航空熱紅外高光譜在巖性識(shí)別中的應(yīng)用
——以甘肅柳園地區(qū)TASI 數(shù)據(jù)為例

田豐，孫雨，趙英俊，秦凱，邱駿挺

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

高光譜礦物識(shí)別是一種光譜識(shí)別技術(shù)，可直接識(shí)別與成礦有關(guān)的礦物分布及相對(duì)豐度信息，利用這些礦物信息，并綜合礦床成因模型等信息，可有效地確定詳查和勘探目標(biāo)［1］?？梢?jiàn)光-短波紅外（0.4～2.5 μm）區(qū)間可識(shí)別約30 余種礦物［2-3］。但重要的造巖礦物（如石英、長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物）在此光譜區(qū)間無(wú)診斷性光譜特征。

熱紅外高光譜遙感（8～15 μm）譜段探測(cè)礦物的組成SinOk、CO3、SO4和PO4等原子基團(tuán)基頻振動(dòng)及其微小變化，可識(shí)別硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、部分氫氧化物、氧化物等礦物［4］。尤其航空熱紅外高光譜遙感作為近年新發(fā)展起來(lái)的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，同時(shí)具有高空間分辨率和高光譜分辨率的技術(shù)特點(diǎn)，具備了從空間大尺度上精細(xì)探測(cè)和分析地表巖石礦物成分的能力，具有圖譜合一，圖像分類，光譜定性特點(diǎn)［3-4］。可精確提取礦物種屬及豐度信息，確定每個(gè)巖石地層單元內(nèi)的巖石（組合）類型，并結(jié)合地質(zhì)背景系統(tǒng)地對(duì)成礦區(qū)、礦田和礦床進(jìn)行巖性定量識(shí)別和填圖。

例如，Greg Vaughan 在2003 年采用美國(guó)航空高光譜SEBASS 熱紅外數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)華達(dá)州里諾進(jìn)行了礦物設(shè)別和填圖試驗(yàn)，巖石影像光譜與JPL、ASU、USGS 光譜庫(kù)的混合礦物線性混合光譜吻合很好［5］。Bandfield（2002 年）和閆柏琨（2005 年）等解譯 TES（Thermal Emission Spectrometer）高光譜熱紅外數(shù)據(jù)，完成對(duì)火星發(fā)射光譜的礦物識(shí)別和填圖［6-8］，火星表面的鉀長(zhǎng)石、高鈣輝石、低鈣輝石、斜長(zhǎng)石、碳酸鹽、赤鐵礦、角閃石、橄欖石、石英、玻璃和硫酸鹽等11 種礦物種類及其分布被識(shí)別。其中多類型的硅酸鹽礦物是火星起源演化研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，赤鐵礦、碳酸鹽、硫酸鹽的識(shí)別為研究火星水體的存在及演化提供重要數(shù)據(jù)［7］。

現(xiàn)階段我國(guó)礦產(chǎn)勘查傳統(tǒng)工作程序基本上還遵循地質(zhì)人員區(qū)調(diào)-普查-詳查-初勘-詳勘的過(guò)程，基礎(chǔ)的巖性識(shí)別和填圖研究主要是根據(jù)地質(zhì)人員野外肉眼觀察、有限的巖相學(xué)分析或光衍射分析等相關(guān)工作［3-4］。本次研究試圖在礦物學(xué)和礦物光譜學(xué)等知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下，分析常見(jiàn)造巖礦物熱紅外發(fā)射光譜特性，開(kāi)展甘肅柳園花崗巖型研究區(qū)航空熱紅外TASI 數(shù)據(jù)巖性識(shí)別填圖的試驗(yàn)研究，為大區(qū)域礦物識(shí)別和巖性分類提供了一種新的快速有效的手段。

