李 雪，周 萍

(中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

河南嵩縣磨溝地區(qū)富鉀巖體遙感信息提取研究

李 雪，周 萍

(中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

以河南嵩縣磨溝地區(qū)富鉀巖體及外圍為研究對象，研究如何利用ASTER遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對該區(qū)富鉀巖體信息的快速自動提取。通過對采樣點光譜進行的各種變換，基于多元逐步回歸分析技術，建立MgO、CaO、Na2O、FeO、Fe2O3、K2O、Al2O3MnO、TiO2九種氧化物含量反演模型，利用ASTER遙感數(shù)據(jù)，對研究區(qū)氧化物含量進行反演；通過IDL語言將CIPW(標準礦物計算)算法實現(xiàn)，得到研究區(qū)巖石主要標準礦物石英、鈉長石、正長石、鈣長石的質(zhì)量分數(shù)。最后在算數(shù)運算和比值運算的基礎上，建立富鉀巖石的提取規(guī)則，對研究區(qū)富鉀巖體進行提取。提取出的富鉀巖體區(qū)域與已知范圍大致吻合，但是巖體整體范圍變小，且新發(fā)現(xiàn)了一些小巖體，并對這些提取結果進行了相關的分析與討論。

富鉀巖體；巖性信息提??；氧化物含量；標準礦物；ASTER數(shù)據(jù)

針對我國水溶性鉀鹽資源短缺的狀況，為維護國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和糧食安全，利用非水溶性的富鉀巖石來生產(chǎn)鉀肥是一種有效的方法來解決這些問題，而由于非水溶性的富鉀巖石是一種非金屬礦產(chǎn)資源，與以往的金屬礦產(chǎn)資源有所不同，專門針對于富鉀巖石的巖性提取工作在我國目前也基本上是個空白。本研究對富鉀巖石的資源普查方法是通過利用遙感這一高科技手段來實現(xiàn)的，達到從宏觀上、區(qū)域性進行巖性提取研究的目的，通過本次研究總結出一套科學、有效、快速、宏觀地獲取大范圍非水溶性富鉀巖石資源的技術方法是本次研究的創(chuàng)新點。

本次研究通過對不同光譜變換數(shù)據(jù)的多元逐步回歸分析結果進行比較分析，按照“ASTER多光譜遙感數(shù)據(jù)—氧化物—標準礦物—巖性”的流程對研究區(qū)進行氧化物含量反演、CIPW標準礦物計算，并依據(jù)一定的巖性識別規(guī)則，對河南嵩縣磨溝地區(qū)富鉀巖體進行提取，并在已有資料的基礎上對識別結果進行分析和討論。

1 氧化物含量反演方法

根據(jù)以往的研究分析結果得知，SiO2利用熱紅外波段反演其含量比較精確，本研究SiO2反演公式利用陳江等人[15]的反演結果，見式(1)。

SiO2%=28.76*log

((6.56*b13*b14)/(b10*b12))

(1)

式中：b10、b12、b13、b14分別為ASTER熱紅外數(shù)據(jù)的第10、12、13、14波段，由于含有MgO、CaO、Na2O、FeO、Fe2O3、K2O、Al2O3幾種氧化物的大多數(shù)礦物在可見光到近紅外波段都有特征性光譜，所以對這七種氧化物利用ASTER可見光到近紅外波段反演其含量；由于巖石中MnO、TiO2含量很少或幾乎沒有，故對富鉀巖石中的主要礦物的反演沒有太大的影響，故對這兩種氧化物含量也利用可見光到近紅外波段進行反演。

1.1 多元逐步回歸分析

多元逐步回歸分析是基于多元回歸分析自變量的多重共線性問題建立的一種分析方法，通過多元逐步回歸分析，可以將分析過程中變量逐步優(yōu)化，建立優(yōu)化回歸方程[4]。本研究利用多元逐步回歸分析方法對MgO、CaO、Na2O、FeO、Fe2O3、K2O、Al2O3、MnO、TiO2的含量進行反演。光譜數(shù)據(jù)變換對35個樣品點光譜進行包括倒數(shù)、對數(shù)、倒數(shù)的對數(shù)、包絡線去除、光譜一階微分的變換，并對應ASTER可見光到近紅外波段進行重采樣，重采樣后部分光譜變換的結果如圖1所示。

選取35個樣品中的25個作為模型的反演數(shù)據(jù)，剩余10個用于對得到的反演模型進行檢驗，模型建立以后，通過平均相對誤差(MPE)、均方根誤差(RMSE)及預測精度(PA)這3個指標來評價建模精度，見式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

