趙自雨，劉亞靜

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

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基于主成分分析的礦區(qū)蝕變信息提取

趙自雨，劉亞靜

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

遙感；礦山監(jiān)測(cè)；主成分分析；蝕變信息

以河北省遷西縣為例，分成礦區(qū)帶的光譜特征曲線，采用主成分分析算法，進(jìn)行礦區(qū)蝕變信息提取。利用ArcGIS軟件平臺(tái)，直觀地表達(dá)出遷西縣的礦區(qū)分布情況，為相關(guān)部門(mén)的監(jiān)督管理提供依據(jù)。

冀東鐵礦區(qū)是我國(guó)典型成礦區(qū)帶之一，豐富的礦產(chǎn)資源對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了一定推動(dòng)作用，隨之而來(lái)的污染狀況也愈加嚴(yán)重，礦區(qū)開(kāi)發(fā)信息提取能夠?yàn)榈V山資源的可持續(xù)利用提供有力的技術(shù)支撐?？偨Y(jié)礦區(qū)遙感信息提取的一些重要成果，進(jìn)行歸納與分析并探索更加準(zhǔn)確的提取方法：陳勁松[1]采用"面向特征的主分量分析+最優(yōu)密度分割"法去除了礦化蝕變區(qū)的植被的干擾；成功[2]采用主成分分析方法，根據(jù)河南陜縣——澠池——新安鋁土礦帶的鋁土礦化蝕變，提取礦區(qū)的分布信息；代晶晶[3]采用高分辨率影像數(shù)據(jù)，對(duì)離子吸附型稀土礦區(qū)進(jìn)行礦山遙感監(jiān)測(cè)；劉鳳梅[4]等根據(jù)鐵銅多金屬礦存在的鐵染異常及光譜信息提取采礦區(qū)及固體廢棄物分布信息。通過(guò)總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)可知，若要實(shí)現(xiàn)范圍大、目標(biāo)小且分布不規(guī)則的礦區(qū)信息提取，主成分分析法可作為較佳的選擇。通過(guò)分析礦區(qū)特有的光譜信息，結(jié)合主成分分析法并構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)差公式，進(jìn)行礦區(qū)信息提取的進(jìn)一步探索。

1 模型研究

主成分分析法(PCA：Principal Component Analysis)利用概率統(tǒng)計(jì)的原理采用降維的模式，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，轉(zhuǎn)換后所得的主成分之間各不相關(guān)。多光譜遙感數(shù)據(jù)通過(guò)PCA方法所獲各個(gè)主成分往往代表特定的意義，且相互獨(dú)立，即每個(gè)主成分的地質(zhì)價(jià)值有其獨(dú)到性[5]。線形代數(shù)方面分析，主成分分析法的目標(biāo)就是使用另一組多維數(shù)據(jù)描繪得到的數(shù)據(jù)空間，可將原始數(shù)據(jù)間的相關(guān)性重新分配。這種方法有效地找出數(shù)據(jù)中最重要的結(jié)構(gòu)和信息并且去除干擾信息，達(dá)到將復(fù)雜的數(shù)據(jù)降維的效果，明顯地表達(dá)出復(fù)雜數(shù)據(jù)所隱含的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。主成分分析法計(jì)算簡(jiǎn)單且無(wú)參數(shù)限制，因此得到廣大學(xué)者的廣泛應(yīng)用。對(duì)于礦區(qū)信息提取，通過(guò)主成分分析的思想能夠找到波段組合中的有效信息，利用礦區(qū)獨(dú)特的光譜特征即可提高信息提取的效率及準(zhǔn)確度。

2 信息提取分析與應(yīng)用

2.1 礦區(qū)信息提取

由于landsat衛(wèi)星影像分辨率的制約，目視解譯無(wú)法明確辨認(rèn)礦區(qū)位置，因此需要利用光譜信息進(jìn)行研究，探索低分辨率影像的礦區(qū)提取方法。由先驗(yàn)知識(shí)可知，蝕變信息存在于成礦區(qū)帶，是礦區(qū)存在的一種重要標(biāo)識(shí)，分為鐵染蝕變和羥基蝕變[6]。因此，利用其獨(dú)特的光譜特征基本可以提取礦區(qū)的分布情況，PCA方法是目前提取蝕變信息的最普遍方法。

根據(jù)USGS標(biāo)準(zhǔn)波普庫(kù)重采樣可得到landsat相應(yīng)波段含羥基的礦物(氫氧化鈣)波普曲線(如圖1)，其中虛線是重采樣前的波譜曲線，實(shí)線是重采樣為OLI光譜分辨率的波普曲線。

