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陈圣波, 于亚凤, 杨金中, 等 . 基于实测光谱指数法的ASTER遥感数据岩性信息提取[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(3): 938-944
Chen Shengbo, Yu Yafeng, Yang Jinzhong, et al . Lithologic Information Extraction from ASTER Remote Sensing Data Based on Spectral Ratio Method[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2016, 46(3): 938-944.
基于实测光谱指数法的ASTER遥感数据岩性信息提取
陈圣波1, 于亚凤1, 杨金中2, 王楠1, 梦华1     
1. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026 ;
2. 中国国土资源航空物探遥感中心, 北京 100083
收稿日期: 2015-09-15
作者简介: 陈圣波(1967),男,教授,博士生导师,主要从事遥感地质研究,E-mail:chensb0408@126.com。
基金项目: 中国地质调查局项目（12120113100100）
摘要: 目前，光谱波段比值法可以用于岩性信息提取与识别。以新疆北山坡北造山带辉长岩、橄榄岩、橄榄辉长岩以及闪长岩为研究对象，深入分析这四种岩性在VNIR（可见光-近红外）-SWIR（短波红外）谱域的光谱差异。基于辉长岩、橄榄辉长岩、橄榄岩以及闪长岩在2 300 nm附近存在-OH的吸收特征，建立了第8波段的相对吸收深度RBD8；基于橄榄辉长岩、橄榄岩以及闪长岩在400~700 nm出现的弱吸收特征，建立比值指数RI21来反映四种岩性含Fe3+矿物的丰度；基于四种岩性在1 100 nm附近都存在由Fe2+引起的宽而强的吸收谱带，建立了比值指数RI54来估计Fe2+含量。利用RBD8、RI21以及RI54三个比值指数分别对影像进行增强处理，并对增强后的影像进行RGB彩色合成，不仅识别和提取出辉长岩、橄榄岩、橄榄辉长岩和闪长岩，还有效区分出片岩以及碳酸盐岩等岩性信息。
关键词: 波段比值     相对吸收深度     ASTER     岩性提取    
Lithologic Information Extraction from ASTER Remote Sensing Data Based on Spectral Ratio Method
Chen Shengbo1, Yu Yafeng1, Yang Jinzhong2, Wang Nan1, Meng Hua1     
1. College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China ;
2. China Aero Geophsical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China
Supported by Geological Survey's Project(12120113100100)
Abstract: At present, the spectral bands ratio method can be used for extracting and recognizing the lithologic information.In this paper, the gabbro, peridotite, olive gabbro, and diorite in the north slope of north orogenic belt in Xinjiang are selected as the research object, we deeply analyze the difference of the four kinds of lithology in VNIR-SWIR spectrum domain. On account of the -OH absorption characteristic of the gabbro, olive gabbro, and peridotite diorite in the near 2 300 nm spectrum, we establish the relative absorption depth data of band 8, which is called RBD8.On the strength of the weak absorption characteristics of the olive gabbro, peridotite diorite and between 400 nm to 700 nm in the spectrum, we establish the RI21 ratio index to reflect the abundance of the four kinds of lithologies, which contain Fe3+. Because of the wide and strong absorption band of the four kinds of lithology near 1 100 nm in the spectrum caused by Fe2+, we establish the ratio index, which is called as RI54 to estimate the content of Fe2+.Using ratio indexes RBD8, RI21 and RI54 to enhance the image, respectively, we enhance image for the RGB color composite.We not only identify and extract the gabbro, peridotite, olive gabbro, and diorite, but also effectively distinguish the lithology information between schist and carbonate rock.Because of the wide and strong absorption band of the four kinds of lithology near 1 100 nm in the spectrum caused by Fe2+, we establish the ratio index which is called RI54 to estimate thecontent of Fe2+.
Key words: bands ratio     relative absorption-band depth     ASTER     lithology extraction    