1 研究區(qū)概況

甘肅柳園地區(qū)氣候干燥，巖石裸露情況好，地表河流極不發(fā)育，位于多金屬重要成礦帶上（圖1）。區(qū)內(nèi)主斷裂是貫通整個(gè)研究區(qū)的EW 向花牛山—察客爾呼都格大斷裂，呈近EW與NE 向追蹤狀展布。將研究區(qū)分為花牛山—東大泉多金屬礦化帶和花南溝—東大泉東南山鎢鉬、金礦化帶。主斷裂的南北兩側(cè)，發(fā)育有與其相關(guān)的EW 和SN 向多級(jí)斷裂。斷裂北盤(pán)為震旦系洗腸井群碎屑巖夾碳酸鹽巖和海西期花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖，南盤(pán)為中奧陶統(tǒng)花牛山群（O2hn）碎屑巖夾基性火山巖。印支期花崗巖沿?cái)嗔褞С涮?，沿?cái)嗔殉蔈W 向分布，是區(qū)內(nèi)控制礦田、礦帶的主要構(gòu)造。

圖1 柳園研究區(qū)地質(zhì)圖Fig. 1 Geological map of Liuyuan study area

研究區(qū)經(jīng)歷多次巖漿活動(dòng)，侵入作用強(qiáng)烈，巖性復(fù)雜，從超基性至酸性巖均有，由老至新共確立了海西早期、中期和印支期3 個(gè)巖漿期。其中以海西中期巖漿侵入活動(dòng)最為強(qiáng)烈，是研究區(qū)內(nèi)重要的巖漿成礦期，也是巖漿活動(dòng)的鼎盛期。海西早期巖系組合為超基性巖和花崗閃長(zhǎng)巖；海西中期巖系組合為閃長(zhǎng)巖/石英閃長(zhǎng)巖、花崗巖/似斑狀花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖。印支期巖漿巖較為單調(diào)，全部為花崗巖。

巖體規(guī)模大小不等，呈巖基、巖株和巖墻狀產(chǎn)出，脈巖發(fā)育，種類繁多，在巖體中多成群成組出現(xiàn)?；ㄅＩ健炜蜖柡舳几翊髷嗔岩员币灾行?、基性脈巖為主，其次為酸性脈巖，多成群成帶出現(xiàn)。以南以基性脈巖為主，分布于海西中期巖體和志留系地層中。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層包括中奧陶統(tǒng)花牛山群（O2hnb）、志留系中巖組（O—S）b。震旦系洗腸井群（Zxc）分布于花牛山—察客爾呼都格大斷裂北側(cè)，呈殘留體狀產(chǎn)出。整體為一北傾單斜構(gòu)造，地層展布方向近EW 向，以花牛山西北方向出露較為完整。主要為一套淺海相-濱海相沉積的碎屑巖及碳酸鹽巖建造，主要巖性為砂質(zhì)板巖、千枚狀板巖、石英大理巖夾千枚巖、角巖。志留系中巖組（O—S）b地層包括斜山群（S1xs）和公婆泉群（S2-3gn），主要分布于紅柳園大斷裂以北，花牛山—察客爾呼都格大斷裂以南。地層變質(zhì)程度較深，加之遭受后期巖體侵入和斷層影響，地層分布星散孤立。整體構(gòu)成一軸向近WE 的開(kāi)闊向斜。

研究區(qū)內(nèi)還發(fā)育一系列EW 向小型斷裂，并被晚期SN、NE 向張性斷裂切割，發(fā)育其上的次級(jí)褶皺和NE 向、近EW 向斷裂相互配置及其與花崗巖、地層巖性的交割關(guān)系等，對(duì)礦田、礦床乃至礦體起到了具體定位的作用。尤其在斷裂走向、傾向變化較大的部位及其與不同方向大斷裂交匯部是多期成礦流體活動(dòng)的有利場(chǎng)所和礦體定位的主要空間［9］。

