基于分形理论的遥感蚀变信息提取与分级.

Page1基于分形理论的遥感蚀变信息提取与分级Page2一、分形理论简介二、遥感蚀变信息提取的国内外研究现状三、蚀变信息提取的一般流程四、遥感蚀变信息提取与分级五、遥感蚀变信息提取的存在问题六、遥感蚀变信息提取的发展趋势内容提要Page3一、分形理论简介•分形理论创立于20世纪70年代中期。分形的概念是由曼德布罗特（BBMandelbort）在1975年首先提出的解决非线形现象的一种方法，其研究对象为自然界和社会活动中广泛存在的无序（无规则）而具有自相似性的系统。分形理论是研究自然界空间结构复杂性的一门学科，可从复杂的看似无序的图案中，提取出确定性、规律性的参量。既可以反演分形结构的形成机制，又可以从看似随机的演化过程(时间序列)中推测体系演化的结果，近年来倍受地球科学家的注意。Page4•分形是局部和整体以某种方式相似的形。在实际问题中为了考察一个事物是否存在局部和整体的相似性，只要检测该事物是否存在无标度区即可。检测无标度区的方法如下：以尺度r把事物划分成N个相似的部分，对变化的r画出logN-logr曲线，然后检查曲线上是否有明显的直线段，直线段对应的r的区域即是无标度区。Page5•多重分形是当今分形理论的一个主旋律。多重分形研究一种物理量在一个支撑上的分布状况，换句话说，多重分形理论是定义在分形上的、多个标度指数奇异测度所组成的无限集合。•分形方法已经广泛应用于确定地球化学背景值及其异常，我们可以借鉴已有的化探异常提取的方法，将分形应用于遥感蚀变异常的分级（相关研究如2009年王倩,陈建平基于分形理论的遥感蚀变异常提取和分级）。Page6二、遥感蚀变信息提取的国内外研究现状Page7国外•1989年，Crosta利用LandsatTM图像数据成功地圈定了巴西MinaisGerais半干旱地区铁染和泥化现象；•1998年，Rutz’Armenta，J.R.和Prol.Ledesma，R.M.研究了提高TM图像的热液蚀变矿物的光谱响应的方法；•2003年，Crosta利用具有更高分辨率的ASTER数据对阿根廷巴塔哥尼亚地区的热液型金矿床蚀变进行了研究等。Page8国内•1997年，马建文提出了TM掩模+主成分变换+分类识别提取矿化弱信息方法；•1999年，张远飞等利用“多元数据分析+比值+主成份变换+掩膜+分类(分割)”的方法在新疆、内蒙古及江西、云南成功的提取了金矿化蚀变信息；•2005年，毛晓长、刘文灿等利用ETM+和ASTER数据在安徽铜陵凤凰山矿田进行了蚀变信息提取；•2007年，张玉君等提出“去干扰异常主分量门限化技术”。•2010年，荆林海等提出“多元数据分析+比值+K-T变换+分类(分割)”的提取矿化弱信息方法。Page9三、蚀变信息提取的一般流程Page10Page11遥感蚀变信息提取的理论基础Page121、蚀变异常指示找矿的地质依据•近矿围岩蚀变是矿化的一个主要特征，是找矿的一个直接标志。近矿围岩蚀变主要是不同类型的热液与周围岩石相互作用的产物，是成矿物质逐步富集成矿过程中留下的印迹。热液流体在运移过程中由于温度等物理、化学条件以及围岩组分差异，形成不同的蚀变矿物，按照围岩组分可以分为三类：中酸性岩的蚀变(云英岩化、绢云母化、钠长石化、钾长石化)、基性超基性岩的蚀变(蛇纹石化、绿泥石化、青盘岩化、碳酸盐化)、石灰岩及其他碳酸盐类的蚀变(矽卡岩化、硅化、重晶石化、白云岩化)。Page13•遥感探测的是地表物质的光谱信息，因此只要有一定面积的蚀变岩石出露，即便是矿体隐伏，只要有蚀变岩出露，遥感卫星都可以探测出来，在遥感图像上有一定的反应。这也是应用遥感技术提取蚀变信息进而指导矿床预测的地质依据。Page142蚀变异常信息提取的波谱依据•作为指示矿床和矿带存在的蚀变岩及蚀变带，具有其独特的光谱特征。地物光谱特征的差异，是遥感技术识别各类地物的主要依据。