实验三十二 遥感矿化与蚀变信息提取
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发布时间：2022-04-21 09:01
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时间：2023-10-11 11:15
一、实验目的
通过运用ENVI的PCA功能对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像数据作铁染异常信息和羟基异常信息提取处理，加深对遥感蚀变和矿化信息提取原理和算法的了解，掌握其ENVI PCA功能技术实现的基本流程和主要操作，取得对这两种信息的图像特征和应用的感性认识。
二、实验内容
①铁染和羟基波谱异常示矿原理分析；②ENVI遥感铁染异常信息提取操作；③遥感羟基异常信息提取操作；④成果制图与找矿应用分析。
三、实验要求
①掌握遥感影像蚀变信息提取的原理；②对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像进行铁染异常信息提取；③对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像进行羟基异常信息提取；④对铁染与羟基异常信息进行分级；⑤编写实验报告。
四、技术条件
①微型计算机；②新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像；③ENVI软件；④Photoshop软件（ver.7.0以上）。
五、实验步骤
（一）铁染和羟基波谱异常示矿原理
矿物的反射辐射是遥感地质信息的基本源，各种矿物的波谱特征又取决于其所含元素的离子的类型与数量，如Fe3﹢、Fe2﹢及OH－等。大量的矿物和岩石波谱特性实验室研究结果表明，天然矿物在可见光—近红外光谱段（0.325～2.5μm）最常见的光谱特征，是以这样或那样形式存在的铁（Fe3﹢、Fe2﹢）产生的，或者由于水（H2O）、羟基（OH－）基团产生的。矿物在可见光—近红外光谱段被测量得到的大量信息，主要来自为数不多的几种结构离子和置换离子的电子跃迁过程，以及数目有限的阴离子的振动过程。不同矿物由于矿物化学、矿物晶体结构和矿物粒度不同，波谱特性也不同，见表32-1，图32-1。
表32-1 铁染和羟基蚀变的波谱异常依据
图32-1 典型蚀变矿物的波谱特征
1 —赤铁矿；2—针铁矿；3一黄钾铁矾：4—高岭石；5—绢云母；6—绿泥石
目前，基于多光谱数据进行矿化蚀变信息提取的方法主要有主成分分析法、比值方法、光谱角法等，本次实验利用主成分分析法对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像进行蚀变异常信息提取。
主成分分析法（PCA）是现在广泛采用的提取岩石蚀变信息的方法。这种方法是通过对遥感多光谱图像数据矢量的旋转变换，将各个波段中那些高度相关的信息集中到少数几个分量上，并且尽可能地保证这些分量信息互不相干（去相关性），从而用几个波段的线性组合信息图像代表多波段的原图像，使遥感信息得到压缩显示反映，图像分析解译的数据量减少。对于ETM＋图像，通常前三个主成份分量PC1、PC2、PC3就占了多波段图像95%以上的信息。
分析图32-1可知，含铁（Fe3﹢、Fe2﹢）矿物，以次生氧化物为主，部分热液蚀变带的原生矿物，如常见的角闪石、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、磁铁矿和黄钾铁矾等含大量Fe 3﹢， 也有少量Fe2﹢的铁氧化矿物，在ETM+1和ETM +4波段有强吸收带，而在ETM +3波段呈高反射，同时为了避免含羟基矿物的干扰，排除ETM +7波段，最终选取ETM +1、ETM +3、ETM +4、ETM+5这4个波段进行主成分分析，提取铁染蚀变异常。
含羟基基团和含水的矿物，如高岭石、绿泥石、绿帘石、蒙脱石及云母类等次生蚀变矿物，在2.2～2.3μm（相当于ETM +7波段）附近有较强的吸收谱带，使这类含羟基和水的矿物及其所组成的蚀变岩在ETM +7波段产生低值，而在ETM +5波段有相对的高值，由于可见光波段对铁氧化物敏感，为了避免铁染信息的干扰，只选择一个可见光波段参与主成分分析，最终选择ETM+1、ETM +4、ETM+5、ETM +7这4个波段进行主成分分析，提取羟基蚀变异常。
（二）遥感铁染异常信息提取
.1 辐射校正
对新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋遥感影像进行辐射校正，辐射校正方法参考本书中的“实验十九 遥感图像辐射校正”。
2.去除干扰信息
将对遥感蚀变异常信息提取的干扰因素，如水体、云、植被利用掩膜方法进行去除，感兴趣区选取方法见本书实验十七，掩膜方法见本书实验十五。
3.铁染异常信息提取——PCA处理
（1）根据上述分析，选择经过去除干扰信息后的ETM+1、ETM+3、ETM+4、ETM+5这4个波段进行主成分分析，首先需要将这4个波段进行层次叠加，在ENVI主菜单栏的“Basic Tools>Layer Stacking”中，打开“Layer Stacking Parameters”对话框（图32-2）。
图32-2 层次叠加参数设置对话框
（2）在“Layer Stacking Parameters”对话框左侧，单击【ImportFile 】按钮，进入“Layer Stacking Input File”对话框，输入已经经过辐射校正并且去除了干扰信息的新疆伊吾淖毛湖地区ETM＋影像1～7波段数据。
（3）点击【Spectral Subset】按钮得到“File Spectral Subset”对话框，选择要合成的ETM+1、ETM+3、ETM+4、ETM+5波段，如图32-3所示，点击【OK】按钮，得到合成的4波段文件。
图32-3“File SpectralSubset”对话框
