CN106682377A - 一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地球科学技术领域，具体涉及一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法。本发明利用地面成像高光谱数据光谱分辨率的优势和图谱合一的特点，通过采集钻孔岩芯高光谱图像数据，识别并提取出与热液成矿作用关系密切的蚀变矿物，同时定量估算钻孔深度方向上蚀变矿物的空间分带。本发明既能够准确提取与深部热液成矿关系密切的蚀变矿物信息，直观表现蚀变矿物在岩芯上的发育，又能够实现钻孔尺度上蚀变矿物的定量化表达，对深部找矿勘查具有重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于地球科学技术领域，具体涉及一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法。
背景技术
深部找矿是当前亟需突破的找矿方向，钻孔岩芯是研究深部成矿环境的重要载体，不同种类的蚀变矿物是热液矿床的重要识别标志和成矿有利因素。与地表或近地表不同，深部岩石中发育的变质类矿物大都是热液成因而非风化成因，因此，如何准确识别和提取钻孔岩芯中发育的与成矿密切相关的各种蚀变矿物及其组合，查明它们在深部空间的分带状况，对深部找矿勘查具有重要的现实意义。
当前，对钻孔岩芯蚀变矿物的传统研究方法主要通过地质人员的钻孔岩芯编录实现，编录的同时对岩芯进行取样，然后进行送样化学分析，这种方法费时费力，且花费较大。同时，由于不同地质编录人员的知识储备和经验差异，容易得出不同的结果导致影响下一步的分析和结论。
高光谱技术在识别矿物方面具有独特的优势。当前，高光谱遥感技术用于地表矿物填图已较为成熟，已逐渐广泛用于大面积地质调查中，基于不同矿物在不同波长位置的诊断性光谱特征和光谱匹配算法，能够准确、客观地将高光谱图像中的矿物提取出来，目前可识别的矿物种类多达十几种。
基于上述技术背景，如何将高光谱技术用于钻孔岩芯蚀变矿物提取以为深部找矿勘查提供新的技术手段和思路，如何将钻孔岩芯蚀变矿物的发育状况和空间分布特征更加直观定量地呈现给地质勘探人员以便更好地研究地下深部热液蚀变分带和流体演化规律，是当今地球科学技术领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：提出一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，利用地面成像高光谱数据光谱分辨率的优势和图谱合一的特点，通过采集钻孔岩芯高光谱图像数据，识别并提取出与热液成矿作用关系密切的蚀变矿物，同时定量估算钻孔深度方向上蚀变矿物的空间分带，为深部地质环境研究与找矿勘查提供技术支撑。
本发明的技术方案如下所述：
一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.获取钻孔岩芯高光谱图像数据；
步骤2.钻孔岩芯高光谱图像数据预处理；
步骤3.建立钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库；
步骤4.提取蚀变矿物信息；
步骤5.设定钻孔岩芯蚀变矿物估算尺度；
步骤6.定量估算蚀变矿物含量；
步骤7.钻孔岩芯蚀变矿物估算结果编录可视化。
步骤1中，每隔一段时间，利用地面高光谱传感器设备，同步采集获取钻孔岩芯高光谱图像数据和标准板数据。作为优选方案，步骤1中，数据采集前岩芯箱内各岩芯展布方向平行；采集过程中，保持光照条件稳定，同时保持岩芯箱内岩芯展布方向与地面高光谱传感器设备的图像扫描方向平行。
步骤2包括以下步骤：
步骤2.1.辐射校正
基于步骤1所采用的地面高光谱传感器设备定标参数文件，对采集的钻孔岩芯高光谱图像数据以及同步采集的标准板图像数据进行系统级辐射校正，得到辐射亮度图像数据；
步骤2.2.光谱重建
获取标准板图像的辐射亮度均值光谱，建立标准板辐射亮度均值光谱与标准板反射率光谱之间的经验线性公式，利用所述经验线性公式对辐射校正后的钻孔岩芯高光谱图像进行反射率计算，得到钻孔岩芯反射率图像数据。
步骤3包括以下步骤：
采集钻孔岩芯蚀变矿物样本的实测光谱曲线，或从已有标准矿物光谱库中挑选钻孔岩芯中可能存在的蚀变矿物标准光谱曲线，建立钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库。
