李昌國 張玉君
（地礦部航空物探遙感中心，北京）
摘要：通過圖像影像特征分析，並經地面調查證實，瀾滄江蘭坪地區銅礦化蝕變與圍巖存在反射波譜特性差異，即在TM5（近紅外）波段（1.55μm～1.75μm）蝕變巖呈高反射率。以此為依據，進行了提取與銅礦化蝕變相關的TM遙感信息的計算機圖像處理技術方法研究。實踐證明，該區主分量分析處理圖像效果最佳。圖像上顯示的色調異常，通過與紅土澗礦區地質勘查資料對比和根據蘭坪地區圖像上典型地物樣區色調理論分析。評價了遙感異常的地質意義。由於圖像預處理（幾何校正、亮度拉伸、多元統計，最佳波段組合選擇等）是針對瀾滄江蘭坪全區的特征進行的，故處理方法在全區內均有壹定適用性。本文綜合公式2、圖4、表4、彩版附圖11（5）等實際材料較詳細地介紹了有關提取銅礦化蝕變遙感色調異常信息的方法技術。
關鍵詞：主分量分析 瀾滄江蘭坪地區 銅礦化蝕變 遙感信息
壹、問題的提出
隨著航天遙感資料在地學領域應用的逐步深入，根據內生金屬礦床熱液蝕變產物的光譜特征，通過TM數據計算機圖像處理，提取與礦化蝕變相關的遙感色調異常信息，引導勘查金屬礦床，在國內外已引起極為廣泛的關註[1][5]。1992年春，李昌國同誌在進行部直科定91—39號雲南省蘭坪—雲龍找鉀研究項目的野外考察時，對該地壹些銅礦點周圍的特殊地質地貌特征產生了濃厚興趣，如彩版附圖11（1）攝於紅土澗地區，在該彩片上左下角和右上角部位均依稀可辨出民采銅礦硐，其周圍植被稀疏，殘坡積物和土壤顏色較外圍地區變淺、變黃、變紅，而且規模甚大，景觀特征明顯，肉眼即能觀察到，但該區山高、坡陡、谷深，交通不便，地質工作程度較低，因而萌生了研究從TM數據提取與銅礦化蝕變相關的遙感信息（可簡稱銅礦化蝕變遙感信息）的想法。
為此，根據該區22件巖礦標本波譜曲線，研究了銅礦化蝕變巖礦的波譜特性；選用1990年12月20日收錄的TM7數據進行了圖像處理，在圖像上選擇典型地物樣區，分析了典型地物反射波譜特征，並以此為依據，通過多次試驗，對用主分量分析法提取銅礦化蝕變遙感信息進行了探討；對瀾滄江流域蘭坪盆地西緣從小格拉至金滿壹帶面積約944km2的區域及寶豐、溫井、喬後、順蕩井、師井、紅土澗等子區TM圖像進行了以主成分分析為主的圖像處理，獲得了可供參考的反映礦化蝕變的異常圖像，其中紅土澗子區得到814隊同期地質工作的證實。
李昌國同誌對此工作十分投入，在1993年置數次咯血而不顧，堅持野外考察，無情的癌魔迫使他於1994年春中斷了這項正在進行的卓有成效的研究，除紅土澗子區外，其他子區均未來得及實地驗證。李昌國同誌不幸謝世後，筆者根據他遺留下來的大量記錄、圖像及未竟的報告手稿，以紅土澗子區為例，整理成本文，供交流參考，其他子區所獲得圖像不能壹壹刊載，但可通信交流。該區圖像的地質解譯盡管還有待深化，但所研究的十分珍貴的方法經驗若能被借鑒，將是對亡靈的告慰。
二、地質背景
試驗區位於雲南瀾滄江流域蘭坪盆地西緣小格拉至金滿壹帶。本區構造上屬三江構造帶，西側有壹條古板塊縫合線——長期活動的瀾滄江深斷裂，縱貫南北。本區曾經歷了華力西、印支、燕山、喜山多期構造運動，致使褶皺、斷裂、巖漿巖十分發育，並形成壹批沈積、內生金屬礦床[2]。特別是中晚三疊紀時，沿瀾滄江斷裂發生大規模中性巖漿（安山巖）噴發，與該區銅礦的形成具有密切的關系。
目前發現的銅礦化主要集中分布於中三疊統上蘭組、中侏羅統花開左組及下白堊統南新組層位中。銅礦體呈脈狀、透鏡狀、似層狀，大部分礦化均伴有矽化、鐵白雲石化等熱液蝕變。該區由於山陡谷深，地表切割嚴重，基巖出露良好，礦化蝕變帶廣泛分布，其殘坡積物分布更廣，植被又常較稀疏，給開展遙感地質勘查創造了壹定條件。
該區地質工作程度較低，目前僅評價完壹處中型銅礦床（金滿），因此，利用遙感信息圈定找礦靶區，對縮小勘查範圍、加速勘查進程具有十分重要意義。
三、巖礦樣品采集及反射波譜測定
