基于ASTER數(shù)據(jù)的烴蝕變信息增強(qiáng)與提取*

章桂芳，王遠(yuǎn)華，鄭 卓

(1．中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2．廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

目前認(rèn)為所有的含油氣盆地都有地表(近地表)烴滲漏存在。烴類滲漏分為宏觀和微觀(或主動(dòng)與被動(dòng))滲漏兩類，而微滲漏的分布較宏滲漏廣而普遍，據(jù)Rechers等人以及美國(guó)達(dá)拉斯城的地球化學(xué)勘探公司40多年的經(jīng)驗(yàn)表明，世界上超過85%以上的油田都存在烴類物質(zhì)微滲漏現(xiàn)象，美國(guó)石油地質(zhì)學(xué)家學(xué)會(huì)通報(bào)《AAPG》在1996年出版專著《Hydrocarbon migration and its near-surface expression》對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)論述。現(xiàn)有的油氣微滲漏模型的共識(shí)為：油氣藏中的輕烴類物質(zhì)在各種驅(qū)動(dòng)力作用下，呈氣相以垂直方式為主向地表運(yùn)移；烴類運(yùn)移途徑是地層中發(fā)育的微裂隙、節(jié)理、層面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等；烴類物質(zhì)運(yùn)移過程中和到達(dá)地表后產(chǎn)生一系列地球化學(xué)、地球物理、微生物及地形地貌異常；地表異常呈環(huán)狀或頂端暈狀于油氣藏上方[1]。地表或近地表由烴類微滲漏引起的蝕變異常是地下油氣藏存在的標(biāo)志，Schumacher(1999)和Saunders et al.(1999)等提出的烴滲漏異常識(shí)別模型也已成功應(yīng)用于商業(yè)油氣勘探，預(yù)測(cè)油氣的成功率達(dá)60%-85%[2-4]，因此研究烴滲漏信息的探測(cè)具有及其重要的勘探意義。

遙感技術(shù)可以宏觀、快速、高效地獲取地球資源信息，在烴類微滲漏信息的直接勘探中發(fā)揮著不可替代的重要作用，主要探測(cè)目標(biāo)是二價(jià)鐵、紅層褪色、粘土化和碳酸鹽巖化等蝕變信息。目前應(yīng)用最廣泛的遙感數(shù)據(jù)是陸地衛(wèi)星(Landsat MSS / TM / ETM+)[5-8]，ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，即先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀)數(shù)據(jù)相比陸地衛(wèi)星具有高光譜分辨率以及高輻射分辨率的特點(diǎn)[9](圖1)，ASTER在地質(zhì)領(lǐng)域的巖性制圖和礦物識(shí)別能力已經(jīng)獲得很多學(xué)者的肯定[9-14]。ASTER在短波紅外有6個(gè)波段(圖1)，對(duì)于探測(cè)烴滲漏蝕變中的碳酸鹽巖化信息十分有用[15-18]。相對(duì)烴蝕變產(chǎn)生的微弱的二價(jià)鐵和紅層褪色來說，碳酸鹽巖化信息更加普遍和強(qiáng)烈，因此本次研究以ASTER短波紅外波段為數(shù)據(jù)源，以碳酸鹽巖化為烴蝕變信息提取目標(biāo)。

圖1 TM和ASTER的波段設(shè)置對(duì)比

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)域

本次研究選取松遼盆地西部斜坡區(qū)作為研究區(qū)域(圖2(b))，采用ASTER短波紅外數(shù)據(jù)，通過圖像增強(qiáng)和閾值法提取碳酸鹽巖化信息。松遼盆地是中國(guó)第二大含油氣盆地(圖2(a))，西部斜坡區(qū)是松遼盆地西緣的一級(jí)構(gòu)造單元(圖2(b))。西部斜坡區(qū)主要含油氣層白堊紀(jì)砂巖厚度1 000-1 500 m，其薩爾圖和高臺(tái)子油層油氣顯示良好，已發(fā)現(xiàn)多處稠油油藏(富拉爾基、平洋和套保稠油藏及圖牧吉油砂等)和小型氣田(阿拉新、二站、白音諾勒等)。已有研究顯示該區(qū)的稠油油藏埋深均很淺，富拉爾基和套保油藏埋深約300～400 m，圖牧吉油砂埋深僅5～58 m[19]。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像選取2002年9月22日的一幅level 1B數(shù)據(jù)，軟件平臺(tái)采用ENVI (Environment for Visualizing Images)4.3。在進(jìn)行圖像增強(qiáng)之前，首先進(jìn)行圖像預(yù)處理：

