汪清川，邊 宇，孫 昂，周 沖，呂大慶，李向英，奚硯濤※

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.珠海歐比特宇航科技股份有限公司，廣東 珠海 519080）

近年來利用多光譜遙感影像提取地表的一些巖性信息逐漸成為了遙感和地質(zhì)研究的熱點，國內(nèi)外的學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)進行大量的有關(guān)巖性識別的研究[1－7]。由于不同的巖礦物質(zhì)在遙感影像上呈現(xiàn)出不同的波譜曲線，因此可以基于不同巖礦石的理化性質(zhì)及其成分差異，提取它們的遙感波譜信息，有針對性地構(gòu)建相應(yīng)的遙感指數(shù)，從而對相關(guān)巖礦石的巖性信息進行識別[8－10]。早期的遙感數(shù)據(jù)由于其波段數(shù)量較少，且光譜分辨率較低，在巖性信息提取研究中有一定的局限性；但近年來遙感影像的分辨率逐步提高，在巖礦物質(zhì)識別精度上有了很大的提高。本文中用到的ASTER 傳感器，有3 個獨立的子系統(tǒng)，分別處于近紅外、短波紅外、熱紅外波段，共計14 個波段，其波段設(shè)置比其它多光譜數(shù)據(jù)具有更好的連續(xù)性，光譜分辨率也有很大的提高，且其傳感器是專門為地質(zhì)應(yīng)用和火山監(jiān)測而設(shè)計，在國內(nèi)外巖性信息提取中有著廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)許多學(xué)者已通過ASTER 數(shù)據(jù)進行相關(guān)的地質(zhì)巖性填圖工作[11－14]。國外學(xué)者Rowan 等人基于ASTER 遙感數(shù)據(jù)對一些重要的巖石單元進行識別與提取，成功將方解石質(zhì)巖石與白云石質(zhì)巖石區(qū)分開，將侵入巖中常見的鐵質(zhì)白云母與花崗質(zhì)片麻巖及中生代花崗巖中所含的鋁質(zhì)白云母分離出來[15]。Ninomiya等人針對ASTER 的TIR 譜域定義了CI、QI 和MI礦物比值指數(shù)，分別用于識別碳酸鹽類巖石、石英質(zhì)沉積巖和硅酸鹽類巖石[16]。國內(nèi)學(xué)者甘甫平等提出了基于特征譜帶的高光譜遙感礦物譜系識別方法，初步建立了“礦物大類－族－種－亞種”的礦物識別分層譜系[17]。王潤生等對巖石礦物的光譜變異特征和巖石礦物的混合光譜特征進行了較系統(tǒng)的研究[18]。這些研究為進一步的地質(zhì)礦產(chǎn)信息提取奠定了理論基礎(chǔ)[19－20]。

昆侖造山帶為青藏高原北部的重要地質(zhì)單元，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化過程和多次造山運動，形成了典型的復(fù)合造山帶。研究區(qū)域布喀達坂峰是昆侖山脈中段的最高峰，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，氣候惡劣，山勢險峻，對該區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查與研究受制于惡劣的自然條件很難進行。本文以ASTER 數(shù)據(jù)對該地區(qū)進行地表巖性信息的提取，取得了良好的效果。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 研究區(qū)域遙感影像圖（R（b8）、G（b3）、B（b1））Fig.1 Remote sensing image of the study area（R（b8）、G（b3）、B（b1））