圖1 含羥基礦物光譜曲線

由圖1可知，波譜曲線上有2個(gè)明顯的吸收帶，分別位于OLI5和OLI7附近，在OLI2以及OLI6附近存在較高的反射率。因此利用OLI數(shù)據(jù)的2、5、6、7波段進(jìn)行主成分分析能夠較為合理地提取羥基蝕變異常信息。

含鐵離子的礦物光譜曲線(如圖2)，由于ENVI標(biāo)準(zhǔn)波譜庫(kù)中含鐵離子的礦物波譜曲線缺少0.4 ～1.6 μm間的光譜值，由于光譜分辨率的不同，重采樣到landsat影像分辨率之后只有6、7波段能夠反映該物質(zhì)的光譜特性。

圖2 含鐵離子巖石光譜曲線

2.2 技術(shù)流程

選用數(shù)據(jù)為2015年的OLI傳感器影像，OLI傳感器與TM+傳感器相比有較窄的波段范圍，能夠更好地得到蝕變信息[7]，空間分辨率為30 m，符合專(zhuān)題圖制作精度。提取步驟共可分為3步，第1步驟為圖像預(yù)處理，第2步驟為主成分分析，第3步驟為蝕變異常等級(jí)劃分。

其中預(yù)處理流程(如圖3)，幾何校正采用WGS-84坐標(biāo)，將影像亮度信息輻射定標(biāo)為地物反射率，大氣校正采用FLAASH模型，為了確保光譜信息的準(zhǔn)確性，因此不進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 主成分分析

利用歸一化指數(shù)去除水體和植被的干擾，選擇band2、band5、band6、band7波段組合進(jìn)行羥基蝕變信息的主成分分析。計(jì)算主成分分析后的特征向量(如表1)。

表1 主成分分析特征向量矩陣

判斷蝕變信息的標(biāo)準(zhǔn)是：組成主分量的特征向量，Band6的系數(shù)與Band5和Band7的系數(shù)符號(hào)相反，由表1得到PC4符合判斷標(biāo)準(zhǔn)，以PC4作為羥基蝕變等級(jí)劃分依據(jù)，根據(jù)礦區(qū)情況進(jìn)行異常蝕變等級(jí)劃分。

2.2.2異常蝕變等級(jí)劃分

主成分增強(qiáng)后光譜差異明顯的區(qū)域即為礦區(qū)蝕變信息，可根據(jù)特征值構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)差公式δ=k×s(k為既定系數(shù)，s為PC4的特征值)，將δ作為光譜異常分割界限值。蝕變異常共劃分為3個(gè)級(jí)別，羥基蝕變異常的級(jí)別劃分分別取 。初步分類(lèi)后不可避免地出現(xiàn)一些圖斑，其中摻雜著噪聲以及偽異常信息?？紤]到專(zhuān)題圖的應(yīng)用，必須進(jìn)行圖斑的合并與過(guò)濾，提取結(jié)果如圖4所示。

圖4 信息提取結(jié)果

3 精度驗(yàn)證

以2015年提取結(jié)果為例，任意抽取一個(gè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地的人工調(diào)研，與提取結(jié)果對(duì)比進(jìn)行精度驗(yàn)證。該區(qū)域是舊城鄉(xiāng)內(nèi)，靠近遷西縣城的一片區(qū)域。實(shí)地調(diào)繪出礦區(qū)的矢量邊界，將提取結(jié)果與實(shí)際調(diào)繪的矢量邊界進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖5為樣本區(qū)域?qū)嶋H調(diào)繪結(jié)果。計(jì)算總體分類(lèi)精度為79.33%，符合專(zhuān)題圖的制圖需求。

圖5 實(shí)地調(diào)繪圖

4 專(zhuān)題圖的制作

為了順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)于礦山治理與監(jiān)管需要，在ArcGIS中制作相應(yīng)的礦區(qū)分布專(zhuān)題圖可供參考。其中用到的數(shù)據(jù)主要有：不同年份的礦區(qū)矢量圖、研究區(qū)的行政區(qū)劃矢量地圖及其地名點(diǎn)文件。

首先將提取的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為shapefile格式，柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為T(mén)IFF格式導(dǎo)入ArcGIS。將各圖層坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一匹配，專(zhuān)題圖應(yīng)用的投影坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS1984_UTM_50N。

其次進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的處理與編輯，根據(jù)制圖需要，將礦區(qū)矢量圖斑按照面積大小將大于100畝的礦區(qū)和小于100畝的礦區(qū)區(qū)分為2個(gè)圖層。根據(jù)圖斑位置創(chuàng)建分礦區(qū)布點(diǎn)文件。