2 遙感熱紅外巖性識(shí)別原理和礦物發(fā)射光譜特性分析

高光譜礦物識(shí)別的基本原理是礦物紅外的特定波長(zhǎng)位置有明顯的吸收特征，通過(guò)成像光譜數(shù)據(jù)的重建光譜與礦物標(biāo)準(zhǔn)光譜或?qū)崪y(cè)光譜的定量對(duì)比分析［3-4］，為利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行巖性識(shí)別與填圖提供理論基礎(chǔ)。自然界大多數(shù)硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽及硼酸鹽等礦物，晶體結(jié)構(gòu)中由核心的絡(luò)陰離子或“封閉”的基團(tuán)等組成，如SiO4、SO4、CO3、PO4及BO5等。前人研究表明：不同基團(tuán)紅外光譜譜帶數(shù)決定于其本身的振動(dòng)摸式，它的頻率主要取決于基團(tuán)本身的構(gòu)型及晶胞的對(duì)稱性，即內(nèi)部堅(jiān)固的共價(jià)鍵，晶體場(chǎng)的影響是次要的，即每種基團(tuán)特征吸收頦率較穩(wěn)定，這些基團(tuán)振動(dòng)模式和頻率決定了礦物紅外光譜的主要輪廓，構(gòu)成各種礦物紅外光譜的主要特征［7］。

1962 年Lyno 和Moekn 分別發(fā)表了最早的系統(tǒng)性的有關(guān)礦物紅外光譜方面的文章，1974年Famrer 出版了綜合性礦物紅外光譜理論和應(yīng)用方面的著作，1976 年Marel 和Beutel spaeher 測(cè)量并分析了多類型黏土礦物的紅外光譜。20 世紀(jì)80 年代Hunt 歸納總結(jié)各種地物光譜特征，并提出隨著熱紅外測(cè)量?jī)x器技術(shù)的快速發(fā)展，如能實(shí)現(xiàn)航空或航天成像光譜儀連續(xù)窄波段成像，則能實(shí)現(xiàn)地面礦物的直接識(shí)別［10］。后續(xù)如Clark 等研究人員繼承并改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室礦物光譜測(cè)量和分析的原理和方法，在對(duì)大量巖石、礦物實(shí)驗(yàn)室光譜的測(cè)量、研究和歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，建立了礦物和巖石光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，為高光譜巖礦識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。主要造巖礦物的熱紅外吸收波長(zhǎng)可歸納為表1。

表1 部分常見(jiàn)礦物特征振動(dòng)頻率Table 1 Vibration frequency of some common mineral characteristics

現(xiàn)在國(guó)際上比較常用的巖礦波譜數(shù)據(jù)庫(kù)主要有美國(guó)地調(diào)局（USGS）的礦物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)、JPL 的礦物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)、亞利桑那州立大學(xué)地質(zhì)系行星探索實(shí)驗(yàn)室建立的ASU 光譜庫(kù)和ASTER 光譜庫(kù)等［10-11］。熱紅外區(qū)間的礦物紅外光譜則有透過(guò)率、漫反射率和發(fā)射率3 種，光譜庫(kù)收錄前人測(cè)量的多種礦物的紅外光譜，紅外漫反射率光譜占絕大多數(shù)。

研究使用美國(guó)D&P Instruments 公司生產(chǎn)102F 便攜式傅里葉變換熱紅外光譜儀，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量獲取有代表性的碳酸鹽（圖2）、硫酸鹽（圖3）和硅酸鹽（橄欖石族、角閃石族、高嶺石族、蛇紋石族、蒙脫石族、滑石-葉臘石族、長(zhǎng)石族（圖4）、輝石族和云母族）、氧化物石英族礦物（圖5）發(fā)射率光譜，分析整體發(fā)射光譜特征譜帶，從礦物離子或離子基團(tuán)所對(duì)應(yīng)的特征吸收峰，分析并歸納礦物類（族）、礦物亞類、礦物種以及礦物變種的可識(shí)別的診斷性特征。

