES公司先進(jìn)的機載成像光譜測量系統(tǒng)CASI/SASI/TASI，組成了全套的可見光－熱紅外航空高光譜測量系統(tǒng)，為我國開展地質(zhì)找礦、環(huán)境監(jiān)測等研究提供了先進(jìn)的高光譜遙感探測技術(shù)手段。2008年10月，以找鈾礦為主要目的，在新疆柯坪地區(qū)進(jìn)行了CASI/SASI成像光譜測量系統(tǒng)的航空飛行試驗，獲取了CASI/SASI高空間、高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)，為分析和評價柯坪地區(qū)的鈾成礦潛力提供了重要的新技術(shù)手段。本文以試驗飛行的一部分?jǐn)?shù)據(jù)為例，闡述該系統(tǒng)的組成、數(shù)據(jù)處理及鈾礦地質(zhì)應(yīng)用的初步效果。

1 CASI/SASI系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)

CASI/SASI航空高光譜測量系統(tǒng)主要由CASI、SASI成像光譜傳感器、ICU中央控制器等核心組件和一系列精確幾何校正與輻射校正儀器組成（圖1）。CASI/SASI成像光譜傳感器具體參數(shù)指標(biāo)見表1。精確幾何校正與輻射校正儀器設(shè)備有：GPS設(shè)備、POS AV310和IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)、ILS太陽輻照度測量儀器、三軸穩(wěn)定平臺PAV30等組成（圖1）。除上述硬件外，該系統(tǒng)自帶輻射校正和幾何校正軟件。同時，具備3種成像模式：空間模式、光譜模式和全幀模式。

2 新疆柯坪地區(qū)CASI/SASI數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2．1 柯坪地區(qū)鈾礦化基本概況

圖1 CASI/SASI航空高光譜測量系統(tǒng)組成Fig.1 System components of CASI/SASI airborne hyper-spectral survey system

新疆塔里木盆地北緣是近年來核工業(yè)系統(tǒng)鈾礦勘查和研究的重要地區(qū)之一?？缕簲嗦∈撬锬九璧乇本壍囊粋€古老斷隆，主要出露古生代地層［1］。過去的鈾礦地質(zhì)勘查工作在柯坪斷隆地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一些碳硅泥巖型和砂巖型異常點［2-3］，以及 HF-10 等航放異常點［4］。筆者在基于多光譜遙感數(shù)據(jù)對柯坪斷隆東段開展鈾成礦地質(zhì)條件和鈾礦化規(guī)律研究時，提出柯坪斷隆東段是值得重視的鈾成礦區(qū)［5］，并發(fā)現(xiàn)出露于薩拉姆布拉克地區(qū)的一個航放異常點（編號為HF-10）和一個航放高場點（編號為HG-6）分布于一條明顯的NW向線性構(gòu)造帶上（圖2）。這一遙感發(fā)現(xiàn)把原本孤立分析和評價的航放異常點和航放高場點聯(lián)系起來，提升了薩拉姆布拉克地區(qū)的鈾礦找礦潛力，也為該地區(qū)的鈾礦找礦提供了重要線索。初步的野外調(diào)查表明，上述NW向線性構(gòu)造帶是一條約4～8 m寬的基性巖脈，而HF-10異常點處的鈾礦化主要是克茲爾塔格組（S3—D）紅色碎屑巖石受基性巖脈邊緣斷裂構(gòu)造和沿斷裂上升的多期熱流體作用后，發(fā)生褪色蝕變和鈾礦化作用形成的。根據(jù)上述鈾礦化野外特征，總結(jié)出鈾成礦地質(zhì)要素組合為：基性巖脈＋斷裂帶＋蝕變帶。為深入研究與鈾礦化有關(guān)的灰白色褪色蝕變特征，進(jìn)一步評價薩拉姆布拉克鈾成礦帶的找礦潛力；同時，在建立鈾礦找礦遙感影像模式的基礎(chǔ)上，向外圍地區(qū)開展區(qū)域搜索，從而發(fā)現(xiàn)新的鈾成礦有利地段，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室在柯坪地區(qū)開展了CASI/SASI航空高光譜遙感測量試驗研究。

表1 CASI/SASI系列航空成像光譜儀參數(shù)Table 1 Specifications of airborne imaging meter of CASI/SASI