0 引言

目前，随着遥感岩性识别技术在地质科学研究中的广泛应用，国内外相关学者开始从岩性光谱特征出发，探究由不同岩石矿物种类及化学特征所引起的光谱特征差异[1]，利用比值运算增强光谱间的差异性，进而建立起不同岩性信息的提取方法。Rowan等[2]基于MSS(多光谱扫描仪)数据，利用MSS 4/5、5/6和6/7的比值运算对影像进行彩色合成，在Nevada的Goldfield矿区提取出长英质火山岩、镁铁质岩、次生黏土矿化和褐铁矿蚀变带。Ninomiya等[3]根据ASTER的TIR(热红外)谱域特征，建立了CI=B13/ B14、QI=(B11×B11)/(B10×B12)和MI=B12/B13三个比值指数，成功提取出碳酸盐类岩石、石英质沉积岩以及硅酸盐类岩石。Amer等[4]利用ASTER数据提取了3、6、8三个波段的相对吸收深度RBD3、RBD6以及RBD8，通过对其进行彩色合成，成功区分出埃及中东沙漠研究区的蛇绿岩与花岗岩。郑硕[5]基于ASTER数据，利用波段比值增强技术选择比值2/1、比值4/8与相对吸收深度RBD6用于指示研究区碱长花岗岩、二长花岗岩与斜长花岗岩的岩性信息。时丕龙等[6]采用相关吸收波段深度(RBD)和波段比值(BR)方法对研究区的ASTER数据进行图像处理，有效识别出白云岩、石灰岩、砂岩以及阿克苏群的蓝片岩一绿片岩和砂质片岩。

本文以新疆北山坡北造山带为研究区，通过分析ASTER数据在每个波段的设置特征以及研究区内辉长岩、橄榄岩、橄榄辉长岩以及闪长岩的光谱特征差异，建立了RI21、RBD8以及RI54三个比值指数，通过彩色合成，不仅识别出辉长岩、橄榄岩、橄榄辉长岩和闪长岩，还有效提取出片岩以及碳酸盐岩等，为该区岩石矿物信息提取与分析提供一定的参考价值。

1 研究区概况

研究区位于新疆北山坡北造山带，地处91°30′51.6″E—91°33′4.2″E，40°33′31.5″N—40°35′26″N。这里气候干旱，年平均降水20 mm，年平均气温10 ℃。夏季地表温度70 ℃以上，春季风沙强烈，植被发育差，岩石出露情况良好，是地质研究的理想地区。区内出露的主要岩性包括辉长岩、橄榄辉长岩、橄榄岩、闪长岩、花岗岩以及大理岩等。研究区1∶10 000地质图简图如图 1所示。

1.中元古界白湖群下岩组：黑云石英片岩、斜长黑云片岩、斜长石英片岩；2.中元古界白湖群上岩组：大理岩、石榴石矽卡岩；3.黑云石英片岩；4.斜长黑云片岩；5. 斜长石英片岩；6.大理岩；7. 矽卡岩、石榴石矽卡岩；8.冲洪积沙土碎石层；9.橄榄岩相；10.橄榄辉长苏长岩；11.辉长岩；12.蚀变带；13.片麻状黑云母花岗岩；14.黑云母花岗岩；15.闪长岩；16.灰绿玢岩脉；17.石英脉；18.(斜长)单辉辉橄岩相;19.辉长岩脉；20.花岗岩脉。 图 1 研究区地质图 Figure 1 Geologic map of the study area
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2 数据分析与处理 2.1 岩石光谱分析

岩石光谱差异性分析是提取不同岩性信息的基础，可见光近红外(VNIR)波段的吸收特征是由铁、铜等金属阳离子的电子跃迁而引起的，而短波红外(SWIR)谱带的吸收特征主要是由OH3-、CO2-等阴离子基团的分子振动而产生[7-8]。研究区不同岩性反射率光谱曲线如图 2所示。为有效突出光谱曲线的吸收、反射特征，将岩性实测光谱数据进行去包络线处理，去包络线之后的曲线如图 3所示。

