李文超，李慧敏，罗闰豪，杨 帆，吴练荣，王瑞雪

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.中铜矿产资源有限公司，北京 100080；3.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 迪庆藏族自治州 674499）

0 引言

随着成像光谱技术的发展，多光谱、高光谱技术逐渐应用于低植被覆盖区甚至裸露区的遥感矿化信息提取，为矿产资源勘测提供了重要的技术支撑，同时大大节省了人力、财力［1］。高光谱图像具有较高的光谱分辨率，可以完整、连续地提取出地物光谱曲线［2-3］，并且能准确识别矿物或矿物组合等信息，具有很高的地质学意义［4］。

本文利用Hyperion 高光谱数据对普朗地区的蚀变矿物进行提取，并综合矿区的地质情况、围岩蚀变等信息对提取的矿物结果进行分析与验证。

1 地质概况

普朗铜矿位于义敦岛弧南端，隶属于三江成矿带，其大地构造如图1 所示。甘孜—理塘结合带和格咱断裂带分布在其东西两侧，是斑岩—矽卡岩型铜钼多金属矿集区［5-6］。南义敦岛弧整体受控于红山复式背斜，由一系列NNW（North-North-West）向褶皱和同向断裂组成［7］。矿区主要露出三叠系和第四系地层，普朗铜矿体主要位于侵入岩中，以石英二长斑岩为主，粗粒石英闪长岩、石英闪长玢岩次之［5］。

1.1 地层

普朗地区地层岩性如图2 所示，第四系包括冰碛、冲积物、残坡积物等［6，8］；三叠系上统图姆沟组分为两段，其中一段由粉砂质绢云母板岩、变质砂岩夹安山岩以及板岩、变质砂岩、粉砂质绢云母板岩上下两层组成，另一段由板岩、绢云母板岩、变质砂岩夹薄层灰岩组成；三叠系中统尼汝组一段上部由灰绿色玄武岩、火山角砾岩、一些薄层状泥晶灰岩和粉砂质灰绿色绢云母组成，下部由细粒状石英岩、屑砂岩、灰色粉砂质板岩和绢云母黏板岩组成；三叠系中统尼汝组二段，由结晶灰岩和白云石灰岩组成。

Fig.2 Geological map of the Pulang district图2 普朗地区地层岩性

1.2 构造

研究区中的沉积建造、变质作用、岩浆活动以及有关矿产和中酸性侵入岩的分布由NNW 向断裂、NNW 向褶皱发育和NNW 向早期走滑断裂控制，而容岩（矿）构造则是由次级NNW 向断裂及近EW（East-West）向断层构成。研究区中，早期断裂及褶皱被晚期发育规模较小的NE（North-East）向断层错切［8］。

研究区内分布有黑水塘断裂、全干力达断裂及红山断裂，矿区中的玢岩及矿体主要由这3 条断裂控制。普朗中酸性玢岩复式岩体的分布和产出形态主要由黑水塘断裂、全干力达断裂及同向次级断裂控制。黑水塘断裂位于普朗矿区中部，呈北西向分布，为逆断层。黑水塘断裂中部被中酸性玢岩复式岩体侵位，沿断裂分布有大面积角化岩带以及部分已知矿体，该断裂在地貌上表现为负地形，有多个泉点沿该断裂分布。全干力达断裂位于普朗矿区的西南角，呈北东向延伸分布，切断红山断裂并使其发生滑动错位，该断裂在地貌上表现为负地形，有多个泉点沿该断裂分布［9-11］。红山断裂位于普朗矿区的西南角，呈北西向延伸分布，有大量角砾岩沿该断裂带分布。

