基于ASTER和WorldView-3數(shù)據(jù)在新疆坡北地區(qū)蝕變礦物信息提取對比研究

王平平　王婷　趙慧　姚虎　尹藝霖

摘? ?要：利用ASTER和WorldView-3數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過借鑒和分析ASTER數(shù)據(jù)礦物指數(shù)、礦物指數(shù)法理論、蝕變礦物光譜特征規(guī)律，總結(jié)提出WorldView-3數(shù)據(jù)蝕變礦物指數(shù)。通過觀察研究區(qū)蝕變礦物信息分布情況，對比分析ASTER和WorldView-3數(shù)據(jù)蝕變礦物信息提取的適用性。ASTER數(shù)據(jù)更適用于赤鐵礦、褐鐵礦，黃鉀鐵礬礦物信息提取，WorldView-3數(shù)據(jù)更適用于白云母、綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石礦物的信息提取。同時，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特征，預(yù)測了成礦遠(yuǎn)景區(qū)?；贏STER和WorldView-3數(shù)據(jù)蝕變礦物指數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，完善了WorldView-3數(shù)據(jù)蝕變礦物信息提取。預(yù)測成礦遠(yuǎn)景區(qū)對進(jìn)一步找礦提供了參考。

關(guān)鍵詞：ASTER；WorldView-3；礦物光譜指數(shù)；蝕變礦物信息；成礦遠(yuǎn)景

遙感影像儲存了大量地物信息，與找礦相關(guān)的礦化作用所產(chǎn)生的圍巖蝕變存儲在影像上的信息，可通過數(shù)字圖像處理和技術(shù)增強(qiáng)提取遙感影像上的成礦信息，從而快速、有效圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)，為遙感地質(zhì)找礦指明方向[1]。目前，較常使用的蝕變礦物信息提取方法有比值法、主成分分析法、光譜角法、混合匹配濾波法、礦物光譜指數(shù)法（比值法）等。

在遙感蝕變信息提取方面，ASTER數(shù)據(jù)應(yīng)用較多，并取得了較好的效果。利用ASTER數(shù)據(jù)可見光近紅外和短波紅外波段提出了羥基、高嶺石、明礬石、方解石等4個礦物光譜指數(shù)[2]。使用ASTER數(shù)據(jù)采用光譜分析法提取與金礦化有關(guān)的蝕變礦物[3]。利用ASTER與Sentinel-2A融合數(shù)據(jù)提取云南普朗銅礦化蝕變信息[4]。使用ASTER數(shù)據(jù)采用光譜角分類法提取大平掌銅礦區(qū)外圍遙感礦化蝕變信息[5]。使用ASTER數(shù)據(jù)采用主成分分析法提取新疆西昆侖塔什庫爾干地區(qū)老并鐵礦區(qū)遙感蝕變異常信息[6]。利用ASTER可見光-近紅外波段和短波紅外波段，對校正后遙感數(shù)據(jù)采用波段比值分析、波段組合分析和主成分分析來提取粘土礦物、綠泥石和方解石化蝕變。結(jié)合野外勘查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主成分分析、波段組合分析能初步劃分礦區(qū)綠泥石化、碳酸鹽化和粘土化蝕變帶及硅化帶[7]。本文使用ASTER數(shù)據(jù)，對穆龍?zhí)捉鸬V床及外圍地區(qū)開展遙感蝕變異常提?。豪貌ǘ伪戎捣?、礦物指數(shù)法提取硅化蝕變，利用主成分分析法提取MgOH、鐵染和碳酸鹽化蝕變信息。基于ArcGIS平臺，將提取出的遙感異常信息、搜集到的已知礦點(diǎn)及重砂異常疊加分析。結(jié)果表明，遙感異常密集區(qū)與已知礦點(diǎn)吻合度較高，這對研究及尋找同類型礦床有一定參考價值[8]。以雅魯藏布江縫合帶念扎金礦為研究區(qū)，通過對與Fe3+，F(xiàn)e2+，ALOH，MgOH，硅酸鹽、碳酸鹽等成分相關(guān)特征的礦物光譜特征分析，運(yùn)用“波段比值法＋假彩色合成法”進(jìn)行細(xì)致的巖性單元分類與地質(zhì)填圖，研究結(jié)果表明，基于ASTER光譜特征的巖性填圖和蝕變信息提取方法進(jìn)行找礦預(yù)測，在西藏高海拔地區(qū)具天然的適用性[9]?；贠LI數(shù)據(jù)和ASTER數(shù)據(jù)，利用主成分分析法（PCA）對都蘭縣通突爾鉛鋅多金屬礦區(qū)進(jìn)行羥基蝕變信息提取取得了良好效果，已知礦點(diǎn)與提取的羥基蝕變異常吻合程度較高[10]。利用主成分分析法對Landsat8和ASTER數(shù)據(jù)分別提取黃鐵礦、褐鐵礦等鐵染蝕變礦物和絹云母等羥基蝕變礦物，通過對Aster和Landsat8兩種數(shù)據(jù)提取的蝕變信息進(jìn)行空間疊加分析，定量分析對比兩種數(shù)據(jù)的蝕變信息提取效果，具提高提取蝕變信息準(zhǔn)確性的優(yōu)勢[11]。閆柏琨和王潤生編制了ASTER遙感數(shù)據(jù)處理與礦物填圖技術(shù)指南，建立了鐵氧化物、硅酸鹽鐵、黃鉀鐵礬、高嶺石、白云母/蒙脫石、明礬石、碳酸鹽/綠泥石/綠簾石、SiO2含量、碳酸鹽、硫酸鹽礦物信息識別光譜指數(shù)[12]，為ASTER數(shù)據(jù)提取礦物信息提供指引。

