金屬礦產(chǎn)遙感找礦原理與方法-萊森光學(xué)

1、金屬礦產(chǎn)遙感找礦原理

遙感的理論基礎(chǔ)是電磁波輻射，地物的光譜輻射特性則是遙感技術(shù)賴以鑒別和區(qū)分的主要基礎(chǔ)。航空航天遙感傳感器接收的是地表各種地物的反射光譜信息，這些地物反射光譜實際上是電磁波譜的一部分，分析這些巖石電磁波譜信息，可使我們有效地識別地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象。在遙感地質(zhì)應(yīng)用中，主要利用可見光和近紅外區(qū)（0.38~2.50μm）地物光譜，只要我們掌握了巖石光譜特征，就可利用遙感數(shù)據(jù)有效地提取和識別地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象。在可見光和近紅外區(qū)地物光譜主要是電子躍遷和原子團(tuán)振動的結(jié)果，下面對電子躍遷和原子團(tuán)震蕩等作一簡要介紹。

1.1電子躍遷

組成礦物的原子一旦接收一定的電磁輻射能量，原子中的電子就可在不同的能量級之間進(jìn)行躍遷，形成一定的吸收帶。在遙感應(yīng)用中主要研究晶體場效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移、共軛鍵等對光譜特征的影響。

A.晶體場效應(yīng)

在分子及許多固定原子中，鄰近原子的價電子配對形成化學(xué)鍵，將原子束縛在一起，這一配對導(dǎo)致價電子的吸收帶常常在紫外區(qū)和可見光區(qū)。對于鐵、鉻、銅、鎳等過渡金屬元素，其原子的內(nèi)殼層只是部分填充，在這些未滿的內(nèi)殼層中保留有未配對的電子，它們的激發(fā)態(tài)多處在可見光區(qū)。這些激發(fā)態(tài)易受周圍靜電場的影響，而這一靜電場則取決于周圍的晶體結(jié)構(gòu)。對于同樣的離子，不同晶體場能級的組合不同，導(dǎo)致出現(xiàn)不同的光譜?！斑x擇定則”給出特定的躍遷能否發(fā)生的信息其中關(guān)系最大的是與能級中的電子自旋有關(guān)的選擇定則。該選擇定則指出：具有相同自旋的能級之間的躍遷是允許的，而自旋不同的能態(tài)間的躍遷是禁戒的。由該選擇定則可推斷，允許躍遷在光譜中產(chǎn)生強(qiáng)譜帶，而禁戒躍遷不產(chǎn)生譜帶，如果產(chǎn)生譜帶也極弱。

B.電荷轉(zhuǎn)移

又稱元素之間的電子躍遷，即吸收的能量使電子在相鄰離子之間或離子與配位基之間發(fā)生遷移。在可見光和近紅外波段，分子軌道產(chǎn)生光譜特征的一個機(jī)制是離子間的電荷轉(zhuǎn)移。這個機(jī)制的一個例子是那些既有二價鐵離子又有三價鐵離子的物質(zhì)，在這兩種鐵離子間電荷的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致深藍(lán)到黑色的顏色變化，例如磁鐵礦（黑色的鐵礦石）。電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的光譜特征一般較強(qiáng)，比晶體場效應(yīng)的光譜特征強(qiáng)兒百倍或上千倍。

C.共軛鍵

分子軌道躍遷對許多有機(jī)物的光譜響應(yīng)虛主要作用。這些物質(zhì)中的碳（有時是氫）原子由重及鍵交替相連，稱為共軛鍵。因為每個鍵代表一對其享的電子，將每個雙鍵上的一對電子移到相鄰的單鍵上，得到的是一個等價物，只是鍵的序列逆轉(zhuǎn)了。這類結(jié)構(gòu)的最佳表述應(yīng)是：所有原子以單鍵相連，多余的電子對分布在整個分子軌道體系中，這樣的分子軌道稱為π軌道。π軌道在共巍鍵體系中的延展性要降低電子對的激發(fā)能，導(dǎo)致可見光區(qū)的吸收。很多生物色素的光譜性質(zhì)來源于π軌道的延展性，植物中的葉綠素和血液中的血紅蛋白即是如此。

