金属矿产遥感找矿原理与方法-莱森光学

1、金属矿产遥感找矿原理

遥感的理论基础是电磁波辐射，地物的光谱辐射特性则是遥感技术赖以鉴别和区分的主要基础。航空航天遥感传感器接收的是地表各种地物的反射光谱信息，这些地物反射光谱实际上是电磁波谱的一部分，分析这些岩石电磁波谱信息，可使我们有效地识别地质体和地质现象。在遥感地质应用中，主要利用可见光和近红外区（0.38~2.50μm）地物光谱，只要我们掌握了岩石光谱特征，就可利用遥感数据有效地提取和识别地质体和地质现象。在可见光和近红外区地物光谱主要是电子跃迁和原子团振动的结果，下面对电子跃迁和原子团震荡等作一简要介绍。

1.1电子跃迁

组成矿物的原子一旦接收一定的电磁辐射能量，原子中的电子就可在不同的能量级之间进行跃迁，形成一定的吸收带。在遥感应用中主要研究晶体场效应、电荷转移、共轭键等对光谱特征的影响。

A.晶体场效应

在分子及许多固定原子中，邻近原子的价电子配对形成化学键，将原子束缚在一起，这一配对导致价电子的吸收带常常在紫外区和可见光区。对于铁、铬、铜、镍等过渡金属元素，其原子的内壳层只是部分填充，在这些未满的内壳层中保留有未配对的电子，它们的激发态多处在可见光区。这些激发态易受周围静电场的影响，而这一静电场则取决于周围的晶体结构。对于同样的离子，不同晶体场能级的组合不同，导致出现不同的光谱。“选择定则”给出特定的跃迁能否发生的信息其中关系最大的是与能级中的电子自旋有关的选择定则。该选择定则指出：具有相同自旋的能级之间的跃迁是允许的，而自旋不同的能态间的跃迁是禁戒的。由该选择定则可推断，允许跃迁在光谱中产生强谱带，而禁戒跃迁不产生谱带，如果产生谱带也极弱。

B.电荷转移

又称元素之间的电子跃迁，即吸收的能量使电子在相邻离子之间或离子与配位基之间发生迁移。在可见光和近红外波段，分子轨道产生光谱特征的一个机制是离子间的电荷转移。这个机制的一个例子是那些既有二价铁离子又有三价铁离子的物质，在这两种铁离子间电荷的转移导致深蓝到黑色的颜色变化，例如磁铁矿（黑色的铁矿石）。电荷转移产生的光谱特征一般较强，比晶体场效应的光谱特征强儿百倍或上千倍。

C.共轭键

分子轨道跃迁对许多有机物的光谱响应虚主要作用。这些物质中的碳（有时是氢）原子由重及键交替相连，称为共轭键。因为每个键代表一对其享的电子，将每个双键上的一对电子移到相邻的单键上，得到的是一个等价物，只是键的序列逆转了。这类结构的最佳表述应是：所有原子以单键相连，多余的电子对分布在整个分子轨道体系中，这样的分子轨道称为π轨道。π轨道在共巍键体系中的延展性要降低电子对的激发能，导致可见光区的吸收。很多生物色素的光谱性质来源于π轨道的延展性，植物中的叶绿素和血液中的血红蛋白即是如此。

1.2原子团振动

在原子团振动能量级之间，电子的转移产生吸收特征，通常电子的振动跃迁产生3种类型的吸收波谱特征，即基本波、谐波和组合波。基本波的吸收特征最强，是由电子从基本状态跃迁到第一级激发态产生的。当电子从基本能级跃迁到某一能级（正好这一能级是两个基本能级的能量之和）时产生组合波，组合波的波长可通过将2个基本波的频率相加计算出来。事实上，2.0~2.5μm波段是非常重要的遥感地质波段，含氢氧根类矿物中的氢氧根拉伸键及其组合键都在这一波段产生组合波段吸收特征。谐波是由2个或多个量子激发出一个基本波时产生的，谐波的频率是基本波的2倍或3倍。

吸收特征的精确位置和形状取决于原子团的作用力、原子结构、质量和量子数量。当氢氧根原子团和铝元素结合时便在2.2μm处产生组合波吸收特征。当氢氧根原子团和镁元素结合时，2.3μm处会出现组合波吸收特征。某些矿物（像高岭石在2.2μm附近）具有双吸收特征（其中一个强吸收、一个弱吸收组合成吸收肩），这是由于氢氧根原子团在晶格中占据非等效的位置，从而产生强弱不同的吸收谱带。含碳酸根和碳酸根原子团的矿物的基本波和谐波都在短波近红外范围内，1.3-2.5μm。

