劉君成，林美嬌，穆振北，於曉雪，張秀芳，何東進(jìn)，2

（1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院，福建 福州 350002）

主成分分析（PCA，principal component analysis）是基于信號二階統(tǒng)計特性的分析方法，由于所獲各主成分之間不相關(guān)，主成分之間信息沒有重復(fù)或冗余，因此通過Crosta 方法說明其準(zhǔn)則，由Band 1、Band 3、Band 4、Band 5（以下簡稱 1345 四波段）和 Band 1、Band 4、Band 5、Band 7（以下簡稱 1457四波段）的波段組合分別進(jìn)行主成分分析提取鐵染蝕變和羥基蝕變信息。 由1、3、4、5 四波段做PCA處理，處理后的某個新的成分可能集中了鐵染蝕變信息。 對代表鐵染蝕變的主成分的判斷準(zhǔn)則是Band 3 的系數(shù)應(yīng)與Band 1、Band 4 的系數(shù)相反。 由 1、4、5、7 四波段作為輸入波段進(jìn)行主成分分析，對代表羥基和碳酸根離子主成分的判斷準(zhǔn)則是Band 5 系數(shù)應(yīng)與Band 7、Band 4 的系數(shù)符號相反，Band 1 一般與Band 5 系數(shù)符號相同。 根據(jù)有關(guān)地物的波譜特征，羥基和碳酸根離子信息包含于符合這判斷準(zhǔn)則的主成分內(nèi)。 鐵染蝕變和羥基蝕變存在于絕大多數(shù)成礦巖體中，提取這兩種蝕變信息基本可以確定研究區(qū)成礦巖石的分布情況。

遙感蝕變信息是影像數(shù)據(jù)中蝕變的圍巖反射的一種光譜信息。 巖石的礦物組成、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造在蝕變影響下發(fā)生變化，由于蝕變巖石與普通巖石的礦物組成、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和顏色不同，所以在TM 圖像上表現(xiàn)出不同的顏色、色調(diào)和紋理差異。 Loughin（1991）[9]使用LANDSAT 圖像數(shù)據(jù)更好地描繪了巴西等半干旱地區(qū)鐵染現(xiàn)象。馬建文（1997）[10]提出的掩模+主成分變換+分類識別提取礦化信息方法，提取遙感數(shù)據(jù)已取得了一定的成效。 張玉君等（1998）[11]利用與礦化相關(guān)的蝕變巖的TM 波段圖像像元亮度值曲線的雙峰特性提取蝕變巖信息。2010 年，Dehnavi 等[12]人在對伊朗的庫爾德斯坦地區(qū)進(jìn)行淺層低溫?zé)嵋旱V床勘探時，利用比值法和主成分分析法，進(jìn)行蝕變異常信息提取，并且評估提取結(jié)果的有效性。 因而本文將研究重點(diǎn)放在2000 年至2016 年間三明市礦物蝕變信息的變化情況，為三明市礦區(qū)選址提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)收集

1.1 研究區(qū)概況

三明市是福建省轄下的地級市，由于其地質(zhì)構(gòu)造的差異，導(dǎo)致其礦場資源的空間分布不均。 煤礦分布在大田縣、永安市、清流縣、將樂縣等地；鐵礦石分布在大田縣、永安市等地；金礦分布在尤溪縣、泰寧縣和建寧縣；銅、鉛、硫鐵石、鋅分布在大田縣、尤溪縣、永安市和將樂縣；鎢礦分布在寧化縣、清流縣；重晶石分布于永安市、明溪縣等地；石灰?guī)r主要分布在永安市、大田縣、清流縣、將樂縣、寧化縣、三元縣等地；螢石主要分布在將樂縣?？诖?、明溪縣胡坊鎮(zhèn)、清流縣余朋鄉(xiāng)。 全市已發(fā)現(xiàn)79種礦產(chǎn)，其中49 種礦產(chǎn)已探明儲量，主要有煤、鐵、鉛、鋅、鎢、錫、金、銀、石灰?guī)r、重晶石、螢石、鉀長石、高嶺土、硫鐵礦、藍(lán)寶石等在已探明儲量的礦山中，有6 個大型礦床，43 個中型礦山和43 個已開發(fā)利用的礦產(chǎn)[13]。