為了研究利用TM數據提取銅礦化蝕變遙感色調異常信息的可能性和依據，在區內采集了巖礦石標本22件，用IRIS型波譜測試儀測定了這些標本的反射波譜，並按TM波段計算平均反射率。現將有代表性的7種巖性標本的反射率數據列入表1，並繪成曲線圖1。
表1 典型巖礦石TM各波段平均反射率統計表（單位：%）
續表
註： 平均反射率；δ—方差
圖1 區內典型巖礦石波譜平均反射率曲線（曲線編號及其標本巖性均見表1）
根據反射波譜特征，該區巖礦石反射波譜曲線大體上可分為三大類：第壹類（波譜曲線編號1、2、3）為含銅礦化巖石（銅礦石）反射波譜曲線，其特征是：在TM1—TM4波段反射率變化不大，在TM5波段反射率最高，而在TM7又下降了約1/4，許多文獻[1]均將此現象解釋為由於羥基（OH－）、 在礦化帶及蝕變帶中廣泛存在，而OH－、 對TM7（2.08μm壹2.35μm）波段電磁波有較強吸收，故礦化蝕變帶的TM7亮度值較低。第二類為火成巖或沈積巖的反射波譜，其特征表現為反射率較低，且無明顯反射峰，與礦化巖石標本反射波譜區別鮮明。第三類為鐵染或矽化石英砂巖的反射波譜曲線（圖1中4、5號曲線），特征是反射率從TMI至TM5逐漸增高，TM7波段略有下降，其TM1反射率較第壹類為低，可能是由於Fe離子對0.45μm波段電磁波的強收吸所造成。
以上三類巖礦石反射波譜曲線特征說明，銅礦化蝕變巖與正常巖石反射光譜有壹定差異，這就是利用遙感數據來提取銅礦化蝕變信息，並指導尋找銅礦的依據。
四、TM圖像預處理
為有效地對圖像上代表性地類樣區進行波譜分析和找礦信息提取，圖像首先需進行壹系列預處理，如幾何校正、亮度值動態範圍拉伸、合成圖像波段最優組合選擇、比例尺計算等。而且為了便於對蘭坪—雲龍全區進行拼圖和各地類亮度值對比以及重復某些數值運算，預處理是針對全區特征進行的。
從北京衛星地面站1990年12月20日收錄的七個波段TM數據選取了蘭坪—雲龍全區範圍（約3072×4096像素，相當於6×8幀512像素×512像素的子區範圍）的圖像。以地形圖作為控制，對圖像進行幾何校正。然後統計全區圖像範圍內每壹波段像元亮度的最小值和最大值，將各波段的亮度值分別進行線性擴展，拉伸到0～255；再將經過幾何校正和擴展拉伸的七個獨立波段TM數據，形成七個波段TM圖像數據文件。以此為源，再截取出1個蘭坪幅（1024像素×1024像素）七波段基礎圖像文件，做為重點研究圖像。
為了獲得壹幅含有最大信息量、波段之間信息相關性最小、顯示效果最佳的三波段彩色合成圖像，利用式（1）中的組合相關因子Q做為選擇最優波段組合的尺度和依據，通過求出組合相關因子Q的最大值來進行最優波段組合選擇。
張玉君地質勘查新方法研究論文集
式中，Si為i波段方差或離差，也稱為變異；ri為波段間的相關系數。
利用式（1）計算，選擇的瀾滄江蘭坪幅TM彩色合成圖像最優三波段組合為TM5、TM4、TM3或TM4、TM5、TM7兩種方案。
本工作采取逐步提高研究詳細程度的方法，逐級截取並放大圖像，從瀾滄江蘭坪全區圖像（彩版附圖11（5））截取蘭坪幅子區圖像（彩版附圖11（3））；從蘭坪幅子區截取拉井幅亞子區：再從拉井幅亞子區圖像中截取紅土澗幅小子區（彩版附圖11（4））。其比例尺也逐級增大。
五、主要地類影像亮度值特征分析
從比例尺為1∶20萬的蘭坪幅TM4（R）、TM5（G）、TM7（B）彩色合成圖像上，選取了11個地類影像樣區（其位置見彩版附圖11（3））。每壹地類樣區像元亮度值，按樣區內全部像元亮度值平均求得，並做成圖2。
