魏學(xué)娟，徐　剛

基于WorldView-II與Aster數(shù)據(jù)的Fe信息提取
——以南極拉斯曼丘陵為例

魏學(xué)娟，徐剛

（中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081）

利用WorldView-Ⅱ遙感影像高空間分辨率和高波譜分辨率的數(shù)據(jù)優(yōu)點，結(jié)合Aster數(shù)據(jù)波段互補的優(yōu)勢，進行南極大陸邊緣拉斯曼丘陵Fe信息提取研究。研究結(jié)果表明，使用WorldView-Ⅱ與Aster數(shù)據(jù)對比分析的主成分法，提取Fe3+信息，采用WorldView-Ⅱ與Aster協(xié)同數(shù)據(jù)下的波段運算法，提取Fe2+信息，可以達到優(yōu)勢互補的目的。Fe信息提取結(jié)果顯示，含鐵礦物信息分布區(qū)主要集中在混合片麻巖與副片麻巖區(qū)域，分別占Fe信息總面積的80.39%和15.73%，與野外調(diào)查結(jié)果基本一致。

多源遙感數(shù)據(jù)；主成分；比值法；Fe信息提取

0　引言

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，基于Tm（Etm+）及Aster數(shù)據(jù)影像Fe信息遙感異常提取技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。就信息提取來說，研究使用模型很多，主要有主成分分析法、波段比值法以及光譜角填圖法。國外的研究早于國內(nèi)，早在1977年，Roman等人就采用MSS波段比值法提取了褐鐵礦信息；Crosta等［1］1989年采用主成分分析法基于TM數(shù)據(jù)成功提取了巴西Minais Gerais半干旱地區(qū)鐵染信息。國內(nèi)的研究主要始于20世紀90年代，有學(xué)者成功利用TM 1，3，4，5以及Aster 1，2，3，4或其主成分改進模型進行了Fe3+信息的提?。?～5］；唐超等［6］根據(jù)鐵離子礦物的波譜曲線特征，基于TM及Aster數(shù)據(jù)使用波段比值法提取Fe信息；光譜角填圖法根據(jù)鐵離子光譜曲線的矢量特征進行相似性判別，利用該方法提取Fe信息也取得了較好的效果［7～9］；此外，也有學(xué)者利用幾種方法組合對結(jié)果進行優(yōu)選，提高了結(jié)果的正確性［10～13］。但傳統(tǒng)使用的TM和Aster數(shù)據(jù)，由于光譜分辨率和空間分辨率的限制，產(chǎn)生的混合像元直接造成了提取精度不高。

WorldView-II影像具有8個波段，空間分辨率和波譜分辨率均很高。本文以WorldView-II數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合Aster數(shù)據(jù)的波段互補優(yōu)勢對南極拉斯曼丘陵Fe信息進行提取，以期提高Fe信息的提取精度。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東南極大陸邊緣拉斯曼丘陵的基巖裸露區(qū) （見圖1），面積35.28 km2，區(qū)域巖性屬于前寒武變質(zhì)巖系，分布有中元古界、晚元古界正片麻巖、副片麻巖、混合片麻巖及麻粒巖，另有少量古生代花崗巖。含鐵礦物主要賦存于元古代片麻巖中，發(fā)育很多含磁鐵礦的巖系 （見圖2），以Fe2+和Fe3+的形式存在。含鐵礦物以磁鐵礦為主，近地表有少量褐鐵礦分布。

圖1　研究區(qū)地理位置及地質(zhì)簡圖Fig.1 Position and geological map of the study area

磁鐵礦、褐鐵礦的化學(xué)結(jié)構(gòu)式分別為Fe2O3·FeO和Fe2O3·nH2O。對于區(qū)域內(nèi)含磁鐵礦、褐鐵礦的巖石，可以根據(jù)鐵的特征吸收限選取光譜子集，進行波譜直接識別和提取。而對于南極大陸，由于大陸氣候和地理條件非常差，其穿越條件有限，可以采用遙感手段進行區(qū)域性Fe信息識別。