1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換

將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)順序由BSQ轉(zhuǎn)換為BIL。

2)大氣校正

從頭文件中獲取影像拍攝的時(shí)間和中心點(diǎn)信息，結(jié)合研究區(qū)的特性和和要求，采用FLAASH大氣校正模型設(shè)置校正參數(shù)進(jìn)行大氣校正。

3)去干擾

分別提取云、陰影、植被和水體等干擾像元，采用圖像掩膜方法從原始圖像中去除干擾。① 去云：采用ASTER 1波段做掩膜，將掩膜應(yīng)用于所有波段，采用ASTER 1的高端切割，去除云的干擾；② 去陰影：地形起伏常會(huì)遮擋住陽光的照射，形成陰影區(qū)，通過對(duì)陰影區(qū)的反射光譜特征的分析，采用ASTER 9 / ASTER 1來去除由于地形起伏引起的地形陰影；③ 去植被：分析植被光譜反射特征，結(jié)合前人研究成果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文采用ASTER 4 / ASTER 3去除明顯的植被干擾；④ 去水體：分析水體的光譜反射特性及ASTER數(shù)據(jù)的特征，結(jié)合前人研究結(jié)果，本文采用MNDWI(Modified Normalized Difference Water Index)提取水體信息，其公式為： MNDWI = (Green- MIR)/(Green+ MIR)=(Band 1- Band 4)/(Band 1+ Band 4)。

圖2 (a)松遼盆地在中國(guó)的區(qū)域位置；(b)松遼盆地一級(jí)構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)域位置；(c)研究區(qū)域ASTER影像

將以上所述干擾因素一并歸入干擾窗內(nèi)，與原始圖像做掩膜處理，得到用于蝕變信息提取的基礎(chǔ)圖像。

4)圖像剪裁

在以上預(yù)處理的基礎(chǔ)上，選取西部斜坡區(qū)26 km × 34 km的區(qū)域作為感興趣區(qū)進(jìn)行圖像剪裁(左上角坐標(biāo)X=548 000，Y=5 196 000，右下角坐標(biāo)X=574 000，Y=5 162 000)，其ASTER假彩色合成影像如圖2(c)所示。

2 圖像處理方法

根據(jù)碳酸鹽礦物的實(shí)驗(yàn)室波譜及ASTER短波紅外波段設(shè)置，碳酸鹽礦物在近紅外波段的波譜曲線(ASTER band 4 ～ ASTER band 9)如圖3所示，總結(jié)其波譜特征如表 1所示。本次研究通過主成分分析增強(qiáng)碳酸鹽巖化信息，對(duì)增強(qiáng)處理后得到的圖像，分別進(jìn)行線性灰度值拉伸，并選取合適的閾值進(jìn)行密度分割。在選取閾值時(shí)，采用門限化技術(shù)進(jìn)行信息提取的標(biāo)準(zhǔn)誤差分級(jí)。此外，為了更直觀地顯示碳酸鹽礦物信息，本次研究對(duì)主成分因子圖像進(jìn)行了假彩色合成。

圖3 碳酸鹽礦物在近紅外波段的波譜曲線(ASTER band 4～ ASTER band 9)

表1 碳酸鹽礦物在ASTER band 4～ASTER band 9上的波譜特征

Table 1 Spectral characteristics of carbonate minerals on ASTER band 4～ ASTER band 9

波段Band4Band5Band6Band7Band8Band9波段范圍/μm1 60-1 702 145-2 1852 185-2 2252 235-2 2852 295-2 3652 360-2 430碳酸鹽礦物反射(+)反射(+)反射(+)吸收(-)吸收(-)反射(+)