Page15•常见矿物：①含铁矿物，铁矿物以次生氧化物为主，部分作为热液蚀变带的原生矿物，如常见的褐铁矿、针铁矿、赤铁矿、黄钾铁矾等含大量Fe3+，也有少量Fe2+的铁氧化矿物，它们在ETM+1和ETM+4波段有强吸收带；•②含羟基基团和含水的矿物，如高岭石、绿泥石、绿帘石、蒙脱石、明矾石及云母类等次生蚀变矿物，在2.2—2.3μm（相当于ETM+7波段）附近有较强的吸收谱带，使得这类含羟基和水的矿物及其所组成的岩石（蚀变岩）在ETM+7波段产生低值，而在ETM+5波段有相对的高值；•③含碳酸根（CO32-）的矿物，如方解石、白云石、菱铁矿、石膏等，在1.8—2.5μm和2.55μm附近为较强吸收谱带。Page16粘土矿物主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物，包括高岭石族矿物、蒙托石、蛭石、伊利石、海绿石、绿泥石等。羟基是粘土矿物的重要组分，其光谱特征受羟基离子的影响显著。一些主要的粘土矿物波谱特征如上图。主要粘土矿物波谱曲线图Page17铁元素在地球上广泛存在，在矿物的组成成分中，铁是一种非常重要的元素，铁染信息具有重要的意义。常见铁的氧化物和氢氧化物如赤铁矿、针铁矿、褐铁矿，它们的光谱特征如下图。主要含铁矿物波谱曲线图Page18碳酸盐矿物光谱特征，吸收带最强的在2.35μm处。主要碳酸盐矿物波谱曲线图Page19铁蚀变和羟基蚀变的波谱依据Page203ETM+影像波谱特征•ETM+是NASA(美国国家航空和宇宙航行局)于1999年4月15日成功发射的美国陆地卫星LandSat7携带的对地观测传感器，是一台8波段的多光谱扫描辐射计，工作于可见光、近红外、短波红外和热红外波段。•LandSat7平台轨道是近极地圆形太阳同步轨道，轨道高度705km，倾角98.22°，穿越赤道时间为上午10点，扫描带宽185km，地面重复访问周期为16天。Page21ETM+遥感数据基本参数及各波段主要应用领域波段序号波段波长范围/μm地面分辨率/m主要应用领域1蓝色0.45~0.5230对水体有透射能力，能够反映潜水水下特征，可区分土壤和植被、编制森林类型图、区分人造地物类型。2绿色0.52~0.630探测健康植被绿色反射率、可取分植被类型和评估作物长势，区分人造地物类型，对水体有一定透射能力。3红色0.63~0.6930在叶绿素吸收带内，识别土壤边界和地质界线。4近红外0.76~0.930测定生物量和作物长势，区分不同类型的岩石，区分云、地面冰和雪。5短波红外1.55~1.7530水的吸收率很高，区分植被类型，绘制水体边界、探测水中生物的含量和土壤湿度6热红外10.4~12.560探测地球表面不同物质的自身热辐射的主要波段，可用于地热制图，热惯量制图。7短波红外2.08~2.3530用于地质制图，特别是热液蚀变岩制图PAN全色波段0.50~0.915用于数据融合提高其他各波段空间分辨率Page22•ETM+1：位于铁离子由晶体场和电荷转移所产生的吸收波段，因而，可用于增强铁离子信息。•ETM+3：位于含铁离子矿物的高反射波段，因而，被广泛应用于增强铁染信息。•ETM+4：拉大了植被与含铁离子矿物信息之间的区别。同时该波段处于水体的强吸收区，对区分土壤湿度及寻找地下水、识别与水有关的地质构造、地貌、土壤岩石类型等均有利。•ETM+5：蚀变矿物在该波段具有高反射的特点，因此该波段对于蚀变矿物的判定具有重要意义。•ETM+7：包含了粘土化蚀变矿物吸收谷（2.2μm附近）及碳酸盐化蚀变矿物吸收谷（2.35μm），对岩石、特定矿物反映敏感，有利于区分主要岩石类型、岩石的水热蚀变、探测与交代岩石有关的粘土矿物等。Page23ASTER数据波段特征及其与ETM+数据的对比Page24四、遥感蚀变信息提取与分级Page251遥感图像处理1.1遥感数据的选择根据需要选择合适的遥感影像（选择时主要考虑成像时间和云量多少）。本次研究所采用LandSatETM+遥感数据景号为123/030，数据时间为2001年7月6日。