2　數(shù)據(jù)源的選擇

利用Landsat遙感數(shù)據(jù)提取圍巖蝕變異常信息的技術(shù)較成熟，但由于其波譜分辨率較低，提取的蝕變異常通常包含較多的偽信息，因而不利于區(qū)域Fe信息識別。Aster圖像數(shù)據(jù)的波譜分辨率 （尤其在短波紅外和熱紅外波段）與空間分辨率較Landsat遙感數(shù)據(jù)有所提高，已得到廣泛應(yīng)用 （見圖3），并在一定程度上提高了蝕變異常信息提取的精度，但空間分辨率依然有限。WorldView-Ⅱ影像有2個優(yōu)點：①空間分辨率高，多光譜空間分辨率達到了1.8 m，全色0.48 m，可以有效減少像元帶來的混合光譜效應(yīng)；②波譜分辨率高，由于Fe3+的吸收特征主要位于可見光—近紅外波譜范圍，而WorldView-Ⅱ在該范圍有8個波段，與Aster和Tm（Etm+）比較，能夠反映更多的波譜細節(jié)特征。因此，WorldView-Ⅱ?qū)τ阼b別可見光范圍內(nèi)的波譜特征更具優(yōu)勢 （見圖3），但波譜覆蓋范圍較窄。而高光譜數(shù)據(jù)的波譜分辨率很高，但空間分辨率低，并且該數(shù)據(jù)在本研究區(qū)難以獲取。因此本文嘗試在主要利用WorldView-Ⅱ數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Aster數(shù)據(jù)的波段互補優(yōu)勢提取Fe信息，以期提高Fe信息遙感識別精度。兩種數(shù)據(jù)的影像特征見表1。

圖2　野外含磁鐵礦的巖系圖Fig.2 Field map of containing magnetite rock

圖3　典型含鐵礦物波譜與WorldView-Ⅱ、Aster波譜通道對應(yīng)關(guān)系圖Fig.3 Corresponding relations between the spectra of typical iron-bearing minerals and bands of WorldView-Ⅱand Aster

表1　WorldView-II與Aster數(shù)據(jù)影像特征Table1 The data features of WorldView-II and Aster

3　Fe信息提取

礦物在380～1100 nm波段的光譜特征主要是由金屬離子產(chǎn)生的，其中以Fe的吸收譜帶最為顯著。Fe2+吸收譜帶的中心波長常位于430 nm，450 nm，510 nm，550 nm，1000～1100 nm附近，其中510 nm，550 nm的吸收比較強，1100 nm附近的吸收最強，代表礦物有菱鐵礦等。Fe3+的吸收譜帶位于400 nm，450 nm，490 nm，700 nm和870 nm。在400 nm，700 nm和870 nm位置附近形成強吸收帶，代表礦物有赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等。與WorldView-Ⅱ，Aster數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系如圖3。

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用AsterL1B級數(shù)據(jù)，已做幾何校正和輻射校正，獲取時間為2014-06-10；WorldView-II數(shù)據(jù)獲取時間為2011-01-29，需做輻射校正、大氣校正；其次對兩種數(shù)據(jù)進行基于地形圖的幾何精校正；最后對冰雪進行掩膜處理。

采用ENVI 5.0遙感軟件進行處理，使用的是FLAASH大氣校正模塊，該大氣校正方法是目前精度最高的大氣校正模型，適用于該研究區(qū)。

3.2Fe3+信息提取

以Aster數(shù)據(jù)主成分方法及提取結(jié)果為參考，嘗試使用WorldView-Ⅱ數(shù)據(jù)應(yīng)用于Fe3+信息的提取。

首先利用Aster數(shù)據(jù)進行主成分分析。含F(xiàn)e3+礦物，如褐鐵礦、赤鐵礦，它們在Band1 和Band2呈低反射，而在Band4處呈強反射，因此可取1、2、3、4波段組合進行主成分分析。判別其主分量圖像的標準是Band1，Band2和Band4貢獻系數(shù)符號相反，由表2可知，PC4符合要求。

表2　鐵染異常主成分分析向量矩陣表 （Aster）Table 2 Eigenvector matrix of PC4

根據(jù)第四主成分拉伸后的平均值加2倍、2.5倍、3倍的標準差，劃分3個級別的異常，最后進行濾波得到提取結(jié)果 （見圖4a）。

圖4　基于WorldView-II與Aster數(shù)據(jù)的Fe3+信息提取結(jié)果Fig.4 Information extraction of ferric iron based on WorldView-II and Aster data

從圖3中可以看出，WorldView-Ⅱ在B1，B2，B8呈強吸收，在B4呈現(xiàn)反射特征，在B6呈現(xiàn)強反射。因此嘗試使用B1，B4，B6，B8進行Fe3+離子的提取。其中，B1，B8應(yīng)與B4，B6相反，且貢獻系數(shù)為正，B4，B6貢獻系數(shù)為負。