1.3 岩浆岩

印支期为矿区内岩浆岩活动强烈的时期，这一时期侵入岩形成的大量浅成—超浅成中酸性斑岩呈现中性向酸性分化演化趋势。中酸性石英二长玢岩、石英闪长玢岩和花岗闪长玢岩组成岩浆岩的岩体，而复合岩体则由含矿的石英二长斑岩和石英闪长斑岩组成。由于受到黑水塘断裂和全干力达断裂控矿以及导矿的影响，火山岩的散布少于侵入岩，其岩石主要由安山岩构成［9］，岩石中Ag、Pb、Cu、Mo、W、Bi、Au、Zn 等元素以中酸性斑（玢）岩体为中心，呈环带状分布［12］。三叠系上统的图姆沟组和曲嘎寺组主要发育火山岩，其中图姆沟组的火山岩形成了普朗复式岩体的直接围岩，而曲嘎寺组由上下两段玄武岩构成，其中上段为蚀变玄武岩，下段为致密玄武岩［13］。

1.4 变质岩

普朗矿区内的变质作用有多期次、多类型叠加的特点，但其变质强度均较弱。变质作用主要分为2 种：①区域变质作用。矿区内部分地区出现由泥质变质成的千枚岩以及变质砂岩、结晶灰岩、大理岩等碳酸盐蚀变；②热液蚀变作用。普朗矿区侵入岩体的围岩蚀变主要表现为围岩的角岩化，形成分布范围较广的蚀变晕带。侵入岩围岩主要由长石石英角岩或石英角岩构成；侵入岩内部主要由钾长石化、钠绿泥石化、绢云母化、硅化、黄铁矿化、黄铜矿化等构成。

1.5 围岩蚀变

普朗矿化可粗略地分为3 期，初期玢岩伴有绿泥石化、绢云母化；中期斑岩伴有硅化、钾化、绢云母化；晚期玢岩侵入，未见明显矿化。其中，早中期有一定程度地黄铁矿化、黄铜矿化、磁黄铁矿化等［10］。普朗矿区的钾化硅化带、绢英岩化带、青磐岩化带从内到外分布［14-15］，这些典型的斑岩型蚀变分带是该地区的重要示矿标志。在矿区的岩体中心分布着钾化硅化带，其内部分布有不规则的黄铜矿、黄铁矿，该岩体与工业矿体高度重合，是矿区内最强烈的蚀变之一。在钾化—硅化带外围分布着包含黄铁矿化和黄铜矿化分布的绢英岩化带。在远离岩体中心部位的石英闪长玢岩中发育着蚀变范围广、强度弱的青磐岩化，表现为绿泥石、绿帘石等矿物与长石、黑云母和角闪石等矿物进行的交代作用。此外，青磐岩化也在钾化硅化带、绢英岩化带上发育。铜矿物多出现于钾化硅化带和绢英岩化带中，青磐岩化带中则基本无铜矿化。

2 遥感数据及其处理

2.1 数据源

本次使用的高光谱数据通过Hyperion 传感器获取，该数据有242 个波段，其中在可见光—近红外设有70 个波段，剩余172个波段为短红外波段，包含400～2 500 nm 范围内的光谱，图幅范围为7.7 km×185 km。由于研究区范围较大，需要3景Hyperion数据。数据采集信息如表1所示。

Table 1 Hyper spectral data acquisition information表1 高光谱数据采集信息

2.2 数据预处理

在Hyperion 高光谱数据的242 个波段中，辐射定标波段为8-57（NVIR）和77-224（SWIR）。剔除未定标波段1-7、58-76、255-242，水汽影响较大、质量较差的波段121、122、167-178、224、56、57 波段，重叠且噪音大的77、78 波段，对剩余179个波段进行处理。

由于原始遥感图像受到大气影响会形成辐射误差，需要尽可能地降低程辐射的影响［16-17］，故对遥感影像数据进行大气校正。

3 蚀变异常信息提取

对Hyperion 数据进行大气校正等处理，并分析岩石、矿物的光谱吸收特征，运用最小噪声分离变换（Minimum Noise Fraction，MNF）、纯净像元指数（Pure Pixel Index，PPI）、光谱角制图（Spectral Angle Mapping，SAM）等相关图像处理技术是提取高光谱矿物信息［18-20］。

