基于兩種方法的鋁土礦蝕變信息提取

陳緒慧，胡丹娟，袁立男

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

基于兩種方法的鋁土礦蝕變信息提取

陳緒慧，胡丹娟，袁立男

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

采用兩種方法相結(jié)合提取礦物蝕變信息，能夠有效地減少偽異常信息，提高信息提取精度與效率。以河南省鋁土礦區(qū)為研究區(qū)，引入主成分分析、獨立成分分析分別提取研究區(qū)蝕變信息，并求得兩種方法分析結(jié)果的交集。采用16個實地勘探礦床點數(shù)據(jù)資料進(jìn)行結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)通過兩種方法提取共同蝕變信息區(qū)，可以大大縮小野外勘探面積，減少野外勘探工作量，提高工作效率，對利用遙感技術(shù)圈定成礦靶區(qū)具有重要的指導(dǎo)意義。

多種方法；鋁土礦；主成分分析；獨立成分分析；蝕變信息；工作效率

20世紀(jì)70年代起，遙感技術(shù)開始應(yīng)用于地質(zhì)礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域中[1-2]。遙感異?；蛭g變信息提取是遙感找礦的重要途徑之一[3]。遙感異?；蛭g變信息提取最常用的方法為主成分分析法(Principle Component Analysis, PCA)。主成分分析是基于二階的統(tǒng)計量，具有去相關(guān)的特性，采用PCA算法可能會遺漏很多關(guān)鍵信息；獨立成分分析(Independent Component Analysis, ICA)是一種基于高階的統(tǒng)計量，它不但能夠提取包含在高階統(tǒng)計量中的許多弱信息，而且能夠?qū)⒂^察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種線性分解，得到統(tǒng)計獨立的成分[4]。

本文以河南省濟(jì)源市鋁土礦區(qū)為研究區(qū)，選擇2003年ASTER影像數(shù)據(jù)，對其分別進(jìn)行PCA和ICA，作為研究區(qū)鋁土礦蝕變信息提取的前兩種方法，并選擇PCA和ICA分析結(jié)果的交集作為第三種方法進(jìn)行研究區(qū)蝕變礦物信息提取，最后通過實地測量的鋁土礦床點位置數(shù)據(jù)對三種方法提取精度及效率進(jìn)行結(jié)果分析及對比。

1 PCA、ICA算法

獨立成分分析(ICA)是在主成分分析(PCA)基礎(chǔ)上發(fā)展起來，兩者異同點如表1所示。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

本研究采用的數(shù)據(jù)源是ASTER影像，時間為2003-07-10，L1B等級。研究采用GPS差分技術(shù)測定了若干地面控制點，點位測量的平均精度為2～3 cm，用于遙感影像的幾何精校正，此外，測量了2003年以后開采的16個鋁土礦礦床點數(shù)據(jù)，以便對遙感提取結(jié)果進(jìn)行精度驗證。

表1 獨立成分分析與主成分分析區(qū)別

2.2 研究方法

由研究區(qū)地質(zhì)概況知，鐵染蝕變和羥基蝕變存在于絕大多數(shù)蝕變礦物中，提取這兩種蝕變信息基本可以確定成礦巖石的分布位置。根據(jù)Crosta法則，ASTER數(shù)據(jù)中通常采用Band1、Band2、Band3、Band4波段組合提取鐵染類礦物蝕變信息[5]；采用Band1、Band3、Band4、Band6波段組合提取Al-OH類礦物蝕變信息[6]。本研究對2003年ASTER影像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行PCA和ICA提取鐵染和羥基蝕變信息作為研究區(qū)鋁土礦信息提取的前兩種方法，并選擇PCA與ICA分析結(jié)果的交集作為第三種方法進(jìn)行研究區(qū)鋁土礦蝕變信息提取。研究區(qū)鋁土礦蝕變信息提取技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 研究區(qū)鋁土礦蝕變信息提取技術(shù)流程

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省濟(jì)源市、洛陽市交界處[7]，區(qū)域地表植被多為低矮灌叢且比較稀疏。研究區(qū)鋁土礦礦床賦存于石炭系本溪組中段地層之內(nèi)，屬于沉積型鋁土礦。區(qū)內(nèi)鋁土礦床的巖性體沿垂向自上而下分別為硬質(zhì)粘土或粘土礦(高嶺石、蒙脫石、水云母等)—鋁土礦—鐵質(zhì)粘土頁巖(赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等)—粘土頁巖，構(gòu)成該礦床的賦礦巖系，為豫西鋁土礦集中區(qū)北段，具有較好的鋁土礦成礦地質(zhì)條件[8]。研究區(qū)褶皺斷裂比較發(fā)育，斷裂構(gòu)造對地形地貌、區(qū)域地層分布及鋁土礦成礦分布具有明顯的影響[9]，加之第四紀(jì)冰川對地表侵蝕比較嚴(yán)重，目前鋁土成礦區(qū)多為點狀分布。

