 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2012, 2, 81-86 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2012.22011 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ag) Research on Application of ETM+ and ASTER Remote Sensing Data in the Prospecting of Lateritic Bauxite in Laos Gong Cheng, Zerun Gao, Zhanjun Zhu Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha Email: chenggongx@126.com Received: Apr. 28th, 2012; revised: May 12th, 2012; accepted: May 28th, 2012 Abstract: Lot of lateritic bauxite mine area is directly exposed to the surface in Boloven plateau of southern Laos. During the exploration process, using ETM+ and ASTER multi-spectral remote sensing data, the lateritic bauxite min- eralization alteration information was extracted respectively by two different methods “ratio + principal component analysis + supervised classification” and “ratio + principal component analysis + spectral angle mapping”, and then the bauxite orebodies were directly blocked out on the basis of the extracted mineralization information, which greatly im- proved the exploration efficiency, saved time and labor, and provided a quick and effective economic method and way for the exploration of the same lateritic bauxite and nickel. Keywords: ETM+; ASTER; Lateritic Bauxite; Image Processing; Mineralized Information ETM+与ASTER 数据在老挝红土型铝土矿勘查中的应用 成 功，高泽润，朱战军 中南大学地球科学与信息物理学院有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 Email: chenggongx@126.com 收稿日期：2012 年4月28 日；修回日期：2012年5月12日；录用日期：2012 年5月28 日 摘 要：老挝南部波罗芬高原红土型铝土矿大面积直接裸露地表。在铝土矿勘查过程中，利用ETM+和ASTER 多光谱遥感数据，分别采用“比值 + 主成分分析 + 监督分类”和“比值 + 主成分分析 + 光谱角填图”两种 不同的方法提取了红土型铝土矿矿化蚀变信息，并利用所提取的矿化信息直接圈定铝土矿矿体，大大提高铝土 矿勘查效率，省时省力，为同类型的铝土矿和红土型镍矿的勘查提供了一种快速有效经济的方法和途径。 关键词：EMT+；ASTER；红土型铝土矿；图像处理；矿化信息 1. 引言 基于 ETM+/TM数据提取矿化蚀变遥感异常已经 有30 多年的历史，其理论和技术都已趋于成熟[1]。 1999 年12 月份发射的 Terra 卫星上得 ASTER 传感器， 在空间分辨率和光谱分辨率上都比ETM+/TM 数据有 较大的优势，尤其在短波红外光谱范围内，ASTER 数据对粘土化蚀变有较好的分辨能力，已成为唯一可 以与 ETM+/TM 相媲美的新型遥感数据。在国外利用 ETM+和ASTER 数据进行地质填图和提取矿化蚀变 信息已经相当广泛[2,3]，我国遥感地质工作者也开展大 量的应用研究工作[1,4,5]。