1.2子区切取根据研究需要，对经过大气校正和几何校正等预处理之后的图像切割以选择研究区。Page26•1.3遥感图像的波段选择•常常利用彩色合成的方法对多光谱图像进行处理，以得到彩色图像。由于不同波段反映的地质现象不同，选择最佳波段组合进行彩色合成显得尤为重要。Page27•选择ETM+合成图像组合波段的一般原则是：•1.各波段的标准差要尽可能的大。•2.各波段的相关系数要尽可能的小。•3.各波段的均值大小不能相差太悬殊。•综合文献中的组合方式常选取ETM+741最为最佳波段组合，该组合可以反映较多的地物信息。Page282研究区遥感蚀变异常信息提取方法研究•比值变换法•主成分分析法•光谱角填图法•对应分析法•混合像元分解法•MPH技术Page29比值变换法•波段比值法（BandRatio）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。•识别热液蚀变常用的波段比值有：ETM+3/1，用于识别褐铁矿；ETM+5/7，识别含羟基矿物，水合硫酸盐和碳酸盐；ETM+7/4，区分云母、石膏与明矾石；ETM+3/4，识别植被和区分褐铁矿化岩石。Page30主成分分析法•主成分分析法（PCA—principalcomponentsanalysis）（又称K-L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，对于ETM+图像，通常PC1、PC2、PC3就包含了95％以上的信息，而后面的主成分几乎多数是噪音。•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。ETM+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。Page31光谱角填图法•光谱角度填图法(SAM－SpectralAngleMapper)将光谱数据视为多维空间的矢量，利用解析方法计算像元光谱与光谱数据库光谱或像元训练光谱之间矢量的夹角，根据夹角的大小来确定光谱间的相似程度，以达到识别地物的目的。•该方法基于整个谱形特征的相似概率的大小，能有效避免因岩石矿物光谱漂移或光谱变异而造成的单个光谱特征的不匹配，并能充分综合利用弱的波谱信息。Page32对应分析法•对应分析(CorrespondenceAnalysis)(R-Q型因子分析法)是在R型和Q型因子的基础上发展起来的，又称R-Q型因子分析，是由法国巴黎科学院统计研究室Benzeci教授于1970年首次提出的。•对应分析提供以下信息：•（1）变量（波段）间的关系：在主成分空间，邻近的一些变量（波段）点，表示这些变量（波段）紧密相关。•（2）样品间的关系：在主成分空间，邻近的样品具有相似的光谱特征，属于同一种地物类型。•（3）变量（波段）与样品间的关系：同一类型的样品点将为邻近的变量（波段）点所表征。Page33混合像元分解法•一个像素只包含了一种地物的信息，这种像素叫做纯像素（purepixel）。然而在遥感图像中，通常一个像素包含了多种地物的信息，这种像素称为混合像元（mixedpixel）。根据每个像素中某种地物所占百分比对像素进行分解，这一过程叫混合像元的分解（MixedPixelDecomposition）。•混合像元的分解的模型包括：线性模型，概率模型，几何光学模型，随即几何模型，模糊模型等。将混合像元分解模型用于蚀变信息提取的目的是通过计算每个像元中各典型地物(如植被)的丰度，除去植被等干扰信息，为后续提取矿化蚀变信息提供可靠的基础数据。Page34MPH技术•MPH技术(MaskPCAandHSI)是排除临边效应影响和提取矿化弱信息的一种数字图像处理技术。该技术有机地组合了三种传统的数字图像处理方法：掩膜技术（MASK）、主成分变换（PCA）以及弱信息色度与饱和度调整（HSI）。Page353基于ETM+数据的蚀变信息提取•