朱彥虎，黃增保

基巖裸露區(qū)基于多光譜遙感影像的快速地質(zhì)解譯
——以甘肅北山黑山地區(qū)為例

朱彥虎1，3，黃增保1，2

（1.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430074）

目前遙感地質(zhì)的影像解譯主要以傳統(tǒng)的目視解譯為主，借助經(jīng)驗(yàn)，方法落后、效率低下，且缺乏基于光譜的計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類、基于專家知識(shí)的決策樹模型或面向?qū)ο筇卣鞯茸詣?dòng)提取方法；目前遙感地質(zhì)的解譯主要強(qiáng)調(diào)遙感影像的空間分辨率，而對(duì)于圖像波譜數(shù)據(jù)利用非常少。本研究旨在通過(guò)各種圖像變換或增強(qiáng)手段，發(fā)揮人眼對(duì)部分彩色空間圖像特別敏感的特點(diǎn)，利用已有地質(zhì)背景資料劃分符合地質(zhì)習(xí)慣的單一地層或巖體的區(qū)域，建立典型的感興趣區(qū)，然后計(jì)算其平均波譜，進(jìn)而利用ENVI軟件監(jiān)督分類中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類工具，設(shè)定恰當(dāng)?shù)臋?quán)重與臨界閾值，最后達(dá)到較好區(qū)分不同地層或巖體的目的。本研究選擇甘肅北山黑山地區(qū)，利用lansat8多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，其研究成果可為遙感地質(zhì)工作提供快速智能的影像解譯方法提供參考，同時(shí)也可以應(yīng)用于青海、西藏等廣闊的基巖出露區(qū)域，為礦產(chǎn)資源勘探提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

landsat8；遙感地質(zhì)；多光譜；波譜角；大氣校正

一幅遙感影像，包含有三個(gè)層面的信息，可以概括為空間維、光譜維、頻率維。若圖像的光譜信息經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)，那么同一地面二維空間連續(xù)空間域的圖像，即不同波段在獲得地面二維空間圖像信息的同時(shí)，還獲取地物的連續(xù)光譜信息，其獲取的數(shù)據(jù)形成一個(gè)三維數(shù)據(jù)集，也叫光譜圖像立方體（圖1），若將每層圖像以傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)再加以變換等手段就可分析圖像的頻率域特征。但是到目前為止，無(wú)論是基于像素的遙感圖像分類方法，還是面向?qū)ο蠡驔Q策樹的手段（劉漢湖等，2009；徐元進(jìn)，2009；劉燕君，1984），在遙感地質(zhì)解譯時(shí)其結(jié)果都難以達(dá)到符合地質(zhì)邏輯或制圖標(biāo)準(zhǔn)的分類效果，如何快速、準(zhǔn)確地解譯一幅遙感影像，將它包含的地層或巖體邊界快速地勾畫出來(lái)（鄒林等，2006；呂鳳軍等，2006；于浩等，2013；Zhangetal.，2007），并且能符合地質(zhì)制圖習(xí)慣，是當(dāng)前以傳統(tǒng)目視解譯為主的遙感地質(zhì)工作者必須面臨的問(wèn)題（唐文周，1998）。本論述正是基于此認(rèn)識(shí)，試圖從多光譜遙感數(shù)據(jù)中以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類方式來(lái)識(shí)別某一具體地層或巖體信息而展開(kāi)研究的。本研究原理主要是利用三層反向傳輸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（李強(qiáng)等，1999；盧柳葉等，2012）。第一層為輸入層，中間層為隱層，第三層為輸出層。輸入層是影響分類精度的關(guān)鍵因素。輸入層因素必須準(zhǔn)確，在滿足地物光譜有明顯差異的基礎(chǔ)上還要滿足一定的數(shù)量條件。