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)采用的是2000 年 TM 5 數(shù)據(jù)和 2016 年LANDSAT_8 OLI 數(shù)據(jù)。 TM 有7 個波段，其波譜范圍：Band -1 為 0.45～0.52 μm，Band -2 為 0.52～0.60 μm，Band -3 為 0.63～0.69 μm，Band -1、Band -2、Band -3 為可見光波段；Band -4 為 0.76～0.90μm，為近紅外波段；Band -5 為 1.55～1.75 μm，Band -7為 2.08～2.35 μm，為中紅外波段；Band -6 為 10.40～12.5 μm，為熱紅外波段。OLI 數(shù)據(jù)包括了 EBand+傳感器所有的波段，Landset8 的OLI 陸地成像儀包括9 個波段。數(shù)據(jù)在地理空間數(shù)據(jù)云采用條帶號119 行編號042、條帶號120 行編號041、條帶號120 行編號 042、條帶號121 行編號 041、條帶號 121行編號042 下載。 2000 年影像數(shù)據(jù)是由當(dāng)年五月份相近的時間的五幅影像拼接得到，2016 年影像數(shù)據(jù)是由當(dāng)年七月份相近的時間的五幅影像拼接得到。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括①輻射定標(biāo)與大氣校正。 定標(biāo)是將傳感器得的值變換為與地表反射率、地表溫度等有關(guān)物理量的處過程。 輻射定標(biāo)的目的是將傳感器所得DN 值轉(zhuǎn)化為輻射率，如公式（1）所示。 大氣校正是有輻射定標(biāo)后所得的影響中的波段除10.0 所得。 ②研究區(qū)裁剪。 利用ENVI 軟件，對輻射定標(biāo)、大氣校正、影響拼接之后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則裁剪，在ENVI 軟件中利用影像數(shù)據(jù)以及三明市矢量數(shù)據(jù)裁剪出三明市的裁剪影像圖。 ③分析掩膜。 建立ROI（感興趣區(qū)），在水體區(qū)域建立ROI，然后進(jìn)行掩膜以及反掩膜可以消除水體對本實(shí)驗(yàn)的影響。 在本實(shí)驗(yàn)中要消除植被和水對實(shí)驗(yàn)的影響，因此得到的研究區(qū)域影像要消除植物和水體的干擾，故要建立一個消除水和植被的一個相應(yīng)的掩膜文件。 得到感興趣區(qū)域的圖像，感興趣區(qū)域內(nèi)圖像值保持不變，而區(qū)外圖像值都為0，也可以將掩模文件的1、0 值對調(diào)，由于需要掩模的是植物區(qū)域，因此在Band Math 輸入公式二實(shí)現(xiàn)1，0 值得對調(diào)，如公式（2）所示。

式中L 為輻射亮度值，DN 為數(shù)字量化值（灰度值），Gain 為偏益，Offset 為增益，這些數(shù)據(jù)可以通過遙感影像頭文件獲取[16]。

1.3 成礦遠(yuǎn)景預(yù)測選址

成礦預(yù)測選址研究路線主要包括以下幾個部分：收集資料（TM 數(shù)據(jù)、研究區(qū)的矢量圖）、數(shù)據(jù)處理（影像數(shù)據(jù)的大氣校正、影像 裁剪和圖像增強(qiáng)處理）、主成分分析（PCA 分析）。 應(yīng)用TM 影像以及GIS 軟件，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行礦物蝕變信息提取。 本文主要分析的是福建省三明市的影像數(shù)據(jù)，用Crosta 方法對其進(jìn)行分析，得出鐵染蝕變和羥基蝕變結(jié)果，并分析兩種蝕變信息的蝕變變化等級。根據(jù)行政區(qū)劃圖層、交通圖層、地名圖層、研宄區(qū)位置圖層、遙感解譯圖層、研宄區(qū)鐵染燭變圖層、研究區(qū)經(jīng)基燭變圖層以及環(huán)境評價準(zhǔn)則進(jìn)行礦區(qū)成礦預(yù)測。

