遥感矿物蚀变信息提取方法及ENVI下实现
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2016-06-01
蚀变岩石是在热液作用影响下，使矿物成分、化学成分、结构、构造等发生变化的岩石。由于它们经常见于热液矿床的周围，因此被称为蚀变围岩，蚀变围岩是一种重要的找矿标志。利用围岩蚀变现象作为找矿标志已有数百年历史，发现的大型金属、非金属矿床更是不胜枚举：北美、俄罗斯的大部分斑岩铜矿、我国的铜官山铜矿、犹他州的大铝矿、西澳大利亚的大型金矿、墨西哥的大铂矿、美国许多白钨矿、世界大多数锡矿、哈萨克斯坦的刚玉矿等，都属于以围岩蚀变作为找矿标志发现的矿床。
国内外遥感工作者，都在不断地设计、研制和总结对这种遥感信息的提取和识别技术。矿化蚀变信息是找矿的一个重要标志，而这些对找矿有指导意义的矿化蚀变信息常常受其它地物信息的干扰，和受遥感图像的波谱分辨率和空间分辨率的制约，往往表现的很微弱。因此，国内外学者也在不断尝试各种技术方法提取这种矿化蚀变弱信息。
本文总结了遥感蚀变信息提取的各类方法，及其在ENVI软件中的实现。
遥感技术主要是建立在物体反射和发射电磁波的原理之上。而地物波谱特性通常都是用地物反射辐射电磁波来描述。由于地物反射发射电磁波的特性不同，其反射波谱曲线形态也有千差万别。如植物的反射波谱曲线上，在绿光波段表现由于其叶绿素的存在表现为有一强反射峰，而在短波红外波段由于叶冠组织的相互作用表现为强反射峰，在红光波段则表现为强吸收谷。
遥感地质应用中，近矿围岩蚀变形成的蚀变岩石与其周围的正常岩石在矿物种类、结构、颜色等方面都有差异，这些差异导致了岩石反射光谱特征的差异，并且在某些特定的光谱波段形成了特定蚀变岩石的光谱异常。光谱异常为用遥感图像的异常信息提取提供了理论依据。
依据矿化蚀变岩与围岩的波谱特征的差异，可采用图像增强处理方法获取矿化蚀变信息增强的图像变量，从而最终实现提取矿化蚀变信息的目的。一般图像增强突出蚀变信息有以下几种方法。
(1)蚀变干扰信息剔除
遥感数据包含地表的信息，遥感在地质方面的应用就是提取用户需要的信息，提取矿化蚀变信息的过程是计算影像中所有像素信息统计归类分析的过程，蚀变异常信息的提取对遥感图像的质量要求较高，因此首先要对遥感数据进行严格的筛选，干扰噪声小的数据，一般要求遥感数据的时相是植被发育较弱、冰雪覆盖少的季节，同时该时相的云覆盖量较少。由于受地形地貌的影响，有些因素靠数据的时相选择却难以克服，例如阴影、河流水体、高山上的冰雪、白泥地等，可以采用相应的数学方法来解决，以使阴影、水体等干扰像素的数据不参与统计分析。一方面是选择较好的数据；另一方面是对数据进行数据预处理，包括大气校正、掩膜等。
利用ENVI软件的大气校正模块flassh能快速的消除大气影响，还原地物的真实面目。有利于蚀变信息的提取。
(2) 波段加减组合运算
波段加减组合运算可以扩展波段间亮度值的差异。通过对比矿化蚀变岩与围岩的光谱曲线可以看到，矿化蚀变岩的光谱曲线波动大，也就是说波段间的差值大；相反，围岩的光谱曲线相对平缓，也就是说波段间的差值较小，根据这一特征，采用波段加减组合运算，可以扩大矿化蚀变岩与围岩的亮度差，达到增强矿化蚀变岩信息的目的。
(3)波段比值
波段比值法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。对于蚀变矿物就是分析蚀变矿物的波谱曲线找出斜率变化最大的区间和曲线中的反射峰和吸收谷，确定波谱范围，作比值增强处理，形成突出蚀变信息的图像。
利用ENVI软件的波段运算工具能快速的实现波段运算。
图1 波段运算的界面
(4)主成分分析/独立成分分析法
主成分分析法（PCA）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，它将多光谱图像中各个波段那些高度相关的信息集中到少数的几个波段并且尽可能的保证这些波段的信息互不相干。即用几个综合性波段代表多波段的原图像，使处理的数据量减少。目前也有学者利用独立成分分析（ICA）法来提取矿物蚀变信息，取得的较好的成果。图2、3是利用ENVI软件中提供的独立成分分析法提取出来的羟基蚀变信息和铁染蚀变信息。
图2 基于ICA法和PCA法提取的羟基蚀变信息图