圖1　研究區(qū)光譜圖像立方體

1　研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于甘肅省瓜州縣黑山地區(qū)，構(gòu)造上地處塔里木地塊北緣，雙鷹山-西雙鷹山被動(dòng)陸緣帶上，出露的地層主要為薊縣系平頭山組，為一套白云巖、大理巖組成的臺(tái)地相碳酸鹽巖建造；青白口系大豁落山組，由硅質(zhì)大理巖、白云巖、變質(zhì)砂巖和石英巖組成；寒武系雙鷹山組和西雙鷹山組，主要為一套硅質(zhì)巖、炭質(zhì)板巖、變砂巖夾灰?guī)r，含磷的板巖組成；溝谷中見(jiàn)有中更新統(tǒng)的沖洪積砂礫石層。出露的巖體主要有奧淘紀(jì)的角閃輝長(zhǎng)巖、角閃橄欖巖，志留紀(jì)的石英閃長(zhǎng)巖和石炭紀(jì)的正長(zhǎng)花崗巖，一般沿地層走向侵入，接觸帶見(jiàn)有角巖化，綠泥石化和一些圍巖褪色蝕變現(xiàn)象。構(gòu)造基本為近東西向的斷裂構(gòu)造，一般構(gòu)成各地質(zhì)體的分界。

研究區(qū)內(nèi)主要地層類型有（圖2）：

圖2　研究區(qū)地質(zhì)圖

2　地層（巖體）分類方法與結(jié)果

依據(jù)本研究區(qū)的地質(zhì)背景并結(jié)合目視解譯和實(shí)地調(diào)查，確定將該研究區(qū)劃分為6種主要地層（巖體）（楊建民等，2007），分別為第四系、寒武系、薊縣系、石炭系、奧陶系和青白口系。解譯分粗解譯和精解譯兩個(gè)階段，粗解譯階段是根據(jù)地質(zhì)背景情況，將圖像中感興趣區(qū)域的選擇在同一地層（巖體）中，然后設(shè)定初始輸入值（感興趣區(qū)的平均光譜信息），并確定一定閾值，訓(xùn)練ENVI圖像處理軟件中提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（趙文吉等，2007；李燕等，2012；趙玉靈等，2005），達(dá)到初步分類的效果，若是分類結(jié)果不滿意，可以重新設(shè)定閾值再次分類，直到滿足分類結(jié)果與已知地質(zhì)背景較吻合為止；第二步是精解譯階段，即將第一步解譯未詳細(xì)區(qū)分的地層，在分辨率容許范圍內(nèi)繼續(xù)細(xì)分。

2.1地物分類主要技術(shù)工作流程

地物分類主要技術(shù)流程見(jiàn)圖3所示。

圖3　地物分類流程圖

表1　各個(gè)波段相關(guān)性分析

2.2大范圍內(nèi)圖像的解譯

人眼對(duì)于彩色圖像的識(shí)別能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黑白圖像，然后不同波段組合的假彩色合成圖像由于波段信息相互間的冗余而存在差異，理論上兩相關(guān)性較弱的波段組合含有更加豐富的圖像信息，所以本研究計(jì)算了圖像各個(gè)波段間的相關(guān)性，以利于選擇更加合適的波段來(lái)輔助選擇感興趣區(qū)域。

由表1可見(jiàn)，7、5、4等波段相對(duì)較獨(dú)立，冗余信息少，故在本研究中，較多地采用了752、741等波段的假彩色合成圖像。

本研究區(qū)范圍及具體感興趣的選擇見(jiàn)圖4所示，依據(jù)已有地質(zhì)資料，選擇了1-6的區(qū)域作為感興趣區(qū)，共六個(gè)研究區(qū)域，以提取初始的輸入值（平均波譜），這六個(gè)區(qū)代表的地層（巖體）分別是：1第四系、2寒武系、3薊縣系、4石炭系、5奧陶系、6青白口系。

圖4　研究區(qū)（大）752波段假彩色圖像

通過(guò)計(jì)算，各預(yù)分類地層（巖體）平均波譜見(jiàn)圖5所示：

圖5　典型地區(qū)波譜圖像

2.3初步分類結(jié)果對(duì)比

圖6　初步分類后薊縣系地層的效果展示

圖7　初步分類后全圖效果展示

由圖6、圖7單個(gè)地層和總體的對(duì)比可見(jiàn)，分類效果比較符合已有地質(zhì)圖的表達(dá)習(xí)慣，并且在邊界上比原地質(zhì)圖更加清晰，且將同一地層規(guī)模較小的邊界也提取出來(lái)，可以方便地在進(jìn)一步制圖綜合中根據(jù)比例尺大小予以取舍。