式中：Xi為預測值，Xj為實測值，mean為預測項的均值[4]。

光譜幾種變換形式所得到的結果表明：對原始光譜進行倒數(shù)的對數(shù)變換之后的效果較好，主要是因為將反射率進行倒數(shù)的對數(shù)變換( log( 1/ R) )是處理非線性問題的常用方法。光譜反射率倒數(shù)的對數(shù)變換不僅趨向于增強可見光區(qū)的光譜差異，而且趨向于減少因光照條件變化引起的影響。原始光譜、包絡線去除和光譜對數(shù)變換建模效果均較差。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)前期處理

2.1 地質(zhì)條件

本研究選取的研究區(qū)富鉀巖體為華力西中期正長巖，巖體位于嵩縣紙房鄉(xiāng)磨溝-何村鄉(xiāng)箭口河一帶，處于大莊-中胡背斜北翼。主要露頭于焦園組上段，北部為洛陽組下段的灰白色砂礫巖及紅色砂質(zhì)粘土巖，侵入于長城系熊耳群焦園組青灰色、紫灰色的層狀流紋斑巖中(馬鴻文，2010)。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

本文所用的ASTER數(shù)據(jù)接收時間為2006年5月15日，為L1B級數(shù)據(jù)。因為ASTER L1B級數(shù)據(jù)記錄的是DN值，需要進行輻射定標，在ENVI中輻射定標是自動完成的。然后利用FLAASH模型對ASTER數(shù)據(jù)進行大氣校正，以剔除大氣、水汽等的影響，大氣校正之后的數(shù)據(jù)能夠更好地體現(xiàn)地物的光譜特征。預處理后的ASTER遙感影像圖如圖2所示。

圖2 ASTER遙感影像圖與研究區(qū)范圍

2.3 研究區(qū)植被干擾去除

由于遙感數(shù)據(jù)源的選取時間是5月中旬，且河南屬于中原地區(qū)，植被覆蓋比較嚴重，茂密的植被會影響地表巖石真實的光譜反應，所以需要對研究區(qū)進行植被去除，利用NDVI(歸一化植被指數(shù))對植被進行去除，去除規(guī)則為NDVI值大于0.7。

3 氧化物質(zhì)量分數(shù)定量反演

首先對多光譜ASTER數(shù)據(jù)進行倒數(shù)的對數(shù)變換(log(1/R))，利用多元逐步回歸分析模型在ASTER數(shù)據(jù)范圍區(qū)內(nèi)進行MgO、CaO、Na2O、FeO、Fe2O3、K2O、Al2O3、MnO、TiO2幾種氧化物含量的反演并利用ASTER熱紅外數(shù)據(jù)對SiO2含量反演，部分反演結果如圖3所示。從反演結果可以看出，巖石化學成分以SiO2、Al2O3、Na2O、CaO、K2O等為主，其中，SiO2質(zhì)量分數(shù)主要在50%～70%之間，Al2O3質(zhì)量分數(shù)主要在12%～17%之間，K2O質(zhì)量分數(shù)并不均勻分布，質(zhì)量分數(shù)最高在15%～17%之間[15]。

4 CIPW標準礦物計算

本文利用IDL對CIPW標準礦物計算方法進行實現(xiàn)，并將算法應用在河南嵩縣磨溝地區(qū)，利用已經(jīng)得到的氧化物的質(zhì)量分數(shù)，應用標準礦物算法，得到標準礦物包括石英、鈉長石、正長石、鈣長石等的質(zhì)量分數(shù)以及一定的礦物定量化分布圖，用于輔助下面對區(qū)域巖石類型的分類[19]。石英、鈉長石、正長石、鈣長石的質(zhì)量分數(shù)分布如圖4所示。

5 巖性提取規(guī)則的建立與信息提取

5.1 富鉀正長巖與流紋斑巖區(qū)分規(guī)則

5.1.1 巖石中的典型礦物與含量

研究區(qū)富鉀正長巖與流紋斑巖的礦物組成及含量見表1。從表1得知，富鉀正長巖礦物組成中，正長石比例比較高，而在流紋斑巖中，正長石含量很少或幾乎沒有。所以對研究區(qū)可以建立巖性區(qū)分規(guī)則：將研究區(qū)中標準礦物計算所得的正長石減去斜長石(即鈉長石與鈣長石的和)，富鉀正長巖即為鉀長石減去斜長石之后含量大于40%的花崗巖。

