三明市矿化蚀变信息遥感提取及预测矿区选址

刘君成，林美娇，穆振北，於晓雪，张秀芳，何东进，2

（1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学 金山学院，福建 福州 350002）

主成分分析（PCA，principal component analysis）是基于信号二阶统计特性的分析方法，由于所获各主成分之间不相关，主成分之间信息没有重复或冗余，因此通过Crosta 方法说明其准则，由Band 1、Band 3、Band 4、Band 5（以下简称 1345 四波段）和 Band 1、Band 4、Band 5、Band 7（以下简称 1457四波段）的波段组合分别进行主成分分析提取铁染蚀变和羟基蚀变信息。 由1、3、4、5 四波段做PCA处理，处理后的某个新的成分可能集中了铁染蚀变信息。 对代表铁染蚀变的主成分的判断准则是Band 3 的系数应与Band 1、Band 4 的系数相反。 由 1、4、5、7 四波段作为输入波段进行主成分分析，对代表羟基和碳酸根离子主成分的判断准则是Band 5 系数应与Band 7、Band 4 的系数符号相反，Band 1 一般与Band 5 系数符号相同。 根据有关地物的波谱特征，羟基和碳酸根离子信息包含于符合这判断准则的主成分内。 铁染蚀变和羟基蚀变存在于绝大多数成矿岩体中，提取这两种蚀变信息基本可以确定研究区成矿岩石的分布情况。

遥感蚀变信息是影像数据中蚀变的围岩反射的一种光谱信息。 岩石的矿物组成、化学成分、结构和构造在蚀变影响下发生变化，由于蚀变岩石与普通岩石的矿物组成、化学成分、结构和颜色不同，所以在TM 图像上表现出不同的颜色、色调和纹理差异。 Loughin（1991）[9]使用LANDSAT 图像数据更好地描绘了巴西等半干旱地区铁染现象。马建文（1997）[10]提出的掩模+主成分变换+分类识别提取矿化信息方法，提取遥感数据已取得了一定的成效。 张玉君等（1998）[11]利用与矿化相关的蚀变岩的TM 波段图像像元亮度值曲线的双峰特性提取蚀变岩信息。2010 年，Dehnavi 等[12]人在对伊朗的库尔德斯坦地区进行浅层低温热液矿床勘探时，利用比值法和主成分分析法，进行蚀变异常信息提取，并且评估提取结果的有效性。 因而本文将研究重点放在2000 年至2016 年间三明市矿物蚀变信息的变化情况，为三明市矿区选址提供参考。

1 研究区概况与数据收集

1.1 研究区概况

三明市是福建省辖下的地级市，由于其地质构造的差异，导致其矿场资源的空间分布不均。 煤矿分布在大田县、永安市、清流县、将乐县等地；铁矿石分布在大田县、永安市等地；金矿分布在尤溪县、泰宁县和建宁县；铜、铅、硫铁石、锌分布在大田县、尤溪县、永安市和将乐县；钨矿分布在宁化县、清流县；重晶石分布于永安市、明溪县等地；石灰岩主要分布在永安市、大田县、清流县、将乐县、宁化县、三元县等地；萤石主要分布在将乐县常口村、明溪县胡坊镇、清流县余朋乡。 全市已发现79种矿产，其中49 种矿产已探明储量，主要有煤、铁、铅、锌、钨、锡、金、银、石灰岩、重晶石、萤石、钾长石、高岭土、硫铁矿、蓝宝石等在已探明储量的矿山中，有6 个大型矿床，43 个中型矿山和43 个已开发利用的矿产[13]。