2 研究方法

主成分分析法主要是選擇TM 影像中地面上的地面物體，為主成分分析提供相應(yīng)的基礎(chǔ)。 鐵染蝕變是含鐵礦物的波譜特征所反映的信息，羥基蝕變是含羥基礦物的波普特征。 通過分析主成分變化來確定礦物蝕變信息的變化。 以2000、2016 年為例進(jìn)行分析，本文采用的是主成分分析法。 包含羥基蝕變信息提?。úǘ?1、4、5、7）和鐵染蝕變信息提取[2-4]（波段 1、3、4、5）。

2.1 鐵染蝕變信息提取

鐵染蝕變信息提取[2-4]是主成分分析法中的Fe 離子的特征，因此，含鐵礦物通常呈現(xiàn)紅色或近紅色。 TM 圖像的第一波段中的Fe 離子的反射率低于其他波段的反射率，第二波段的反射率高于第一波段的反射率。第三波段的反射率遠(yuǎn)低于第四波段的反射率。鐵染蝕變選取1、3、4、5 這4 個波段作為組合波段做主成分分析，這是因?yàn)檠趸F的特征光譜信息集中在1～4 波段，并且在Band 4 和Band 1 波段有吸收峰，在Band 3 波段無特征吸收而呈高反射.

2.2 羥基蝕變信息提取

羥基蝕變信息提取[2-4]也稱AL－OH 基團(tuán)的波譜特征，主成分變換的波段組合的選擇也是以此為依據(jù)的，主分量[6]PC 1 集中了四個波段的絕大多數(shù)信息；PC 2 中，主要反映的是Band 1 中的信息；PC 3 中，主要反映的是 Band 4 中的信息；PC 4 中，Band 5 和 Band 7 的系數(shù)都比較大，說明 PC 4 反映的是Band 5 和Band 7 中的信息，在PC 4 中，Band 5 和Band 的系數(shù)符號相反，且系數(shù)同時也滿足表示含經(jīng)基類礦物主分的標(biāo)準(zhǔn)，即Band 5 的系數(shù)與Band 7、Band 3 的系數(shù)相反，且一般與Band 1的系數(shù)相同。 因此PC 4 為代表含經(jīng)基類礦物的主分量[3-4]。

2.3 異常等級劃分

羥基蝕變等級劃分[5]：一級異常是標(biāo)準(zhǔn)差的3 倍、二級異常是標(biāo)準(zhǔn)差的2.5 倍、三級異常是標(biāo)準(zhǔn)差的2 倍。 鐵染蝕變的一級異常是標(biāo)準(zhǔn)差的2.5 倍、二級異是標(biāo)準(zhǔn)差的2 倍、三級異常是標(biāo)準(zhǔn)差的1.5 倍。

2.4 預(yù)測礦區(qū)選址

礦區(qū)預(yù)測是對已知礦床的地質(zhì)背景、圍巖、礦體、巖體、地層、礦區(qū)構(gòu)造等特征上進(jìn)行分析，結(jié)合遙感技術(shù)及資料，建立成礦預(yù)測選址區(qū)。 而GIS 和RS 有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，在可視化和空間分析上能夠快速的得出結(jié)果，因此應(yīng)用GIS 和RS 分析礦物蝕變信息提取，能夠直接便利的得出空間分析和可視化數(shù)據(jù)，能夠直觀的得出結(jié)果。 本研究根據(jù)Crosta 方法的礦化蝕變信息遙感提取對三明市進(jìn)行礦區(qū)預(yù)測，為三明市礦產(chǎn)資源的開發(fā)提供依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 鐵染蝕變信息提取