闪长岩、辉长岩、橄榄辉长岩以及橄榄岩在2 300 nm附近都存在-OH吸收特征，且对应于ASTER第8波段，但这四种岩性在第8波段的-OH吸收深度明显不同。从这四种岩性的实测反射率光谱曲线(图 3)上可以看到：橄榄岩、橄榄辉长岩以及闪长岩在400~700 nm出现了弱的吸收特征，这很有可能是由于铁离子的电子跃迁引起的，且对应于ASTER第1波段和第2波段，但四种岩性在500 nm附近处的吸收深度以及吸收宽度明显不同；闪长岩、辉长岩、橄榄辉长岩以及橄榄岩在1 100 nm附近都存在着由Fe2+引起的宽而强的吸收谱带，且从1100~1 600 nm反射率稳定增大，此特征对应于ASTER第4波段和第5波段；但四种岩性在1 100nm附近处的吸收深度以及吸收宽度明显不同。

a.辉长岩；b.橄榄岩；c.橄榄辉长岩；d.闪长岩。 图 2 研究区内不同岩石反射率光谱曲线 Figure 2 Reflectance spectra of different rocks in the study area
图选项
2.2 ASTER数据预处理

研究所用遥感影像是2002年5月13日由ASTER传感器采集的等级为L1B的数据，在VNIR波段空间分辨率为15 m，SWIR波段为30 m。根据波段设置特征，选择其中1—9波段进行处理分析。为了充分利用VNIR波段的高分辨率特性，首先将SWIR波段数据重采样到15 m，然后利用ENVI软件实现ASTER数据的几何校正和大气校正。

3 研究方法 3.1 比值指数

研究中:针对辉长岩、橄榄辉长岩、橄榄岩以及闪长岩在2 300 nm附近存在-OH吸收特征，建立第8波段的相对吸收深度RBD8，用来反映这四种岩性存在于2 300 nm附近的-OH吸收强度[9-11];针对橄榄辉长岩、橄榄岩以及闪长岩在400~700 nm出现的弱吸收特征，建立比值指数RI21，用来反映四种岩性含Fe3+矿物的丰度;针对四种岩性在1 100 nm附近都存在着由Fe2+引起的宽而强的吸收谱带，建立比值指数RI54，用来估计Fe2+含量。上述指数的计算公式为：

RI21=band2/band1；

RBD8=(band7+band9)/band8；

RI54=band5/band4。

其中：band1为第1波段的反射率值；band2为第2波段的反射率值；其余类推。

在利用比值计算完成图像增强处理后，对增强后的影像进行RGB彩色合成，进而将岩性信息提取出来。

3.2 遥感数据处理与分类

基于上述光谱特征分析，对预处理后的ASTER研究区影像数据进行波段比值处理，结果如图 4所示。

图 4a(RI21)显示，灰度值高的区域(Fe3+)主要分布于研究区中南部，即部分基性岩区、部分中元古界白湖群上岩组(ChB1)区域以及闪长岩区域。图4b(RBD8)中灰度值高的区域代表-OH含量高的岩体。图 4c(RI54)显示了含Fe2+矿物的分布，可以看出，含Fe2+矿物的分布范围较大，在基性岩区以及中元古界白湖群上岩组(ChB1)区域均有广泛分布。

a.辉长岩；b.橄榄岩；c.橄榄辉长岩；d.闪长岩。 图 3 研究区内不同岩石连续统去除后光谱曲线 Figure 3 Continuum-removed reflectance of different rocks in the study area
图选项
a.RI21;b.RBD8;c.RI54。 图 4 波段比值图像 Figure 4 Bands-ratio images of the study area
图选项

