张士红， 林子瑜

(东华理工大学地球科学学院，江西抚州 344000)

相山铀矿田航空能谱数据图像处理与分析

张士红， 林子瑜

(东华理工大学地球科学学院，江西抚州 344000)

航空γ能谱测量是一种快速、有效的铀矿地质普查和找矿的手段。以相山铀矿田为例，利用ArcGIS、ERDAS IMAGINE软件平台，将光学色彩空间变化方法——孟赛尔变换等数字图像处理技术引入航空伽玛能谱数据处理中，获得了一套有关相山火山盆地放射总场强度、放射场类型和放射场纯度等特征性能谱信息。这一新的能谱数据处理思路和技术，为相山铀矿田地质勘查提供了新的线索。

航空伽玛能谱;相山;铀矿;孟赛尔变换

张士红，林子瑜.2012.相山铀矿田航空能谱数据图像处理与分析［J］.东华理工大学学报:自然科学版，35(2):124-128.

Zhang Shi-hong，Lin Zi-yu.2012.Image processing and analysis of airborne gamma spectrum in xiangshan uranium ore-field［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(2):124-128.

航空γ能谱测量是一种快速、有效的地质普查和找矿手段。我国航空γ能谱测量主要用于铀矿资源的普查，选区勘查，对大区域范围铀矿资源勘查远景区的评价，以及利用矿床产生的放射性组合变量异常(包括铀、钍、钾等含量及其比值或相应判别数理方程等数据)对勘探靶区的圈定等(程业勋，2002)。据不完全统计，通过航空放射性测量直接发现的铀矿床占全国铀矿床总数量的1/3，其中我国目前最大的火山岩型铀矿——相山铀矿田就是通过航空放射性测量发现的。

相山火山盆地是我国火山岩型铀矿的重要产地，自1950年代末就在该地区开展大量的地质普查、勘探及科研工作。近年来，针对该火山盆地深部铀资源的研究和勘查取得了显著进展，在一些勘探程度很高的地段探获了一些新的富大铀矿体，同时对一些基础地质问题提出了新的认识。这些新进展表明，相山地区不仅仍然具有很好的铀资源勘查前景，地质认识也具有进一步深化的空间。

1 相山铀矿田区域地质概况

相山铀矿田位于赣-杭构造火山型铀成矿带西南段相山火山塌陷盆地之中，该构造带处于扬子板块与华南板块缝合线上。

相山火山塌陷盆地总面积近300 km2，由上侏罗统打鼓顶组和鹅湖岭组酸性、中酸性火山熔岩、火山碎屑岩以及陆相沉积碎屑岩等组成。盆地基底主要为震旦系千枚岩和片岩;其次是下石炭统华山岭组变质石英砂岩、含云母暗紫色细砂岩和粉砂岩，上三叠统安源组粗、细粒石英砂岩、含燧石砾的石英砂岩类、碳质页岩、砂页岩、含碳质砂岩及煤线等。盆地西北缘出露白垩系南雄组砖红色夹杂色的粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩沉积层(图1)。

2 相山铀矿田航空γ能谱数据处理

2.1 航空γ能谱数据存在的问题与解决方案

本次研究收集到的航空γ能谱测量数据包括96条航线、31 136个测点，航线距离一般约为450 m，测点距离一般约为50 m。通过对航空γ能谱数据进行图像可视化分析，发现该数据存在一些问题:有些航线测量数据与其两侧相邻航线测量数据之间明显不协调，甚至有些在空间上重叠的两条航线也存在同样的问题，如40与41线、51与52线，此处将29，30，31，39，41，44，45，46，47，49，51，52 共12条航线数据剔除，剩下84条航线数据进入下一步图像处理过程。

图1 相山铀矿田地质简图(黄锡强，2007)Fig.1 Geological sketch of Xiangshan uranium ore-field

2.2 栅格化处理

航空γ能谱数据是在空间上不规则分布的离散数据，这类数据本身不便于在图像处理，也不便在GIS系统中进行有效的可视化处理与分析，更不能够与其它地学数据进行融合处理，为此需要将其插值成栅格数据(刘德长，1997)。