從圖2可見，其中4號、5號、6號曲線，形態與圖1中的第壹類巖礦石反射光譜曲線十分相似，即TM5呈反射峰，TM7略下降，這三條曲線樣區對應地面巖石均有不同程度的礦化蝕變，所不同的是在TM4處形態有所變化，如曲線6樣區對應於地面紅土澗銅礦點，且地表有壹定植被覆蓋（見彩版附圖11（1）左下角），由於植被的近紅外波段“陡坡效應”引起TM4亮度值變化，且TM4亮度值較4、5號曲線高，而TM3亮度值則較5號曲線低，這就是植被幹擾所致。圖2中9號和11號曲線，呈現十分典型的植物反射波譜特征，這兩條曲線樣區對應於地面稠密茂盛的植被區，但是兩條曲線各波段亮度值高低仍有差別，可能植被類型尚有壹定差別。圖2中10號和3號曲線，其影像樣區對應地面均為泥灰巖，但分別處於地面的陰坡和陽坡部位，故亮度值有高低之分，但在
圖2 蘭坪地區幾種巖石及植被樣區的TM亮度值曲線（亮度值是經過拉伸的）
1—白村—羊村附近J3泥巖；2—松登附近K2泥巖、粉砂巖；3—羊村附近J2泥灰巖；4—裸露紅層，無植被覆蓋；5—淺色礦化石英砂巖；6—紅土澗礦區銅礦化蝕變白雲質灰巖，有少量植被；7—拉井ZK2附近的Ey紅層；8—洋芋山附近T3火山碎屑巖；9—茂盛植被覆蓋區；10—吉祥附近J2泥灰巖；11—茂盛植被覆蓋區
TM4處均呈弱反射峰。圖2中1號和2號曲線呈高亮度值特征，TM3呈反射峰，TM4呈吸收谷，該曲線樣區對應地面巖類為泥巖、粉砂巖。圖2中8號和7號曲線亮度值偏低，曲線平緩，這兩條曲線樣區對應地面巖類為火山碎屑巖和紅色含鹽地層。以上特征構成提取銅礦化蝕變信息的依據。
六、銅礦化蝕變遙感信息提取
遙感技術雖然具有獲取信息宏觀概括性強，且覆蓋面積大和可定期重復觀測等優點。但是，直接指示礦床或礦體產出的例子卻非常罕見。這首先因為地質成礦過程是極其復雜的，其次由於當前遙感技術的空間和波譜分辨率還有限。以致遙感數據反映的礦產信息常常十分微弱，背景地質信息卻非常強，因此提取礦產信息就成為遙感地質的首要任務和難題，而且試圖建立壹種數學公式（簡單的或復雜的），通過計算機對遙感圖像進行處理，達到提取礦化信息的目的，常常亦不能奏效。我們曾采用圖像處理技術中常用的累試法，通過比值法、彩色座標系變換、非監督分類、六個波段或七個波段KL轉換（即主分量分析）等[4]試圖突山TM數據中所包含的微弱礦化遙感信息，效果均不佳。最後較成功地利用四波段（TM1-TM4-TM5-TM7及TM1-TM3-TM4-TM5兩種組合）主分量分析方法提取了銅礦化蝕變遙感信息。
6.1 KL變換
主分量分析在圖像處理技術中，即是通過KL變換來實現的。眾所周知，通常幾乎每壹種多元分析法都要求對復雜的問題進行簡化，即以犧牲壹些信息為代價，來降低復雜集合的維數，或者說通過變換，舍棄壹些次要參數，達到“從樹木看森林”的目的[3]。盡管在數學上，主分量分析的定義及運算是嚴格的，但TM數據KL轉換結果反映的地質意義卻是十分復雜的，排列在前面的主分量反映的是廣泛分布的地層、巖性、構造、植被等地物信息，而序號大的主分量則反映某些宏觀上較次要的信息。通過研究發現數個地區礦化蝕變信息常常包含在這些次要信息之中。因此本文采用的主分量分析方法不同於常規的以壓縮維數來突出主要信息為目的的主分量分析；而是采取避開主要信息，利用微弱的次要分量信息的途徑，並探究其特殊的地質含義的方法，因此不是采用“從樹木看森林”的思路，而采用“從樹葉變化看蟲害”的思路。
表2 KL變換特征值及特征向量
具體做法是對圖像進行KL變換。各主分量與原波段像元亮度值的線性相關系數就是統計所得本征向量的各分量，各主分量的相對變異即是統計所得之本征值，對瀾滄江蘭坪地區兩幅1024像元×1024像元四波段圖像，TM1、TM4、TM5、TM7和TM1、TM3、TM4、TM5分別進行了 KL變換，以TM1、TM3、TM4、TM5數據的變換結果之地質意義更易闡明，雖然從最優組合角度來看，TM1、TM4、TM5、TM7組合所包含的信息量更大，但這壹組合中沒有TM3，而TM3對於壓制植被影響有特殊意義。瀾滄江蘭坪地區TM1、TM3、TM4、TM5四個波段像元亮度值KL變換統計結果見表2，第壹至第四主分量所含信息量分別為：87%、9.7%、2.8%和0.5%。
6.2 異常圖像成圖