圖2 碳酸鹽礦物發(fā)射紅外光譜Fig.2 Emission infrared spectroscopy of carbonate minerals

圖3 硫酸鹽礦物發(fā)射紅外光譜Fig.3 Emission infrared spectroscopy of sulfate minerals

圖4 長(zhǎng)石族礦物發(fā)射紅外光譜Fig.4 Emission infrared spectroscopy of feldspar minerals

圖5 石英族礦物發(fā)射紅外光譜Fig.5 Emission infrared spectroscopy of quartz group minerals

測(cè)試使用102F 熱紅外光譜儀測(cè)量獲取礦物發(fā)射率的操作過(guò)程中，為保證礦物獲取發(fā)射率信噪比，測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)迭代次數(shù)不低于50次，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，礦物體表溫度和環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生變化。發(fā)射光譜計(jì)算軟件輸入測(cè)量結(jié)束時(shí)的實(shí)測(cè)礦物體表溫度和環(huán)境溫度，和光譜測(cè)量階段有差異，反演計(jì)算會(huì)使礦物巖石個(gè)別區(qū)間的發(fā)射率出現(xiàn)大于1 的現(xiàn)象（圖2、3 和5），本文高光譜礦物識(shí)別采用譜形和吸收峰位置，此類測(cè)量誤差不影響后期研究和分析。

2.1 碳酸鹽礦物

碳酸鹽礦物的紅外光譜主要由碳酸根離子振動(dòng)模式及晶格振動(dòng)模式?jīng)Q定，其中CO3離子的內(nèi)振動(dòng)模式?jīng)Q定了其紅外光譜的基本輪廓［11-12］。如圖4 所示，方解石（黑色）、白云石（紅色）、菱錳礦（藍(lán)色）、菱鐵礦、孔雀石、菱鋅礦和菱鎂礦的紅外光譜在11～11.5 mm 區(qū)間和13～14.5 mm 區(qū)間有兩個(gè)主要的吸收帶。如方解石的主要吸收峰位于11.34 和14.05 mm 左右，吸收峰深度多于同族的白云石。白云石的主要吸收峰位于11.2 和13.75 mm 左右。

2.2 硫酸鹽礦物

硫酸鹽礦物以石膏（紅色）、重晶石（紫色）和天青石（綠色）等為代表。硫酸鹽礦物擁有較寬的吸收區(qū)間，如圖3 所示，這些礦物在8～9.5 mm 區(qū)間均有一個(gè)主要吸收帶，吸收峰位于8.69 mm 左右，同時(shí)在8.36 μm 有一小吸收峰。決定了硫酸鹽礦物的獨(dú)特發(fā)射紅外光譜譜形，其中，石膏的吸收峰深度最深，天青石次之，重晶石吸收峰相對(duì)較弱。

2.3 硅酸鹽長(zhǎng)石族礦物

長(zhǎng)石族屬架狀硅酸鹽亞類，所有的硅酸鹽礦物在10 mm 附近都要形成強(qiáng)的吸收峰，從島狀→鏈狀→層狀→架狀硅酸鹽礦物，離子中的SiO2聚合程度依次增加，強(qiáng)吸收峰位置也依次向高頻偏移。吸收帶的波長(zhǎng)范圍趨于變窄［11-12］。

各種長(zhǎng)石的紅外光譜都十分相似，如圖4所示，以微斜長(zhǎng)石（黑色）、斜長(zhǎng)石（紫蘭色）和鉀長(zhǎng)石（紅色）為代表，8～10.5 μm 范圍是最強(qiáng)吸收區(qū)，屬Si—O 和Al—O 彎曲振動(dòng)，由3 個(gè)或3 個(gè)以上的吸收峰組成，位置分別為8.6、9.6 和10 mm。13～14.5 mm 范圍是弱吸收區(qū)，屬Si—Si 和Si—Al 伸縮振動(dòng)，主要有2 個(gè)吸收峰，位于13 和13.8 mm 左右。