由表3可知，第三主成分符合要求。對其進行求反，根據(jù)第三主成分拉伸后的平均值加2倍，2.5倍，3倍標準差，劃分3個級別的異常，最后進行濾波得到提取結(jié)果 （見圖4b）。

表3　鐵染異常主成分分析向量矩陣表 （WorldView-II）Table 3 Eigenvector matrix of PC3

從圖4可以看出，兩種數(shù)據(jù)提取的Fe3+信息分布趨勢大體一致，大部分區(qū)域重合；表4顯示兩數(shù)據(jù)提取的各異常級別Fe3+信息的面積也大體一致，說明WorldView-II提取Fe3+信息具可行性。加之WorldView-Ⅱ空間分辨率較高，提取結(jié)果更能體現(xiàn)細節(jié)信息；而Aster數(shù)據(jù)分辨率較低，只能識別大范圍的蝕變異常［14］。因此，本文最終采用WorldView-Ⅱ的提取結(jié)果。

表4　WorldView-II與Aster數(shù)據(jù)提取的Fe3+面積統(tǒng)計Table 4 Ferric iron area statistics using WorldView-II and Aster data

3.3Fe2+信息提取

3.3.1比值法

對于Fe2+信息，首先使用Aster數(shù)據(jù)比值法確定大致范圍。在Band1，Band2，Band3，Band4反射率逐漸增高，而在Band4處呈強反射，因此運用Band4/Band3比值進行提取，高值區(qū)域即為可能的Fe2+信息。

3.3.2協(xié)同數(shù)據(jù)

由于Fe2+信息在1000～1100 nm附近的吸收最強，而該處吸收谷受多光譜分辨率的限制，無法在遙感影像中反映出來。但 Fe2+礦物 （如菱鐵礦），在 WorldView-ⅡBand6、WorldView-ⅡBand7與 Aster Band4之間或WorldView-ⅡBand6、WorldView-II Band8與 Aster Band4之間形成一個V字型 （見圖5），因此可以利用波段深度比值法來增強Fe2+信息。

圖5　WorldView-II，Aster和協(xié)同數(shù)據(jù)波譜范圍圖Fig.5 Spectrum map of WorldView-II，Aster and synergetic data

波段深度比值法適用于在某一波段有強烈吸收，在兩側(cè)波段反射率較高的情況。具體計算時，分子為兩側(cè)吸收肩數(shù)值之和 （Aster Band3+Aster Band4），分母為最接近吸收谷的波段數(shù)值 （WorldView-ⅡBand8），通過比值突出吸收特征。

因此，設(shè)計公式如下：

限制條件：（WorldView-ⅡBand6＞W(wǎng)orldView-ⅡBand8）U（Aster Band4＞W(wǎng)orldView-ⅡBand8）

增強方法：（Aster Band3+Aster Band4）/WorldView-ⅡBand8

按照上述思路，若要實現(xiàn)本節(jié)中設(shè)計的波段算法就需要將多種傳感器下的衛(wèi)星波段信息歸一化到同一個標準上，才能對不同傳感器下的相關(guān)波段進行運算。

理想的歸一化數(shù)據(jù) （以下稱為協(xié)同數(shù)據(jù)［15］）處理過程：①象元匹配，包括不同源遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的統(tǒng)一、像元位置的配準和同一區(qū)域范圍內(nèi)像元數(shù)量的統(tǒng)一；②影像輻射匹配，消除不同時相拍攝獲得的不同源遙感數(shù)據(jù)輻射差異。

但由于本研究區(qū)大部分被雪覆蓋，且有時相差異，兩種數(shù)據(jù)基巖邊界因時相不同存在差異，尤其是Aster數(shù)據(jù)并不清晰，因此很難達到空間的吻合，因此本文以 WorldView-ⅡBand7＞W(wǎng)orldView-ⅡBand8為限制條件，在該限制條件下提取Fe2+信息可能的分布區(qū)域。

對上述兩種方法在ArcGIS中求其并集，即為較完整的Fe2+信息可能的分布區(qū)域，提取結(jié)果見圖6，圖7。

3.4結(jié)果分析

研究區(qū)Fe信息總體呈零星分布，主要分布在斯圖爾內(nèi)斯半島東北部、友誼峰西側(cè)以及熊貓島、布洛克內(nèi)斯半島和海珠半島西部。

提取的Fe信息面積共計1.79 km2，約占研究區(qū)總面積的5.04%，其中含F(xiàn)e3+與Fe2+信息面積分別占4.33%，1.19%，重合面積為0.48%。Fe3+主要分布于斯圖爾內(nèi)斯半島東北部、熊貓島和布洛克內(nèi)斯半島西部等地；Fe2+分布區(qū)域主要有熊貓島東北部、布洛克內(nèi)斯半島及米洛半島的東部等。