步骤4包括以下步骤：
步骤4.1.波段重采样
以步骤3建立的钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库为标准，对步骤2预处理后的钻孔岩芯高光谱图像数据进行波段重采样，使二者波谱范围一致；
步骤4.2.光谱匹配计算
利用高光谱匹配算法对波段重采样后的钻孔岩芯高光谱图像数据进行蚀变矿物光谱匹配计算，获得匹配计算后的图像数据；所述高光谱匹配算法可以采用光谱角匹配算法、光谱相关系数匹配算法，以及匹配滤波算法。
步骤4.3.设定阈值提取蚀变矿物信息
针对每一种蚀变矿物匹配计算后的图像数据，设定各自的统一提取阈值，提取全孔钻孔岩芯图像上发育的各种蚀变矿物信息。
步骤5中，以钻孔深度为标准，根据具体应用需求，建立统一的估算尺度。
步骤6中，针对每一估算尺度深度段的岩芯，利用数字图像像元统计方法统计计算每种蚀变矿物所占含量。所述数字图像像元统计方法如下所述：对于第m个估算尺度深度段的岩芯，获取第m个估算尺度深度段岩芯内的所有像元数Nm；在第m个估算尺度深度段岩芯内，获取提取的第i种蚀变矿物像元数nmi，则在第m个估算尺度深度段岩芯内第i种蚀变矿物的含量为(nmi/Nm)×D，其中D表示步骤5设定的估算尺度。
步骤7中，针对全孔岩芯，根据钻孔深度顺序，对各估算尺度内钻孔岩芯蚀变矿物估算量进行编录，利用统计制图软件对编录结果进行可视化表达。
本发明的有益效果为：
本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，既能够准确提取与深部热液成矿关系密切的蚀变矿物信息，更加直观地表现蚀变矿物在岩芯上的发育，又能够实现钻孔尺度上蚀变矿物的定量化表达，对深部找矿勘查具有重要的实用价值，具体具有以下有益效果：
(1)本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，充分利用高光谱图像图谱合一的特点，基于地面成像高光谱数据，通过采集、处理钻孔岩芯的地面高光谱图像数据，利用高光谱匹配填图算法从光谱特征角度识别提取钻孔岩芯中发育的蚀变矿物信息，提取速度快、准确性高；
(2)本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，与传统岩芯编录方法相比，通过钻孔岩芯高光谱蚀变信息提取，识别出的矿物信息更加丰富；
(3)本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，划定钻孔深度尺度进行蚀变矿物的定量估算，实现了钻孔深度空间上的岩芯蚀变矿物定量化估算，有利于开展进一步的深入分析；
(4)本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，提取精度高，估算结果与实际一致性好，对深部找矿勘查具有一定的现实意义。
附图说明
图1为本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法流程图；
图2为某铀矿区钻孔蚀变矿物定量估算编录图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，包括以下步骤：
步骤1.获取钻孔岩芯高光谱图像数据
按照统一的数据采集标准，利用Hyspex或其他类似的地面高光谱传感器设备采集获取钻孔岩芯高光谱图像数据。数据采集过程中，每隔一段时间，同步采集标准板数据，用于步骤2进行岩芯高光谱图像数据的反射率光谱计算。
作为优选实施方式，数据采集前，整理岩芯箱中的岩芯摆放，使各岩芯展布方向大致平行；采集过程中，保持光照条件稳定，同时尽可能保持岩芯箱中的岩芯展布方向与地面高光谱传感器设备的图像扫描方向平行，为后续数据处理提供便利，提高处理效率；采集的数据文件严格依据钻孔号、钻孔深度信息命名，防止由于数据量较多而产生文件名的混淆，避免给后续数据处理造成不便。
步骤2.钻孔岩芯高光谱图像数据预处理
步骤2.1.辐射校正
基于步骤1所采用的地面高光谱传感器设备定标参数文件，对采集的钻孔岩芯高光谱图像数据以及同步采集的标准板图像数据进行系统级辐射校正，得到辐射亮度图像数据。
所述辐射校正为本领域技术人员公知常识，可以通过将采集的图像数据DN值转换为具有物理意义的辐射亮度值实现。
步骤2.2.光谱重建
获取标准板图像的辐射亮度均值光谱，利用线性回归法建立标准板辐射亮度均值光谱与标准板反射率光谱之间的经验线性公式，利用所述经验线性公式对辐射校正后的钻孔岩芯高光谱图像进行反射率计算，得到钻孔岩芯反射率图像数据，作为后续处理的基础数据。