1.2原子團(tuán)振動

在原子團(tuán)振動能量級之間，電子的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生吸收特征，通常電子的振動躍遷產(chǎn)生3種類型的吸收波譜特征，即基本波、諧波和組合波?；静ǖ奈仗卣髯顝?qiáng)，是由電子從基本狀態(tài)躍遷到第一級激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的。當(dāng)電子從基本能級躍遷到某一能級（正好這一能級是兩個基本能級的能量之和）時產(chǎn)生組合波，組合波的波長可通過將2個基本波的頻率相加計算出來。事實上，2.0~2.5μm波段是非常重要的遙感地質(zhì)波段，含氫氧根類礦物中的氫氧根拉伸鍵及其組合鍵都在這一波段產(chǎn)生組合波段吸收特征。諧波是由2個或多個量子激發(fā)出一個基本波時產(chǎn)生的，諧波的頻率是基本波的2倍或3倍。

吸收特征的精確位置和形狀取決于原子團(tuán)的作用力、原子結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和量子數(shù)量。當(dāng)氫氧根原子團(tuán)和鋁元素結(jié)合時便在2.2μm處產(chǎn)生組合波吸收特征。當(dāng)氫氧根原子團(tuán)和鎂元素結(jié)合時，2.3μm處會出現(xiàn)組合波吸收特征。某些礦物（像高嶺石在2.2μm附近）具有雙吸收特征（其中一個強(qiáng)吸收、一個弱吸收組合成吸收肩），這是由于氫氧根原子團(tuán)在晶格中占據(jù)非等效的位置，從而產(chǎn)生強(qiáng)弱不同的吸收譜帶。含碳酸根和碳酸根原子團(tuán)的礦物的基本波和諧波都在短波近紅外范圍內(nèi)，1.3-2.5μm。

1.3 巖石礦物的光譜特征

各種巖石礦物在礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面的差異，使得它們在可見光、近紅外波長范圍的反射光譜和在中、遠(yuǎn)紅外波段的發(fā)射光譜是各不相同的。在多光譜遙感圖像上，它們呈現(xiàn)出不同的電磁波輻射特性（簡稱波譜特性），0.4~1.3μm波長范圍內(nèi)巖石礦物的光譜特征，主要是由它們的表面色澤、粗糙度和所含的過渡金屬離子元素所決定的，鐵是引起巖石礦物在小于1.0μm的近紅外光段產(chǎn)生吸收帶的主要因素。1.3~2.5μm的近紅外波段的反射光譜，是由羥基、水、碳酸根離子等陰離子團(tuán)的分子振動引起的。一般含OH-的黏土類蝕變礦物反射光譜在2.17~2.21μm處存在顯著的光譜吸收帶。巖礦的熱紅外波段（8~14μm）吸收譜則主要是礦物中硅氧分子團(tuán)的分子振動引起的。

在0.4~2.5μm波長范圍內(nèi)，熱液蝕變巖與非蝕變巖類巖石的反射光譜有明顯差別。在整個波長內(nèi)蝕變巖石的反射率值高于非蝕變巖，并且蝕變巖在1.6μm附近具有很高的反射值，而在2.2μm附近則出現(xiàn)特征吸收帶。非蝕變巖無此特點，并且其反射值在整個波段范圍內(nèi)變化幅度不大，從而可應(yīng)用遙感圖像處理方法識別蝕變巖提供了物理前提。

1.4 三大巖類的光譜特征

遙感影像能真實地記錄地球表面三種巖類的光譜與紋理特征，我們現(xiàn)在主要介紹三大巖類的光譜特征，它是巖石遙感圖像處理識別的最重要信息。三大巖類在地球表面，由于它們所處的大地構(gòu)造位置、區(qū)域構(gòu)造背景、地貌單元和海拔、氣候帶和地理位置的不同，其巖石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、風(fēng)化類型與覆蓋程度均有較大差異。此外，遙感影像獲取時的氣候、光照條件等因素的不同對三大巖類巖石的波譜特征和紋理也可能產(chǎn)生較大影響。氣候干燥，地表植被少，巖石裸露好時，三大巖類的光譜與紋理特征在遙感圖像上都會有明顯的差異。