2006年，作者与高光明教授 在承担老挝波罗芬高原铝土矿勘查项目中，利用 ETM+数据进行地质填图取得了很好的找矿效果[6]。 而后，又在该区开展了 ASTER数据铝土矿信息提取 研究。本文在上述的基础上，针对 ETM+和ASTER 两种不同的遥感数据，分别运 用“比值 + 主成分分 析 + 监督分类”和“比值 + 主成分分析 + 光谱角 Copyright © 2012 Hanspub 81  ETM+与ASTER 数据在老挝红土型铝土矿勘查中的应用 填图”两种不同的方法提取了红土型铝土矿矿化蚀变 信息，并进行了对比研究。 2. 研究区概况 研究区位于老挝南部占巴塞省的波罗芬高原上。 波罗芬高原为一北西向展布的宽缓台地，坐落在平均 海拔 1.0~1.2 km 左右的平台上，其基底由三叠系–白 垩系碎屑沉积岩系地层组成，上覆盖为高原喷发及逸 流的玄武岩。高原内部，地势起伏平缓，高原的周边， 为陡峻险要且切割很深的悬崖和峡谷地貌。波罗芬高 原属于热带季风气候，年平均气温大致在 20℃~30℃ 之间，年平均降水量为3743毫米，旱季为11 月~次 年的 4月，具备现代铝土矿形成的必要条件[6,7]。 研究区大地构造位置处于印支微板块与掸泰澜 沧微板块结合带，即澜沧江–清莱–吉保山缝合线以 东呵叻盆地东侧。区内岩浆活动强烈，与区内红土型 铝土矿有关的岩浆岩主要是古近纪以来喷发和溢流 的玄武岩。根据老挝 1:100 万地质图，波罗芬高原玄 武岩喷发可划分为四期：即vPz3、νPg、νNg 和νQ。 νPz3 ，主要分布于波罗芬高原南部老柬边界一带； νPg，零星分布于波罗芬高原四周；νNg，主要分布在 帕克松穹隆及其周边，构成波罗芬高原玄武岩的主 体，与区内红土型铝土矿成矿关系密切；νQ，主要分 布在波罗芬高原外围塞公河以东安南山脉西部的山 间火山盆地[6-8]。 据有关专家预测，波罗芬高原可能蕴藏着约 20 亿吨的红土型铝土矿[9,10]。该区铝土矿含矿构造为 第 四系玄武岩，岩石经风化、淋滤后，由黄褐色、褐红 色含砾腐植土残坡积层和褐红色、土黄色含粘土质铝 土矿残积层以及风化、半风化玄武岩组成红土风化 壳。经分析该矿床类型为硅酸盐岩上红土风化壳残余 型三水铝石矿矿床类型，主要矿相为：三水铝石、赤 铁矿、针铁矿；次要矿物：高岭石、石英、钛铁矿； 另外还有磷铁矿、绿泥石、锆石等稀散矿物[7,11]。区 内铝土矿矿体大面积直接裸露地表，矿化信息强，易 于从背景中分离，适合于ETM+和ASTER 等中低分 辨率的多光谱遥感数据提取矿化信息。 3. 矿化蚀变信息提取过程与结果分析 3.1. 影像数据源 ETM+是安装在 1999 年4月15日发射升空的美 国Landsat-7 卫星上的多光谱成像仪。ETM+数据包括 从可见光到热红外共7个多光谱波段和 1个全色波 段，其中ETM1-5、7波段分辨率为30 米，ETM6 H和 ETM6L为热红外波段，分辨率为60 米，ETM8 为全 色波段，分辨率为 15 米。ASTER 是安装在 Terra 卫 星上的多光谱成像仪[12]，ASTER 数据包括从可见光 到热红外共 14个多光谱通道，其中 3个可见光–近 红外(VNIR)波段，分辨率为 15 米，可以获取过渡族 金属元素的特征波谱，如铁和稀土元素；6个短波红 外(SWIR)波段，分辨率为 60 米，可获取含羟基和碳 酸盐化蚀变矿物的特征光谱；5个热红外(TIR)波段， 分辨率为 90 米，具有鉴别岩石主要成分的能力，包 括石英、长石和石榴石等矿物[13]。 根据对比分析，选择了 2002 年2月13 日景号为 p125r050_7t20020213 的ETM+数据和 2008年11 月 11 日景号为ASTL1B0701260330290811110011 的 ASTER 数据作为这次信息提取的遥感数据源，具有云 量少，植被干扰较小，质量佳的特点。 3.2. 信息提取方法 利用遥感提取铝土矿的矿化信息，主要提取 Al3+ 离子和 OH–离子的信息，但由于 Al3+离子和OH–离子 在遥感影像中信号较弱，难以单独分离出来。而铝土 矿往往跟针铁矿与赤铁矿伴生在一起，它们之间存在 一定的相关性，可以说在铝土矿分布区有铁的地方就 有铝土矿[8]。 本文在综合考虑了老挝南部波罗芬高原地区的 具体情况后，经过多次试验，最终针对ETM+和 ASTER 两种不同数据分别选用“比值 + 主成分分析 + 监督分类”和“比值 + 主成分分析 + 光谱角填图” 两种不同的方法提取铝土矿矿化蚀变信息，均取得了 较好的效果。 “比值 + 主成分分析 + 监督分类”是先选择合 适波段进行比值和主成分分析，再将比值图像和反映 矿化信息的主分量合成假彩色影像，然后利用监督分 类方法将不同信息进行分类和统计；光谱角度填图方 法将光谱数据视为多维空间的矢量，利用解析方法计 算像元光谱与光谱数据库光谱或像元训练光谱之间 矢量的夹角，根据夹角的大小来确定光谱间的相似程 度，以达到识别地物的目的。