研究區(qū)位于昆侖山中段阿爾格山東端與博卡雷克塔山西頭交接處，在青海省玉樹藏族自治州治多縣境內(nèi)，為新疆、青海的界山，地處東經(jīng)90.9°，北緯36.0°，是昆侖山脈中段的最高峰，海拔達6860 m，聳立于群峰之上，雪原綿延，氣勢磅礴（圖1）。布喀達坂峰氣候干燥，峰區(qū)有巨大的冰帽冰川，全年最低溫度達－30℃，山勢險峻，春秋冬季風(fēng)大。區(qū)內(nèi)出露的主要巖石地層有：早古生代納赤臺群哈拉巴依溝組，以淺變質(zhì)巖屑長石（雜）砂巖、長石巖屑（雜）砂巖為主夾粉砂質(zhì)板巖、千枚巖，局部夾玄武巖；泥盆紀布拉克巴什組主要為一套海陸交互相陸源碎屑巖及一套海相復(fù)理石夾海相中基性火山巖的巖石組合；二疊紀浩特洛哇組以碎屑巖為主夾少量安山巖及生物碎屑灰?guī)r，樹維門科組下段巖性以淺灰白色亮晶、微晶生物碎屑灰?guī)r及亮晶核形石灰?guī)r為主，上段巖性以生物微屑巖為主；二疊紀馬爾爭組下段為一套碎屑巖、碳酸鹽巖夾火山巖的地層，中段由一套砂板巖復(fù)理石組成，巖石種類較單一，以灰色中細粒巖屑長石砂巖、巖屑長石粉砂巖為主；中新世地層沉積類型繁多，分布廣泛，包括沖積、沖洪積、冰磧、風(fēng)積、湖積、沼澤堆積等。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

ASTER 傳感器是一個高分辨率多光譜成像儀，共有三個子系統(tǒng)，包括了從可見光到熱紅外3個譜段，其中可見光－近紅外共3 個波段，其空間分辨率為15 m；短波紅外有6 個波段，空間分辨率為30 m；近紅外有6 個波段，空間分辨率為90 m。其具體參數(shù)如表1 所示。本文中利用的ASTERL1T 遙感影像數(shù)據(jù)，獲取時間為2015 年4 月份，來源于美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)，該時間圖像云量遮蓋較小，適合做巖性信息提取分析。

表1 ASTER數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of ASTER data

2 巖性信息提取

2.1 ASTER 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1.1 串?dāng)_校正

由于ASTERR 傳感器的自身缺陷，導(dǎo)致其頻段4 的信號泄漏到相鄰的頻段5 和頻段9，使得B5 和B9 波段反射率比實際反射率高，從而影響巖性信息提取的精度。因此，要對ASTER 遙感影像數(shù)據(jù)進行串?dāng)_校正，提高解譯精度。

2.1.2 輻射定標與大氣校正

在進行大氣校正之前，需要對原始數(shù)據(jù)進行輻射定標。由于ASTER 遙感影像數(shù)據(jù)是以無量綱的數(shù)字量化值（DN 值）記錄信息的，通過輻射定標可以把DN 值與輻射亮度值，反射率值和溫度值等物理量進行轉(zhuǎn)化。ENVI 可以從元數(shù)據(jù)文件中獲取每個波段的Gain 和Offset 參數(shù)，自動進行定標。輻射定標完成后，為了充分利用短波紅外波段的高分辨率特性，將熱紅外與短波紅外波段進行波段融合，將分辨率統(tǒng)一至30 m。最后選擇大氣校正方式，本文選擇FALASH 模塊對數(shù)據(jù)進行大氣校正，來消除大氣中水蒸氣，氧氣，二氧化碳等氣體對地物反射的影響。

2.1.3 干擾信息掩膜

干擾信息掩膜主要是為了消除影像上雪、植被、云層等對巖性信息提取時的干擾，由于它們的灰度值較高，分布區(qū)域較大，直接參與運算時，容易出現(xiàn)異常值，創(chuàng)建目標掩膜可以有效扣除這些干擾信息。在創(chuàng)建目標掩膜時，先基于歸一化NDVI 指數(shù)提取植被信息，在NDVI 灰度圖中亮度值高的白色區(qū)域就是植被覆蓋的區(qū)域，然后建立掩膜，確定閾值，判定DN 值大于0.25 為植被。如圖2 為植被掩膜結(jié)果，再根據(jù)比值band3／band4 增強雪體信息，使用與植被同樣的方法對積雪區(qū)進行掩膜處理，通過逐層掩膜的方法來剔除植被和積雪等信息，最終掩膜結(jié)果如圖3 所示。

使用掩膜處理一方面可以減少計算量，使有用信息得到增強，節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間；另一方面可以有選擇地去除原始影像中的干擾信息，提高巖性信息提取精度。