2.4 石英族礦物

石英族屬氧化物礦物，主要成分是SiO2，紅外光譜譜形和特征由礦物晶格分子振動(dòng)過(guò)程的基頻決定，分子伸縮（價(jià)鍵）振動(dòng)是原子沿價(jià)鍵方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)所引起的鍵長(zhǎng)變化（包括Si—O—Si 對(duì)稱伸縮振動(dòng)和Si—O 非對(duì)稱伸縮振動(dòng)），彎曲（變形）振動(dòng)是原子垂直于價(jià)鍵方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所引起的鍵角變化（Si—O—Si 彎曲振動(dòng)）［11，14］。在8～16 mm 范圍的石英族礦物的紅外光譜都十分相似，如圖5 所示，以實(shí)測(cè)石英（紅色）為代表，8～10 mm 范圍為最強(qiáng)吸收區(qū)，屬于Si—O 非對(duì)稱伸縮振動(dòng)，由一強(qiáng)吸收帶（8.6～9.7 mm）和一稍弱吸收帶（8～8.6 mm）組成，吸收峰中心位于8.4 和9.1 mm。12～16 mm有2～3 個(gè)中等強(qiáng)度的窄帶，屬Si—O—Si 對(duì)稱伸縮振動(dòng)。石英族礦物的另一個(gè)共同特點(diǎn)就是在12.5 mm 處都會(huì)有一個(gè)中等強(qiáng)度的吸收特征峰。

SiO2的紅外光譜特征由其成分和結(jié)構(gòu)共同決定，反映了所處的成礦地質(zhì)條件，在不同的成礦成巖作用演化過(guò)程中，隨著條件的改變，形成的礦物成分及結(jié)構(gòu)呈有規(guī)律的變化，這也導(dǎo)致其紅外光譜發(fā)生相應(yīng)的改變。

2.5 精度評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)兩人獨(dú)立進(jìn)行了石膏和石英的102F 熱紅外發(fā)射光譜的測(cè)量，經(jīng)和美國(guó)權(quán)威的（ASU）熱紅外波譜庫(kù)相同礦物發(fā)射光譜比較，兩種礦物的發(fā)射光譜譜形和吸收峰位置等主要特征均基本一致（圖6）。因此，102F 熱紅外光譜儀獲取的各類型礦物發(fā)射光譜數(shù)據(jù)精度很高，完全滿足本次研究的需要。

3 航空熱紅外高光譜TASI 數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)處理

選擇研究區(qū)的航空熱紅外Thermal Airborne Hyperspectral Imager（簡(jiǎn)稱TASI）高光譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間是2010 年9 月8 日，空間分辨率為2 m×2 m，TASI 參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 TASI 傳感器參數(shù)簡(jiǎn)表Table 2 Summary table of TASI sensor parameters

針對(duì)TASI 原始數(shù)據(jù)，研究中采用基于Aster_TES 算法的溫度與發(fā)射率分離算法，并綜合大氣糾正等算法對(duì)研究區(qū)TASI 高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（圖7），獲得可用于研究區(qū)巖性識(shí)別的TASI 發(fā)射率數(shù)據(jù)。

圖7 TASI 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)路線Fig.7 TASI data preprocessing technology route

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

采用102F 熱紅外光譜儀準(zhǔn)同步測(cè)量了柳園研究區(qū)鉀長(zhǎng)花崗巖（LY-4）的發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)TASI反演的發(fā)射光譜譜線比較（圖8），無(wú)論是整體譜形，還是主要的診斷吸收峰如8 492、8 602和9 259 nm 都基本一致?？紤]到地面和航空?qǐng)D像像元尺度發(fā)射率有著一定的尺度效應(yīng)問(wèn)題，且航空數(shù)據(jù)的大氣效應(yīng)不可能完全消除，說(shuō)明TASI數(shù)據(jù)反演地表發(fā)射率光譜均有很高的準(zhǔn)確度，滿足研究區(qū)巖性識(shí)別需要。