本次研究中，通过三种插值方法(反距离权重法、克里金法、样条法)的对比，最终采用张力样条法对数据进行插值处理，形成10 m×10 m的规则网格数据，此种方法能够相对较好地消除插值图像中规则(即不自然)的条带，将航线影响减到最小。

张力样条法是根据模拟现象的特征来调整表面的硬度，张力的权重越高，表面越粗糙，而选择的样本点越多，受较远样本点的影响越大，拟合的表面越光滑。综合所获取的能谱数据以及研究的区域特征，将插值具体参数设置为张力权重1，样本点数目100。

2.3 异常值处理

统计学上，在实验数据服从正态分布情况下，根据小概率事件的原理，将偏差超出合理误差限(两倍或三倍标准差)的值，判为异常值(邓勃，1995)，它的存在会对分析结果(平均值与标准差)产生重要影响，正确处理异常值是保证原始数据可靠性、平均值与标准差计算准确性的前提。

由于放射性测量的观测值，是由大量的、独立的随机因素之和构成的，一般认为这些因素对观测值的影响是均匀的、非突变的，所以能谱测量的观测值是符合概率论“中心极值定量”条件的，服从正态分布。因此，可以采取数理统计的方法对能谱数据进行处理。常用的异常值处理方法包括拉依达准则、格拉布斯准则、迪克逊准则和肖维勒准则，此处采用拉依达准则对航空伽玛能谱数据极值进行处理。

拉依达准则异常值的判定标准是:如果离群值Xd与测定平均值之差的绝对值大于3倍的标准偏差(σ)，即

则可以认为该离群值Xd为异常值，应从该组分析数据中舍弃。

2.4 数据的标准化处理

数据标准化也就是统计数据的指数化，是将数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间的过程。数据标准化处理主要包括数据同趋化处理和无量纲化处理两个方面。数据同趋化处理主要解决不同性质数据问题，对不同性质指标直接加总不能正确反映不同作用力的综合结果，须先考虑改变逆指标数据性质，使所有指标对测评方案的作用力同趋化，再加总才能得出正确结果。数据无量纲化处理主要解决数据的可比性，即各指标值都处于同一个数量级别上，可以进行综合测评分析，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。数据标准化结果是用统一元素视含量来代替实际分析值，既保证了后续处理的便捷，又能凸现出物理量的本质含义。

(1)物探领域航空γ能谱数据标准化处理的算法为:

其中，aUij为i行j列像元归一化铀值，Uij为i行j列像元铀值，MU为全区铀均值。钍和钾的计算方法与之相同。经过处理的数据增加了不同背景值元素含量的可比性。

显然，以MU为背景值，像元值大于1的为区域中相对高场区，反之为低场区。

(2)数据统计中的标准化处理。由于放射性核素性质不同，造成地质体中原始含量差异，为了能够同时将元素参与评价计算，需要对其进行规范化处理，通过函数变换将其数值映射到某个数值区间。

数据标准化的方法有很多种，常用的有“最小—最大标准化”、“Z-score标准化”和“按小数定标标准化”等。此处采用“最小—最大标准化”方法，使亮度值落到［0，1］区间，计算公式为:

其中xmax为样本数据的最大值，xmin为样本数据的最小值。

2.5 彩色合成与孟赛尔(IHS)变换

RGB色彩空间是影像可视化分析过程中一种常用的描述方式，可以实现对3个要素的同步观察和分析。但是为了图像处理的目的，有时需要在RGB和IHS这两种彩色坐标间进行变换，因为有些处理在某个彩色系统中可能更方便些。孟赛尔变换可以通过一定的算法(Sabins，1987)将一幅含RGB图像分离成表征地表空间信息的亮度和表征光谱信息的色度与饱和度三个成分，并且相互独立，可以很好地实现能谱间去相关(John，2004)。