“比值 + 主成分分析 + 光谱角填图”是以主成分分析法为主，比值法为辅， Copyright © 2012 Hanspub 82  ETM+与ASTER 数据在老挝红土型铝土矿勘查中的应用 Cop 83 主分量的地质意义有其独特性。用ETM1、ETM4、 ETM5、ETM7 等4个波段进行主成分分析，本征向 量ETM5 波段的系数与 ETM7及ETM4 波段的系数符 号相反，ETM1波段一般与 ETM5 波段的系数符号相 同的主分量为羟基异常主分量。用ETM1、ETM3、 ETM4、ETM5 等4个波段进行主成分分析，本征向 量ETM3 波段的系数与 ETM1及ETM4 波段的系数符 号相反，ETM3波段一般与 ETM5 波段的系数符号相 同的主分量为铁染异常主分量[14]。由于异物同谱现象 的存在，这些异常主分量还包含着非蚀变的地质因 素，有待用其它计算方法乃至借助地质知识经目视解 译加以区分。 经多次实验及分析后，选取最佳的波段组合，合成假 彩色影像，该影像较好地增强了铝土矿的矿化蚀变信 息。然后结合目视解译，对照地质矿产图，在上述合 成影像中分别选取已经增强的铝土矿、铁矿化、河流、 森林、砂岩信息作为分类参考的端元，运用光谱角填 图法对遥感影像进行分类，进一步将矿化蚀变信息提 取出来(图1)。 3.3. “比值 + 主成分分析 + 监督分类”法 ETM+数据中，ETM2，3，4波段都有二价铁和 三价铁离子的吸收谱带，尤为明显的是 0.9 um处三价 铁离子的吸收带，ETM4波段恰好处于这个波谱带范 围，而ETM5 波段则是强反射，所以ETM5/4 可以提 取出含铁矿物信息，同时，ETM3/1 亦可以提取出铁 矿化信息，但铁矿化与铝矿化不易区分，故在合成假 彩色影像时未采用。 从PCA 特征值(见表 1)分析，第一主组分占整个 信息量的76.02%，高亮度值特征向量载荷为0.7113 30 和0.64848，主要反映了 ETM 图像5、7波段的波谱 特征，为铝土矿、铁矿化和砂岩的信息；第二主组分 高亮度值特征向量载荷为0.91591，反映了ETM4 波 的信息，主要为森林植被信息；第三主组分ETM5 ETM 多波段数据通过主成分分析(PCA)所获每一 主分量常常代表一定的地质意义，且互不重复，即各 段 资料收集 地质矿产资料 遥感数据资料 成矿地质环境分析 遥感图像预处理 yright © 2012 Hanspub 比值法 主成分分析法 选取最佳波段组合，增强矿化蚀变信息 对照地质图，选取若干参考端元 光谱角填图法对图像进行分类 与地质矿产图对比分析信息提取的准确性 比值法 主成分分析法 选取最佳波段组合，增强矿化蚀变信息 对照地质图，选取若干参考端元 监督分类法对图像进行分类 ETM+数据 ASTER 数据 Figure 1. Flow chart of mineralization and alteration information extraction of bauxite 图1. 铝土矿矿化蚀变信息提取流程图  ETM+与ASTER 数据在老挝红土型铝土矿勘查中的应用 Table 1. Eigenvector matrix of PCA 表1. 主成分变换的特征向量矩阵 通道参数 EC 通道参数 EC 主成分 ETM1 ETM4 ETM5 ETM7 V ASTER1ASTER3ASTER4 ASTER(5+6)/2 V 均值 63.4179 67.4481 69.8499 40.1503 60.3638 69.7048 45.2539 33.5178 方差 5.6917 17.0399 23.2562 20.5443 6.0219 15.6097 8.8884 10.1450 PC1 0.15526 –0.222190.71133 0.64848 76.02% 0.20092 –0.772770.34197 0.49628 73.24% PC2 0.04314 0.91591 0.38198 –0.1155222.31% 0.39338 0.60626 0.56935 0.39183 24.62% PC3 –0.06009 –0.333320.58257 –0.738851.01% –0.875220.05422 0.46609 0.11754 1.38% PC4 –0.98510 0.02542 0.09330 0.14222 0.66% 0.19717 –0.181960.58451 –0.76574 0.76% 波段特征向量载荷为 0.58257， 高亮度值反映 了砂岩 的信息，低亮度值反映了ETM7 波段的信息，主要为 铝土矿、铁矿化的信息，且主要为铁矿化信息。 