2.2 巖性信息識別方法及過程

圖2 植被掩膜結(jié)果Fig.2 Results of vegetation mask

圖3 植被和雪體掩膜結(jié)果Fig.3 Vegetation and snow mask results

巖石是由一種或多種礦物組成的固體聚集體，因此巖石的光譜是多種礦物的混合光譜。ASTER的VNIR（波長范圍0.52 μm 至0.8 μm）3 個波段具有有關(guān)過渡金屬吸收的重要信息來源，且其第二波段是葉綠素的主要吸收波段。SWIR（1.60 μm 至2.43 m）的六個譜帶能夠顯示許多硅酸鹽、碳酸鹽、水合物和氫氧化物礦物的分子吸收特征。此外，ASTER 的五個TIR 光譜帶還可用于計算表面溫度和發(fā)射率，以識別提取重要的成巖礦物，例如石英和長石，并在TIR 波長區(qū)域顯示基本的分子吸收特征。

2.2.1 碳酸鹽，碳酸鹽礦物在VNIR－SWIR 譜域礦物光譜特征

碳酸鹽巖主要由碳酸鹽礦物方解石、白云石、菱鎂礦、菱鐵礦等組成。碳酸鹽礦物是由碳酸根離子與金屬陽離子構(gòu)成的化合物，其光譜特征的成因主要是金屬陽離子的電子躍遷和CO32－的振動。碳酸鹽礦物在可見光－近紅外波段和短波紅外波段都表現(xiàn)出較為明顯的CO32－吸收特征。如圖4（a）所示，方解石的吸收集中在2.33 μm 和2.34 μm 之間，白云石的吸收在2.31 μm 和2.3 μm 之間。但受到金屬陽離子的影響，不同碳酸鹽礦物的吸收中心波長位置存在差異。方解石的吸收中心為2.3465 μm，白云石的吸收中心為2.3039 μm，表明方解石和白云石可以通過在2.33 μm 和2.45 m 之間的吸收變化來區(qū)分和識別。

硅酸鹽根據(jù)硅氧四面體的聯(lián)結(jié)方式可分為5種類型，分別是島狀硅酸鹽、鏈狀硅酸鹽、層狀硅酸鹽、架狀硅酸鹽和環(huán)狀硅酸鹽。圖4（b）中列舉出了4 種硅酸鹽代表礦物在VNIR－SWIR 范圍的光譜曲線，從圖中光譜特征曲線上可以看出，角閃石2.3 μm和2.4 μm 附近出現(xiàn)兩個吸收峰，原因是Mg－OH 的伸縮振動。粘土類礦物高嶺石和白云母，高嶺石有兩個吸收峰，分別在2.16－2.17 μm 和2.2 μm 處，前者吸收強度較弱，后者較強，原因是Al－OH 基團伸縮振動；白云母在2.20 μm、2.35 μm、2.45 μm 處吸收特征明顯，原因是Al－OH 基團振動。橄欖巖在VNIR 譜域的吸收特征是鐵離子的電子躍遷引起的，橄欖石1.0 μm 附近出現(xiàn)強吸收帶，主要是Fe2＋躍遷作用產(chǎn)生的，F(xiàn)e3＋作用特征相對較弱。

2.2.2 碳酸鹽，碳酸鹽及長石礦物在TIR 譜域礦物光譜特征

巖石在熱紅外光譜中的發(fā)射光譜特征主要與硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的選擇性發(fā)射有關(guān)，因此使用熱紅外波段數(shù)據(jù)對碳酸鹽巖礦物和硅酸鹽礦物的提取效果顯著。如圖5（a），石英在8－10 μm 波段表現(xiàn)典型的雙低發(fā)射率譜帶，分別對應(yīng)ASTER第10 波段和第12 波段。如圖5（b）所示，長石礦物的低發(fā)射率特征譜帶位置集中在8μm 至11μm，例如正長石、條紋長石、微斜長石等堿性長石礦物，更長石和鈉長石等斜長石礦物，該譜域低發(fā)射率是Si－O 基團伸縮振動產(chǎn)生的，譜帶中心具有隨著SiO2含量的降低與鐵鎂質(zhì)礦物含量的增加而向長波方向移動的特點。如圖5（c），碳酸鹽礦物方解石和白云石在TIR 波長區(qū)域具有典型發(fā)射率特征，分別為11.40 μm 和11.35 μm。主要原因是碳酸根離子基振動。