A.沉積巖類光譜特征

不同顏色、不同成分、不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造的沉積巖，它們的光譜特征具有很大差別。同一巖性在不同物理化學(xué)條件下，遭受風(fēng)化情況不同，它們的波譜特征也有一定的變化。一般情況下，以淺色礦物為主，巖石風(fēng)化面較淺的巖石，反射率偏高，影像色調(diào)也較淺；以暗色礦物和雜色礦物成分為主，二價鐵膠結(jié)物較多，巖石風(fēng)化面顏色較深的巖石，反射率偏低，影像色調(diào)也較深。巖石礦物顆粒越粗反射率越低，影像色調(diào)越暗。反之，巖石礦物顆粒越細(xì)，反射率越高，影像色調(diào)越亮。圖1是沉積巖類一些典型巖石光譜反射率曲線，從400~1100nm曲線分布規(guī)律分析，細(xì)砂巖反射率最高，板巖發(fā)射率最低，并且，所有沉積巖反射波譜曲線吸收與反射平穩(wěn)，沒有特殊變化。

圖1 典型沉積巖反射光譜曲線

1—淺黃色細(xì)砂巖；2—黃褐色砂巖；3—淺黃色粗砂巖；4-綠灰色凝灰質(zhì)含礫砂巖；5-灰色粗砂巖；6-炭質(zhì)頁巖；7-灰黑色粉砂質(zhì)板巖

B.巖漿巖類光譜特征

超基性巖、基性巖、中性和酸性巖漿巖的光譜特征有明顯的規(guī)律，即超基性巖、基性巖光譜反射率低，在遙感影像上多呈深灰至黑色；中性巖漿巖反射率中等，圖像上呈灰色；酸性巖漿巖反射率偏高，圖像上呈灰白色。圖2所示的一些巖漿巖反射光譜曲線很好的反映了這一特征。

圖2 幾種侵入巖反射光譜曲線

①花崗巖②正長斑巖③石英二長巖④閃長巖⑤次閃石化輝長巖⑥蛇紋石化橄欖巖

C.變質(zhì)巖類光譜特征

變質(zhì)巖一般由巖漿巖和沉積巖或變質(zhì)巖經(jīng)變質(zhì)作用形成。巖漿巖變質(zhì)形成的變質(zhì)巖光譜特性與著漿巖相近；含沉積巖變質(zhì)形成的變質(zhì)巖光譜特性與相應(yīng)的沉積巖相近。決定變質(zhì)巖光譜特性主要是礦物成分。含有無色和淺色礦物，如石英、碳酸鹽、透閃石、透輝石等礦物組成的石英巖、大理巖、鈣鎂硅酸鹽巖石等，它們的風(fēng)化面顏色一般較淺，光譜反射率較高，影像色調(diào)也較淺；黑云母、角閃石、輝石、石榴子石、磁鐵礦等黑色礦物含量較高的巖石，它們的反射率一般低于10%，在遙感圖像上呈深灰色至黑色調(diào)。其他礦物成分組成的巖石則介于二者之間，其光譜反射率變化也比較大。圖3反映了上述規(guī)律性。

圖3 變質(zhì)巖類巖石反射光譜曲線

1-淺紅色混合花崗巖；2-淺灰色大理巖；3-淺黃色千枚狀片巖；4-淺褐色石英巖；5-淺灰褐色黑云母變粒巖；6-褐灰色片麻狀磁鐵石英巖；7-褐綠色斜長角閃巖

上述巖石典型光譜特征對我們在遙感圖像上識別這些巖類起到了重要作用。在識別這些巖類中，同時，還要考慮不同巖類形成的大地構(gòu)造環(huán)境，地貌特征、組合關(guān)系的差別，如變質(zhì)巖區(qū)一般褶皺斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，由褶皺、斷裂組成的巖石地層構(gòu)造形態(tài)特征明顯，侵入巖一般表現(xiàn)為明顯的塊狀圓形、不規(guī)則形的影像特征。噴出巖則以環(huán)狀地貌、放射狀水系、區(qū)域性團(tuán)塊狀或?qū)永聿幻黠@的影像特征反映出來。以上三大巖類的特征紋理和色調(diào)為識別這些巖石起到了重要作用。

遙感金屬礦產(chǎn)找礦常用影像處理方法

2.1 主成分分析法

主成分分析也稱特征向量分析或K-L變換分析，它是以圖像統(tǒng)計性質(zhì)為基礎(chǔ)的。經(jīng)這種變換后生成一組新的組分圖像（數(shù)目等于或小于原波段數(shù)），是輸入的若干原圖像的線性組合?，F(xiàn)有的主成分分析法有直接主成分法、特征主成分法、多重主成分法和與其他算法組合的主成分法。其核心原理是統(tǒng)計特征的正交線性變換，是進(jìn)行特征抽取的重要方法。多波段圖像的波段間存在著很高的相關(guān)性，有相當(dāng)多的數(shù)據(jù)信息冗余。主成分變換的目的是將原來各波段的有用信息壓縮到盡可能少的主成分中，各主成分間具有獨立性，信息不重復(fù)。