圖8 溫度-發(fā)射率分離結(jié)果的驗(yàn)證圖［18］Fig.8 Temperature and emissivity separation results［18］

4 航空熱紅外高光譜TASI 巖性識(shí)別研究

4.1 TASI 發(fā)射率數(shù)據(jù)巖性光譜識(shí)別

TASI 發(fā)射率數(shù)據(jù)巖性識(shí)別包括巖體、地層兩類巖性單元的圖像分類和光譜識(shí)別。研究區(qū)出露鉀長(zhǎng)花崗巖、閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖等，其中石英和長(zhǎng)石等主要造巖礦物見(jiàn)于各種地層中，巖性圖像分類（診斷性吸收光譜特征）以硅酸鹽類等造巖礦物的光譜特性為主，參考硫酸鹽和碳酸鹽蝕變礦物紅外光譜特性。并采用TASI 發(fā)射光譜（完全譜形特征）識(shí)別圖像分類地質(zhì)單元的不同巖性。

由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)典型造巖礦物熱紅外發(fā)射光譜測(cè)量和特性分析可知，組成硅酸鹽主要造巖礦物石英、長(zhǎng)石等在8.5～10.0 mm 區(qū)間有明顯的多處診斷光譜識(shí)別特征（圖4、5），區(qū)域內(nèi)許多巖石在多梯次的地質(zhì)作用下均發(fā)生不同程度的蝕變，相關(guān)的碳酸蝕變礦物光譜特征出現(xiàn)在11～11.5 mm區(qū)間，硫酸鹽蝕變礦物在8.7 mm左右有診斷吸收特征峰。綜合主要造巖礦物診斷性吸收光譜特征位置，選擇TASI 數(shù)據(jù)的30（11.1 mm）波段、22（10.1 mm）波段、和11（9.0 mm）波段進(jìn)行TASI 數(shù)據(jù)研究區(qū)巖體、地層巖性單元的圖像分類。

研究區(qū)大量分布有超基性巖，印支期花崗巖等，如超基性巖主要由橄欖石和輝石等礦物組成，整體譜形呈V 型，主要診斷光譜吸收峰位于9.6 mm，；鉀長(zhǎng)花崗巖主要由鉀長(zhǎng)石、石英等礦物組成，整體譜形在8.0～10.0 mm 區(qū)間呈一大U 型吸收峰型和三個(gè)小特征峰，診斷光譜吸收峰位于8.5、8.8、9.3 和9.7 mm；石英硅化帶主要由純潔SiO2礦物組成，整體譜形在8.0～9.7 mm區(qū)間呈先小后大兩吸收峰型，診斷光譜吸收峰位于8.5 和9.1 mm（圖4、5 和9）。

航空熱紅外TASI 光譜分辨率為110 nm，當(dāng)巖石中的礦物特征光譜吸收峰位差異達(dá)55 nm，TASI 發(fā)射率數(shù)據(jù)可將其識(shí)別。以SiO2礦物為主要組成的石英脈、硅化帶和結(jié)晶片巖等在不同地質(zhì)作用條件下會(huì)使其內(nèi)部的主要造巖礦物SiO2中部分硅被鋁置換，引起SiO2的紅外光譜吸收峰向低頻（長(zhǎng)波）方向移動(dòng)，而K、Na 含量高時(shí)則會(huì)向高頻方向移動(dòng)（圖9）。這種用巖石學(xué)方法難以直接識(shí)別的細(xì)微成分的變化，會(huì)由于SiO2的紅外光譜中的診斷吸收峰位偏移，被TASI 發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)識(shí)別和區(qū)分［15-16］。

圖9 SiO2特征吸收峰位置隨含量變化Fig.9 The position of SiO2 characteristic absorption peak changing with content