圖4 碳酸鹽礦物（a）和硅酸鹽礦物（b）VNIR－SWIR譜域光譜特征曲線Fig.4 VNIR－SWIR spectral characteristic curve of carbonate minerals（a）and silicate minerals（b）

2.2.3 基于遙感指數(shù)的巖性提取

巖性信息識別的方法很多，本文采用波段比值法進行巖性的識別提取。ASTER 波段比值又稱為礦物指數(shù)，是一種經(jīng)常用來提取巖性信息的方法，通常選擇目標礦物光譜的最小反射波段或最大反射波段作為比值波段進行代數(shù)運算，構(gòu)建不同的遙感指數(shù)；當(dāng)波段間差值相近但斜率不同時，增強不同巖性之間的微小差異，來更好的識別某種巖性信息。

（1）碳酸鹽指數(shù)（SWIR 范圍），計算公式如下：

分析碳酸鹽礦物在SWIR 波段范圍內(nèi)的反射光譜特征曲線，可以看出碳酸鹽礦物（如方解石）在SWIR 譜域因碳酸根離子振動，在2.3 μm 附近有顯著的吸收特征，出現(xiàn)吸收谷，對應(yīng)ASTER 波段8。波段6 和波段9 的反射率都高于波段8，所以選擇它們建立方解石指數(shù)（b6／b8）×（b9／b8）來增大方解石與其它巖性的差異，來突出該類巖石的信息。同時，指數(shù)（b6＋b9）／（b7＋b8）可用于識別含綠泥石、綠簾石或者角閃石類礦物，也能指示含碳酸鹽礦物的巖體的分布。比值指數(shù)（b7＋b9）／b8 也能用于碳酸鹽巖的提取。三個指數(shù)的提取效果接近，得出指數(shù)圖像十分相像。圖6 為CLI 灰度圖像，可以看到二疊紀樹維門科組上段像元亮度值較高，該區(qū)域方解石含量高。

（2）碳酸鹽指數(shù)（CI），計算公式如下：

圖5 硅酸鹽礦物（a）、長石礦物（b）、碳酸鹽礦物（c）TIR譜域光譜特征曲線Fig.5 TIR spectral characteristic curves of Silicate minerals（a），feldspar minerals（b）and carbonate minerals（c）

圖6 CLI灰度圖像Fig.6 Grayscale image of CLI

通過TIR 發(fā)射光譜特征曲線確定了碳酸鹽類礦物方解石和白云石在TIR 波長區(qū)域的吸收位置分別為11.40 μm 和11.35 μm，對應(yīng)ASTER 第14波段；方解石和白云石在TIR 波長區(qū)域ASTER13波段有最高發(fā)射率，比值b13／b14 能有效增強這些碳酸鹽礦物的信息，有效地突出含方解石、白云石等碳酸鹽礦物的碳酸鹽巖。圖7 為CI 灰度圖像。

（3）改良鎂鐵質(zhì)指數(shù)（MI），計算公式如下：

圖7 CI灰度圖像Fig.7 Grayscale image of CI

鎂鐵質(zhì)礦物即鎂鐵硅酸鹽礦物，是氧化鎂與氧化亞鐵和二氧化硅結(jié)合形成的，比如橄欖石、輝石等。由于氧化鎂與氧化亞鐵與硅酸巖中的二氧化硅含量呈負關(guān)系，因此只有在二氧化硅含量低的情況下，才會出現(xiàn)鎂鐵質(zhì)礦物，所以在MI 指數(shù)灰度圖8上，高亮地區(qū)表示二氧化硅含量低，從而反映研究區(qū)硅酸鹽信息。