3.2 蝕變信息提取3.2.1 PCA/ICA法蝕變信息提取

研究區(qū)鋁土礦主要礦物組分為赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等鐵染蝕變礦物及高嶺石、蒙脫石等Al-OH類蝕變礦物，提取這兩種蝕變信息，基本可以圈定鋁土礦分布區(qū)。根據(jù)Crosta法則對2003年ASTER影像分別進(jìn)行PCA和ICA得到的特征向量矩陣如表2、表3所示。

表2 鐵染/Al-OH蝕變礦物PCA特征向量矩陣

表3 鐵染/Al-OH蝕變礦物ICA特征向量矩陣

1)已知鐵染蝕變礦物的判別準(zhǔn)則為[10]：ASTER數(shù)據(jù)的Band1、Band3特征向量載荷與Band2特征向量載荷具有相反的貢獻(xiàn)值。由表2、表3可知，PC3/IC3符合上述條件，并獲得鐵染蝕變信息灰度圖。

2)已知Al-OH類蝕變礦物的判別準(zhǔn)則為：ASTER數(shù)據(jù)的Band4與Band6特征向量系數(shù)符號相反，與Band1貢獻(xiàn)系數(shù)符號相同[11]。由表2、表3可知，PC4/IC4符合Al-OH類蝕變礦物的判別準(zhǔn)則，得到Al-OH類蝕變信息灰度圖。

為了有效表達(dá)鋁土礦異常信息的分布趨勢，還需對鋁土礦蝕變信息灰度圖進(jìn)行異常切割。異常切割的標(biāo)準(zhǔn)[7]為μ+κσ，其中μ為某一成分的統(tǒng)計均值，σ為該成分的標(biāo)準(zhǔn)差，κ的取值范圍一般為1～3。多次試驗表明，PCA和ICA均在κ=1時效果最佳，得到鐵染與Al-OH蝕變信息圖。之后將兩種方法提取的鐵染及羥基蝕變信息疊加到原始影像上，得到的效果圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 PCA鋁土礦蝕變信息提取效果

圖3 ICA鋁土礦蝕變信息提取效果

由圖2、圖3看出，兩種方法提取的蝕變信息在研究區(qū)西北部均有分布，其中PCA法提取蝕變信息多集中在研究區(qū)西北部與中部；ICA法提取蝕變信息在研究區(qū)分布比較均勻。圖2A處相比圖3A處以及圖3B處較圖2B處具有較多的蝕變信息，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是“異物同譜或同譜異物”引起的偽異常信息。

3.2.2 PCA與ICA提取結(jié)果交集

由于大氣因素及周圍地物光譜的影響，PCA與ICA蝕變信息提取結(jié)果中不可避免地存在部分偽

異常信息。為了提高研究區(qū)蝕變信息提取的準(zhǔn)確性，減少野外工作量，首先將PCA與ICA提取的鐵染蝕變信息及羥基蝕變信息分別求取交集，然后將獲得的鐵染區(qū)域與羥基區(qū)域進(jìn)行疊加，最終得到兩種方法提取的異常信息共同點，即為研究區(qū)鋁土礦蝕變信息分布區(qū)，如圖4(a)所示，將鋁土礦蝕變信息疊加到原始影像圖上得到圖4(b)。

因研究區(qū)鋁土礦大多沿褶皺斷裂發(fā)育，根據(jù)提取的蝕變信息、遙感影像上褶皺斷裂分布區(qū)域及鋁土礦成礦規(guī)律，圈定3處鋁土礦成礦靶區(qū)，即圖4(b)中C，D，E三處區(qū)域，其局部放大如圖4(c)所示。通過實地驗證發(fā)現(xiàn)，C，D，E三處分別對應(yīng)研究區(qū)坡池村、陶山村、石槽村，3個村落均分布有豐富的鋁土礦。因此，使用該方法能夠較好地圈定研究區(qū)鋁土礦成礦靶區(qū)。

圖4 PCA與ICA鋁土礦異常信息共同點

3.2.3 結(jié)果評價分析

利用實地測量的2003年后開采的16個鋁土礦床點位置數(shù)據(jù)，對三種方法提取的鋁土礦異常信息結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1)計算包含在有效異常信息范圍內(nèi)的鋁土礦床點數(shù)量占總鋁土礦床點數(shù)量的比例，定義為提取精度l，公式為

(1)

式中：s′為包含在有效異常信息范圍內(nèi)鋁土礦床點數(shù)量，s為研究區(qū)總鋁土礦床點數(shù)量。l越大，表示提取的蝕變信息內(nèi)包含鋁土礦床點的數(shù)量越多。

2)記提取的單位蝕變面積上的提取精度為蝕變信息提取效率，表示為

(2)