圖10 花西山金礦區(qū)巖性TASI 熱紅外圖像與光譜分布圖Fig.10 TASI Thermal infrared image and spectral distribution map of lithology in Huaxishan gold mine area

分析研究區(qū)分8類巖體、地層巖性單元的TASI數(shù)據(jù)影像發(fā)射光譜曲線（圖2～5、10），結(jié)合地質(zhì)背景，對(duì)相關(guān)的巖石單元的屬性進(jìn)行判定，最終從TASI 圖像區(qū)分的8 組巖石地層單元，分別為二長(zhǎng)花崗巖、超基性巖、石英脈、灰?guī)r、硅質(zhì)巖、云母角巖、泥質(zhì)薄層板巖和鉀長(zhǎng)花崗巖八類，經(jīng)野外實(shí)地驗(yàn)證，無(wú)錯(cuò)漏巖性且范圍邊界準(zhǔn)確（圖11）。

圖11 花西山金礦區(qū)TASI 圖像巖性區(qū)分示意圖Fig.11 Schematic diagram for lithological differentiation of TASI image in Huaxishan gold mine area

4.2 熱紅外遙感巖性識(shí)別效果分析

對(duì)于TASI 圖像上反演的八類巖性單元的準(zhǔn)確性，本次研究利用1：5 萬(wàn)地質(zhì)填圖和可見(jiàn)光-短波紅外（0.4～2.5 mm）區(qū)間的航空高光譜CASI/SASI反射率數(shù)據(jù)的巖性識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

在1：5 萬(wàn)地質(zhì)圖上，花牛山—察客爾呼都格區(qū)域性深斷裂柳園花西山金礦及外圍研究區(qū)內(nèi)，切割了震旦系、奧陶系地層，又被海西期超基性巖、石英閃長(zhǎng)巖和印支期花崗巖枝侵入，地表構(gòu)成巖性復(fù)雜，花崗巖和閃長(zhǎng)巖分布面積較廣，同時(shí)侵入作用強(qiáng)烈，從超基性至酸性巖均有。本次研究采用TASI 發(fā)射率數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)的巖體、地層巖性單元圖像分類有二長(zhǎng)花崗巖、超基性巖、石英脈、灰?guī)r、硅質(zhì)巖、云母角巖、泥質(zhì)薄層板巖和鉀長(zhǎng)花崗巖八類（圖11）。比較1：5 萬(wàn)地質(zhì)填圖中，僅僅識(shí)別和填繪了二長(zhǎng)花崗巖、超基性巖、灰?guī)r和鉀長(zhǎng)花崗巖4組巖體、地層巖性單元（圖12a）。

對(duì)比研究區(qū)的航空高光譜CASI/SASI 反射光譜數(shù)據(jù)，2010 年9 月8 日獲取，CASI 數(shù)據(jù)波譜范圍介于0.4～10.05 mm 之間，空間分辨率1 m×1 m；SASI 數(shù)據(jù)波譜范圍介于0.95～2.50 mm 之間，空間分辨率2 m×2 m。采用主成分分析和MNF 變換數(shù)學(xué)變換方法，將CASI/SASI 的光譜等數(shù)據(jù)信息降維集中到10～20 波段中，選擇信息最豐富的2，3，4 分量進(jìn)行圖像分類（圖12）。通過(guò)與地質(zhì)圖對(duì)比，CASI 圖像可區(qū)分有二長(zhǎng)花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、泥質(zhì)薄層板巖和灰?guī)r4 類（圖12b）。SASI 圖像可區(qū)分有二長(zhǎng)花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、云母角巖和灰?guī)r4 組（圖12c），具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 TASI 與1：5 萬(wàn)地質(zhì)圖/CASI/SASI 巖性圖像分類Table 3 TASI and 1:50 000 geological map/CASI/SASI lithological image classification