在實(shí)際中，感興趣區(qū)樣本數(shù)據(jù)波譜差異程度大小與最后實(shí)際地物波譜是否難以區(qū)分關(guān)系較大，選擇樣本的光譜差異越大，則提取地物可分性就越好。

能否在實(shí)際中進(jìn)一步對(duì)地層進(jìn)行巖性細(xì)分呢？對(duì)此做了進(jìn)一步的研究如：對(duì)于第6個(gè)感興趣區(qū)域，即青白口系地層，由圖像可見(jiàn)有明顯的色彩分層和不同的紋理信息，可進(jìn)一步對(duì)此地層試驗(yàn)地層的巖性細(xì)分。

2.4小區(qū)域的同一地層內(nèi)的巖性細(xì)分試驗(yàn)研究

對(duì)于第6個(gè)感興趣區(qū)，即青白口系巖性地層在地質(zhì)圖中并未詳細(xì)區(qū)分小的巖性地層，如圖8的第3個(gè)圖（landsat8的741波段假彩色合成）所示，該層可見(jiàn)有多層更小的地層?xùn)|西向平行展布，但肉眼并不好進(jìn)一步細(xì)分。為了更好地在該層選擇比較純凈的感興趣區(qū)，我們對(duì)圖像作了HLS空間變換和纓帽變換兩種圖像增強(qiáng)效果（HeikoZumsprekeletal.，2000）（圖8中1、2小圖），以輔助確定比較適合的感興趣區(qū)域（孫洪泉等，2011）。不難看出，經(jīng)變換后，圖8中的小1圖具有比較明顯差異的色彩是藍(lán)紫色、綠色、黃色三種，圖8的小2圖中是紅色、黃色、藍(lán)色三種，不難看出兩圖中各自的三種色彩分布上比較集中且較為一致，故選擇它所在區(qū)域?yàn)樾碌母信d趣區(qū)域，作為識(shí)別同一地層內(nèi)小巖性地層的標(biāo)準(zhǔn)，在圖中由①、②、③標(biāo)示，如3圖所示。據(jù)此再計(jì)算其平均波譜（圖9）作為初始輸入值（S.Anbazhaganetal.，2009），然后經(jīng)過(guò)同前面在大范圍區(qū)域內(nèi)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督分類相同的步驟，可以得出最終如圖8第4個(gè)圖的分類結(jié)果，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證，這三類分別為①大豁落山組硅質(zhì)大理巖、②變質(zhì)砂巖夾石英巖、③白云巖。

2.5總結(jié)

由于不同的巖性具有不同的反射波譜曲線與特征峰（王欽軍等，2006；王潤(rùn)生等，2007），這就對(duì)遙感影像的計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類、自動(dòng)提取等方法在理論上實(shí)現(xiàn)提供了可能。對(duì)于一景多光譜遙感影像的解譯，可有如下幾個(gè)步驟：首先將它分塊，使得每小塊包含的地層數(shù)目不要太多，一般小于多光譜的波段數(shù)，然后根據(jù)地質(zhì)背景資料，選擇合適的感興趣區(qū)域計(jì)算其平均波譜，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，對(duì)于某些具體地層也可以用同樣的方法進(jìn)一步細(xì)分，從而得到由粗到精的解譯。

故在實(shí)際地質(zhì)工作中，尤其是礦調(diào)、區(qū)調(diào)等的前期踏勘，若以已有資料和地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，先以地層為單位，大范圍內(nèi)初步解譯，再將比較復(fù)雜的地質(zhì)體在巖性上做精解譯，包括如矽卡巖化、綠泥石化等蝕變信息的提?。▌⒌麻L(zhǎng)等，2015），最后在野外輔助驗(yàn)證，可以較大幅度地提高解譯的速度和效率。