图3 基于ICA法和PCA法提取的铁染蚀变信息图
(5) MPH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(HIS)。掩膜技术就是去除遥感图像中的干扰信息(如水体、云、阴影等)，掩膜后图像像元灰度值的均值有所下降，而标准差有较大提高。TM多波段数据通过PCA所获每一主分量常常代表某一特定的地质意义。对做完主成分变换的彩色合成图像作从RGB到HIS的彩色空间变换。HIS空间是采用H(色调)I(饱和度)S(亮度)来定义颜色。H、I、S三者之间相关系数很小，对3个成分作增强处理信息量损失较小。常用该方法进行遥感图像中色调定量解释，图像增强及含矿信息提取，多源遥感数据的融合，以及对地质信息中的岩性识别和构造解译。该方法已经广泛用于矿物蚀变信息提取及地质找矿中。利用ENVI软件的可扩展功能，可以将这三种技术组成流程化处理模式，简单快速的得到结果。
(6)光谱角法
随着高光谱数据的发展，遥感在地质领域发挥的作用越来越重要。相应的在矿物蚀变信息提取方面的方法也在不断的改进。而SAM法在矿物识别中应用的比较成功。
光谱角方法(SAM)是一种光谱的匹配技术，这种技术基于估计像元光谱与样本光谱或是混合像元中亚像元组分光谱的相似性来区分各像元点的光谱曲线。光谱角法实质上就是通过测试参考光谱和测试光谱的相似程度来到达辨别矿物的目的，为了达到提取蚀变的目的，可以以光谱数据库中标准光谱作为参考光谱，或是野外实测光谱。
在ETM+图像上进行SAM分类的一般过程如下：
1、从光谱库中调出和研究区蚀变矿物一致的光谱数据。
2、由于一种矿物光谱数据有多条，可以取均值光谱作为参考光谱。
3、 ETM+数据的光谱分辨率低于光谱库中的光谱，因此需要对参考光谱进行重采样使之能相互匹配。
4、在ENVI软件中运行SAM程序，对应每种矿物选择合适的域值。
5、最终生成SAM分类图和对应每种矿物的规则图。
在ENVI软件中自带五种标准波谱库（USGS矿物波谱、USGS的植被波谱、JPL波谱库、IGCP264波谱库、JHU波谱库）和强大的光谱分析工具。包括上百种矿物的标准波谱。
图4 USGS中的碳酸盐化矿物光谱曲线
图5 碳酸盐化矿物光谱 图6 采样后的均值光谱
遥感蚀变信息的提取，主要是由通过遥感数据来获取信息。整个的处理流程自然包括了遥感图像处理的一个基本流程。借助强大的遥感图像处理软件ENVI可以实现完全实现现有的遥感蚀变信息提取的方法，不仅方便而且快速。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100so8i.html
国内外遥感工作者，都在不断地设计、研制和总结对这种遥感信息的提取和识别技术。矿化蚀变信息是找矿的一个重要标志，而这些对找矿有指导意义的矿化蚀变信息常常受其它地物信息的干扰，和受遥感图像的波谱分辨率和空间分辨率的制约，往往表现的很微弱。因此，国内外学者也在不断尝试各种技术方法提取这种矿化蚀变弱信息。
本文总结了遥感蚀变信息提取的各类方法，及其在ENVI软件中的实现。
- 原理
遥感技术主要是建立在物体反射和发射电磁波的原理之上。而地物波谱特性通常都是用地物反射辐射电磁波来描述。由于地物反射发射电磁波的特性不同，其反射波谱曲线形态也有千差万别。如植物的反射波谱曲线上，在绿光波段表现由于其叶绿素的存在表现为有一强反射峰，而在短波红外波段由于叶冠组织的相互作用表现为强反射峰，在红光波段则表现为强吸收谷。
遥感地质应用中，近矿围岩蚀变形成的蚀变岩石与其周围的正常岩石在矿物种类、结构、颜色等方面都有差异，这些差异导致了岩石反射光谱特征的差异，并且在某些特定的光谱波段形成了特定蚀变岩石的光谱异常。光谱异常为用遥感图像的异常信息提取提供了理论依据。
- 方法及实现
依据矿化蚀变岩与围岩的波谱特征的差异，可采用图像增强处理方法获取矿化蚀变信息增强的图像变量，从而最终实现提取矿化蚀变信息的目的。一般图像增强突出蚀变信息有以下几种方法。
(1)蚀变干扰信息剔除