根据研究中要提取的闪长岩、辉长岩、橄榄辉长岩以及橄榄 岩的光谱特征，相应采用RI21，RBD8，RI54(红、绿、蓝)对ASTER光谱比值进行彩色合成，然后对分类结果进行解译。岩石分类结果如图 5所示。为了方便分析，将岩性分类结果划分成A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q以及R区域。

图 5 比值指数法岩性分类结果 Figure 5 Lithologic classification result of ratio index method
图选项
3.3 结果分析与讨论

根据研究区1∶10 000地质图资料可以对岩性分类结果进行定性评价与分析，在比值组合的分类结果图(图 5)上：H区的中元古界白湖群上岩组(ChB2)和下岩组(ChB1)所包含的岩性被很好地提取出来，以紫色显示；北部N区出露的一套矽卡岩(紫色)也被提取出来，且沿着基性岩的外围呈线状分布；南部A区的闪长岩也被提取出来并与地质界线吻合较好，以橙色显示；北部提取出的辉长岩(B)以青色显示，并与地质界线基本吻合；C、D、E、G区提取出的辉长岩以绿色显示，说明这部分辉长岩在2 300 nm处的吸收特征较强，信息提取中对RBD8较敏感，但参照地质图界限可以发现，这些信息在提取过程中也不免会存在一些误分、漏分现象；F区提取出的岩性以黄绿色显示，参照地质图，推断这部分岩性为辉长岩；E区出露的一小块橄榄辉长岩以及R区出露的两小块橄榄辉长岩与地质界线基本吻合，在分类结果图上与B区的辉长岩一样，以青色显示，这不仅说明比值指数RBD8和RI54在这部分橄榄辉长岩信息提取中贡献较大，也能反映出橄榄辉长岩是辉长岩的子类这一特性；I、J、P、Q区提取出的斜长石英片岩与地质界限基本吻合，且以红色显示，分析认为，斜长石英片岩对指数RI21比较敏感；K区提取出的黑云母花岗岩与地质图基本吻合，且以黄绿色显示；M区提取出的片麻状黑云母花岗岩与地质界线吻合良好，且以暗紫色显示，这说明在提取片麻状黑云母花岗岩时比值指数RI21和RI54的贡献较大；Q区以及R区提取出的岩性分别以红色和黄绿色显示，参照地质图，推断这两部分岩性为橄榄岩；L区提取出的岩性，从影像解译的角度看没有明显的褶皱，说明其出露情况不是很好，参照周围已确定岩性的特征，这部分岩性与提取出的斜长石英片岩一样，对比值指数RI21比较敏感，所以将这部分岩性初步定为斜长石英片岩。

4 结论

1) 本文以新疆北山坡北造山带为例，根据辉长岩、橄榄辉长岩、橄榄岩以及闪长岩在2 300 nm附近存在-OH吸收特征，建立了第8波段的相对吸收深度RBD8；根据橄榄辉长岩、橄榄岩以及闪长岩在400~700 nm出现的弱吸收特征，建立比值指数RI21；针对四种岩性在1 100 nm附近都存在由Fe2+引起的宽而强的吸收谱带，建立了比值指数RI54。

2) 通过RBD8、RI21、RI54增强后的影像进行RGB彩色合成，不仅识别出辉长岩、橄榄岩、橄榄辉长岩和闪长岩，还有效提取出片岩以及碳酸盐岩等；经分析认为，光谱波段比值法可以有效实现岩性信息提取。

参考文献
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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201603308
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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陈圣波, 于亚凤, 杨金中, 王楠, 梦华
Chen Shengbo, Yu Yafeng, Yang Jinzhong, Wang Nan, Meng Hua
基于实测光谱指数法的ASTER遥感数据岩性信息提取
Lithologic Information Extraction from ASTER Remote Sensing Data Based on Spectral Ratio Method
吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(3): 938-944
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2016, 46(3): 938-944.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201603308

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收稿日期: 2015-09-15

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