2.2 CASI/SASI航空高光譜數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2008年9月30 日～10月4日，CASI/SASI系統(tǒng)在新疆柯坪地區(qū)開展了試驗飛行測量。其中，運-5飛機為搭載平臺，飛行相對地面高度為1 500 m，共獲取了柯坪斷隆內(nèi)3個區(qū)段（圖3中的A、B、C 3個區(qū)）33個航帶的高光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分別包括CASI可見光—近紅外譜段和SASI短波紅外譜段。其中，CASI數(shù)據(jù)共48個波段，光譜覆蓋范圍為404～1 047 nm，光譜分辨率為14 nm，空間分辨率為1 m；SASI數(shù)據(jù)共101個波段，光譜覆蓋范圍為950～2 450 nm，光譜分辨率為15 nm，空間分辨率為2.4 m。航空飛行測量過程中，在地面也同步開展了黑白布測量，并對HF-10所在主要礦化區(qū)域的巖石進(jìn)行了野外光譜測量（圖4）。由圖4可見，灰白色褪色砂巖在2 210 nm和2 340 nm處存在明顯的兩個吸收谷，而在灰白色褪色砂巖基礎(chǔ)上進(jìn)一步蝕變而成的淺肉紅色砂巖與紫紅色砂巖一樣，在530 nm處存在一個反映Fe3＋的吸收坎；在2 210 nm和2 340 nm處也存在兩個吸收谷，但遠(yuǎn)沒有灰白色褪色砂巖的明顯。黑色未風(fēng)化基性巖的光譜反射率明顯比其他巖石偏低，且光譜吸收特征不明顯，而風(fēng)化后成淺黃色的基性巖則存在反映Fe2＋的明顯吸收谷，并且在2 290 nm處存在一個較弱的吸收谷。

獲取CASI/SASI數(shù)據(jù)后，利用系統(tǒng)自帶的輻射校正、幾何校正軟件和測量時獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正和幾何校正。另外，由于CASI和SASI的空間分辨率和光譜覆蓋區(qū)間存在差異性，因此，在影像合成之前，需進(jìn)行空間配準(zhǔn)和光譜重疊區(qū)重采樣，以保證同一像元空間屬性和光譜特性的一致性。同時，為了開展高光譜蝕變礦物填圖，還需要開展大氣校正處理，計算高光譜圖像的反射率。本次試驗研究開展了兩種大氣校正方法：一種是基于地面同步測量的黑白布光譜數(shù)據(jù)的經(jīng)驗線性法；另一種是基于大氣輻射傳輸模型FLAASH校正方法。從校正后的圖像曲線（圖5）來看，404～1 070 nm區(qū)間的光譜曲線較光滑，紫紅色砂巖中的Fe3＋、淺黃色風(fēng)化基性巖的Fe2＋，以及未風(fēng)化黑色基性巖的低反射率等光譜特征均能較好地反映出來；1 047～1 340 nm區(qū)間，效果不好，曲線噪音大；1 445～1 800 nm區(qū)間的效果一般；而2 000～2 450 nm區(qū)間的效果也是一般，但灰白褪色砂巖的兩個吸收峰，以及第四紀(jì)灰?guī)r礫石的碳酸鹽吸收峰均能較好地反映出來。上述圖像光譜曲線反映出來的特征與前述巖石實測光譜曲線特征能較好地對應(yīng)，可以滿足實際應(yīng)用需求。

3 CASI/SASI鈾礦化蝕變礦物填圖

在眾多高光譜礦物填圖技術(shù)中，基于整體波形的光譜匹配技術(shù)是目前利用成像光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行巖石、礦物信息提取中最為廣泛的技術(shù)，如光譜角（SAM）技術(shù)、混合像元分解技術(shù)和混合調(diào)制匹配濾波技術(shù)等［6-9］。本文利用光譜角技術(shù)開展航空高光譜數(shù)據(jù)SASI在柯坪地區(qū)鈾礦化蝕變礦物填圖時，主要涉及如下處理過程：

（1）端元選取。利用ENVI軟件中的沙漏技術(shù)（Hourglass），對校正后的 SASI數(shù)據(jù)在2 000～2 400 nm區(qū)間開展處理和端元提取；（2）光譜分析。即利用野外實測光譜和USGS光譜庫中的已知礦物曲線對端元進(jìn)行光譜分析，確定各個端元的礦物種類。如處理過程中，某端元在2 000～2 400 nm區(qū)間的光譜特征與野外實測灰白色褪色蝕變砂巖的光譜曲線的匹配程度為90.8%，而野外實測灰白色褪色砂巖光譜與USGS光譜庫中伊利石曲線最為匹配，匹配程度為95.3%。因此，認(rèn)為該端元反映的礦物種類是云母類礦物伊利石，反映的蝕變?yōu)橐晾颇富?；?）利用光譜角技術(shù)（SAM）或調(diào)制匹配濾波（MTMF）或混合像元分解技術(shù)（Unmixing）開展礦物填圖。

利用上述步驟，對柯坪地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的兩條鈾礦化帶進(jìn)行了航空高光譜礦物填圖（圖6、7）。圖6為A測區(qū)內(nèi)薩拉姆布拉克鈾礦化礦物填圖結(jié)果。從圖6-a中可以看出，自西北角向東南，薩拉姆布拉克鈾礦化帶上，伊利水云母化蝕變異常（洋紅色）主要有4處（紅色線圈處），均分布在NW向基性巖脈（表現(xiàn)為綠色的二價鐵異常）的旁側(cè)。從分布規(guī)模來看，第3處規(guī)模最大，在巖脈兩側(cè)分布明顯；從鈾礦化分布情況來看，4處蝕變異常附近均有不同程度的鈾礦化異常，其中，第1處（最西北角處）和第3處鈾礦化最為明顯。第1處蝕變分布地段就是前述的HF-10航放異常點所在地段。從該地段蝕變異常的詳細(xì)分布（圖6-b）來看，明顯分布有A’、B’、C’3片水云母化蝕變，經(jīng)野外驗證這3個蝕變所在地也是鈾礦化強度最大的地段。從圖6還可以看出，碳酸鹽化主要呈大片或長條片狀分布，與NW向基性巖脈（旁邊發(fā)育斷裂）關(guān)系不密切。上述情況表明，薩拉姆布拉克鈾礦化與水云母化蝕變關(guān)系密切。

