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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)的結(jié)果，下面對(duì)電子躍遷和原子團(tuán)震蕩等作一簡(jiǎn)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(jí)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(chǎng)效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移、共軛鍵等對(duì)光譜特征的影響。

A.晶體場(chǎng)效應(yīng)

在分子及許多固定原子中，鄰近原子的價(jià)電子配對(duì)形成化學(xué)鍵，將原子束縛在一起，這一配對(duì)導(dǎo)致價(jià)電子的吸收帶常常在紫外區(qū)和可見光區(qū)。對(duì)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(duì)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(chǎng)的影響，而這一靜電場(chǎng)則取決于周圍的晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于同樣的離子，不同晶體場(chǎng)能級(jí)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(jí)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(jí)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(gè)機(jī)制是離子間的電荷轉(zhuǎn)移。這個(gè)機(jī)制的一個(gè)例子是那些既有二價(jià)鐵離子又有三價(jià)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(chǎng)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(duì)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(shí)是氫）原子由重及鍵交替相連，稱為共軛鍵。因?yàn)槊總€(gè)鍵代表一對(duì)其享的電子，將每個(gè)雙鍵上的一對(duì)電子移到相鄰的單鍵上，得到的是一個(gè)等價(jià)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(duì)分布在整個(gè)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(duì)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(lái)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(dòng)

在原子團(tuán)振動(dòng)能量級(jí)之間，電子的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生吸收特征，通常電子的振動(dòng)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。基本波的吸收特征最強(qiáng)，是由電子從基本狀態(tài)躍遷到第一級(jí)激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的。當(dāng)電子從基本能級(jí)躍遷到某一能級(jí)（正好這一能級(jí)是兩個(gè)基本能級(jí)的能量之和）時(shí)產(chǎn)生組合波，組合波的波長(zhǎng)可通過將2個(gè)基本波的頻率相加計(jì)算出來(lái)。事實(shí)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(gè)或多個(gè)量子激發(fā)出一個(gè)基本波時(shí)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(shí)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(shí)，2.3μm處會(huì)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(gè)強(qiáng)吸收、一個(gè)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?cè)诳梢姽?、近紅外波長(zhǎng)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(jiǎn)稱波譜特性），0.4~1.3μm波長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)引起的。

在0.4~2.5μm波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)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(wú)此特點(diǎn)，并且其反射值在整個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的氣候、光照條件等因素的不同對(duì)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(shí)，三大巖類的光譜與紋理特征在遙感圖像上都會(huì)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(jià)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(yè)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(zhǎng)斑巖③石英二長(zhǎng)巖④閃長(zhǎng)巖⑤次閃石化輝長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)角閃巖

上述巖石典型光譜特征對(duì)我們?cè)谶b感圖像上識(shí)別這些巖類起到了重要作用。在識(shí)別這些巖類中，同時(shí)，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(lái)。以上三大巖類的特征紋理和色調(diào)為識(shí)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(jì)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。現(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(jì)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(lái)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(dú)立性，信息不重復(fù)。

2.2 比值分析

比值算法是對(duì)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(yùn)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(jiǎn)便易行，而且對(duì)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(yùn)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)原圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為突出不同方向的線性信息，設(shè)計(jì)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(huì)被突出出來(lái)。

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(shí)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(duì)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(jì)算機(jī)用統(tǒng)計(jì)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(cè)未知區(qū)。目前，簡(jiǎn)單實(shí)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(chǎng)地中得到的對(duì)比結(jié)果采用外推法對(duì)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(gè)“點(diǎn)群”。同一“點(diǎn)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(diǎn)群”代表不同的類別。將這些不同的點(diǎn)群與有關(guān)資料對(duì)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(shí)別和集群分析兩種方法。

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審核編輯黃昊宇