2.1 主成分分析

在油氣遙感探測(cè)中，主成分分析方法常用于烴蝕變信息提取[5, 20-21]，通過多光譜空間中向量的旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)特定波段的光譜信息，從而增強(qiáng)特定地物。根據(jù)參與主成分分析的波段數(shù)，可以分為所有波段參與的和特定波段參與的選擇主成分分析[5, 22]，2種主成分分析均可以根據(jù)特征向量矩陣和地物的光譜特征預(yù)測(cè)目標(biāo)像元的明暗狀況。本次研究針對(duì)特征波段進(jìn)行主成分分析，同時(shí)嘗試標(biāo)準(zhǔn)主成分分析和選擇主成分分析方法，經(jīng)過多種波段組合嘗試以期選取增強(qiáng)效果較好的主成分。

2.2 門限化閾值

門限化是采用化探異常分級(jí)的辦法，以標(biāo)準(zhǔn)差σ做為尺度，用數(shù)倍σ值做為閾值，限定異常水平。一般認(rèn)為ASTER 數(shù)據(jù)及其線性處理結(jié)果均有近似正態(tài)分布的直方圖，異常切割時(shí)便可借用σ這個(gè)表征正態(tài)分布曲線的尺度。例如主成分分析結(jié)果可以把均值(X)理解為代表區(qū)域背景，利用(X+kσ)劃分異常強(qiáng)度等級(jí)，k值一般取1.5～3左右。

2.3 假彩色合成

由于人類的視覺對(duì)于彩色色調(diào)的敏感遠(yuǎn)勝于灰度，所以假彩色合成顯示方法可以更好地表現(xiàn)色調(diào)異常，從而更好地用于異常解譯[23-25]。對(duì)于RGB色彩空間，選擇其中的三個(gè)波段，分別賦予紅、綠、藍(lán)三種原色，即可在屏幕上合成彩色圖像，這是一種最有效的用于顯示多波段遙感圖像的方法之一[26]，由于合成的圖像并不表示地物真實(shí)的顏色，這種合成稱為假彩色合成。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)蝕變碳酸鹽巖在短波紅外波段的波譜特性，通過判讀不同波段組合的主成分分析的特征向量和特征值，本次研究篩選出4個(gè)對(duì)碳酸鹽巖化具有較好增強(qiáng)作用的主成分，分別為1589-PC3(1589的第3主成分)、1689-PC3、1348-PC3和5689-PC2，其特征向量和特征值如表 2所示。由表 2可知，1589-PC3主要由波段5(0.670)和波段8(- 0.727)的像元值決定，而碳酸鹽礦物在ASTER波段5上表現(xiàn)為反射特征，在波段8上表現(xiàn)為吸收特征，因此，碳酸鹽礦物信息在1589-PC3將得到增強(qiáng)，并且其增強(qiáng)后的信息應(yīng)以高值像元表現(xiàn)。通過類似的分析，碳酸鹽礦物信息在其他三個(gè)主成分因子中也均表現(xiàn)為高值像元(特征波段的值在表 2中以下劃線突出)。需要注意的是，在1348-PC3主要由波段4(-0.626)和波段8(0.746)的像元值決定，而碳酸鹽礦物在ASTER波段4上表現(xiàn)為反射特征，在波段8上表現(xiàn)為吸收特征，因此，碳酸鹽礦物信息在1348-PC3以低值像元表現(xiàn)，為了與其他主成分中的碳酸鹽信息保持一致，將1348-PC3作取反處理。因此，在4幅主成分因子圖像中，碳酸鹽礦物信息均表現(xiàn)為亮值。

表2 主成分分析特征向量與特征值

用門限化閾值法對(duì)主成分因子圖像進(jìn)行密度分割提取碳酸鹽信息。由于碳酸鹽信息表現(xiàn)為高值，因此閾值取為X+ 2σ(X像元均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差)，將大于X+ 2σ的像元提取為碳酸鹽富集區(qū)。通過該閾值從每幅主成分因子圖像上提取碳酸鹽信息，與ASTER假彩色影像疊加，并以紅色顯示，結(jié)果如圖4所示。

圖4 各個(gè)主成分因子圖像中提取的碳酸鹽信息(紅色區(qū)域)與ASTER假彩色影像疊加

圖5 (a)密度分割提取的碳酸鹽區(qū)域分級(jí)；(b)主成分因子假彩色合成(R：1689-PC3、G： 1589 -PC3、B：5689-PC2)；(c)研究區(qū)域地質(zhì)圖

