ZY1-02D高光譜數據在地質礦產調查中的應用與分析

李根軍，楊雪松，張興，李曉民，李得林，杜程

(1.青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012；2.青海省地質調查院，西寧 810012)

0 引言

資源一號02D(ZY1-02D)衛星于2019年9月12日成功發射，是我國自主建造并成功運行的首顆民用高光譜業務衛星。該衛星運行于太陽同步軌道，回歸周期為55 d，設計壽命為8 a。衛星配置可見-近紅外相機和高光譜相機，重點針對短波紅外譜段進行了譜段細分，光譜遙感特性突出，可實現地物的精細化光譜信息調查，滿足新時期自然資源監測與調查需求。

隨著高分五號(GF-5)衛星數據的使用，基于高光譜數據的礦物識別技術得到了廣泛的應用，但由于GF-5衛星接收數據能力有限，目前還滿足不了地質礦產調查工作的需要。ZY1-02D衛星的發射，與GF-5衛星交叉組網，極大地提升了高光譜數據的接收能力，為星載高光譜數據在地質礦產領域的業務化應用提供了數據保障[1-2]。

為了測試ZY1-02D高光譜載荷數據在地質礦產調查中的應用能力[3]，本文以青海省茫崖市冷湖鎮東地區為研究區，在數據質量分析的基礎上開展巖性及礦物信息識別，并對其進行應用分析，為該數據在地質礦產領域的業務化應用提供依據。

1 研究區概況

研究區位于青海、甘肅兩省交界處的阿爾金山東段及冷湖地區，屬南祁連山南緣及柴達木盆地北緣，行政區劃屬青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦鎮和冷湖鎮管轄。研究區中心坐標為：E93°52′50″，N38°42′05″。區內山勢陡峻，山脈橫亙呈NW走向，切割強烈，峰巒疊嶂，溝谷發育，地勢險峻，屬強烈剝蝕的構造高山區。地勢西北高，東南低。區內西南部為高原低山丘陵地帶，屬柴達木盆地的一部分，多為戈壁及沙漠，地形較復雜。

1.現代湖泊；2.全新世沼澤堆積；3.晚更新世沖洪積；4.晚更新世洪積；5.油砂山組；6.干柴溝組上段；7.干柴溝組下段；8.懷頭他拉組；9.灘間山群碎屑巖組；10.灘間山群火山巖組；11.達肯達坂巖群片麻巖組；12.達肯達坂巖群碎屑巖組；13.大理巖；14.二疊紀似斑狀二長花崗巖；15.二疊紀正長花崗巖；16.二疊紀閃長巖；17.泥盆紀閃長巖；18.泥盆紀花崗閃長巖；19.泥盆紀中泥盆世二長花崗巖；20.泥盆紀花崗斑巖；21.泥盆紀晚泥盆世二長花崗巖；22.志留紀輝長巖；23.奧陶紀花崗閃長巖；24.花崗巖脈；25.閃長巖脈；26.石英脈；27.地質界線；28.斷裂構造

2 研究方法

2.1 遙感數據及預處理

2.1.1 高光譜數據

本次研究選取的數據為ZY1-02D衛星高光譜相機載荷數據，并選取GF-5高光譜數據進行對比分析，其數據參數見表1。本文選取的L1A級ZY1-02D星AHSI數據，時相為2020年3月4日，數據質量好，無積雪、云等干擾因素(圖2)，能夠滿足本次研究工作的需要。

表1 ZY1-02D與GF-5數據參數Tab.1 Data parameter of ZY1-02D與GF-5

圖2 研究區ZY1-02D星AHSI數據B29(R)，B19(G)，B10(B)合成圖像Fig.2 The synthetic images of ZY1-02D star Ahsi Data B29(R),B19(G),B10(B)in the study area

2.1.2 數據預處理

遙感圖像數據的預處理目的是降低或遙感圖像因輻射度失真、大氣消光和幾何畸變等造成的圖像質量的衰減[5-7]。本次工作數據預處理流程為：輻射定標—波段合成—去除條紋—輻射校正—大氣校正—幾何糾正。