1.2 数据收集与处理

1.2.1 数据收集

数据采用的是2000 年 TM 5 数据和 2016 年LANDSAT_8 OLI 数据。 TM 有7 个波段，其波谱范围：Band -1 为 0.45～0.52 μm，Band -2 为 0.52～0.60 μm，Band -3 为 0.63～0.69 μm，Band -1、Band -2、Band -3 为可见光波段；Band -4 为 0.76～0.90μm，为近红外波段；Band -5 为 1.55～1.75 μm，Band -7为 2.08～2.35 μm，为中红外波段；Band -6 为 10.40～12.5 μm，为热红外波段。OLI 数据包括了 EBand+传感器所有的波段，Landset8 的OLI 陆地成像仪包括9 个波段。数据在地理空间数据云采用条带号119 行编号042、条带号120 行编号041、条带号120 行编号 042、条带号121 行编号 041、条带号 121行编号042 下载。 2000 年影像数据是由当年五月份相近的时间的五幅影像拼接得到，2016 年影像数据是由当年七月份相近的时间的五幅影像拼接得到。

1.2.2 数据处理

数据处理包括①辐射定标与大气校正。 定标是将传感器得的值变换为与地表反射率、地表温度等有关物理量的处过程。 辐射定标的目的是将传感器所得DN 值转化为辐射率，如公式（1）所示。 大气校正是有辐射定标后所得的影响中的波段除10.0 所得。 ②研究区裁剪。 利用ENVI 软件，对辐射定标、大气校正、影响拼接之后的影像数据进行规则裁剪，在ENVI 软件中利用影像数据以及三明市矢量数据裁剪出三明市的裁剪影像图。 ③分析掩膜。 建立ROI（感兴趣区），在水体区域建立ROI，然后进行掩膜以及反掩膜可以消除水体对本实验的影响。 在本实验中要消除植被和水对实验的影响，因此得到的研究区域影像要消除植物和水体的干扰，故要建立一个消除水和植被的一个相应的掩膜文件。 得到感兴趣区域的图像，感兴趣区域内图像值保持不变，而区外图像值都为0，也可以将掩模文件的1、0 值对调，由于需要掩模的是植物区域，因此在Band Math 输入公式二实现1，0 值得对调，如公式（2）所示。

式中L 为辐射亮度值，DN 为数字量化值（灰度值），Gain 为偏益，Offset 为增益，这些数据可以通过遥感影像头文件获取[16]。

1.3 成矿远景预测选址

成矿预测选址研究路线主要包括以下几个部分：收集资料（TM 数据、研究区的矢量图）、数据处理（影像数据的大气校正、影像 裁剪和图像增强处理）、主成分分析（PCA 分析）。 应用TM 影像以及GIS 软件，对影像数据进行矿物蚀变信息提取。 本文主要分析的是福建省三明市的影像数据，用Crosta 方法对其进行分析，得出铁染蚀变和羟基蚀变结果，并分析两种蚀变信息的蚀变变化等级。根据行政区划图层、交通图层、地名图层、研宄区位置图层、遥感解译图层、研宄区铁染烛变图层、研究区经基烛变图层以及环境评价准则进行矿区成矿预测。

2 研究方法

主成分分析法主要是选择TM 影像中地面上的地面物体，为主成分分析提供相应的基础。 铁染蚀变是含铁矿物的波谱特征所反映的信息，羟基蚀变是含羟基矿物的波普特征。 通过分析主成分变化来确定矿物蚀变信息的变化。 以2000、2016 年为例进行分析，本文采用的是主成分分析法。 包含羟基蚀变信息提取（波段 1、4、5、7）和铁染蚀变信息提取[2-4]（波段 1、3、4、5）。

2.1 铁染蚀变信息提取

铁染蚀变信息提取[2-4]是主成分分析法中的Fe 离子的特征，因此，含铁矿物通常呈现红色或近红色。 TM 图像的第一波段中的Fe 离子的反射率低于其他波段的反射率，第二波段的反射率高于第一波段的反射率。第三波段的反射率远低于第四波段的反射率。铁染蚀变选取1、3、4、5 这4 个波段作为组合波段做主成分分析，这是因为氧化铁的特征光谱信息集中在1～4 波段，并且在Band 4 和Band 1 波段有吸收峰，在Band 3 波段无特征吸收而呈高反射.