由表3 可見(jiàn)，與1：5 萬(wàn)地質(zhì)圖/CASI/SASI 相比，熱紅外TASI 數(shù)據(jù)不僅成功地將變質(zhì)的灰?guī)r識(shí)別為云母角巖，而且將侵入灰?guī)r的石英脈和硅質(zhì)識(shí)別出來(lái)，準(zhǔn)確地區(qū)分超基性巖，各巖體、地層巖性單元邊緣、紋理等空間信息特征區(qū)分清晰準(zhǔn)確，表明其在識(shí)別硅酸鹽礦物或巖石方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

可見(jiàn)光-短波紅外（0.4～2.5 mm）區(qū)間巖性分類采用基于統(tǒng)計(jì)的算法可最大限度地利用高光譜數(shù)據(jù)的各種信息，但航帶之間的色差成為多航帶大區(qū)域高光譜巖性填圖的技術(shù)難點(diǎn)。本次熱紅外TASI 數(shù)據(jù)的巖性分類只涉及巖石的光譜信息，航帶內(nèi)各巖性單元顏色由巖石光譜曲線的差異來(lái)區(qū)分，不同航帶同類巖性會(huì)被賦予同一種顏色，可使得研究區(qū)多景航帶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)縫拼接。

5 結(jié) 論

本次研究在礦物紅外光譜知識(shí)的支撐下，研究并建立常見(jiàn)石英（SiO2）和長(zhǎng)石等造巖礦物發(fā)射光譜識(shí)別特性，然后以航空熱紅外高光譜TASI 數(shù)據(jù)對(duì)甘肅柳園花崗巖型研究區(qū)開(kāi)展巖性識(shí)別和地質(zhì)分析，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析，從遙感的礦物識(shí)別角度，建立常見(jiàn)造巖礦物（硅酸鹽長(zhǎng)石族、硫酸鹽、碳酸、氧化物石英族礦物等）的熱紅外發(fā)射光譜特征模型，碳酸鹽礦物紅外光譜在11～11.5 mm 區(qū)間和13～14.5 mm區(qū)間有兩個(gè)主要的吸收帶；硫酸鹽礦物紅外光譜在8～9.5 mm 區(qū)間均有一個(gè)主要吸收帶，位于8.69 mm 左右，在8.36 μm 有一次要吸收帶；硅酸鹽長(zhǎng)石族礦物紅外光譜在8～10.5 μm 范圍是最強(qiáng)吸收區(qū)，由3 個(gè)或3 個(gè)以上的吸收峰組成，位置分別為8.6、9.6 和10 mm；氧化物石英族礦物紅外光譜在8～10 mm 范圍為最強(qiáng)吸收區(qū)，由一強(qiáng)吸收帶（8.6～9.7 mm）和一稍弱吸收帶（8～8.6 mm）組成，吸收峰中心位于8.4 和9.1 mm。為后期利用熱紅外高光譜圖像進(jìn)行巖性識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

2）航空熱紅外TASI 在巖性分類和識(shí)別中充分發(fā)揮了光譜的特性，圖像分類（診斷性吸收光譜特征），光譜定性（完全譜形特征）。不但可識(shí)別地質(zhì)圖上已有的巖性單元，而且可以區(qū)分發(fā)生變質(zhì)的灰?guī)r和侵入灰?guī)r中的石英脈和硅質(zhì)脈，優(yōu)于可見(jiàn)光-短波紅外高光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)解決了多航帶的無(wú)縫拼接，可形成大區(qū)域巖性分類圖。

3）本次研究區(qū)涉及的地質(zhì)環(huán)境和自然環(huán)境類型較單一，在建立的礦物識(shí)別規(guī)則中，有些礦物還沒(méi)有能在實(shí)際應(yīng)用中加以檢驗(yàn)。需要全面研究沉積巖、變質(zhì)巖和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的熱紅外巖性分類的適用性和實(shí)用性，更深入了解本方法的缺陷、優(yōu)勢(shì)及精度。