岩矿高光谱遥感及其在青藏高原的应用前景

丁文清^1,2,3  丁  林^1,2

（1. 中国科学院青藏高原研究所 北京 100101；2. 青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室 北京 100101；

3. 中国科学院大学地球与行星科学学院 北京100049）

摘　要　高光谱成像作为目前遥感领域最先进的技术，在地质应用中取得了巨大成功。岩石和矿物由于电子过程和分子振动可以产生特征的光谱吸收，因此可以利用高光谱技术进行岩矿填图，快速且准确地获取区域内岩石和矿物的分布情况，进而圈定有潜力的找矿靶区。岩矿高光谱通过对岩矿信息的提取可获得矿物类别和矿物丰度分布甚至矿物化学成分的填图结果，识别方法包括光谱匹配、模式识别和人工智能方法3大类。GF-5卫星上搭载的高光谱成像仪覆盖度宽、光谱分辨率和信噪比高，满足矿物精细识别和大比例尺、大面积岩性填图的要求，应用前景广阔。青藏高原地区矿产资源丰富、岩体裸露但地势偏远，有利于高光谱遥感蚀变矿物填图，开展区域找矿工作。同时，高光谱遥感凭借其空间尺度优势，可以方便快捷地获取区域整体信息，结合地球化学的时间信息，可为青藏高原关键地质科学问题的解决提供新的视角。提升岩矿高光谱遥感的定量化和智能化水平，将传统地质学方法获得的地下深部资料与遥感手段获取的地表数据结合，是促进地质遥感和地球系统科学发展的重要途径。

关键词  高光谱遥感　地质填图　矿产勘查　高分五号　青藏高原

Hyperspectral remote sensing of rock and mineral and its application prospects on the Tibetan Plateau

Ding Wenqing^{1, 2, 3}　Ding Lin^{1, 2}

(1. Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; 2. State Key Laboratory of Tibetan Plateau Earth System, Resources and Environment (TPESRE), Beijing 100101; 3. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

Abstract

    Hyperspectral imaging has achieved great success in geological application as the most advanced technology in remote sensing. Rocks and minerals can produce diagnostic spectral absorption through electronic process and molecular vibration, so that hyperspectral technology can be useful for rock and mineral mapping, which could obtain the regional distribution of rocks and minerals quickly and accurately, and delineate the potential ore prospecting target area. The hyperspectral identification methods for rock and mineral include spectral matching, pattern recognition and artificial intelligence. It's possible to gain maps of mineral categories, mineral abundance distribution and even mineral chemical composition by extracting spectral information. The hyperspectral imager on GF-5 satellite has a wide swath, high spectral resolution and high signal-to-noise ratio, which can meet the requirements of fine mineral identification and large-scale lithologic mapping, and has a good advantage for application in the future. Tibetan Plateau is rich in mineral resources, well-exposed rock but remote, which is conducive to alteration mineral mapping and regional ore prospecting by hyperspectral remote sensing. Meanwhile, hyperspectral remote sensing with its advantage of spatial scale can easily and quickly obtain the overall information of certain region. Combined with the geochemical time information, it can provide a new perspective for the key scientific problems of the Tibetan Plateau geology. To improve the quantitative and intelligent level of rock and mineral hyperspectral remote sensing and integrate the deep underground data obtained by traditional geological methods with the surface data obtained by remote sensing methods, which is critical for the development of geological remote sensing and earth system science.

Keywords　 Hyperspectral remote sensing, Geological mapping, Mineral exploration, GF-5, Tibetan Plateau

地质学研究具有宏大的时间—空间尺度特征。古生物化石和同位素地球化学手段帮助解决了时间维度的问题，空间上则主要依赖于地质工作者的野外调查。而对于青藏高原等一些地形复杂的高海拔无人区，进行传统的野外勘查和测绘填图不仅费时、费力、耗财，还具有很高的危险性（Zhang et al., 2021），这在一定程度上限制了对某些关键科学问题的突破和矿产资源的勘探。遥感科学具有得天独厚的空间优势，为解决这一难题提供了可能的方案（Bedini，2017；Frauenfelder，2021）。

有关遥感科学在地质学领域的应用研究最早大概出现于20世纪60年代（Beckman and Whitten，1966），直到Hunt（1977）通过室内实验系统地分析了自然界主要矿物和岩石类型的诊断性光谱吸收特征，地质遥感的研究才开始逐渐盛行。1999年搭载于Terra卫星上的ASTER多光谱传感器的发射升空，极大地推动了地质遥感的发展（Gillespie et al., 2005）。ASTER图像提供了进行半定量矿物填图的机会，被地质学界视为在空间能力发展上的一个真正里程碑（Meer et al., 2012；Bishop et al., 2018），其相关数据近二十年来一直被广泛用于蚀变矿物填图和找矿预测等方面的工作（代晶晶等，2012；Cudahy et al.，2016；Abrams and Yamaguchi，2019；Hu et al.，2019；Chattoraj et al.，2020）。

光学遥感影像经历了全色—彩色—多光谱—高光谱的发展历程（Meer et al.，2012）。高光谱遥感也被称为成像光谱遥感，相比多光谱具有图谱合一的特点，即可以同时获取二维空间信息和连续的光谱维信息（Goetz et al., 1985；童庆禧等，2006），是目前光学遥感领域最先进的技术。光谱分辨率的提高使得由物质本身微小成分变化引起的光谱特征差异可以被识别（Clark et al., 1990），因此在岩石矿物分类、化学组成的探测甚至定量－半定量分析等方面具有更大的优势。经过三十多年的发展，国内外已经形成了天－空－地多平台的高光谱遥感观测体系（图1），目前已被广泛地应用于基础地质填图、矿产勘查、油气勘探、矿山环境监测以及月球、火星等行星地质遥感研究中（甘甫平等，2004；王润生等，2010；Meer et al., 2012；Ramakrishnan and Bharti，2015；童庆禧等，2016；张兵等，2021）。

1　岩矿光谱特性

太阳光谱通常被划分为紫外光（UV，0.001~0.4 μm）、可见光（VIS，0.4~0.7 μm）、近红外（NIR，0.7~3.0 μm）、中红外（MIR，3.0~30 μm）和远红外（FIR，30 μm~1 mm）等几部分，而在地质领域得到应用的主要是可见光－近红外（VNIR，0.4~1.0 μm）和短波红外（SWIR，1.0~2.5 μm）光谱区间（Clark, 1999），对热红外（TIR，6~14 μm）部分的应用则相对比较薄弱。当太阳光线照射到矿物或岩石表面时，特定波长的入射光一部分被吸收，另一部分则被反射或透射，吸收或反射的比例取决于物质化学成分和晶体结构。能量的吸收主要由物体内电子过程和分子振动造成，电子过程包括晶体场效应、电荷转移、导带和色心；分子振动过程包括化学键的伸缩、弯曲和旋转等（Clark, 1999；童庆禧等，2006；Ramakrishnan and Bharti，2015）。Hunt（1977）最早系统分析了各种矿物的特征谱带位置及其吸收机理（图2），为通过反射光谱进行矿物探测奠定了基础。

图1　多平台遥感数据在地质填图中的综合应用示意图（据Booysen et al., 2021修改）

Fig. 1　Image depicting the integrated application of various data sets acquired with satellite, airborne and ground-based platforms in geological mapping (modified after Booysen et al., 2021)

全文见知网首发