1.3 岩石矿物的光谱特征

各种岩石矿物在矿物成分、结构构造等方面的差异，使得它们在可见光、近红外波长范围的反射光谱和在中、远红外波段的发射光谱是各不相同的。在多光谱遥感图像上，它们呈现出不同的电磁波辐射特性（简称波谱特性），0.4~1.3μm波长范围内岩石矿物的光谱特征，主要是由它们的表面色泽、粗糙度和所含的过渡金属离子元素所决定的，铁是引起岩石矿物在小于1.0μm的近红外光段产生吸收带的主要因素。1.3~2.5μm的近红外波段的反射光谱，是由羟基、水、碳酸根离子等阴离子团的分子振动引起的。一般含OH-的黏土类蚀变矿物反射光谱在2.17~2.21μm处存在显著的光谱吸收带。岩矿的热红外波段（8~14μm）吸收谱则主要是矿物中硅氧分子团的分子振动引起的。

在0.4~2.5μm波长范围内，热液蚀变岩与非蚀变岩类岩石的反射光谱有明显差别。在整个波长内蚀变岩石的反射率值高于非蚀变岩，并且蚀变岩在1.6μm附近具有很高的反射值，而在2.2μm附近则出现特征吸收带。非蚀变岩无此特点，并且其反射值在整个波段范围内变化幅度不大，从而可应用遥感图像处理方法识别蚀变岩提供了物理前提。

1.4 三大岩类的光谱特征

遥感影像能真实地记录地球表面三种岩类的光谱与纹理特征，我们现在主要介绍三大岩类的光谱特征，它是岩石遥感图像处理识别的最重要信息。三大岩类在地球表面，由于它们所处的大地构造位置、区域构造背景、地貌单元和海拔、气候带和地理位置的不同，其岩石成分、结构、构造、风化类型与覆盖程度均有较大差异。此外，遥感影像获取时的气候、光照条件等因素的不同对三大岩类岩石的波谱特征和纹理也可能产生较大影响。气候干燥，地表植被少，岩石裸露好时，三大岩类的光谱与纹理特征在遥感图像上都会有明显的差异。

A.沉积岩类光谱特征

不同颜色、不同成分、不同结构构造的沉积岩，它们的光谱特征具有很大差别。同一岩性在不同物理化学条件下，遭受风化情况不同，它们的波谱特征也有一定的变化。一般情况下，以浅色矿物为主，岩石风化面较浅的岩石，反射率偏高，影像色调也较浅；以暗色矿物和杂色矿物成分为主，二价铁胶结物较多，岩石风化面颜色较深的岩石，反射率偏低，影像色调也较深。岩石矿物颗粒越粗反射率越低，影像色调越暗。反之，岩石矿物颗粒越细，反射率越高，影像色调越亮。图1是沉积岩类一些典型岩石光谱反射率曲线，从400~1100nm曲线分布规律分析，细砂岩反射率最高，板岩发射率最低，并且，所有沉积岩反射波谱曲线吸收与反射平稳，没有特殊变化。

图1 典型沉积岩反射光谱曲线

1—浅黄色细砂岩；2—黄褐色砂岩；3—浅黄色粗砂岩；4-绿灰色凝灰质含砾砂岩；5-灰色粗砂岩；6-炭质页岩；7-灰黑色粉砂质板岩

B.岩浆岩类光谱特征

超基性岩、基性岩、中性和酸性岩浆岩的光谱特征有明显的规律，即超基性岩、基性岩光谱反射率低，在遥感影像上多呈深灰至黑色；中性岩浆岩反射率中等，图像上呈灰色；酸性岩浆岩反射率偏高，图像上呈灰白色。图2所示的一些岩浆岩反射光谱曲线很好的反映了这一特征。

图2 几种侵入岩反射光谱曲线

①花岗岩②正长斑岩③石英二长岩④闪长岩⑤次闪石化辉长岩⑥蛇纹石化橄榄岩

C.变质岩类光谱特征

变质岩一般由岩浆岩和沉积岩或变质岩经变质作用形成。岩浆岩变质形成的变质岩光谱特性与着浆岩相近；含沉积岩变质形成的变质岩光谱特性与相应的沉积岩相近。决定变质岩光谱特性主要是矿物成分。含有无色和浅色矿物，如石英、碳酸盐、透闪石、透辉石等矿物组成的石英岩、大理岩、钙镁硅酸盐岩石等，它们的风化面颜色一般较浅，光谱反射率较高，影像色调也较浅；黑云母、角闪石、辉石、石榴子石、磁铁矿等黑色矿物含量较高的岩石，它们的反射率一般低于10%，在遥感图像上呈深灰色至黑色调。其他矿物成分组成的岩石则介于二者之间，其光谱反射率变化也比较大。图3反映了上述规律性。