我們將4幅主成分因子圖像中提取的碳酸鹽信息進(jìn)行疊加顯示(圖5(a))，某片區(qū)域的像元重疊越多，則說明該區(qū)域在不同的主成分因子圖像上均顯示為碳酸鹽富集區(qū)，利用像元的重疊頻率分為一級(jí)富集區(qū)(頻率最高，紅色橢圓區(qū)域)和二級(jí)富集區(qū)(頻率次高，藍(lán)色橢圓區(qū)域)，如圖5(a)所示。

為了更好地顯示碳酸鹽信息，本研究嘗試將不同主成分因子進(jìn)行RGB假彩色合成。由于碳酸鹽信息在4幅主成分因子圖像上均表現(xiàn)為高值，如果某片區(qū)域在3個(gè)輸入波段中均有碳酸鹽信息顯示，那么在假彩色合成影像上應(yīng)為偏白的亮色調(diào)，選取1689-PC3(R)、1589-PC3(G)和5689-PC2(B)假彩色合成影像如圖5(b)所示。

對(duì)比分析碳酸鹽富集區(qū)以及主成分因子假彩色合成圖(圖5(a)和圖5(b))可以發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽富集區(qū)在假彩色合成圖上顯示為較為明亮的白色或粉白色，而一級(jí)富集區(qū)的色調(diào)比二級(jí)富集區(qū)更為明亮，這與碳酸鹽信息為高值相符。

對(duì)比研究區(qū)域的地質(zhì)圖(圖5(c))可知，幾乎所有的富集區(qū)都集中在全新世沉積(Qh1al和 Qh2al)和全新統(tǒng)風(fēng)成風(fēng)積砂(Qheol)。富集區(qū)的展布與地層方向一致，說明該區(qū)的碳酸鹽富集與地層分布緊密聯(lián)系，該結(jié)果與已有的ETM+研究成果吻合[24-25]。另外，對(duì)比ETM+解譯結(jié)果[24-25]，ASTER碳酸鹽富集區(qū)域的分布與之展布情況類似，但在區(qū)域上面更為廣泛。主要原因可能是：ETM+的解譯結(jié)果是二價(jià)鐵、紅層褪色、黏土和碳酸鹽的綜合區(qū)域，而本次研究解譯的僅僅是碳酸鹽富集區(qū)。

4 結(jié) 論

本次研究的主要結(jié)論如下：

1)通過對(duì)ASTER近紅外波段進(jìn)行主成分分析，獲取了1589-PC3、1689-PC3、1348-PC3和5689-PC2四個(gè)對(duì)碳酸鹽具有較好增強(qiáng)效果的主成分因子。

2)以X+ 2σ為閾值分別從4幅主成分因子圖像上提取了碳酸鹽區(qū)域，并將其疊加后將碳酸鹽富集區(qū)劃分為一級(jí)富集區(qū)和二級(jí)富集區(qū)，劃分結(jié)果與主成分因子假彩色合成影像的色調(diào)吻合。

3)碳酸鹽富集展布區(qū)域與該區(qū)的地層分布緊密相關(guān)，與已有研究結(jié)果一致。

4)ASTER近紅外波段解譯的碳酸鹽富集與已有的ETM+解譯的烴滲漏區(qū)展布情況類似，但是范圍更廣，可能是ETM+解譯結(jié)果為多種烴蝕變異常疊加所致。

本次研究表明利用ASTER近紅外波段提取與烴蝕變相關(guān)的碳酸鹽信息是可行的，但是，為了更準(zhǔn)確地提取該區(qū)域的烴蝕變信息，還應(yīng)該進(jìn)一步研究利用ASTER數(shù)據(jù)提取其它烴蝕變信息的方法，比如二價(jià)鐵、紅層褪色和黏土化等。另外，高光譜傳感器對(duì)礦物特征波譜具有更好的分辨能力，是今后烴滲漏蝕變信息遙感提取的發(fā)展方向，值得遙感工作者進(jìn)行深入研究。

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