2.2 比值分析

比值算法是對遙感所獲取的多光譜或高光譜數(shù)據(jù)的各波段進(jìn)行比值運算，目前較常用的方法有：基本比值、和差組合比值、交叉組合比值、標(biāo)準(zhǔn)化比值。上述4種比值中以基本比值和標(biāo)準(zhǔn)化比值更為常用，比值處理簡便易行，而且對提取與礦化蝕變關(guān)系密切的信息更為有效，目前已成為廣為采用的主要處理方法。另外，某些情況下運用雙比值、復(fù)合比值和均衡比值處理提取專題巖性礦化信息也取得了較好的效果

2.3去相關(guān)拉伸法

去相關(guān)拉伸法是一種基于主成分變換的技術(shù)，它將原始圖像該段變換為它們的主成分、外別反差拉伸變換后的主成外，進(jìn)行主成外反變換，在原始彩色空間顯示。經(jīng)過第二階段反差拉伸正規(guī)化方差后，得到方差為單位方差的互不相關(guān)的變量，產(chǎn)生增強(qiáng)顯示圖像方法的效果主要依賴于該方法產(chǎn)生的特殊反差對比。去相關(guān)拉伸變換是原始光譜波段的一種線性變換，這種變換通常是原始光譜波段的加權(quán)總和與差。研究表明，該方法對一些遙感數(shù)據(jù)圖像處理有效，能產(chǎn)生好的圖像處理效果

2.4 卷積增強(qiáng)算法

遙感圖像上的線性特征，特別是對與地質(zhì)構(gòu)造和成礦環(huán)境有關(guān)的斷裂構(gòu)造的增強(qiáng)處理。它是金屬礦產(chǎn)找礦逼夠圖像處理的一種重要方法。線性體信息提取目前主要有梯度網(wǎng)值法，模板卷積法、超曲面擬合法、曲線追蹤和區(qū)域生長等。遙感線性體信息提取采用模板卷積濾波算法效果較好，它是一種鄰域處理技術(shù)，是通過一定尺寸的模板（矩陣）對原圖像進(jìn)行卷積運算來實現(xiàn)的。為突出不同方向的線性信息，設(shè)計不同方向的卷積模板，經(jīng)過這種處理，遙感影像上的某一方向線性構(gòu)造會被突出出來。

2.5 圖像融合處理技術(shù)

各種類型的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，在時間、空間、光譜分辨率等方面各不相同。它們反映了同一地區(qū)地物波譜的不同方面或不同分辨率的遇感信息，但怎樣有效利用這些寶貴的遙感數(shù)據(jù)，通過融合對多源遙感數(shù)據(jù)處理，以發(fā)揮遙感數(shù)據(jù)的互補(bǔ)效應(yīng)，提高遙感數(shù)據(jù)的利用效果。目前，融合方法有基于像元、特征、正交變換、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種融合方法。

2.6分類處理算法

圖像上不同像元的亮度值，反映了不同地質(zhì)體的波譜特征。計算機(jī)用統(tǒng)計的方法，將相似亮度范圍的像元值劃為同一類，歸并到同類地質(zhì)休中去。這種信息處理主要用于依據(jù)已知區(qū)的地物亮度等信息推斷和預(yù)測未知區(qū)。目前，簡單實用的分類算法有監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類是將訓(xùn)練場地中得到的對比結(jié)果采用外推法對未知區(qū)進(jìn)行分類，監(jiān)督分類常用的有最小距離分類和最大似然率分類。非監(jiān)督分類是利用同一特征的多通道波譜特征數(shù)據(jù)，將集群于該空間里某一確定位置附近，構(gòu)成一個“點群”。同一“點群”中的像元，他們彼此是相似的。代表了某一類別，即屬于同一類，而不同的“點群”代表不同的類別。將這些不同的點群與有關(guān)資料對比，進(jìn)而確定研究區(qū)地質(zhì)體的類別。非監(jiān)督分類主要有圖形識別和集群分析兩種方法。

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審核編輯黃昊宇