（4）石英指數(shù)（QI），計算公式如下：

分析石英的發(fā)射光譜特征曲線，石英在8－10 μm 波段表現(xiàn)典型的雙低發(fā)射率譜帶，分別對應(yīng)ASTER 第10 波段和第12 波段，分別與高發(fā)射率作比值處理建立石英指數(shù)能有效突出石英含量高的巖石信息；且因為與長石礦物的低發(fā)射率相反，所以石英指數(shù)能反映富含石英而缺乏長石的巖石。在QI 指數(shù)灰度圖9 中，像元亮度值高說明該區(qū)域富含石英。

（5）堿性長石指數(shù)（AFI），計算公式如下：

根據(jù)長石礦物光譜曲線特征分析得出，正長石、條紋長石等堿性長石band12 出現(xiàn)低發(fā)射率譜帶，band13 的發(fā)射率要高于band12，將band13 與band12 做比值運算，能增強堿性長石信息。因此，構(gòu)造堿性長石指數(shù)AFI 的，可以突出堿性長石信息。圖10 反映了研究區(qū)域內(nèi)的AFI 灰度圖像。

（6）斜長石指數(shù)（PLI），計算公式如下：

圖8 MI灰度圖像Fig.8 MI Grayscale image

圖9 QI灰度圖像Fig.9 Grayscale image of QI

圖10 AFI灰度圖像Fig.10 Grayscale image of AFI

根據(jù)長石礦物光譜曲線特征分析得出，斜長石礦物的低發(fā)射率波長位置與堿性長石相反，band11和band13 處形成吸收谷，而band12 的發(fā)射率值高于band11 與band13，所以比值band12／ band11 和band12／band13 都能一定程度增強斜長石的信息；因而，選擇比值b12×b12 ／（b11×b13）構(gòu)造PLI，很大程度地增強這些長石礦物信息。圖11 為研究區(qū)域內(nèi)的PLI 比值灰度圖像。

3 巖性信息提取結(jié)果分析

本文通過將三種礦物指數(shù)分別置于紅（R）綠（G）藍（B）分量上，進行RGB 假彩色合成圖像，然后通過合成圖像色彩上的差別來識別造巖礦物，進而目視解譯出巖性。圖12 是由R（方解石礦物指數(shù)CLI）、G（指數(shù)（b7＋b9）／b8）、B（指數(shù)（b6＋b9）／（b7＋b8））假彩色合成的。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，指數(shù)圖像顏色單調(diào)，整體呈暗色調(diào)，只有一個區(qū)域出現(xiàn)了明顯的白色；按顏色組合進行解譯，單調(diào)的白色區(qū)域碳酸鹽特征明顯，從礦物指數(shù)圖像上可以看出比較清晰的界線。對比研究區(qū)地質(zhì)圖，該區(qū)發(fā)育有生物碎屑灰?guī)r，界線與指數(shù)圖像基本吻合。黑色區(qū)域是植被覆蓋區(qū)域和雪地掩膜處理后表現(xiàn)，其余區(qū)域顏色單一，難以目視解譯識別劃分巖性。