鐵染蝕變信息提取是影像數(shù)據(jù)中組合的1、3、4、5 四波段信息，因影像數(shù)據(jù)的波段數(shù)據(jù)可以反映地表的地物特征并提取鐵鐵染蝕變信息，可以使得地物特征能夠在鐵染蝕變結(jié)果中呈現(xiàn)出不同的顏色以便辨別，所以選用1、3、4、5 四波段信息進(jìn)行鐵染蝕變信息提取主成分分析，結(jié)果見表1。

鐵染蝕變的主成分分析1、3、4、5 的四個波段進(jìn)行分析，判斷鐵染蝕的標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)成主分量的特征向量應(yīng)具有與Band 1 及Band 4 的系數(shù)符號相反的Band 3 系數(shù)，并且Band 3 通常與Band 5 系數(shù)符號相同。 因此，從表1 可以看出，PC 1 反映出第一主成分為正值，反映了地面物體的總輻射水平；根據(jù)提取輕基信息的理論，PC 4 集中了該主成分的信息，且Band 3 和Band 4 符號相反。

表1 2000 年三明市鐵染蝕變主成分分析

3.2 羥基蝕變信息提取

羥基蝕變信息提取1、4、5、7 四波段信息與影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，因?yàn)門M 圖像的波段數(shù)據(jù)可以反映地表的地物特征，并提取羥基蝕變信息，可以使得地物特征能夠在羥基蝕變結(jié)果中呈現(xiàn)出不同的顏色以便辨別，因此這四個波段信息用于分析羥基蝕變信息提取主成分分析，統(tǒng)計分析如表2。

表2 2000 年三明市羥基蝕變主成分分析

羥基蝕變信息主成分分析在1、4、5、7 這四個波段中進(jìn)行，構(gòu)成主成分量的特征向量應(yīng)具有與Band 7 和Band 4 的系數(shù)符號相反的Band 5 系數(shù)，并且Band 1 通常與Band 5 系數(shù)符號相同。 因此從表2 可以看出，根據(jù)提羥取基信息的理論，PC4 集中了這一主成分的信息，并且和所占的特征向量值較高。

3.3 鐵染蝕變結(jié)果與羥基蝕變結(jié)果分析

從圖1 可得，三明市的2000 年鐵染蝕變的情況以尤溪縣蝕變信息較突出，尤其是三級蝕變集中在尤溪縣。 在沙縣與尤溪縣的接連處有一個較集中的二級蝕變，永安市和將樂縣的二級蝕變情況次之。 一級蝕變零碎的分布在寧化縣、建寧縣、清流縣、明溪縣。 圖2 表明三級蝕變基本體現(xiàn)在永安縣與三明市、并且二級蝕變的情況不是很明顯、一級蝕變在寧化縣、清流縣、將樂縣比較突出。 鐵染蝕變的趨勢是從一級蝕變演變?yōu)槎壩g變，而三級蝕變趨于消失。

從圖3 可以看出2000 年羥基蝕變結(jié)果，三級蝕變集中在建寧縣的西北部、寧化縣西南方；二級蝕變集中將樂縣的南部、以及永安市。 而圖4 是2016 年的羥基蝕變，并且其三級蝕變的情況表現(xiàn)的不太明顯，最明顯的是集中在沙縣，其它的一級蝕變、二級蝕變比較集中在寧化縣、建寧縣。 羥基蝕變的情況有一級蝕變和二級蝕變集中的情況向二級蝕變的轉(zhuǎn)變，并分布更加的分散。