含F(xiàn)e3+與Fe2+信息集中分布在混合片麻巖及副片麻巖區(qū)域，分別占Fe信息總面積的80.39%，15.73%，與野外調(diào)查結(jié)果基本一致。詳細統(tǒng)計結(jié)果 （見圖8）顯示，副片麻巖區(qū)Fe信息占Fe總面積的15.73%，F(xiàn)e3+占12.95%，F(xiàn)e2+占2.78%；正片麻巖區(qū)Fe信息占Fe總面積的0.46%，F(xiàn)e3+占0.45%，F(xiàn)e2+占0.02%；花崗巖區(qū)Fe信息占Fe總面積的3.24%，F(xiàn)e3+占2.42%，F(xiàn)e2+占0.82%；鐵鎂質(zhì)麻粒巖區(qū)Fe信息占Fe總面積的0.07%，F(xiàn)e3+占0.06%，F(xiàn)e2+占0.01%；混合片麻巖區(qū)Fe信息占Fe總面積的80.39%，F(xiàn)e3+占62.42%，F(xiàn)e2+占17.97%；復(fù)合正片麻巖 Fe信息占 Fe總面積的 0.10%，F(xiàn)e3+占 0.08%，F(xiàn)e2+占0.03%。

圖6　Fe信息提取結(jié)果圖Fig.6 Extraction map of iron information

圖7　Fe信息分布圖Fig.7 Distribution image of iron information

圖8　Fe信息提取結(jié)果統(tǒng)計Fig.8 Statistical result of iron information

4　結(jié)論

基于WorldView-Ⅱ數(shù)據(jù)，再結(jié)合Aster數(shù)據(jù)的波段互補優(yōu)勢，提高東南極拉斯曼丘陵Fe信息遙感識別精度，取得良好的實驗結(jié)果。

使用WorldView-Ⅱ數(shù)據(jù)下的主成分法提取Fe3+信息，提取的Fe3+礦物結(jié)果更詳細、更具體，提高了Fe3+信息提取的精度。

對于Fe2+信息的提取，使用 Aster比值法，同時以 WorldView-Ⅱ數(shù)據(jù)下的 Band7＞Band8為限制條件，得到了良好的實驗結(jié)果。

嘗試使用Aster與 WorldView-Ⅱ協(xié)同數(shù)據(jù)下的波段運算法，以達到優(yōu)勢互補的目的。Fe2+礦物在WorldView-ⅡBand6或Band7、WorldView-ⅡBand8與Aster Band4之間形成一個“V”字型，因此在波譜歸一化的前提下，可以利用波段深度比值法來增強Fe2+信息。

研究區(qū)Fe信息主要在斯圖爾內(nèi)斯半島東北部、友誼峰西側(cè)以及熊貓島、布洛克內(nèi)斯半島和海珠半島西部等地零星分布。

Fe信息集中分布于混合片麻巖及副片麻巖區(qū)域，分別占Fe信息總面積的88.09%、17.23%，與野外調(diào)查結(jié)果基本一致。

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IRON INFORMATION EXTRACTION IN LARSEMANN HILLS OF ANTARCTIC BASED ON WORLDVIEW-II AND ASTER DATA

WEI Xue-juan，XU Gang

（Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Science，Beijing 100081，China）

Combined with the Aster data of complementary bands，we studied the iron extraction information in Larsemann Hills at Antarctic continental margin using the WorldView-II remote sensing images with high spatial and spectral resolution.The results show that it could achieve the complementary advantages when ferric iron information is extracted by using the principal components analysis with comparison of the WorldView-II and Aster data and ferrous ion information is extracted by using band calculations of the WorldView-II and Aster synergetic data.The iron information extraction results show that the iron-bearing minerals mainly existed in mixed gneiss and paragneiss area，accounting for 79.44%and 17.44%of the total area，which is consistent with the field survey results.

multi-source remote sensing；principal component analysis；ratio method；iron information extraction

P627

A

1006-6616（2015）04-0536-10

2015-06-06

南極環(huán)境綜合分析與評估項目 （CHINARE04-02，CHINARE2014-04-02，CHINARE2015-04-02）

魏學(xué)娟 （1990-），碩士研究生，研究方向遙感地質(zhì)。E-mail：331674312@qq.com

徐剛 （1966-），研究員，研究方向遙感地質(zhì)。E-mail：xuganglxs@126.com