WorldView-3數(shù)據(jù)國內(nèi)外研究較少。2014年，數(shù)字地球公司發(fā)射了WorldView-3衛(wèi)星，為目前市場上空間分辨率最高的多光譜商業(yè)遙感衛(wèi)星，具較高的光譜分辨率。據(jù)WorldView-3數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置，從AVIRIS數(shù)據(jù)中模擬出WorldView-3短波紅外數(shù)據(jù)，進(jìn)行了蝕變礦物信息提取試驗(yàn)[13]。使用混合調(diào)諧匹配濾波（MTMF）方法，利用在軌、模擬的WorldView-3短波紅外數(shù)據(jù)和AVIRIS短波紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行礦物填圖，發(fā)現(xiàn)在軌WorldView-3數(shù)據(jù)與AVIRIS數(shù)據(jù)提取結(jié)果相當(dāng)，優(yōu)于WorldView-3模擬數(shù)據(jù)[14]。在新疆坡北地區(qū)使用WorldView-3數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變信息提取方法研究，發(fā)現(xiàn)WorldView-3數(shù)據(jù)豐富的短波紅外波段，非常適合識別含羥基蝕變，對于區(qū)分含ALOH蝕變和含MgOH蝕變有較好的效果，并提出了[15]?；鵚orldView-3數(shù)據(jù)，建立了羥基指數(shù)、Al-OH指數(shù)、Mg-OH指數(shù)、Fe-OH指數(shù)、鐵染指數(shù)、碳酸鹽指數(shù)、高嶺石指數(shù)、方解石指數(shù)、菱鐵礦指數(shù)、黃鉀鐵礬指數(shù)等10個礦物指數(shù)模型[16]。在內(nèi)蒙古衛(wèi)境地區(qū)鈾礦勘查中使用WorldView-3數(shù)據(jù)，采用主成分分析法提取蝕變礦物信息，對蝕變礦物信息和基礎(chǔ)地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，圈出一處鈾成礦有利地段，并對部分區(qū)域開展野外查證，取得了較好的找礦效果，為該區(qū)后續(xù)鈾礦勘查提供了參考[17]?；赪orldView-3（16）波段遙感數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法提取了鐵染、ALOH、MgOH和碳酸鹽異常信息。進(jìn)一步查明巴音戈壁盆地本巴圖地區(qū)蝕變類型及分布，為該地區(qū)鈾礦勘查提供線索[18]?？偟膩碚f，WorldView-3數(shù)據(jù)在蝕變礦物信息提取方面研究較少，建立WorldView-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)的方法有限，因此加強(qiáng)對WorldView-3數(shù)據(jù)這方面的研究顯得至關(guān)重要。

1? 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州若羌縣，面積約162 km2。范圍為40°25′53″N～40°32′50″N、91°31′44″E～91°46′37″E。地表徑流及植被不發(fā)育，巖石出露較好，是開展遙感地質(zhì)調(diào)查工作的有利地區(qū)[19]。礦產(chǎn)資源主要有金、銅、錳等。大地構(gòu)造位于塔里木盆地北緣，北山裂谷西南緣及天山成礦帶南緣之間（圖1）。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂、褶皺構(gòu)造較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷裂以NEE向?yàn)橹?，次為NW、NE向兩組斷裂，斷裂在地表無明顯活動痕跡，多為隱伏小斷層。區(qū)內(nèi)發(fā)育的NE向斷裂對礦體起到破壞作用，且控制區(qū)內(nèi)金礦分布。區(qū)內(nèi)地層出露單一，主要為第四系、中石炭統(tǒng)茅頭山組上亞組和下石炭統(tǒng)紅柳園組。據(jù)紅柳園組的巖石類型，紅柳園組可以分為2個亞組，分別是紅柳園組下亞組和上亞組。其中，紅柳園組下亞組主要由碳質(zhì)綠泥石片巖、玄武巖、泥硅質(zhì)和鈣質(zhì)板巖、石英片巖、銅礦體、金礦體組成。紅柳園組上亞組主要由碳質(zhì)板巖、長石巖屑砂巖和蝕變凝灰?guī)r組成[20-21]。據(jù)前人研究可知，紅柳園組下亞組為主要的含礦地層，大青山金礦產(chǎn)于該組地層中[22]。巖漿巖主要為花崗巖、閃長巖及酸性巖脈（圖3-A）。