圖11 PLI灰度圖像Fig.11 Grayscale image of PLI

圖12 光譜指數(shù)假彩色合成影像Fig.12 False color composite image of spectral index

圖13 是由R（石英指數(shù)QI）、G（碳酸鹽指數(shù)CI）和B（鐵鎂質(zhì)指數(shù)MI）彩色合成的礦物指數(shù)圖像。為了便于解譯分析描述，將提取結(jié)果劃分多個區(qū)域，標注上字母代表對應(yīng)區(qū)域。圖中可以發(fā)現(xiàn)，A區(qū)東昆侖南活動陸緣帶有條帶狀的藍紫色區(qū)域，含石英礦物和鎂鐵礦物，應(yīng)為硅酸鹽礦物；該區(qū)域有雪和植被覆蓋，巖性難以識別提取，根據(jù)地質(zhì)關(guān)系推測覆蓋區(qū)域與藍紫色區(qū)域巖石類型相同。CI 碳酸鹽指數(shù)對應(yīng)綠色波段，所以N、K、L、R 綠色區(qū)域指示的為含碳酸鹽礦物，該處巖石的白云石和方解石礦物含量較豐富。礦物指數(shù)圖像上能夠看得出清晰的巖性界線，對比研究區(qū)地質(zhì)圖，該區(qū)域發(fā)育有生物碎屑灰?guī)r，界線提取結(jié)果比較吻合。QI 石英指數(shù)對應(yīng)紅色波段，以紅色為主色調(diào)的F、J、M 區(qū)域應(yīng)為高石英含量的巖石，應(yīng)為石英質(zhì)沉積巖；對比地質(zhì)圖，該處地層巖性主要為碎屑巖。H 區(qū)域下方的紫色區(qū)域與其同屬一個地層，而指數(shù)圖像上顯示紫色，原因是該區(qū)巖石含有鐵鎂質(zhì)礦物。C 區(qū)顏色斑雜，為雜色碎屑巖。B、D 區(qū)界線分明，參照提取出的巖性，B 區(qū)為巖屑長石砂巖，D 區(qū)與A 區(qū)同為花崗巖。

圖14 是由R（堿性長石指數(shù)AFI）、G（斜長石指數(shù)PLI）和B（石英指數(shù)QI）彩色合成的礦物指數(shù)圖像，從圖中可以看出，圖像主體主要呈現(xiàn)紫色和綠色，綠色區(qū)域巖性主要為沉積巖與第四紀的沉積物，紫色區(qū)域巖體主要礦物為堿性長石和石英，對比已有研究區(qū)的地質(zhì)圖，B 區(qū)為花崗巖，A 區(qū)為泥盆紀碎屑巖，兩種巖石主要組成礦物都為長石和石英。

不同的礦物指數(shù)提取的側(cè)重點不同，能突出不同礦物豐度信息，綜合上述幾個礦物指數(shù)圖像，對比已有地質(zhì)圖繪制了研究區(qū)的巖性分布解譯圖（圖15）。

4 結(jié)論

圖13 光譜指數(shù)假彩色合成影像（R（QI）、G（CI）、B（MI））Fig.13 False color composite image with spectral index（R（QI），G（CI），B（MI））

圖14 光譜指數(shù)假彩色合成影像（（AFI）、G（PLI）、B（QI））Fig.14 False color composite image of spectral index（（AFI），G（PLI），B（QI））

圖15 研究區(qū)巖性解譯圖Fig.15 Lithologic interpretation map of the study area

本文利用ASTER 數(shù)據(jù)，研究分析不同礦物巖石的光譜特征曲線，通過構(gòu)建不同礦物的遙感指數(shù)對布喀達坂峰地區(qū)的礦物巖石信息進行提取，再將不同礦物指數(shù)的灰度圖像進行RGB 假彩色合成，對研究區(qū)的巖性信息進行解譯，劃分巖石類型。該方法很好地提取了相關(guān)巖石的巖性信息，特別是對灰?guī)r的識別提取效果較好。通過目視解譯可以在遙感圖像上勾勒出不同巖性地質(zhì)單元，從已有的地質(zhì)圖和野外驗證來看，可以發(fā)現(xiàn)該方法提取出的巖性界線與地質(zhì)圖上的地質(zhì)界線較為吻合，所解譯出來的巖石地層分布與組級巖石地層單位基本匹配。雖然采用礦物指數(shù)方法提取裸巖層區(qū)域的巖性信息會取得比較好的效果，但是受ASTER 數(shù)據(jù)的空間分辨率和巖石露頭寬度的影響，目前尚無法識別單位或者厚度小于ASTER 空間分辨率的單一巖性信息。另外在信息提取的過程中對植被和雪做了掩膜處理，當(dāng)使用遙感指數(shù)法提取巖性信息時，某些礦物的信息會發(fā)生混淆，對遙感巖性解譯造成影響。所以該方法也存在一定的局限性，在應(yīng)用的時候應(yīng)根據(jù)具體情況進行相應(yīng)的調(diào)整和選擇。