圖8　青白口系地層

圖9　青白口系亞層感興趣區(qū)的平均波譜

3　結(jié)論

（1）采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遙感影像分類，在一定程度上減輕了傳統(tǒng)遙感影像分類中常出現(xiàn)的錯(cuò)分、漏分現(xiàn)象。分類的結(jié)果與實(shí)際地物具有很好的吻合性，在一定程度上驗(yàn)證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。尤其對(duì)于發(fā)揮遙感大范圍的地質(zhì)解譯，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，并且對(duì)于地層或巖體的解譯效果與傳統(tǒng)實(shí)際測(cè)量繪制的經(jīng)典1：20萬(wàn)地質(zhì)圖吻合率較好，尤其對(duì)于第四系的解譯，高海拔地區(qū)以及無(wú)人區(qū)等工作條件惡劣的地區(qū)更是有廣闊的應(yīng)用潛力。

（2）由于組成巖石的礦物的多樣化與其各礦物組成比例的多變性、陰坡陽(yáng)坡，地形海拔等地域條件的復(fù)雜多變性以及天氣氣象等條件的影響，使得出現(xiàn)同物異譜或同譜異物的現(xiàn)象，給解譯增加了難度。

（3）今后工作中，可以實(shí)地測(cè)量并建立區(qū)域巖性波譜庫(kù)，來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)前只能在遙感圖像中選擇比較純凈的感興趣區(qū)提取適合研究區(qū)特定地層特點(diǎn)的光譜的現(xiàn)狀。

［1］李強(qiáng)，王正志.基于MRF模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遙感圖像分類綜合方法研究［J］.國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（1）：62-66.

［2］李燕，陳瑩，董秀蘭，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遙感圖像識(shí)別算法［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2012，35（2）：156-158.

［3］盧柳葉，張青峰，李光錄.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遙感影像分類研究［J］.測(cè)繪科學(xué).2012，37（6）：140-143.

［4］劉漢湖，楊武年，楊容浩.ALI遙感數(shù)據(jù)在巖礦信息提取中的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)與勘探，2009，45（4）：456-461.

［5］劉燕君，遙感圖象中礦產(chǎn)信息的提?。跩］.地質(zhì)與勘探，1984（8）：30-35.

［6］呂鳳軍，邢立新，范繼璋，等.基于蝕變信息場(chǎng)的遙感蝕變信息提?。跩］.地質(zhì)與勘探，2006，42（02）：65-68.

［7］劉德長(zhǎng)，邱駿挺，田豐，等.區(qū)域控礦斷裂帶的航空高光譜遙感技術(shù)研究—以黑石山－花牛山深大斷裂帶為例［J］.地質(zhì)與勘探，2015，51（2）：0366-0375.

［8］孫洪泉，竇聞，易文斌.遙感圖像融合的研究現(xiàn)狀、困境及發(fā)展趨勢(shì)探討［J］.遙感信息，2011（1）：104～108.

［9］唐文周.我國(guó)遙感地質(zhì)工作的現(xiàn)狀和近期展望［J］．國(guó)土資源遙感，1998，36（2）：24-32.

［10］王潤(rùn)生，楊蘇明，閻柏琨.成像光譜礦物識(shí)別方法與識(shí)別模型評(píng)述［J］.國(guó)土資源遙感，2007，71（1）：1-9.

［11］王欽軍，藺啟忠.一種巖性提取新方法—光譜排序編碼法［J］.地質(zhì)與勘探，2006，42（3）：91-96.

［12］徐元進(jìn).面向找礦的高光譜遙感巖礦信息提取方法研究［D］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）.2009.

［13］楊建民，張玉君，姚佛軍.利用ETM+遙感技術(shù)進(jìn)行尾亞雜巖體的巖性識(shí)別［J］.巖石學(xué)報(bào)，2007，23（10）：2399-2301.

［14］于浩，李東，常玲，等.基于ASTER數(shù)據(jù)的西昆侖造山帶巖性提取研究［J］.新疆地質(zhì)，2013，31（4）：380-383.

［15］趙文吉，段福州，劉曉萌.ENVI遙感影像處理專題與實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007：150-155.

［16］趙玉靈，楊金中，和正民，等.基于ERDAS地質(zhì)信息提取功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.遙感信息，2005（2）：36-38.

［17］鄒林，楊自安，朱谷昌.多光譜遙感蝕變信息提取新方法研究［J］.地質(zhì)與勘探，2006，42（06）：70-76.

TP751

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.004

2016-6-20

朱彥虎（1981-），男，漢族，甘肅定西人，研究生，主要研究方向：遙感地質(zhì)。