将光谱信息的孟赛尔变换(IHS)方法引入到能谱数据处理中，得到航空伽玛能谱数据三个分量信息，分别代表放射总场强度(I)、放射场类型(H)和放射场纯度(S)。

3 相山铀矿田放射场异常特征

图2显示相山火山盆地内部与外围震旦前寒武纪地层铀放射场特征差异明显，盆地内部总体呈高场-偏高场，中间穿插两个北东向条带状低值区，而盆地外围总体为低场区。盆地内部铀分布亦不均匀，其中高场区沿盆缘西部、南部和东部呈不连续环状分布，盆地中部为偏高场区，北部是相对低值区。西部矿床包括邹家山、居隆庵、石洞等位于高场、偏高场向低场过渡地带;北部矿床和东部云际矿床位于高低场过渡区。

盆地外围为低场区，盆地北部和东部为高场区，西部为偏高场区，而中部和南部则为偏高场和低场区混杂，矿床主体位于高场区(图3)。

盆地整体为高场区，中间穿插两个北东向条带状低值区。而盆地外缘则是低值区。西部矿区位于高值区;北部矿区包括巴泉、沙洲以及北部云际矿床均位于高低值过渡带(图4)。航空伽玛能谱孟赛尔变换I分量代表放射场总强度，从图5可以看出相山火山盆地呈现总场高值特征，盆地外围为低值区。西部矿床包括邹家山、居隆庵、石洞位于高场、偏高场向低场过渡地带;北部矿床和东部云际矿床则位于高低场过渡区。

航空伽玛能谱孟赛尔变换H分量(图6)展示的是各放射场协同作用的结果，其中盆地南部为钍、铀钍场混合场区，中部、西部为铀、铀钾混合场区，北部边缘为钾场区，盆地东部铀、钾场混杂。西部矿床位于铀和铀钾混合场的过渡位置，北部矿区分量场纯度，火山盆地放射场特征呈扇叶状分布，盆地北部为连续分布的高值区，已知矿床也都分布在这一区域内，盆地南部则为高低值混合区。

4 结论

(1)本文采用张力样条法对离散的航空伽玛能谱数据进行栅格化处理，极大的消弱了航线对插值结果的影响，为数据的可视化处理与分析奠定了良好的基础。

(2)将光学色彩空间变换中的孟赛尔变换(IHS)技术引入到航空伽玛能谱数据处理中，得到了代表放射总场强度I、放射场类型H和放射场纯度S三个分量，使相山火山盆地的能谱异场特征清晰地呈现出来。

(3)通过一系列的数据处理工作，展现出了铀、钍和钾三种放射性元素分布的分区性特征，结合铀成矿机理及其它地质信息，可能会对进一步的铀矿勘查具有重要意义。

程业勋.2002.我国核地球物理的发展与展望［J］.物探与化探，26(4):247-249.

邓勃.1995.关于异常值的检验与处理［J］.大学化学，10(4):5-9.

黄锡强.2007.江西相山铀矿田热液蚀变特征及成矿物理化学条件分析［D］.北京:中国地质科学院.

刘德长，何建国，欧阳浩.1997.航天遥感图像应用途径的新扩展——光-能谱复合集成图像在铀资源勘查中的应用［J］.北京地质，3:11-16.

John R.Jensen.2004.Introductory Digital Image Processing(3rd Edition)［M］.Prentice Hall.

Image Processing and Analysis of Airborne Gamma Spectrum in Xiangshan Uranium Ore-field

ZHANG Shi-hong， LIN Zi-yu
(Faculty of Earth Sciences，East China Institute of Technology，Fuzhou，JX 344000，China)

Airborne gamma spectrum survey is an efficient method for uranium deposit exploration.Based on Arc-GIS，ERDAS IMAGINE software platform，this paper takes digital image processing technique including Munsell transform into airborne gamma spectral data processing，and obtains a suit of characteristic spectral massages in Xiangshan volcanic basin，which contain the total radioactive intensity，radioactive types and radioactive purity.Those result provide some new ideas to the prospecting of uranium resource in Xiangshan area.

airborne gamma spectrum;Xiangshan;uranium deposit;munsell transform

P612.14

A

1674-3504(2012)02-0124-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.02.004

2012-01-10 责任编辑:吴信民

张士红(1987—)，女，硕士，主要从事地质矿产资源GIS的科研工作。E-mail:yx_323@163.com