2.2 羟基蚀变信息提取

羟基蚀变信息提取[2-4]也称AL－OH 基团的波谱特征，主成分变换的波段组合的选择也是以此为依据的，主分量[6]PC 1 集中了四个波段的绝大多数信息；PC 2 中，主要反映的是Band 1 中的信息；PC 3 中，主要反映的是 Band 4 中的信息；PC 4 中，Band 5 和 Band 7 的系数都比较大，说明 PC 4 反映的是Band 5 和Band 7 中的信息，在PC 4 中，Band 5 和Band 的系数符号相反，且系数同时也满足表示含经基类矿物主分的标准，即Band 5 的系数与Band 7、Band 3 的系数相反，且一般与Band 1的系数相同。 因此PC 4 为代表含经基类矿物的主分量[3-4]。

2.3 异常等级划分

羟基蚀变等级划分[5]：一级异常是标准差的3 倍、二级异常是标准差的2.5 倍、三级异常是标准差的2 倍。 铁染蚀变的一级异常是标准差的2.5 倍、二级异是标准差的2 倍、三级异常是标准差的1.5 倍。

2.4 预测矿区选址

矿区预测是对已知矿床的地质背景、围岩、矿体、岩体、地层、矿区构造等特征上进行分析，结合遥感技术及资料，建立成矿预测选址区。 而GIS 和RS 有着强大的数据库与数据管理系统以及数据分析系统，在可视化和空间分析上能够快速的得出结果，因此应用GIS 和RS 分析矿物蚀变信息提取，能够直接便利的得出空间分析和可视化数据，能够直观的得出结果。 本研究根据Crosta 方法的矿化蚀变信息遥感提取对三明市进行矿区预测，为三明市矿产资源的开发提供依据。

3 结果与分析

3.1 铁染蚀变信息提取

铁染蚀变信息提取是影像数据中组合的1、3、4、5 四波段信息，因影像数据的波段数据可以反映地表的地物特征并提取铁铁染蚀变信息，可以使得地物特征能够在铁染蚀变结果中呈现出不同的颜色以便辨别，所以选用1、3、4、5 四波段信息进行铁染蚀变信息提取主成分分析，结果见表1。

铁染蚀变的主成分分析1、3、4、5 的四个波段进行分析，判断铁染蚀的标准是构成主分量的特征向量应具有与Band 1 及Band 4 的系数符号相反的Band 3 系数，并且Band 3 通常与Band 5 系数符号相同。 因此，从表1 可以看出，PC 1 反映出第一主成分为正值，反映了地面物体的总辐射水平；根据提取轻基信息的理论，PC 4 集中了该主成分的信息，且Band 3 和Band 4 符号相反。

表1 2000 年三明市铁染蚀变主成分分析

3.2 羟基蚀变信息提取

羟基蚀变信息提取1、4、5、7 四波段信息与影像数据相结合，因为TM 图像的波段数据可以反映地表的地物特征，并提取羟基蚀变信息，可以使得地物特征能够在羟基蚀变结果中呈现出不同的颜色以便辨别，因此这四个波段信息用于分析羟基蚀变信息提取主成分分析，统计分析如表2。

表2 2000 年三明市羟基蚀变主成分分析

羟基蚀变信息主成分分析在1、4、5、7 这四个波段中进行，构成主成分量的特征向量应具有与Band 7 和Band 4 的系数符号相反的Band 5 系数，并且Band 1 通常与Band 5 系数符号相同。 因此从表2 可以看出，根据提羟取基信息的理论，PC4 集中了这一主成分的信息，并且和所占的特征向量值较高。

3.3 铁染蚀变结果与羟基蚀变结果分析

从图1 可得，三明市的2000 年铁染蚀变的情况以尤溪县蚀变信息较突出，尤其是三级蚀变集中在尤溪县。 在沙县与尤溪县的接连处有一个较集中的二级蚀变，永安市和将乐县的二级蚀变情况次之。 一级蚀变零碎的分布在宁化县、建宁县、清流县、明溪县。 图2 表明三级蚀变基本体现在永安县与三明市、并且二级蚀变的情况不是很明显、一级蚀变在宁化县、清流县、将乐县比较突出。 铁染蚀变的趋势是从一级蚀变演变为二级蚀变，而三级蚀变趋于消失。