點(diǎn)文件創(chuàng)建正確后，建立點(diǎn)文件屬性表，添加字段并輸入礦區(qū)代碼。然后通過(guò)關(guān)聯(lián)命令將已有的礦區(qū)分布數(shù)據(jù)外部屬性表導(dǎo)入并關(guān)聯(lián)，根據(jù)關(guān)鍵字段如礦區(qū)名稱(chēng)將其關(guān)聯(lián)，并將所選的屬性字段導(dǎo)入礦區(qū)圖形數(shù)據(jù)屬性項(xiàng)中，從而專(zhuān)題圖中的礦區(qū)分布數(shù)據(jù)會(huì)隨著數(shù)據(jù)庫(kù)的更新而實(shí)時(shí)更新[8]。

圖6 遷西礦區(qū)分布變化圖

最后經(jīng)過(guò)圖例、圖示等修飾，礦區(qū)分布專(zhuān)題圖成果，如圖6所示。從上到下依次為2003年、2007年、2015年遷西礦區(qū)分布圖。

5 結(jié)論

(1)使用envi與ArcGIS軟件，對(duì)遷西縣礦區(qū)分布進(jìn)行信息的提取與表達(dá)。

(2)運(yùn)用主成分分析和閾值分割法對(duì)遷西縣近10年的遙感影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在ArcGIS中對(duì)遷西縣礦區(qū)的總體變化以及位置分布進(jìn)行整合與表達(dá)，制作了一組關(guān)于遷西縣礦區(qū)分布變化的專(zhuān)題圖。旨在展示遷西縣礦區(qū)在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布情況以及隨著年份的增加其礦區(qū)的數(shù)量變化信息，用專(zhuān)題圖的形式做了很好的闡述，提供了直觀的專(zhuān)題地圖，使用圖者能更直接了解當(dāng)?shù)氐牡V區(qū)地理情況，利于監(jiān)督，便于決策。

(3)通過(guò)3年的礦區(qū)分布變化圖可以看出，遷西礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)是由西南地區(qū)逐步向中東部地區(qū)轉(zhuǎn)移，并且程不斷擴(kuò)大趨勢(shì)，其精度符合制圖要求。

[1] 陳勁松.基于ETM+影像的礦化蝕變區(qū)植被信息提取研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2013,(06):1 083-1 087.

[2] 成功,曾令瑤,陳松嶺.OLI與ETM+數(shù)據(jù)在豫西沉積型鋁土礦找礦中的對(duì)比研究[J].輕金屬,2014,11:7-11.

[3] 代晶晶,王瑞江,王登紅.高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)在離子吸附型稀土礦山調(diào)查中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2014,29(06):935-942.

[4] 劉鳳梅,王少軍,張志,等.鐵銅多金屬礦開(kāi)采礦區(qū)及其固體廢棄物信息提取方法研究[J].金屬礦山,2010,5:168-170+174.

[5] 叢利民,李國(guó)志,廖蕾,等.多源遙感數(shù)據(jù)空間疊合找礦效果研究——以內(nèi)蒙古西部朱拉扎嘎金礦為例[J].貴州地質(zhì),2009,26(04): 284-289.

[6] 李明明,周可法,孫莉,等.基于ICA的遙感蝕變信息提取方法的研究[J].干旱區(qū)地理,2011,34(02):309-316.

[7] 杜挺.Landsat8 OLI遙感影像融合算法比較及其土地利用分類(lèi)適應(yīng)性分析[D].西安：西北大學(xué),2015.

[8] 劉化冰.ArcGIS在林業(yè)專(zhuān)題圖制作中的應(yīng)用[J].福建林業(yè)科技,2010,37(01):30-32+36.

Extraction of Alteration Information in Iron Mine Area Based on Principal Component Analysis

ZHAO Zi-yu,LIU Ya-jing

(College of Mining Engineering,North China University of science and technology,Tangshan Hebei 063210,China)

remote sensing; mine monitoring; principal component analysis; alteration information

Taking Qianxi County of Hebei as the example,the spectral characteristics of the iron mine area was analyzed,principal component analysis method was adopted for remote sensing information extraction of Mining area.Iron mine area distribution was Intuitively expressed in Qianxi County.The result can provide evidence for supervision and administration for relevant departments.

2095-2716(2017)03-0001-05

2017-03-29

2017-05-19

湖南省國(guó)土資源廳軟科計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010-12)。

P237

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