由於本次研究目的主要是研究在主分量分析結果中那些序號大，而信息量占次要地位的分量之地質意義，壹般異常信息多包含在第四（KL P4）、第三（KL P3）分量中，它們與各TM波段像元亮度值的線性函數關系如式（2）：
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故異常圖像采用彩色合成方法形成，即采用KL P4（R）、KL P3（G）與TM3/TM4（B）進行彩色合成。彩版附圖11（3）即是從瀾滄江蘭坪異常圖像中截取出的蘭坪幅子區圖像。TM3/TM4（R34）比值的意義在於減少地形影響及壓制植被幹擾，彩色合成時將其賦予藍色，對襯托地質總背景有利。KL P4、KL P3信息構成雖明確，但其地質意義卻並不直觀，根據各地類影像樣區彩色合成的色彩理論計算，可以判斷各類色調的地質意義，並進壹步結合實地查證結果，對異常圖像的各色調作出定性評價。
6.3 典型地物樣區彩色合成色調理論計算
按（2）式計算蘭坪地區各典型地物樣區TM1、TM3、TM4、TM5四個波段像元亮度值的KL P4、KL P3,KL P2（見表3）。
根據表3列出的P4（R）、P3（G）、R34（B）的數據，可以大致估計各樣區在彩色合成圖像上應呈現的色調。再將以上樣區在1:20萬蘭坪地區遙感色調異常圖像（彩版附圖11（3））上標出，正如預計的那樣，其色調基本與表3中理論推測的色調吻合，因此可以判斷該圖上，紅色、紫紅色調可解譯為銅礦化蝕變異常區；黃、綠色調主要屬植被和泥灰巖分布區，其他各巖性呈現白、青、藍色調（表3）。
表3 各樣區TM圖像KL變換主分量值和TM3/TM4壹覽表
6.4 紅土澗子區的初步地質驗證
從彩版附圖11（3）圖像上截取紅土澗子區（128像素×128像素）並放大四倍，獲1∶5萬紅土澗子區異常圖像（彩版附圖11（4））。經對比研究，雲南814隊填制的1∶5萬地質簡圖（圖3）中的Ⅲ、Ⅳ、V號淺色銅礦化層均落入彩版附圖11（4）的深紅色區，其中Ⅳ號淺色銅礦化層為本礦區主要礦層，長約1000m，平均厚2.34m，平均品位2.14%，最高達6.12%，地表可見孔雀石、藍銅礦、黑銅礦、斑銅礦、輝銅礦等礦物，以浸染狀、暈散狀、薄膜狀和細脈狀產於淺色石英砂巖粒間及裂隙中，含礦層內礦化連續性較好。Ⅳ號淺色銅礦化層長度、厚度均大於Ⅲ號，但銅礦化差，品位低，僅為0.02%～0.04%，地表局部可見少量藍銅礦、孔雀石等。V號銅礦化層處於層間破碎帶中，長650m，寬40m左右，品位在2.08%～12.77%之間。深部主要銅礦物以輝銅礦為主，地表則以孔雀石、藍銅礦、黑銅礦為主，礦體呈脈狀、豆莢狀、串珠狀及似層狀。
表4 異常吻合率
圖3 雲南省蘭坪縣拉井（紅土澗）銅礦地質簡圈
點劃線方框為紅土澗子區銅礦化、蝕變遙感色調異常圖像（彩版附圖11（4））對應位置（據814隊資料）
1—古新統果郎組；2—始新統雲龍組；3—上白堊統曼寬河組；4—下白堊統南新組；5—上侏羅統壩註路組；6—中侏羅統花開左組；7—背斜軸；8—正斷層；9—逆斷層；10—性質不明斷層；11—銅礦層；12—淺色層（銅礦化）
Ⅰ號淺色銅礦化層部分與異常圖像上的淡玫瑰色調區吻合，該礦化層品位較低，為0.27%～0.8%，且礦化不連續，地表斷續可見孔雀石、藍銅礦等銅礦物。
Ⅱ號淺色調礦化層及部分I號礦化層在彩版附圖11（4）上無紫紅色調異常顯示，可能是受到山體陰影掩蓋，尚待進壹步研究。
此外，在彩版附圖11（3）黃色方框內的東北角有壹塊三角形深玫瑰色調區，對應地質圖為拉馬山北（已超出圖3範圍）地區，814隊追蹤到含銅淺色層兩層，***長2400m，厚4m～4.2m，品位為0.31%～1.71%，該礦化層在異常圖像上也有玫瑰紅色色調異常反映。
根據色調異常分布與銅礦化層面積對比統計，兩者吻合率見表4。