ZY1-02D高光譜短波紅外波段(SWIR)數據中條紋現象明顯，故采用“全局去條紋”的方法進行條紋修復，從圖3中可見條紋去除的效果較好。

(a)原始圖像 (b)條紋修復后圖像

大氣校正在高光譜數據預處理中占有重要作用。大氣中含有的氣溶膠、水汽、光照角度、強度的不同，都會影響傳感器接收記錄地物的反射波譜；大氣校正能夠在很大程度上糾正由這些因素引起的誤差，獲取到地物真實反射率等。本次工作采用了遙感圖像處理軟件ENVI中的FLAASH模塊進行大氣校正處理。

為了驗證大氣校正效果，本文選取冷湖鎮東研究區的大理巖地層，提取ZY1-02D數據和JHU波譜庫中大理巖光譜曲線進行對比分析。結果顯示該數據高光譜反射率光譜曲線與JHU波譜庫曲線形態特征基本一致，且特征吸收位置(2.33 μm附近)一致(圖4(a))；并且用ZY1-02D數據和GF-5高光譜數據的光譜曲線進行對比，顯示該數據高光譜反射率光譜曲線與GF-5光譜曲線形態特征基本一致(圖4(b))，在大理巖特征譜帶范圍內譜形吻合度高。表明ZY1-02D高光譜數據能夠滿足巖礦信息識別的要求。

(a)ZY1-02D與JHU波譜庫 (b)ZY1-02D數據與GF-5數據

2.2 礦物識別與提取技術方法

本次研究采用以重建光譜與標準光譜相似性度量為基礎的光譜匹配方法開展研究區礦物信息提取，主要包括端元光譜選取、礦物識別與提取兩部分。

2.2.1 端元光譜選取

采用像元純度指數(pixel purity index,PPI)法選取端元光譜，主要包括最小噪聲分離(minimum noise fraction,MNF)變換、PPI計算、N維可視化與端元選取3個部分(圖5)。其中MNF變換是將數據中的信息與噪聲分離，起到降維與去噪的目的，提高了后續處理計算的效率；PPI計算是將像元光譜矢量反復投影到不同隨機方向的“軸”上，統計各像元投影到各個軸兩端或接近兩端的次數；PPI僅是選出純像元指數較大的備選像元子集，須將計算結果輸入N維可視化工具中，通過向不同方向的低維空間投影，在低維散點云圖中進行端元的選取。

圖5 端元波譜識別技術流程Fig.5 Technical flow of endmember spectrum identification

2.2.2 礦物識別與提取

本文選用光譜角和混合調制匹配濾波法進行巖礦信息提取。其中混合調制匹配濾波算法計算的結果是兩組圖像，即匹配濾波得分圖像與非合理性圖像。非合理性越小，匹配濾波得分越大，像元光譜與端元光譜匹配就越好。

3 結果分析

3.1 礦物信息識別及分析

在數據預處理的基礎上運用MNF變換對反射率數據進行波譜降維，然后利用PPI分析進行空間降維并用N維可視化方法進行端元識別，基于圖像獲取了褐鐵礦、白云石、綠泥石、方解石及黃鐵礦等礦物的波譜信息，運用光譜角法和混合調制匹配濾波法分別提取礦物信息[8-11]。結果顯示，綠泥石信息主要分布在不同巖性層的接觸帶及北西向斷裂構造附近；褐鐵礦和黃鐵礦信息集中分布在該區南部的北西向斷裂構造附近；方解石信息集中分布在碳酸鹽巖地層中(圖6)。

本文采用同一種技術方法對ZY1-02D和GF-5數據進行礦物信息提取(圖7)，分析ZY1-02D數據識別礦物信息的正確性。對兩種數據提取的方解石礦物信息進行對比，結果顯示方解石礦物信息均分布在研究區東北部的大理巖地層之中，其中4處集中分布的地段，方解石的分布位置及形態均一致，并且礦物信息的集中強度均具有較好的一致性，表明ZY1-02D數據提取礦物信息是可行的。