圖1 2000 年鐵染蝕變結(jié)果

圖2 2016 年鐵染蝕變結(jié)果

圖3 2000 年羥基蝕變結(jié)果

圖4 2016 年羥基蝕變結(jié)果

4 結(jié)論與討論

基于Crosta 方法的礦化蝕變信息遙感提取及預(yù)測礦區(qū)選址分析研究，以TM 影像數(shù)據(jù)、shpfile文件、礦化蝕變信息的專題地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)保護(hù)、資源可持續(xù)利用、社會環(huán)境、環(huán)境經(jīng)濟(jì)評價社會綜合因素等主題為預(yù)測礦區(qū)選址提供選擇。 Crosta 方法的礦化信息遙感提取主要是鐵染和羥基蝕變，并且在Crosta 的礦化信息遙感提取的彩色圖中體現(xiàn)的鐵氧化物和含羥基礦物信息主要與鐵、鋅鉛、金、銅、鉬礦、鋁、明礬石、重晶石、高嶺石、石灰?guī)r等有關(guān)[15]。 結(jié)合圖1-4 中礦物蝕變信息的情況，可以得出尤溪縣的的鐵染蝕變在2000 年和2016 年一級蝕變較集中，由此可推測出尤溪縣可能存在鐵、鋅鉛、金、銅礦，而在尤溪縣已有的礦產(chǎn)資源中已有金礦和鋅礦。 結(jié)合資料可以得出基于Crosta 方法的礦化蝕變信息遙感提取可以驗(yàn)證尤溪縣的金礦與鋅礦。從收集的資料表明寧化縣、建寧縣、清流縣、明溪縣、將樂縣、沙縣、永安市均有相應(yīng)的礦業(yè)資源。 寧化縣有鎢礦、稀土礦，建寧縣有花崗巖，清流縣有石灰?guī)r，明溪縣有螢石礦，將樂縣有石灰?guī)r、高嶺土、鋅鐵礦，永安市有高嶺土礦、石墨礦。所以用Crosta 的方法進(jìn)行遙感礦化信息提取，可以體現(xiàn)出各區(qū)域地區(qū)的礦業(yè)資源的發(fā)現(xiàn)以及礦產(chǎn)資源預(yù)測選址的依據(jù)。

礦區(qū)的確定要考慮到環(huán)境保護(hù)、區(qū)域發(fā)展、環(huán)境承載力、環(huán)境風(fēng)險評價、區(qū)域環(huán)境管理和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等要素。 并且一個工程的開發(fā)要考慮到投資者的經(jīng)濟(jì)投資、環(huán)境保護(hù)、資源的可持續(xù)利用等一系列因素。 綜上所述將樂縣、永安市兩個區(qū)域的礦物蝕變信息較集中，因此，預(yù)測礦區(qū)的位置可以設(shè)定在永安市的西南部和將樂縣南部。 并且從研究中可以看出永安市、將樂縣的蝕變信息都比較靠近行政邊界圖、遠(yuǎn)離城市地區(qū)，所以在將樂縣、永安市蝕變信息集中地地方可作為礦區(qū)預(yù)測選址目標(biāo)地的，結(jié)合三明市行政邊界圖可以將將樂縣的白蓮鎮(zhèn)、永安縣的小陶鎮(zhèn)及洪田鎮(zhèn)可以作為礦區(qū)選址的目的地。

基于Crosta 方法的礦化蝕變信息遙感提取適用于地表的礦物的蝕變提取，而本研究只是對地表的巖石進(jìn)行分析，對深層礦產(chǎn)沒有進(jìn)行相應(yīng)的分析，以至于對三明市的礦產(chǎn)資源分析的不夠完整。且該方法適用于裸露的巖石地區(qū)，對于高植被的地區(qū)可能存在干擾作用。 研究區(qū)域僅獲取光譜分辨率和空間分辨率有限的TM 數(shù)據(jù)，若能獲取該區(qū)高光譜和高分辨率遙感數(shù)據(jù)，在重要地質(zhì)特征識別，識別礦物組合提取等方面取得更為可靠、完善的信息。 基于提取的遙感礦化蝕變信息和結(jié)構(gòu)信息的綜合處理，得出該區(qū)域成礦前景的預(yù)測。 遙感只前期定性研究，未進(jìn)行其它的考察驗(yàn)證，因此有待于進(jìn)一步完善和考證。