遥感数据包含地表的信息，遥感在地质方面的应用就是提取用户需要的信息，提取矿化蚀变信息的过程是计算影像中所有像素信息统计归类分析的过程，蚀变异常信息的提取对遥感图像的质量要求较高，因此首先要对遥感数据进行严格的筛选，干扰噪声小的数据，一般要求遥感数据的时相是植被发育较弱、冰雪覆盖少的季节，同时该时相的云覆盖量较少。由于受地形地貌的影响，有些因素靠数据的时相选择却难以克服，例如阴影、河流水体、高山上的冰雪、白泥地等，可以采用相应的数学方法来解决，以使阴影、水体等干扰像素的数据不参与统计分析。一方面是选择较好的数据；另一方面是对数据进行数据预处理，包括大气校正、掩膜等。
利用ENVI软件的大气校正模块flassh能快速的消除大气影响，还原地物的真实面目。有利于蚀变信息的提取。
(2) 波段加减组合运算
波段加减组合运算可以扩展波段间亮度值的差异。通过对比矿化蚀变岩与围岩的光谱曲线可以看到，矿化蚀变岩的光谱曲线波动大，也就是说波段间的差值大；相反，围岩的光谱曲线相对平缓，也就是说波段间的差值较小，根据这一特征，采用波段加减组合运算，可以扩大矿化蚀变岩与围岩的亮度差，达到增强矿化蚀变岩信息的目的。
(3)波段比值
波段比值法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。对于蚀变矿物就是分析蚀变矿物的波谱曲线找出斜率变化最大的区间和曲线中的反射峰和吸收谷，确定波谱范围，作比值增强处理，形成突出蚀变信息的图像。
利用ENVI软件的波段运算工具能快速的实现波段运算。
(4)主成分分析/独立成分分析法
主成分分析法（PCA）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，它将多光谱图像中各个波段那些高度相关的信息集中到少数的几个波段并且尽可能的保证这些波段的信息互不相干。即用几个综合性波段代表多波段的原图像，使处理的数据量减少。目前也有学者利用独立成分分析（ICA）法来提取矿物蚀变信息，取得的较好的成果。图2、3是利用ENVI软件中提供的独立成分分析法提取出来的羟基蚀变信息和铁染蚀变信息。
(5) MPH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(HIS)。掩膜技术就是去除遥感图像中的干扰信息(如水体、云、阴影等)，掩膜后图像像元灰度值的均值有所下降，而标准差有较大提高。TM多波段数据通过PCA所获每一主分量常常代表某一特定的地质意义。对做完主成分变换的彩色合成图像作从RGB到HIS的彩色空间变换。HIS空间是采用H(色调)I(饱和度)S(亮度)来定义颜色。H、I、S三者之间相关系数很小，对3个成分作增强处理信息量损失较小。常用该方法进行遥感图像中色调定量解释，图像增强及含矿信息提取，多源遥感数据的融合，以及对地质信息中的岩性识别和构造解译。该方法已经广泛用于矿物蚀变信息提取及地质找矿中。利用ENVI软件的可扩展功能，可以将这三种技术组成流程化处理模式，简单快速的得到结果。
(6)光谱角法
随着高光谱数据的发展，遥感在地质领域发挥的作用越来越重要。相应的在矿物蚀变信息提取方面的方法也在不断的改进。而SAM法在矿物识别中应用的比较成功。
光谱角方法(SAM)是一种光谱的匹配技术，这种技术基于估计像元光谱与样本光谱或是混合像元中亚像元组分光谱的相似性来区分各像元点的光谱曲线。光谱角法实质上就是通过测试参考光谱和测试光谱的相似程度来到达辨别矿物的目的，为了达到提取蚀变的目的，可以以光谱数据库中标准光谱作为参考光谱，或是野外实测光谱。
在ETM+图像上进行SAM分类的一般过程如下：
1、从光谱库中调出和研究区蚀变矿物一致的光谱数据。
2、由于一种矿物光谱数据有多条，可以取均值光谱作为参考光谱。
3、 ETM+数据的光谱分辨率低于光谱库中的光谱，因此需要对参考光谱进行重采样使之能相互匹配。
4、在ENVI软件中运行SAM程序，对应每种矿物选择合适的域值。
5、最终生成SAM分类图和对应每种矿物的规则图。
在ENVI软件中自带五种标准波谱库（USGS矿物波谱、USGS的植被波谱、JPL波谱库、IGCP264波谱库、JHU波谱库）和强大的光谱分析工具。包括上百种矿物的标准波谱。
- 总结
遥感蚀变信息的提取，主要是由通过遥感数据来获取信息。整个的处理流程自然包括了遥感图像处理的一个基本流程。借助强大的遥感图像处理软件ENVI可以实现完全实现现有的遥感蚀变信息提取的方法，不仅方便而且快速。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100so8i.html