該區(qū)域圍巖蝕變極發(fā)育，礦體主要產(chǎn)于兩種礦化蝕變帶中：①賦存于石英脈中的金礦（化）體。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的石英脈與區(qū)域構(gòu)造線一致，當(dāng)石英脈周圍巖石黃鐵礦化、黃鉀鐵礬化、碳酸鹽化及絹云母蝕變較強(qiáng)時，金元素富集，形成金礦（化）體；②賦存于NE向斷裂構(gòu)造碎裂巖破碎帶中的銅金礦體。發(fā)育較強(qiáng)的絹云母化、褐鐵礦化、黃鉀鐵釩化、綠泥石化等蝕變，其中絹云母、褐鐵礦化與銅金關(guān)系密切[21]。黃鐵礦在地表易被氧化為黃鉀鐵礬及褐鐵礦，結(jié)合前人研究可知，區(qū)內(nèi)主要蝕變礦物為褐鐵礦、赤鐵礦、黃鉀鐵礬、云母、綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石等[23]。

2? 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

2.1? 數(shù)據(jù)源特征

本次使用ASTER數(shù)據(jù)包含3個VNIR波段，6個SWIR波段和5個TIR波段，波長范圍分別為0.52～0.86 μm，1.6～2.43 μm和8.125～11.65 μm，空間分辨率分別為15 m，30 m和90 m[24-26]。WorldView-3數(shù)據(jù)包括8個VNIR和8個SWIR波段，波長范圍分別為0.4～1.04 μm和1.21～2.365 μm，空間分辨率分別為1.24 m和3.7 m[27]。由于許可限制，WorldView-3數(shù)據(jù)可見光近紅外波段和短波紅外波段的空間分辨率為2 m和7.5 m（表1）。

2.2? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用的ASTER遙感數(shù)據(jù)級別為L1T級，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)時，已進(jìn)行幾何校正，消除了由傳感器影響而造成的輻射畸變，因此，輻射校正只需消除大氣對輻射畸變的影響。ASTER數(shù)據(jù)輻射利用ENVI5.2中的輻射定標(biāo)工具進(jìn)行定標(biāo)。利用ENVI5.2中的FLASSH模塊進(jìn)行大氣校正，該模塊要求同時對可見光近紅外波段與短波紅外波段進(jìn)行處理。因此，將ASTER數(shù)據(jù)的SWIR波段空間分辨率重采樣到15 m，與VNIR波段一致，并與VNIR波段按順序進(jìn)行打包，進(jìn)行大氣校正[25]。

本次使用的WorldView-3遙感數(shù)據(jù)級別為L2A級，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)時，已進(jìn)行幾何校正，消除了由于傳感器的影響造成的輻射畸變，因此，輻射校正只需消除大氣對輻射畸變的影響。輻射校正過程主要分為兩步，分別為輻射定標(biāo)與大氣校正。數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)，利用ENVI5.2中的輻射定標(biāo)工具對WorldView-3數(shù)據(jù)的VNIR和SWIR波段進(jìn)行定標(biāo)，將遙感影像中的像元亮度值（DN值）轉(zhuǎn)化為輻射亮度值。在大氣校正方面，利用6S大氣校正模型對VNIR和SWIR進(jìn)行大氣校正，6S模型能夠模擬遙感數(shù)據(jù)在太陽-目標(biāo)-傳感器的傳輸過程中受到不同情況下的大氣影響[28-30]。

3? 蝕變礦物光譜參考

3.1? 礦物指數(shù)法理論基礎(chǔ)

礦物光譜指數(shù)法用于礦物識別和填圖。該方法可去除影像陰影，有效增強(qiáng)礦物信息，是礦物信息提取的常用方法。通過分析蝕變礦物的波譜特征，找出斜率變化幅度最大的波譜范圍，明確相對意義的反射峰和吸收谷，利用反射峰除以吸收谷（當(dāng)反射峰為2個時，反射峰加和乘以0.5，再除以吸收谷）形成礦物光譜指數(shù)，運(yùn)算后的圖像可很好的突出礦物信息[12]。