步骤3.建立钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库
利用美国FieldSpec ASD光谱仪、SVC便携式光谱仪或澳大利亚PIMA光谱仪等地面波谱采集仪器采集钻孔岩芯蚀变矿物样本的实测光谱曲线，或者从已有的美国USGS光谱库等标准矿物光谱库中挑选可能存在的蚀变矿物标准光谱曲线，建立钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库。
步骤4.提取蚀变矿物信息
步骤4.1.波段重采样
以步骤3建立的钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库为标准，对步骤2预处理后的钻孔岩芯高光谱图像数据进行波段重采样，使二者波谱范围一致，同时达到降维和优化信息量的目的。
步骤4.2.光谱匹配计算
利用ENVI或其他类似的高光谱遥感图像处理模块中的高光谱匹配算法，例如光谱角匹配、光谱相关系数匹配、匹配滤波等，对波段重采样后的钻孔岩芯高光谱图像数据进行蚀变矿物光谱匹配计算，获得匹配计算后的图像数据。
步骤4.3.设定阈值提取蚀变矿物信息
针对每一种蚀变矿物匹配计算后的图像数据，通过人机交互式解译，设定各自的统一提取阈值，将全孔钻孔岩芯图像上发育的各种蚀变矿物信息提取出来。所述人机交互式解译和阈值设定为本领域技术人员公知常识。
步骤5.设定钻孔岩芯蚀变矿物估算尺度
以钻孔深度为标准，根据具体应用需求，建立统一的估算尺度。
具体而言，估算尺度若设为5米，表示在每5米岩芯范围内进行一次估算；估算尺度若设为10米，表示在每10米岩芯范围内进行一次估算；估算尺度若设为15米，表示在每15米岩芯范围内进行一次估算。此外，也可以将每一箱岩芯的米数设为估算尺度。
所述估算尺度设置灵活度高，根据具体应用需求灵活设定即可。
步骤6.定量估算蚀变矿物含量
针对每一估算尺度深度段的岩芯，利用数字图像像元统计方法统计计算每种蚀变矿物所占含量。
所述数字图像像元统计方法如下所述：对于第m个估算尺度深度段的岩芯，获取第m个估算尺度深度段岩芯内的所有像元数Nm；在第m个估算尺度深度段岩芯内，获取提取的第i种蚀变矿物像元数nmi，则在第m个估算尺度深度段岩芯内第i种蚀变矿物的含量为(nmi/Nm)×D，其中D表示步骤5设定的估算尺度。
具体而言：
获取第一个估算尺度内的所有像元数N1，在第一个估算尺度内，获取提取的第1种蚀变矿物像元数n11，则在第一个估算尺度内第1种蚀变矿物的含量为(n11/N1)×D；获取提取的第2种蚀变矿物的像元数n12，则在第一个估算尺度内第2种蚀变矿物的含量为(n12/N1)×D；获取第3种蚀变矿物的像元数n13，则在第一个估算尺度内第3种蚀变矿物的含量为(n13/N1)×D；……；
获取第二个估算尺度内的所有像元数N2，在第二个估算尺度内，获取提取的第1种蚀变矿物像元数n21，则在第二个估算尺度内第1种蚀变矿物的含量为(n21/N2)×D；获取提取的第2种蚀变矿物的像元数n22，则在第二个估算尺度内第2种蚀变矿物的含量为(n22/N2)×D；获取第3种蚀变矿物的像元数n23，则在第二个估算尺度内第3种蚀变矿物的含量为(n23/N2)×D；……；
获取第三个估算尺度内的所有像元数N3，在第三个估算尺度内，获取提取的第1种蚀变矿物像元数n31，则在第三个估算尺度内第1种蚀变矿物的含量为(n31/N3)×D；获取提取的第2种蚀变矿物的像元数n32，则在第三个估算尺度内第2种蚀变矿物的含量为(n32/N3)×D；获取第3种蚀变矿物的像元数n33，则在第三个估算尺度内第3种蚀变矿物的含量为(n33/N3)×D；……；
以上述方法获取所有估算尺度深度段岩芯的每一种蚀变矿物的含量。
步骤7.钻孔岩芯蚀变矿物估算结果编录可视化
针对全孔岩芯，根据钻孔深度顺序，对各估算尺度内钻孔岩芯蚀变矿物估算量进行编录，利用统计制图软件对编录结果进行可视化表达。
本实施例中，将步骤6得出的每个估算尺度深度段岩芯内的每种蚀变矿物含量的统计计算结果在Excel表中进行统计和编录；对编录后的结果，设置纵坐标Y轴为钻孔深度从地表向地下延伸，横坐标X轴为蚀变矿物的估算量，运用相关统计制图软件进行二维可视化表达，模拟整个钻孔深度方向上蚀变矿物的空间分带。