式中：a′為研究區(qū)總鋁土礦床點面積，為方便計算，記為1。a為提取的蝕變信息總面積，l為提取精度。e越大，表示在提取的蝕變信息區(qū)域范圍內(nèi)勘探出礦的概率越大，越有利于勘探工作的開展。

通過建立以上模型，分析PCA、ICA以及兩種方法交集的結(jié)果如表4所示。

表4 蝕變信息提取方法結(jié)果對比

通過表4對比分析，盡管第二種方法(ICA)提取精度明顯高于另外兩種方法，但在單位蝕變面積提取效率方面，第三種方法(交集)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩種方法，說明第三種方法蝕變信息提取效率明顯提高，大幅度地減少了野外勘探的工作量。此外，根據(jù)第三種方法圈定的三處成礦靶區(qū)，并對比圖2、圖3、圖4(b)3幅圖，發(fā)現(xiàn)圖2中PCA方法只能較好地圈定C，E兩處區(qū)域，圖3中ICA只能較好地圈定C，D兩處區(qū)域，而第三種方法能夠同時圈定C，D，E 3個區(qū)域，且蝕變信息提取結(jié)果中的偽異常信息明顯低于前兩種方法。因此，兩種方法求取交集的分析方法具有較高的準(zhǔn)確度及工作效率，對研究區(qū)鋁土礦蝕變信息提取具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語

本文介紹了PCA與ICA算法原理，并用其分別提取研究區(qū)鋁土礦蝕變信息，采用兩種方法求取結(jié)果的交集作為第三種方法。結(jié)果顯示：三種方法蝕變信息提取精度基本相近，但采用兩種方法求取交集提取共同蝕變區(qū)域方法的工作效率遠(yuǎn)高于另外兩種方法，且該方法較好地圈定了3處鋁土礦成礦靶區(qū)，具有較高的準(zhǔn)確率。因此，采用多種方法分析結(jié)果求取交集，有效地減少了偽異常信息，并在很大程度上縮小了野外勘探面積，提高了野外勘探找礦的效率。

[1] 張志軍,甘甫平,李賢慶,等.基于ASTER數(shù)據(jù)的蝕變礦物信息提取[J].國土資源遙感,2012(2)：85-91.

[2] 呂超,呂游.遙感影像信息提取技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報,2014(1):34-38.

[3] 彭光雄,王明艷,陳鋒銳,等.基于獨立分量分析的鋁土礦蝕變信息遙感提取方法[J].中國有色金屬學(xué)報,2012,22(3):895-902.

[4] 楊竹青,李勇,胡德文.獨立成分分析方法綜述[J].自動化學(xué)報,2002,28(5):762-772.

[5] 張玉君,楊建民,姚佛軍.多光譜遙感技術(shù)預(yù)測礦產(chǎn)資源的潛能——以蒙古國歐玉陶勒蓋銅金礦床為例[J].地學(xué)前緣,2008(5):63-70.

[6] 呂鳳軍,郝躍生,石靜,等.ASTER遙感數(shù)據(jù)蝕變遙感異常提取研究[J].地球?qū)W報,2009,30(2):271-276.

[7] 李明明,周可法.基于獨立成分法的遙感蝕變信息提取研究——以新疆包古圖礦區(qū)為例[C].中國遙感應(yīng)用協(xié)會2010年會暨區(qū)域遙感發(fā)展與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集,2010.

[8] 陳旺.豫西濟(jì)源西部鋁土礦成礦地質(zhì)環(huán)境[J].地質(zhì)與勘探,2007,43(1):26-31.

[9] 羅一英,高光明,于信芳,等.基于ETM+的幾內(nèi)亞鋁土礦蝕變信息提取方法研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2013,28(2):300-337.

[10] 楊金中.多光譜遙感異常提取技術(shù)方法體系研究[J].國土資源遙感,2007,74(4):43-46.

[11] 靳娟,楊日紅,李家存.ASTER數(shù)據(jù)蝕變礦物信息提取技術(shù)研究及其應(yīng)用綜述[J].國土資源科技管理,2013,30(4):62-69.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Bauxite alteration information extraction based on two methods

CHEN Xu-hui，HU Dan-juan,YUAN Li-nan

(College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

By combining two methods to extract mineral alteration information, they can effectively reduce the false anomaly information, and improve the accuracy and efficiency of information extraction.Taking bauxite mining area of He’nan Province as the study area, this pape introduces the principle component analysis,independent component analysis method to extract the alteration information extraction of the study area respectively. Finally 16 bauxite data measured are used to analyze the result that by combining two different methods to extract common alteration information, they can greatly reduce the field drilling exploration area and the field exploration work,improve the efficiency of field exploration,which has important application value on guiding remote sensing technology.

multiple methods；bauxite；PCA；ICA；alteration information；work efficiency

2014-11-27

國家自然科學(xué)基金項目(41101397)

陳緒慧(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：多光譜遙感在地質(zhì)探礦領(lǐng)域的應(yīng)用.

P237

A

1671-4679(2015)02-0022-05