从图3 可以看出2000 年羟基蚀变结果，三级蚀变集中在建宁县的西北部、宁化县西南方；二级蚀变集中将乐县的南部、以及永安市。 而图4 是2016 年的羟基蚀变，并且其三级蚀变的情况表现的不太明显，最明显的是集中在沙县，其它的一级蚀变、二级蚀变比较集中在宁化县、建宁县。 羟基蚀变的情况有一级蚀变和二级蚀变集中的情况向二级蚀变的转变，并分布更加的分散。

图1 2000 年铁染蚀变结果

图2 2016 年铁染蚀变结果

图3 2000 年羟基蚀变结果

图4 2016 年羟基蚀变结果

4 结论与讨论

基于Crosta 方法的矿化蚀变信息遥感提取及预测矿区选址分析研究，以TM 影像数据、shpfile文件、矿化蚀变信息的专题地图为基础，结合环境质量、生态保护、资源可持续利用、社会环境、环境经济评价社会综合因素等主题为预测矿区选址提供选择。 Crosta 方法的矿化信息遥感提取主要是铁染和羟基蚀变，并且在Crosta 的矿化信息遥感提取的彩色图中体现的铁氧化物和含羟基矿物信息主要与铁、锌铅、金、铜、钼矿、铝、明矾石、重晶石、高岭石、石灰岩等有关[15]。 结合图1-4 中矿物蚀变信息的情况，可以得出尤溪县的的铁染蚀变在2000 年和2016 年一级蚀变较集中，由此可推测出尤溪县可能存在铁、锌铅、金、铜矿，而在尤溪县已有的矿产资源中已有金矿和锌矿。 结合资料可以得出基于Crosta 方法的矿化蚀变信息遥感提取可以验证尤溪县的金矿与锌矿。从收集的资料表明宁化县、建宁县、清流县、明溪县、将乐县、沙县、永安市均有相应的矿业资源。 宁化县有钨矿、稀土矿，建宁县有花岗岩，清流县有石灰岩，明溪县有萤石矿，将乐县有石灰岩、高岭土、锌铁矿，永安市有高岭土矿、石墨矿。所以用Crosta 的方法进行遥感矿化信息提取，可以体现出各区域地区的矿业资源的发现以及矿产资源预测选址的依据。

矿区的确定要考虑到环境保护、区域发展、环境承载力、环境风险评价、区域环境管理和循环经济发展等要素。 并且一个工程的开发要考虑到投资者的经济投资、环境保护、资源的可持续利用等一系列因素。 综上所述将乐县、永安市两个区域的矿物蚀变信息较集中，因此，预测矿区的位置可以设定在永安市的西南部和将乐县南部。 并且从研究中可以看出永安市、将乐县的蚀变信息都比较靠近行政边界图、远离城市地区，所以在将乐县、永安市蚀变信息集中地地方可作为矿区预测选址目标地的，结合三明市行政边界图可以将将乐县的白莲镇、永安县的小陶镇及洪田镇可以作为矿区选址的目的地。

基于Crosta 方法的矿化蚀变信息遥感提取适用于地表的矿物的蚀变提取，而本研究只是对地表的岩石进行分析，对深层矿产没有进行相应的分析，以至于对三明市的矿产资源分析的不够完整。且该方法适用于裸露的岩石地区，对于高植被的地区可能存在干扰作用。 研究区域仅获取光谱分辨率和空间分辨率有限的TM 数据，若能获取该区高光谱和高分辨率遥感数据，在重要地质特征识别，识别矿物组合提取等方面取得更为可靠、完善的信息。 基于提取的遥感矿化蚀变信息和结构信息的综合处理，得出该区域成矿前景的预测。 遥感只前期定性研究，未进行其它的考察验证，因此有待于进一步完善和考证。