由于高光谱数据具有很高的分辨率且其波段多、相关性较强，导致数据重复度较高，需要对数据进行降维与弱化噪声处理，采用MNF 将信息集中在有限的特征集内［19，21］。

MNF 处理的本质是进行2 次主成分变换，MNF 变换后高光谱图像靠前的波段可涵盖极大部分的有用信息。MNF 将数据拆成两段，第一段的特征图像与特征值相关，这是提取纯净像元的主要部分；第二段图像的噪音部分偏多且与特征值相近，故不选择该部分进行纯净像元的提取。MNF 处理可以降低图像噪音，增加提取纯净像元的速度，研究区MNF 变换的特征值曲线如图3所示。

Fig.3 MNF characteristic curve图3 MNF特征曲线

由图3 可知，12 波段1-12 的特征值较大，这是有用信息集中出现的体现，之后曲线渐渐趋向于平稳，图像的信息趋于0。在12 波段时为噪音少、地物信息多的图像，而在13 波段时图像被噪音填满，证明该范围波段多为噪声。进行MNF 变化后不同波段的地物特征图像如图4 所示，2波段地物特征见图4（a），该波段图像显示的地物特征最为清晰，提取的有用信息最为集中；图4（b）为8 波段地物特征；图4（c）为12 波段地物特征，随着波段数的增大，图像中的噪音逐渐增多，但图像中地物信息依然清晰，故有用信息在此波段范围内依然较为集中，仍可选用该波段范围内的图形进行后续处理；图4（d）为13 波段地物特征，该图中噪音占据图像的主导地位，地物信息几乎不可见，证明有用信息在此波段后极为稀少，这与图3 所展示的特征值曲线图相吻合，故选用波段1-12进行纯净像元的提取。

Fig.4 Ground object features of different bands after MNF transformation图4 MNF变换后不同波段地物特征

纯净像元的选取采用的是PPI 方法，利用PPI 方法统计样本点投影特征空间中产生的随机直线端点次数，次数越多则其越可能是端元。进行足够多次数的投影后，通过每个像素的计数积分判定端元［22-26］，并选用同一类纯像元的典型光谱或平均像元光谱作为端元光谱。

利用MNF 处理后的波段1-12进行PPI运算，虽然迭代次数越多越容易发现纯净像元，但也会因此增加运算时间。从计算机性能和计算量考虑，选取10 000 次作为迭代次数，再依据迭代曲线的规律确定设定的阈值，从而选取随机向量末端的像元。

PPI 计算的关键在于阈值的选取，阈值用于选取随机向量末端像元，阈值越小，得到的结果精度越高，但同时得到纯净像元的数量也越小。该数值主要依据迭代曲线的变化规律。由低到高进行多个阈值实验，选取效果较好，阈值为2.5、3、4、4.5 时的PPI 迭代曲线图进行分析，结果如图5 所示。由图5 可知，随着迭代次数的增加，曲线总会出现增加后逐渐趋于平稳的趋势，迭代收敛速度与阈值的大小成正相关。由图5（a）可知，当阈值为2.5 时迭代曲线收敛缓慢，一开始就变为水平且纯净像元数量相较于其他阈值数量变少；由图5（b）可知，当阈值为3 时近似水平线出现9 000 次左右，表明此时纯净像元数量趋于稳定，且总体增长均匀；由图5（c）可知，阈值为4 时增速过快，在3 000次附近就出现近似水平线，并在4 000 次后发生突变且没有近似水平线的出现，表明迭代10 000 次以4 为阈值时，纯净像元数量并没有趋于平稳；由图5（d）可知，阈值为4.5时没有近似水平的曲线出现。故选用增速均匀且总重趋于饱和的阈值为3的处理后数据进行n维可视化处理。

Fig.5 PPI curves of different thresholds图5 不同阈值PPI曲线

对PPI的处理结果进行n维可视化处理，通过旋转n维散点图选择分布于点云外围的聚集顶点，该顶点即为纯净像元。将纯净像元的光谱提取出来，利用ENVI 软件的光谱分析功能将标准光谱库的矿物光谱与像元的光谱进行匹配，根据两者的反射率以及反射峰和吸收谷的匹配程度确定端元矿物。