3.2? ASTER數(shù)據(jù)光譜參考

閆柏琨和王潤生在ASTER遙感數(shù)據(jù)處理與礦物填圖技術(shù)指南中提出赤鐵礦、褐鐵礦在band1至band2之間斜率變化幅度最大。因此，赤鐵礦、褐鐵礦的礦物指數(shù)為band2/band1；黃鉀鐵礬在band6至band8之間有一個明顯的吸收谷band7，且斜率變化幅度大。因此，黃鉀鐵礬的礦物指數(shù)為（band6+band8）×0.5/band7；白云母在band5至band7之間有一個明顯的吸收谷band6，且斜率變化幅度大，因此，白云母礦物指數(shù)為（band5+band7）×0.5/band6；綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石在band7至band9之間有一個明顯的吸收谷band8。因此，綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石的礦物指數(shù)為（band7+band9）×0.5/band8（表2）。為更加直觀的展示礦物吸收反射特征，將光譜重采樣至ASTER波段（圖2-A）。

3.3? WorldView-3數(shù)據(jù)光譜參考

據(jù)礦物指數(shù)法和ASTER數(shù)據(jù)礦物指數(shù)，提出WorldView-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)，彌補(bǔ)WorldView-3數(shù)據(jù)在礦物信息提取方面的不足，為開展礦物信息提取提供參考。赤鐵礦+褐鐵礦在band3至band4之間斜率變化幅度最大。因此，赤鐵礦、褐鐵礦的礦物指數(shù)為band4/band3；黃鉀鐵礬在band14至band16之間有一個明顯的吸收谷band15，且斜率變化幅度大，因此，黃鉀鐵礬的礦物指數(shù)為（band14+band16）×0.5/band15。白云母在band13至band15之間有一個明顯的吸收谷band14，且斜率變化幅度大。因此，白云母的礦物指數(shù)為（band13+band15）×0.5/band14。與ASTER數(shù)據(jù)相比，WorldView-3數(shù)據(jù)缺少與ASTER對應(yīng)的2.4 μm（ASTERband9），無法計(jì)算綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石礦物指數(shù)，因此參考Kruse F A提出的Worldview-3數(shù)據(jù)碳酸鹽指數(shù)band14∕（band15+band16）[14]（表2）。為更加直觀的展示礦物吸收反射特征，將光譜重采樣至Worldview-3波段（圖2-B-C）。

4? 蝕變礦物提取結(jié)果與討論

本文利用ENVI軟件中的Band Math工具，按上述礦物指數(shù)，計(jì)算得到ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)赤鐵礦、褐鐵礦；黃鉀鐵礬；白云母；綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石礦物圖像，并使用Raster Color Slices工具將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色分割，數(shù)值越大表示礦物含量越高，因此，保留數(shù)值相對高的顏色，將其轉(zhuǎn)換為shp格式，加入ArcGIS結(jié)合遙感地質(zhì)解譯圖對蝕變礦物信息進(jìn)行優(yōu)選，最終得到ASTER和World-view-3數(shù)據(jù)蝕變礦物信息。

四類蝕變礦物信息提取結(jié)果在ASTER和World-view-3數(shù)據(jù)中分布規(guī)律大體相似，主要呈團(tuán)塊狀分布在研究區(qū)西南部，呈條帶狀分布在研究區(qū)東部區(qū)域的頂部和底部。分述如下：赤鐵礦、褐鐵礦在ASTER數(shù)據(jù)中提取效果優(yōu)于Worldview-3數(shù)據(jù)（礦物分布較少，下同）；黃鉀鐵礬在ASTER數(shù)據(jù)中提取效果優(yōu)于Worldview-3數(shù)據(jù)；白云母在Worldview-3數(shù)據(jù)中的提取效果優(yōu)于ASTER數(shù)據(jù)；綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石在Worldview-3數(shù)據(jù)中的提取效果優(yōu)于ASTER數(shù)據(jù)。因此，在提取蝕變礦物信息時可結(jié)合使用ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)，赤鐵礦、褐鐵礦，黃鉀鐵礬可應(yīng)用ASTER數(shù)據(jù)礦物指數(shù)提取蝕變礦物信息，白云母，綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石可應(yīng)用Worldview-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)提取蝕變礦物信息（圖3-A-C）。