從表4可知，紅土澗礦區地質勘查結果與遙感色調異常的吻合率為89.3%。但對有異常而無礦化的問題未進行統計研究，顯然異常範圍是大於礦化範圍的，此問題十分復雜，目前由於未能對異常逐壹查證和研究，故兩者吻合程度尚有待進壹步探討。但壹般地說，對於預測不能像勘查那樣要求，期待預測結果完全準確，正如任何壹種物探信息的多解性壹樣。
綜上所述，可以有依據地認為，利用主分量分析在瀾滄江蘭坪地區提取銅礦化蝕變遙感信息是可行的，有效性甚高。
七瀾滄江蘭坪異常圖像的改進
在制作1024像素×1024像素瀾滄江蘭坪地區異常改進圖像（彩版附圖11（5））時，進行了雙重KL變換，目的是為了進壹步減少第壹次KL變換P3、P4分量間的相關性，起到“提純”異常的作用，取TM6的負值做為地質背景的襯托。即分別對TM1、TM3、TM4、TM5四個波段和TM1、TM4、TM5、TM7四個波段進行KL變換，然後分別從獲得的主分量中選取P3、P4兩個主分量再進行KL變換，各又獲得兩個主分量（PP1、PP2），從TM1、TM3、TM4、TM5雙重KL變換獲得的兩個主分量中選取PP2，從TM1、TM4、TM5、TM7雙重 KL變換獲得的兩個主分量中選取PP1，和TM6壹起分別賦予R、B、G，進行假彩色合成，生成瀾滄江地區蘭坪異常圖像（彩版附圖11（5），其處理流程如下圖：
圖4 瀾滄江蘭坪地區TM異常圖像處理流程圖
兩種波段組合雙重KL變換所得主分量本征值及本征向量見表2、表5、表6、表7。
表5 TM1、TM3、TM4、TM5二次KL變換特征值
表6 KL變換特征值及特征向量
表7 TM1、TM4、TM5、TM7二次KL變換特征值
彩版附圖11（5）上的紅色調的地質意義在6.4和6.3節中已有詳細討論。它也是銅礦化蝕變遙感信息。彩版附圖11（5）上黃色調是PP：與TM6取負後的高值區的合成色調，也就是與低溫區有關的色調，主要反映山的陰坡信息，由於6.4壹節討論山體陰坡銅礦化異常實例較少，故尚不能充分肯定黃色調也是銅礦化蝕變信息的顯示。彩版附圖11（5）上綠色背景（－TM6）色調襯托地質地形概貌，由於彩色合成將TM1、TM4、TM5、TM7 KL變換後的第三、四分量，再做二次KL變換，獲得的第壹主分量（PP1），賦於藍色，故判斷彩版附圖11（5）上藍色調主要反映泥巖信息（根據6.4、6.3節闡述的原理）。
通過以上討論，我們感興趣的主要是異常圖像上的紅色調異常。這些紅色調異常主要反映銅礦化蝕變信息，它們主要沿瀾滄江橫斷裂延伸呈羽狀集群展布。這些異常直觀地顯示了銅礦化蝕變區面積的大小，它與礦脈或礦層出露規模成正相關。彩版附圖11（5）上還標出了壹些地名代號，便於與地理、地質圖對比。由於該圖是壓縮顯示，零散的異常點也有所丟失，若以四幅拼接或放大掃描輸出就更清晰了。除金滿（彩版附圖11（5）上代號11，下同）和紅土澗（15）為已知礦床外，在象鼻村（3）、科登澗（4）、巖頭（5）、溫登（6）、下屋羅—新華（8）、螢娥（10）、計奪雞（12）、元寶山—孝金窩（13）、羊村—白村（16）等地附近所顯現的紅色調異常，也可能預示有銅礦化存在。
地質研究對象無比復雜、變化無窮，礦化蝕變信息相對又十分微弱；試想用某壹種或幾種數學（圖像處理技術）方法進行運算，從而得出充分的具普遍意義的解，是超越當前科技水平的。但是我們仍然可以針對某些特定的地區，簡化問題，尋找出壹組適當的圖像處理技術（數學工具）將微弱的礦化蝕變信息相對純凈地提取出米。
本文得到本中心丁群同誌的寶貴意見，雲南遙感站張昕、814地質隊李金星和劉基富等同誌曾參與圖片解譯、計淪，特此致謝。
參考文獻
[1]劉燕君等.東坪式金礦盲礦礦體的多元信息預測研究，國土資源遙感，1994,（1）:15～22
[2]肖榮閣等.雲南中新生代地質與礦產.北京：海洋出版社，1993
[3]M.肯德爾等.多元分析.北京：科學出版社，1983