波罗芬高原子区遥感图像矿化信息提取，采用了 比值处理和主组分分析组合的方法，主成份分析采用 ETM+波段 1，4，5，7组合提取与羟基为主的基团异 常；ETM+波段 1，3，4，5组合提取以铁染为主的变 价元素异常。比值合成采用ETM5/1提取与铝土矿化 有关的蚀变信息、采用 ETM3/1 提取与铁矿化有关的 蚀变信息、同时采用采用ETM5/7、4/3，然后再通过 与主组分分析图像进行新的波段组合，选择了既反映 地貌特征，又能够区铝土矿化、铁矿化及砂岩植被信 息的 PCA1(1457)、PCA3(1457)波段和 ETM5/1 波段组 合，合成了假彩色信息提取图像。图像上提取出来的 矿化信息与填图所确定的矿体边界十分吻合。 为了确定子区范围内铝土矿的矿化分布、含铁矿 化分布面积；我们根据填图过程中实地确认的地物分 布特征，对图像进行了监督分类，参加分类的图像以 主成分 + 比值合成图像 PCA1(1457) + 5/1 + PCA3 (1457) 为基础，选已知铝土矿分布区、铁矿矿化分布 区；砂岩分布区；植被覆盖(热带雨林)区；河流水系 五个类型为训练靶区进行分类，分类目的一方面确定 了子区铝、铁矿体的分布范围(包括工作区和外围)， 另一方面，通过分类，定量地计算出矿体的分布面积。 监督分类采用了最大似然法、平行六面体法和最小距 离法。经对比分析，最大似然法分类与实际情况吻合 较好(见图 2)。 3.4. “比值 + 主成分分析 + 光谱角填图(SAM)” 法 针对 ASTER 数据，先利用“比值 + 主成分分析” Figure 2. M ineralization information supervised classificat ion map of ETM+ image 图2. ETM+影像矿化信息监督分类图 组合的方法，增强波罗芬高原子区矿化蚀变信息，然 后利用“光谱角填图”进一步将该区矿化蚀变信息提 取出来。 在波罗芬高原子区的 ASTER4/6 比值图像上，热 流体蚀变带、粘土矿物富集带、碳酸盐类岩石以及含 铁石英砂岩都呈现高比值，可以利用这一波谱特征来 提取含 OH–的蚀变矿物信息。 在区域矿产预测中，通常用ASTER1、ASTER3、 ASTER4、ASTER(N) 的波段组合主成分分析法提取含 羟基(OH–)的蚀变矿物，N的选择由研究区的蚀变矿物 Copyright © 2012 Hanspub 84  ETM+与ASTER 数据在老挝红土型铝土矿勘查中的应用 的波谱特征决定[10]，PC3与PC4 反映岩石矿物的信息 [15]；用 ASTER1、ASTER2、ASTER3、ASTER4波段 组合提取含Fe2+、Fe3+等的蚀变矿物异常。 因为本区含羟基的蚀变矿物(如Al-OH、蒙脱石、 伊利石等)在ASTER5、ASTER6 波段有共同的吸收谷， 故选择 ASTER1、ASTER3、ASTER4、ASTER(5+6)/2 组合进行主成分分析，PC1 与PC2 分别反映地形地貌 和森林植被信息；PC3 主要为砂岩的信息；PC4 高亮 度值反映了砂岩的信息，低亮度值反映了 ASTER5，6 波段的信息，主要为铝土矿、铁矿化的信息。 由上述分析可知，PC4(见表1)为含有羟基的蚀变 矿物信息的主向量，虽然信息微弱，但仍能成功地分 离提取出来，然而提取的异常信息，有相当一部分仍 是假异常信息。因此，还需要与地质资料相结合，通 过后处理加以取舍。 本文采用“比值 + 主成分分析”组合的方法， 增强波罗芬高原子区矿化蚀变信息。比值法采用 ASTER4/6 提取与铝土矿有关的蚀变信息；主成分分 析法采用ASTER1，3，4，(5+6)/2 波段组合提取与羟 基为主的基团异常。经过多次实验比较，选择了能够 区分铝土矿、铁矿化的 PC1[1，3，4，(5+6)/2](R) + ASTER4/6(G) + PC4[1，3，4，(5+6)/2](B)波段组合， 合成了假彩色影像，该影像很好地增强了铝土矿的矿 化蚀变信息。 以PC1(R) + ASTER4/6(G) + PC4(B)合成的假彩 色图像为底图，结合目视解译，对照已知地质矿产图， 选已经增强的铝土矿、铁矿化、河流、森林、砂岩等 信息为分类参考的端元，运用光谱角填图法来进行分 类。为了提高视觉效果，应用邻区处理法对生成的光 谱角填图(SAM)分类结果进行 3 × 3 的分类平滑处理， 去掉一些碎屑，得到最终的分类图(见图 3)。 3.5. 矿化蚀变信息提取对比分析 为了对提取矿化蚀变信息进行评价，分别将 ETM+数据和ASTER 数据提取的铝土矿矿化信息图 与已知地质图进行对比，发现两张铝土矿矿化信息图 上铝土矿矿体及砂岩野外地质填图所圈出的铝土矿 矿体及砂岩的形状与分布范围基本一致。