图2所示为某铀矿区钻孔蚀变矿物定量估算编录图，经验证，钻孔岩芯蚀变矿物提取与估算结果与地质人员岩芯编录及定性认识十分一致，且信息表达更为直观、细致，更加有利于发现和总结规律。因此，本发明为深部找矿勘查提供了有力技术支撑，具有重要的现实意义。
Claims (10)
1.一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.获取钻孔岩芯高光谱图像数据；
步骤2.钻孔岩芯高光谱图像数据预处理；
步骤3.建立钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库；
步骤4.提取蚀变矿物信息；
步骤5.设定钻孔岩芯蚀变矿物估算尺度；
步骤6.定量估算蚀变矿物含量；
步骤7.钻孔岩芯蚀变矿物估算结果编录可视化。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤1中，每隔一段时间，利用地面高光谱传感器设备，同步采集获取钻孔岩芯高光谱图像数据和标准板数据。
3.根据权利要求2所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤1中，数据采集前岩芯箱内各岩芯展布方向平行；采集过程中，保持光照条件稳定，同时保持岩芯箱内岩芯展布方向与地面高光谱传感器设备的图像扫描方向平行。
4.根据权利要求2所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤2包括以下步骤：
步骤2.1.辐射校正
基于步骤1所采用的地面高光谱传感器设备定标参数文件，对采集的钻孔岩芯高光谱图像数据以及同步采集的标准板图像数据进行系统级辐射校正，得到辐射亮度图像数据；
步骤2.2.光谱重建
获取标准板图像的辐射亮度均值光谱，建立标准板辐射亮度均值光谱与标准板反射率光谱之间的经验线性公式，利用所述经验线性公式对辐射校正后的钻孔岩芯高光谱图像进行反射率计算，得到钻孔岩芯反射率图像数据。
5.根据权利要求4所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：
采集钻孔岩芯蚀变矿物样本的实测光谱曲线，或从已有标准矿物光谱库中挑选钻孔岩芯中可能存在的蚀变矿物标准光谱曲线，建立钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库。
6.根据权利要求5所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤4包括以下步骤：
步骤4.1.波段重采样
以步骤3建立的钻孔岩芯蚀变矿物光谱匹配库为标准，对步骤2预处理后的钻孔岩芯高光谱图像数据进行波段重采样，使二者波谱范围一致；
步骤4.2.光谱匹配计算
利用高光谱匹配算法对波段重采样后的钻孔岩芯高光谱图像数据进行蚀变矿物光谱匹配计算，获得匹配计算后的图像数据；
步骤4.3.设定阈值提取蚀变矿物信息
针对每一种蚀变矿物匹配计算后的图像数据，设定各自的统一提取阈值，提取全孔钻孔岩芯图像上发育的各种蚀变矿物信息。
7.根据权利要求6所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤4.2中，所述高光谱匹配算法包括光谱角匹配算法、光谱相关系数匹配算法，以及匹配滤波算法。
8.根据权利要求6所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤5中，以钻孔深度为标准，根据具体应用需求，建立统一的估算尺度。
9.根据权利要求8所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤6中，针对每一估算尺度深度段的岩芯，利用数字图像像元统计方法统计计算每种蚀变矿物所占含量；
所述数字图像像元统计方法如下所述：对于第m个估算尺度深度段的岩芯，获取第m个估算尺度深度段岩芯内的所有像元数Nm；在第m个估算尺度深度段岩芯内，获取提取的第i种蚀变矿物像元数nmi，则在第m个估算尺度深度段岩芯内第i种蚀变矿物的含量为(nmi/Nm)×D，其中D表示步骤5设定的估算尺度。
10.根据权利要求9所述的一种钻孔岩芯蚀变矿物的高光谱提取与定量估算方法，其特征在于：步骤7中，针对全孔岩芯，根据钻孔深度顺序，对各估算尺度内钻孔岩芯蚀变矿物估算量进行编录，利用统计制图软件对编录结果进行可视化表达。
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