同時，Worldview-3數(shù)據(jù)在研究區(qū)中部偏東區(qū)域提取了呈斑狀分布、NE向展布的4類蝕變礦物組合信息，疊加效果較好（圖3）。該處蝕變礦物信息與遙感地質(zhì)解譯圖中的含礦地層、石英脈、NE向斷裂構(gòu)造疊加較好，該處可能有成礦遠(yuǎn)景，由于不具備實(shí)地調(diào)查條件，無法佐證其準(zhǔn)確性，僅做參考。

5? 結(jié)論

（1） 本文基于ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)，利用前人提出的礦物指數(shù)法理論基礎(chǔ)和ASTER數(shù)據(jù)礦物指數(shù)，分析蝕變礦物波譜特征，總結(jié)歸納提出了Worldview-3數(shù)據(jù)蝕變礦物指數(shù)，赤鐵礦、褐鐵礦ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)分別為band2/band1和band4/band3；黃鉀鐵礬ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)分別為（band6+band8）×0.5/band7和（band14+band16）×0.5/band15；白云母ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)分別為（band5+band7）×0.5/band6和（band13+band15） ×0.5/band14；綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)礦物指數(shù)分別為（band7+band9）×0.5/band8和band14∕（band15+band16）。通過觀察研究區(qū)蝕變礦物信息分布情況，對比分析了ASTER和WorldView-3數(shù)據(jù)蝕變礦物信息提取的適用性，ASTER數(shù)據(jù)更適用于赤鐵礦、褐鐵礦，黃鉀鐵礬礦物信息提取，WorldView-3數(shù)據(jù)更適用于白云母，綠泥石、綠簾石、菱鐵礦、方解石礦物信息提取。基于ASTER和WorldView-3數(shù)據(jù)蝕變礦物指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，較好地彌補(bǔ)了Worldview-3數(shù)據(jù)在蝕變礦物信息提取方法上的不足，為進(jìn)一步開展Worldview-3數(shù)據(jù)蝕變礦物信息提取奠定基礎(chǔ)。

（2） 本文利用ASTER和Worldview-3數(shù)據(jù)提取的蝕變礦物信息，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)遙感地質(zhì)解譯圖，地質(zhì)背景、含礦地層、構(gòu)造特征和石英脈分布情況，預(yù)測研究區(qū)內(nèi)東北部偏中區(qū)域具有一定成礦遠(yuǎn)景，由于條件限制，無法進(jìn)行野外驗(yàn)證，成礦遠(yuǎn)景僅做推斷和參考。

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Comparative Study on Extracting Altered Mineral Information in the Pobei

Area of Xinjiang Based on ASTER and WorldView-3 Data

Wang Pingping1， Kong Lingfeng1， Zhao Hui2， Yao Hu3， Yin Yilin4

（1.Henan Provincial Natural Resources Monitoring and Land Regulation Institute，Zhengzhou，Henan，450016，China;

2.Kunming University of Science and Technology， Kunming，Yunnan，650093，China;3.Yunnan Open University，

Kunming，Yunnan，650000，China;4.The First Geological Team of Henan Province Non-ferrous Metals

Geological Mineral Resources Bureau，Zhengzhou，Henan，450016，China）

Abstract： This article used ASTER and WorldView-3 data to preprocess the data. By referencing and analyzing the mineral index of ASTER data， the theory of mineral index method， and the spectral characteristics of altered minerals， the WorldView-3 data altered mineral index was summarized and proposed. By observing the distribution of altered mineral information in the study area， the applicability of extracting altered mineral information from ASTER and WorldView-3 data was compared and analyzed. ASTER data is more suitable for extracting mineral information from hematite， limonite， and jarosite， while WorldView-3 data is more suitable for extracting mineral information from muscovite， chlorite， epidote， siderite， and calcite. At the same time， based on the geological characteristics of the study area， a prospective mineralization area was predicted.Based on ASTER and WorldView-3 data on altered mineral indices， the complementary advantages of the two types of data have been achieved， improving the extraction of altered mineral information from WorldView-3 data. The predicted mineralization prospect area provides a reference for further exploration.

Key words： ASTER; WorldView-3; Mineral spectral index; Altered mineral information; Ore-forming prospect

項(xiàng)目資助：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（2023J0800）資助

收稿日期：2023-08-01；修訂日期：2023-11-06

第一作者簡介：王平平（1990-），女，河南魯山人，碩士研究生，助理工程師，2017年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）資源與環(huán)境遙感專業(yè)，主要研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)應(yīng)用；E-mail： 770697872@qq.com

通訊作者：姚虎（1990-），男，博士研究生，講師，研究方向?yàn)榄h(huán)境地質(zhì)；E-mail： dhsyaohu@163.com