图3 变质岩类岩石反射光谱曲线

1-浅红色混合花岗岩；2-浅灰色大理岩；3-浅黄色千枚状片岩；4-浅褐色石英岩；5-浅灰褐色黑云母变粒岩；6-褐灰色片麻状磁铁石英岩；7-褐绿色斜长角闪岩

上述岩石典型光谱特征对我们在遥感图像上识别这些岩类起到了重要作用。在识别这些岩类中，同时，还要考虑不同岩类形成的大地构造环境，地貌特征、组合关系的差别，如变质岩区一般褶皱断裂构造极为发育，由褶皱、断裂组成的岩石地层构造形态特征明显，侵入岩一般表现为明显的块状圆形、不规则形的影像特征。喷出岩则以环状地貌、放射状水系、区域性团块状或层理不明显的影像特征反映出来。以上三大岩类的特征纹理和色调为识别这些岩石起到了重要作用。

遥感金属矿产找矿常用影像处理方法

2.1 主成分分析法

主成分分析也称特征向量分析或K-L变换分析，它是以图像统计性质为基础的。经这种变换后生成一组新的组分图像（数目等于或小于原波段数），是输入的若干原图像的线性组合。现有的主成分分析法有直接主成分法、特征主成分法、多重主成分法和与其他算法组合的主成分法。其核心原理是统计特征的正交线性变换，是进行特征抽取的重要方法。多波段图像的波段间存在着很高的相关性，有相当多的数据信息冗余。主成分变换的目的是将原来各波段的有用信息压缩到尽可能少的主成分中，各主成分间具有独立性，信息不重复。

2.2 比值分析

比值算法是对遥感所获取的多光谱或高光谱数据的各波段进行比值运算，目前较常用的方法有：基本比值、和差组合比值、交叉组合比值、标准化比值。上述4种比值中以基本比值和标准化比值更为常用，比值处理简便易行，而且对提取与矿化蚀变关系密切的信息更为有效，目前已成为广为采用的主要处理方法。另外，某些情况下运用双比值、复合比值和均衡比值处理提取专题岩性矿化信息也取得了较好的效果

2.3去相关拉伸法

去相关拉伸法是一种基于主成分变换的技术，它将原始图像该段变换为它们的主成分、外别反差拉伸变换后的主成外，进行主成外反变换，在原始彩色空间显示。经过第二阶段反差拉伸正规化方差后，得到方差为单位方差的互不相关的变量，产生增强显示图像方法的效果主要依赖于该方法产生的特殊反差对比。去相关拉伸变换是原始光谱波段的一种线性变换，这种变换通常是原始光谱波段的加权总和与差。研究表明，该方法对一些遥感数据图像处理有效，能产生好的图像处理效果

2.4 卷积增强算法

遥感图像上的线性特征，特别是对与地质构造和成矿环境有关的断裂构造的增强处理。它是金属矿产找矿逼够图像处理的一种重要方法。线性体信息提取目前主要有梯度网值法，模板卷积法、超曲面拟合法、曲线追踪和区域生长等。遥感线性体信息提取采用模板卷积滤波算法效果较好，它是一种邻域处理技术，是通过一定尺寸的模板（矩阵）对原图像进行卷积运算来实现的。为突出不同方向的线性信息，设计不同方向的卷积模板，经过这种处理，遥感影像上的某一方向线性构造会被突出出来。

2.5 图像融合处理技术

各种类型的卫星遥感数据，在时间、空间、光谱分辨率等方面各不相同。它们反映了同一地区地物波谱的不同方面或不同分辨率的遇感信息，但怎样有效利用这些宝贵的遥感数据，通过融合对多源遥感数据处理，以发挥遥感数据的互补效应，提高遥感数据的利用效果。目前，融合方法有基于像元、特征、正交变换、小波变换、神经网络等多种融合方法。

2.6分类处理算法

图像上不同像元的亮度值，反映了不同地质体的波谱特征。计算机用统计的方法，将相似亮度范围的像元值划为同一类，归并到同类地质休中去。这种信息处理主要用于依据已知区的地物亮度等信息推断和预测未知区。目前，简单实用的分类算法有监督分类与非监督分类。监督分类是将训练场地中得到的对比结果采用外推法对未知区进行分类，监督分类常用的有最小距离分类和最大似然率分类。非监督分类是利用同一特征的多通道波谱特征数据，将集群于该空间里某一确定位置附近，构成一个“点群”。同一“点群”中的像元，他们彼此是相似的。代表了某一类别，即属于同一类，而不同的“点群”代表不同的类别。将这些不同的点群与有关资料对比，进而确定研究区地质体的类别。非监督分类主要有图形识别和集群分析两种方法。

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审核编辑黄昊宇