图32-4 主成分分析对话框
（4）在“Layer Stacking Parameters”对话框右侧，根据实际情况选择需要的地图投影信息；在“X Pixel Size”和“Y Pixel Size”文本框中输入影像像元分辨率；在“Resampling”列表中选择重采样方法。
（5）设置完上述参数后，点击【OK】按钮，得到合成的4波段文件。
（6）在ENVI主菜单栏中选择“Transform >Principal Components> Forward PC Rotation> Compute New Statistics an Rotate”，在“Principal Components Input File”对话框中，输入上一步中合成的四波段文件，打开“Forward PC Parameters”对话框（图32-4）。
（7）在“Forward PC Parameters”对话框中，在“Stats X Resize Factor”和“Y Resize Factor”文本框中输入小于或等于1的调整系数，用于计算统计值时的数据二次采样，该值越小，统计计算速度越快，默认值为1。
（8）输出统计路径及统计文件名（.sta），使用箭头切换按钮，选择根据“Covriacnae Matrix”（协方差矩阵）或者根据“Correlation Matrix”（相关系数矩阵）计算主成分波段，一般来说，计算主成分时选择使用协方差矩阵。
（9）选择输出路径及文件名，输出数据类型选择“Floating Point”。
（10）选择“Select Subsetfrom Eigenvaluse”附近的箭头切换按钮，选择“Yes”，统计信息将被计算；如选择“No”，则系统会计算特征值并显示供选择输出的波段数。
（11）设置完上述参数后，点击【OK】按钮完成主成分分析计算。
4.铁染异常分析
在ENVI主菜单栏中选择“Basic Tools>Statistics>View Statistics File”，打开主成分分析中得到的统计文件，得到ETM +1、4、5和7波段PCA 变换的特征向量矩阵，统计结果见表32-2。
表32-2 ETM +1、3、4和5波段PCA变换的特征向量
由表32-2可以看出，PCI主要反映了ETM +4和ETM +5波段的信息；PC2反映了ETM+4波段的加信息和ETM +5波段的减信息；PC3反映了ETM +1和ETM +3波段的减信息；PC4反映了ETM+l波段的加信息和ETM+3波段的减信息。根据铁染类矿物的波谱特征，包含这类蚀变信息的图像应该具有ETM +1和ETM +3波段或者ETM +3和ETM +4波段具有相反的贡献值且绝对值较大，因此选择PC4为铁染异常信息。
5.铁染异常分级显示
（1）统计PC4信息。在ENVI主菜单栏中选择“Basic Tools>Statistics>Compute Sta tistics”，选择上一步主成分分析得到的PC4分量，进行统计分析，得到标准差（Stdev）与均值（Mean）。
（2）提取铁染异常信息。根据概率密度分布曲线的数学含义，可以把统计均值理解为主分量分析结果的区域背景值，利用下列公式来划分异常等级：
异常值＝X +kσ （32-1）
式中：X表示均值（Mean）；σ表示标准差（Stdev）；对于铁染蚀变异常，k一般取1.5～2.5，本次实验分别取k为1.5、2和2.5，将铁染异常信息分为弱、中和强三个等级。
（3）密度分割。在PC4分量主窗口上方的命令栏中，选择“Overlay>Density Slice”，打开“Density Slice Band Choice”对话框，对“Data Range”按如下公式计算*异常的数据分级并赋色。
对应弱异常：[Mean, Mean+1.5Stdev），绿色；
对应中等异常：[Mean+1.5Stdev,Mean+2Stdev），*；
对应强异常：[Mean+2Stdev,Max]，红色。
对PC4分量铁染蚀变异常信息分为弱、中、强*。密度分割方法参考本书中实验八。
（三）遥感羟基异常信息提取
遥感羟基异常信息提取的操作与遥感铁染异常信息提取的步骤完全相同，差别仅在于，遥感羟基异常信息提取PCA采取的波段组合是ETM+1、ETM+4、ETM+5和ETM+7，因此，其PC4波段线性组合系数——特征向量，在数值上不同于遥感铁染异常PC4波段线性组合系数，见表32-3。
表32-3 ETM +1、4、5和7波段PCA变换的特征向量
由表32-3可以看出，PC1主要反映了ETM +4和ETM+5波段的信息；PC2反映了ETM+4波段的信息；PC3反映了ETM+1的信息；PC4反映了ETM+5和ETM+7波段的信息，且符号相反。根据羟基类矿物的波谱特征，包含这类蚀变信息的图像应该存ETM +7波段产生低值，而在ETM +5波段有相对的高值，因此选择PC4 为羟基异常信息。
对于羟基蚀变异常信息密度分割，k一般取2～3，本次实验分别取k为2、2.5和3，将羟基异常信息分为弱、中和强三个等级。其余步骤与铁染蚀变异常相同。
（四）成果制图与找矿应用分析
运Photoshop软件以并列窗口方式打开本次实验获得的ETM＋铁染异常图像和ETM＋羟基异常图像，观察两图像中铁染异常和羟基异常的分布情况，用Photoshop画笔工具圈出这两种异常区域。在此基础上，分析两种异常的重叠分布区域和单一分布区域情况。如果这些区域具备相应的有利成矿地质条件，它们具有不同的找矿前景。其中，两种异常重叠的区域要比单一某种异常存在的区域具有更好的找矿前景。对你认为有价值的铁染异常和羟基异常进行编号注记。
六、实验报告
（1）简述实验过程。
（2）回答问题：（①运用多波段遥感数据提取铁染信息和蚀变信息的理论依据是什么？②根据本实验的PCA ETM＋波段组合方案，对照ASTER数据的波谱特征，如果采用ASTER数据提取铁染和羟基蚀变异常信息，应该分别利用其哪些波段作主成分分析为宜？为什么？③提交对两种异常做出圈定并进行编号注记的找矿应用分析图。
实验报告格式见附录一。