(a)ZY1-02D數據提取方解石信息 (b)GF-5數據提取方解石信息

3.2 地質礦產調查應用分析

3.2.1 巖性信息可識別性

依據實測的巖石礦物波譜，利用ZY1-02D高光譜數據豐富的光譜信息可識別不同的巖石類型。首先對實測的巖石波譜數據進行不同的光譜增強處理，分別進行歸一化、包絡線去除、一階微分變化等光譜增強處理，達到突出巖石特征波段信息，增加巖石光譜之間距離的目的；然后在確定端元波譜的基礎上，采用光譜匹配的方法有效地提取了該區的大理巖、二長花崗巖巖性信息[12]。大理巖巖石的光譜特征明顯，依據實測的大理巖光譜數據(圖8(a))，采用光譜匹配技術能夠準確地提取，結合地質圖顯示，大理巖信息與測試區分布的大理巖地層完全吻合(圖8(b))。經實測調查，本次工作提取的測試區西部大理巖信息，為早石炭世懷頭他拉組地層，巖性為大理巖。該套巖性層走向為NNW，傾向57°，地層近于直立(圖8(c)和(d))。受到風化剝蝕作用的影響，地層較為破碎，形成孤立的山體。結合該區地質圖，本次工作提取的二長花崗巖信息集中分布在中二疊世淺肉紅色中粗粒似斑狀二長花崗巖和淺肉紅色中粒二長花崗巖巖體中，且吻合度高(圖9)，反映出ZY1-02D高光譜數據提取中酸性侵入巖具有較好的應用效果。

(a)ZY1-02D數據與實測大理巖光譜特征對比(b)大理巖信息

圖9 研究區南部二長花崗巖信息Fig.9 The Adamellite in the south of the study area

3.2.2 礦物信息可識別性

本文選取造巖礦物和蝕變礦物開展ZY1-02D數據的礦物信息識別能力評價。

(a)方解石礦物信息 (b)白云石礦物信息 (c)大理巖地層影像

2)蝕變礦物信息。研究區內產出的礦床主要為金礦和鐵礦，其中金礦為構造蝕變巖型，鐵礦為矽卡巖型，其礦化蝕變類型主要有褐鐵礦化、黃鐵礦化、綠泥石化、絹云母化等。本文選取褐鐵礦化、黃鐵礦化、綠泥石化3種蝕變類型進行蝕變礦物信息提取[13-16]。從提取結果(圖11)來看，綠泥石信息主要沿F1，F2，F3(斷裂北段)，F4，F5斷裂及晚奧陶世輝長巖體和達肯大坂巖群片麻巖巖組地層的接觸帶附近分布；褐鐵礦和黃鐵礦信息集中分布在F2斷裂北側的灘間山群下碎屑巖組地層之中，部分地段順層展布。綜上所述，采用ZY1-02D高光譜數據提取的蝕變礦物信息具有較高的準確性，對地質礦產勘查工作能夠提到一定的指導作用。

4 結論

本文利用ZY1-02D高光譜載荷數據和GF-5數據以及標準波譜庫在光譜特征和礦物信息識別方面對ZY1-02D數據進行了對比分析，并在此基礎上開展了研究區地質礦產調查應用分析。研究認為，ZY1-02D高光譜載荷數據在基巖裸露-半裸露區能夠滿足地質礦產調查應用需求。結論如下：

1)經過輻射定標、去除條紋處理、大氣校正及幾何糾正等數據預處理，獲得的影像，其地物光譜特征譜形清晰可辨，特征光譜吸收位置準確，與實測光譜曲線吻合度高，表明ZY1-02D衛星數據質量較好，噪聲干擾較少，能夠較好地應用到自然資源調查之中。

2)針對冷湖鎮東測試區的不同巖性進行提取試驗，結果顯示大理巖和二長花崗巖信息與實地地質體分布情況一致，提取效果較好。表明ZY1-02D衛星數據在礦源層信息提取方面，具有較大的潛力。

3)通過礦物信息提取試驗，碳酸鹽巖的造巖礦物識別效果好，方解石和白云石礦物信息均能精確地提??；褐鐵礦、綠泥石及黃鐵礦等蝕變礦物的提取效果較好，整體上能反映出測試區礦化蝕變的分布特征。表明ZY1-02D衛星數據能夠較為準確地提取礦物信息，有效地指導地質礦產調查工作。