SAM 公式如式（1）所示：

式中：nb为波段数，xi为PPI 提取的端元光谱，yi为高光谱原始图像光谱。通过计算两者之间的角度来表示相似度。θ=0说明二者完全相同；θ=π/2说明二者完全不同。由于此夹角不受向量长度的影响，该方法可以有效减少太阳高度、地形等因素的影响［27］。考虑到本次实验研究区域地形崎岖复杂，海拔高，为减少地形、太阳照度等影响，采用光谱角制图法进行矿物的识别填图。已识别出的研究区中磁铁矿、针铁矿、皂石、硬锰矿、闪锌矿、绿泥石、锥辉石等岩矿信息分布如图6所示。

Fig.6 Mineral distribution of the Pulang ore district图6 普朗矿区矿物分布

4 结果分析

在研究区内，利用高光谱数据对该地区进行蚀变矿物精细化提取，共识别出磁铁矿、针铁矿、皂石、硬锰矿、闪锌矿、绿泥石、锥辉石、锡石等多种矿物。

普朗矿区围岩蚀变带和矿物的分布情况如图7 所示，可以看出在中心矿体（即钾化硅化带）及其周围（即绢英岩化带）分布有密集的针铁矿，针铁矿为黄铁矿的氧化产物，密集地分布在2 个蚀变带内，同时在青磐岩化带内也出现了大量绿泥石，证明了高光谱提取矿物在该区域的可行性。试验结果详细地显示了蚀变带内占优势的蚀变矿物种类及分布范围，提高了蚀变信息的可利用性，特别是能识别出针铁矿、闪锌矿、绿泥石、磁铁矿等与矿化直接相关的矿物，以及能精确地识别矿物种类以及分布范围，并能够进行矿物填图。

Fig.7 Surrounding rock alteration and mineral distribution of Pulang mining district of Yunnan Province图7 云南普朗矿区围岩蚀变及其矿物分布

由图7 可知，在普朗矿区识别出的高温磁铁矿沿着北西向断裂呈带状分布，向南无玢岩体出露地区仅有闪锌矿分布，这也说明在矿区内玢岩体大面积出露地表。

在首采区及其东南部以及矿区的北部识别出较大范围的闪锌矿。如图8 所示，在矿区北部闪锌矿的密集区出现了Zn 的化探异常，在其周围伴随有磁铁矿等高温产物以及硬锰矿等风化产物。在较高温度下形成的闪锌矿中的Fe 和Mn 含量增多，因此推测在普朗矿区存在的闪锌矿为高温闪锌矿。

Fig.8 Sphalerite and Zn geochemical exploration anomalies图8 闪锌矿与Zn化探异常

研究区北部在构造上呈线性构造与环形构造密集分布，且线性构造多为NW-SE（North-West South-East）走向分布，与铁染及羟基的蚀变异常展布方向一致，推测2 种蚀变异常受到线性构造的控制。结合已知的斑岩体出露情况，北部高光谱提取的针铁矿、磁铁矿等多分布于斑岩体上，且此处的线性构造分布密集，便于矿物开采，故此地区可能为有利开采的远景区。

5 结论

本文通过分析从普朗地区高光谱遥感中提取的蚀变信息，以及从研究区中提取的蚀变矿物，得到如下结论：①通过比较提取的纯净像元光谱与标准波谱库中的波谱，发现高光谱遥感可以精确地找到蚀变矿物并与相关的地质信息结合，更便于找到有利的成矿区；②MNF 变换后，靠前波段的信息含量高且噪音少，而靠前波段也并非严格按照信噪比的高低进行排列，所以选取时需要仔细辨别；③PPI 迭代曲线增速均匀，当迭代曲线不再变化时，纯净像元数趋于稳定，此时PPI阈值为最佳阈值，本实验中该阈值为3。