[4]Zhang Yu-Jun.Digital inaage processing of airborne radiometric and magnetic datafrom central Chaidamu Basin.UAS:Tulsa,An Overview of Exploration Geophysics in China.American Society of Exploration Geophysics,1989,517-535
[5]M.P.Ekstrom.Digital Image Processing Techniques.USA:Academic Press,Inc,1984
A STUDY FOR EXTRACTION OF THE Cu-MINERALIZA-TION ALTERATION INFORMATION IN LANCANGJIANG-LANPING REGION BY PRINCIPLE COMPONENT ANALYSIS OF REMOTE SENSING DATA
Li Chang guo,Zhang Yu jun
（MGMR,Centerfor Aero Geophysics ond Remote Sensing,Beijing,100083）
Abstract It was confirmed by sampling in site and on image, that there are anomalous characteristics of spectra（high reflection in NIR TM51.55μm-1.75um）in the Lancangjiang Lanping Region.It provides the scientific basis for the experimental research of image processing techniques for extraction of the TM RS information,related to the Cu-mineralization and alteration.The best results were got by the principle component analysis.The geologic nature of the anomalies was evaluated by comparison with the geological work in Hong tujian area and by the theoretical calculation of the image sampling.Becuse of the fact, that the image preprocessing（the geometric restoration, the brightness scaling, the multivariate statistics, the optimized choice of TM channels etc.）was accomplished for the whole region uniformly.So it is reasonable to consider, that the obtained processing technique is also applicable for the whole region.And this paper describes it withfull and accurate table（4）,formulas（2）, graphics（4）and colour images（5）.
Key words Principle component analysis,Lancangjiang Lanping region, Cu mineralization alteration Remote sensing information
原載《國土資源遙感》，1997,No.1。