其中，黄色 部分表示铝土矿分布区，与野外勘查结果十分吻合； 红色部分表示含铁较高区域，与野外勘查结果吻合程 Figure 3. mineralization information SAM classification map of ASTER image 图3. ASTE R影像矿化信息 SAM 分类图 度较高；白色部分表示砂岩分布区，与野外勘查结果 基本吻合。比较图 2与图3可以看出，图 3中铝土矿 与砂岩的界线更清楚，与野外调查的结果更吻合，这 主要是因为 ASTER 数据的地面分辨率和波谱分辨率均 较ETM+数据要高，ASTER 数据区分矿物的能力更强， 因而 ASTER数据提取的铝土矿矿化信息更准确。 4. 结论 本文针对 ETM+和ASTER 两种不同的多光谱卫 星遥感数据，分别采用“比值 + 主成分分析 + 监督 分类”和“比值 + 主成分分析 + 光谱角填图”的矿 化蚀变信息提取模型，有效提取了研究区红土型铝土 矿的矿化信息，由此圈出的铝土矿矿体与野外勘查结 果十分吻合。说明不仅可以利用 ETM+数据和ASTER 数据提取红土型铝土矿矿化信息，而且可以根据提取 的矿化信息直接圈定矿体，大大提高了红土型铝土矿 的勘查效率，省时省力。ASTER 数据因为地面分辨率 和波谱分辨率均较高，所提取的信息更准确，因而更 具有优势。两种方法在两种遥感数据的成功应用，为 其他地区的同类型矿床及红土型镍矿的勘查提供了 一种快速有效经济的方法和途径。 Copyright © 2012 Hanspub 85  ETM+与ASTER 数据在老挝红土型铝土矿勘查中的应用 Copyright © 2012 Hanspub 86 参考文献 (References) [1] 邓吉秋, 谢阳, 张宝一等. ETM+图像锰矿化蚀变信息提取与 找矿预测[J]. 国土资源遥感, 2011, 23(1): 102-105. [2] F. F. Sabins. Remote sensing for mineral exploration. Ore Geol- ogy Reviews, 1999, 14(3-4): 157-183. [3] F. B. Henderson等著, 范法明(译), 顾皓民(校). 卫星勘查铝 土矿[J]. 轻金属, 1995, 32(1): 1-13. [4] 吕凤军, 郝跃生, 石静等. ASTER 遥感数据蚀变遥感异常提 取研究[J]. 地球学报, 2009, 2(30): 271-276. [5] 叶发旺. ASTER数据与 ETM 数据蚀变信息提取的对比研究 ——以巴什布拉克铀矿区油气还原蚀变分析为例[J]. 地球信 息科学学报, 2009, 11(3): 274-281. [6] 高光明, 成功, 杨牧等. 老挝占巴塞省帕克松地区铝土矿资 源潜力评价[R]. 长沙: 中南大学地学与环境工程学院, 2006. [7] 成功, 高光明, 陈松龄. 老挝波罗芬高原铝土矿地质特征与 成矿规律[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2008, 2(39): 380- 386. [8] 胡静波, 高光明. 老挝波罗芬高原红土型铝土矿成矿控制因 素分析[J]. 科技创新导报, 2008, 30: 16-17. [9] 国土资源部信息中心. 世界矿产资源年评(2000~2001)[M]. 北京: 地质出版社, 2002. [10] 宋国明. 我国与周边国家进行矿业投资合作的前景分析[M]. 北京: 地质出版社, 2004. [11] 仓向辉. 老挝铝土矿中铁矿物微观结构及反应特性的研究[J]. 冶金分析, 2010, 30(7): 16-20. [12] 耿新霞, 杨建民, 张玉君等. ASTER 数据在浅覆盖区蚀变遥 感异常信息提取中的应用——以新疆西准噶尔包古图斑岩铜 矿岩体为例[J]. 地质论评, 2008, 54(2): 184-191. [13] 丛丽娟, 岑况, 朱所等. 利用ASTER 数据提取蚀变异常方法 研究——以内蒙古朱拉扎嘎金矿为例[J]. 河南理工大学学报 (自然科学版), 2007, 266: 652-658. [14] 张玉君, 杨建民, 陈薇. ETM+(TM)蚀变遥感异常提取方法研 究与应用——地质依据和波谱前提. 国土资源遥感, 2002, 54(4): 30-36. [15] A. P. Crosta, F. C. R. Desouza. Targeting key alteration minerals in epithermal deposits in Patagonia, Argentina, using ASTER imagery and principal component analysis. International Journal of Remote Sensing, 2003, 24(21): 4233-4240. |