5.1.2 巖石中氧化物含量的高低

研究區(qū)富鉀正長巖與流紋斑巖化學成分對比見表2。從表2得知，對比氧化鉀的含量，富鉀正長巖比流紋斑巖高出很多。因此，通過對氧化鉀含量的運算來對已經(jīng)提取出的巖石進一步區(qū)分。富鉀正長巖提取結果見圖5。

5.2 碎屑巖

對研究區(qū)碎屑巖區(qū)分根據(jù)石英、長石巖屑的含量。具體的區(qū)分規(guī)則如下：首先，計算石英與長石的百分含量，石英砂巖為石英和硅質(zhì)碎屑含量在90%～95%以上，具體含量限制以反演精度為準，由于研究區(qū)石英含量均在50%以下，故CIPW實驗區(qū)不包含石英砂巖；然后，計算巖石中的長石總含量，當長石碎屑含量大于25%時且當石英與鉀長石碎屑為巖石主要組成成分時，這些巖石可劃分為長石砂巖[4]。根據(jù)上述分類規(guī)則，對某些礦物組合做一定的空間分析，從而達到碎屑巖的分類和識別目的。碎屑巖提取結果見圖5。

6 結論與討論

此次河南嵩縣磨溝地區(qū)富鉀巖體的提取，是在對光譜數(shù)據(jù)分析處理和標準礦物反演的基礎上，結合研究區(qū)富鉀巖石及圍巖采樣點的氧化物含量和巖石礦物成分及含量分析結果，利用特定的遙感圖像處理方法，最終建立提取規(guī)則，提取出磨溝地區(qū)的富鉀巖體分布范圍。實踐證明，通過氧化物和礦物的定量反演來圈定富鉀巖體的分布范圍是一個可供選擇的思路，基本上實現(xiàn)了人機交互的富鉀巖體快速提取。

對照已知巖體分布范圍和利用ASTER遙感數(shù)據(jù)提取出的巖體分布圖(圖6)，可以發(fā)現(xiàn)利用此法可以提取出大部分富鉀巖體。此外，所提取出的磨溝巖體整體范圍變小，尤其是與其它巖體交界位置巖性比較雜亂，一方面這說明該區(qū)巖體含鉀量是不斷變化的，富鉀巖體巖性也在發(fā)生著變化；另一方面沒有提取出來的巖體可能是由于發(fā)生蝕變等作用使得巖石礦物和巖性發(fā)生變化，這說明蝕變提取工作也是對隱伏富鉀巖體提取的一個方向。另外，還發(fā)現(xiàn)一些以往資料中沒有的小巖體，且這些小巖體基本上都是在已知富鉀巖體周圍，這些小巖體是不是與隱伏巖體有關，有待于進一步深入研究。

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Rich potassium rock mass information extracted from remote sensing data in Mougou，Song county，Henan province

LI Xue，ZHOU Ping

(School of Earth Science and Resource，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)

This study selected rich potassium rock mass and its surrounding area in Mougou，Song county，Henan province as research area，and tried to find out a method that could automatically extract out the information of the rich potassium rock from ASTER data in this area.Through various transformations of spectrum from sample points，based on multiple stepwise regression analysis technology，nine kinds of oxide content inversion model were established，including MgO，CaO，Na2O，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3，K2O，Al2O3，MnO，TiO2.Using ASTER remote sensing data，inversion of the oxide content in the study area were gotten.CIPW (standard mineral calculation) algorithm was achieved based on IDL，and mass fraction of main standard minerals in the study area including quartz，albite，orthoclase and calcium feldspar were obtained.Finally，on the basis of arithmetic operations and the ratio operations，the extraction rules of the rich potassium rock were built，and the rich potassium rock mass was extracted.The rich potassium rock mass extracted in the study area was generally consistent with the known range，but the overall scope of rock mass was smaller and some new small rock mass were found.Besides，relevant analysis and discussion were made upon the extraction results.

rich potassium rock；lithology information extraction；oxide content；standard mineral；ASTER remote sensing data

2014-10-08

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“北方非水溶性鉀礦資源調(diào)查評價”(12120113087700)。

李雪(1991-)，女，碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事遙感地質(zhì)方面的研究。Email：lixue163youxiang@163.com。

周萍(1964-)，女，副教授，碩士生導師，主要從事遙感地質(zhì)方面的研究。E-mail：zhoupx@cugb.edu.cn。

P627；TP75

A

1004-4051(2015)01-0090-06