圖7為B測區(qū)內(nèi)一條鈾礦化帶礦物填圖結(jié)果。從該圖可以看出，與薩拉姆布拉克鈾礦化帶相似，該帶也明顯分布有伊利水云母化蝕變異常，而且蝕變異常處分布有鈾礦化異常。在QuickBird真彩色圖像上，該蝕變表現(xiàn)為與大片紅色影像明顯不同的淺白色影像色調(diào)異常，分布于基性巖脈的旁側(cè)。

4 野外驗證與室內(nèi)分析

野外驗證表明，前述航空高光譜遙感伊利水云母異常地段均存在灰白色—灰綠色褪色蝕變，褪色蝕變外圍是未發(fā)生蝕變的紫紅色砂巖、粉砂巖；這些褪色蝕變具有如下兩方面特征：（1）蝕變類型上，灰白色—灰綠色蝕變是主體，規(guī)模相對較大，約n×10～n×100 m2；同時，在灰白色—灰綠色褪色蝕變內(nèi)部，還疊加發(fā)育有淺肉紅色、紫色、灰黑色和褐紅色蝕變等（圖8-③～④），這些疊加蝕變一般規(guī)模都很小，主要疊加在巖脈旁側(cè)近距離的灰白色—灰綠色褪色蝕變中；（2）空間分布上，各種蝕變主要分布在巖脈的東北側(cè)邊緣（圖8-①），西南側(cè)邊緣相對較少；而且灰白色褪色蝕變基本上均起源于巖脈邊緣，并順層向外擴散展布，規(guī)模小至n×10 cm～1 m，大至近50多米；（3）放射性特征方面，發(fā)生褪色蝕變的地段放射性強度總體偏高（圖9），出現(xiàn)灰黑色（有時因地表氧化呈褐紅色）疊加蝕變的地方是礦化集中、放射性最高的地方（圖8-②）；同時，巖脈邊緣的一些地段可見明顯的斷裂構(gòu)造特征 （圖8-⑤～⑥），這也是放射性較高的地段（圖9）。室內(nèi)顯微觀察表明，灰白色褪色蝕變主要表現(xiàn)為水云母化和碳酸鹽化，少量綠泥石化，其他疊加蝕變主要為赤鐵礦化、水針鐵礦化等。

5 結(jié)論與討論

（1）試驗研究表明，CASI/SASI航空高光譜遙感測量系統(tǒng)可以獲取高空間、高光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用大比例尺可發(fā)現(xiàn)和提取與鈾礦化有關(guān)的蝕變信息，進(jìn)而為直接發(fā)現(xiàn)地表鈾礦化提供了一種新的技術(shù)方法，值得在鈾礦地質(zhì)勘查領(lǐng)域積極應(yīng)用，以便挖掘其找礦潛力。

（2）利用高光譜遙感礦物填圖技術(shù)，提取出了柯坪地區(qū)兩條新發(fā)現(xiàn)鈾礦化帶的水云母化蝕變信息，這些蝕變信息與鈾礦化關(guān)系密切，這一結(jié)果為野外地質(zhì)和室內(nèi)顯微分析所印證。這些信息為重新評價柯坪地區(qū)的找礦潛力提供了新證據(jù)。

（3）為了更好地發(fā)揮CASI/SASI航空高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)找礦中的應(yīng)用效果，還需要加強不同大氣校正方法和不同礦物填圖方法的比較研究，篩選出更加適合CASI/SASI航空高光譜遙感數(shù)據(jù)處理和信息提取的最佳方法，以確保礦物填圖結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。

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Airborne hyper-spectral survey system CASI/SASI and its preliminary application in uranium exploration

YE Fa-wang， LIU De-chang， ZHAO Ying-jun
（National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

In this paper，the components of CASI/SASI system and its technological specifications are presented at first.Then， the acquisition and pre-procession of CASI/SASI data， and alteration minerals mapping for field investigation and uranium exploration are introduced with the case study in Keping area，Xinjiang Uygur Autonomous Region.Studies show that the CASI/SASI airborne hyperspectral survey system can acquire the data with high spatial and spectral resolution，and good application effects have been reached in extracting alteration mineral information related to uranium mineralization with large scale in Keping area.

CASI/SASI airborne hyper-spectral survey system； uranium prospecting； Keping area

TP79

A

1672-0636（2011）04-0231-06

10.3969/j.issn.1672-0636.2011.04.008

2011-04-14；

2011-09-21

葉發(fā)旺（1974—），男，浙江松陽人，高級工程師，博士，主要從事遙感圖像處理和應(yīng)用及鈾礦地質(zhì)等工作。E-mail:yfwbeijing2008@sina.com

注： 1 Ur＝1×10-6g/g