党福星
（航空物探遥感中心，北京 100083）
多光谱遥感技术是一种根据地表地物的电磁波谱特征，利用多光谱扫描仪从空中探测地面信息的技术。多光谱遥感资料的多波谱特性，是识别地物和提取地表信息的重要依据之一，利用遥感波谱信息进行地物识别和信息提取，不但信息量大，而且信息处理可以定量化。目前，应用多光谱遥感资料所精细反映的地表地物的电磁波谱特性，进行地物信息的定量提取研究是多光谱遥感技术应用中的重要内容和热点，本文以地面地物信息的定量化提取为研究内容，提出了地物识别的新思路，探讨了多光谱信息定量化分析技术在遥感解译应用中的具体研究途径，对今后进一步开展遥感解译定量化研究具有实际意义。
图1是多光谱遥感定量化分析技术流程。试验采用的是航空多光谱扫描原始数据，具有较高的波谱和空间分辨率（10个波段，8.5m的像元），地面主要地物波谱资料是通过地面准同步测试获取的。
试验研究包括两部分：第一是遥感图像数据定量化，主要内容有大气散射校正、噪声消除、基于机下点的图像归一化校正和反射率图像生成。第二是利用地物的地面反射率值与遥感图像的光谱信息的相关特征以及反射率值的变化趋势，建立遥感地物反射光谱解译模型，进行地物属性信息的定量提取，为研究人员提供较高精度的专题信息图像和有利于计算机的自动成图。
图1 试验研究方法技术流程
一、试验区概况及遥感数据定量化
（一）试验区概况及主要地物波谱特征
本次航空多光谱扫描数据是于1991年9月和1993年8月用DS—1268系统分别在新疆西北部地质找矿区和冀中农业平原区采集的。试验区概况如下。
1.农业区及主要地物波谱
农业区以滦河流域平原为主，平原地区平均海拔高度为70m，试验区内平均高差不足50m。本区地物类型主要有植被、水体、裸土等，植被有农作物、树木、杂草等。农作物类型主要是玉米和花生，成片大面积分布，其混合像元率为0～10%。树木主要有成片树林和在耕地之间、道路两旁、建筑物旁成排分布的两种形式，混合像元率为20%和60%左右，草地主要分布在山坡和河滩，混合像元率为20%～80%，分布不均匀。本区无植被覆盖地物主要是滦河水、池塘水、裸露的砂土和砾石，主要分布在道路区、人工建筑区以及河滩等。典型地物波段反射光谱数据如表1所示。
表1 农业区主要地物波段反射光谱数据（%）
2.地理、地质及主要地物波谱
地质找矿调查区位于我国西北的新疆阿舍勒地区，区内有一大型铜矿床。试验区属北温带寒冷半干旱气候区，区内基岩裸露较好，在低山丘陵区的沟谷中植被发育，多生茅草类；山坡（阴坡）上生长有蒿类及野刺玖、兔儿条等灌木，整个地势由南西向北东依次增高，分别为750m、800m、850m，呈似台阶状上升。
区内地层主要出露有上古生界中泥盆系依托克萨雷组、阿尔泰组，下石炭系口山咀组，第三系、第四系主要分布在研究区南部。上述地层构成长轴为北西向的向斜，沿其走向在西北端与南阿勒泰构造成矿带相连。
区内构造复杂，矿床位于玛尔卡库里深断裂北东侧近南北向的次级断裂带中，沿断裂各种岩石普遍受挤压破碎，矿区附近受到不同程度的区域变质和动力变质作用及成矿热液蚀变的影响，使得岩石变得复杂化。围岩蚀变强烈，蚀变范围较广而且种类繁多，岩石强烈硅化、绢云母化和绿石化，且发育有一定量的褐铁矿化及铁帽，形成明显的退色蚀变带。
区内主要岩石类型可分为矿化蚀变岩、非矿化蚀变岩及未蚀变（弱蚀变）岩石。表2是试验区主要地物的波段反射光谱数据。
（二）遥感图像数据定量化
本项试验在保证精度的前提下，对ATM图像进行了必要的预处理，包括图像的条带、噪声去除、大气散射校正、图像归一化校正和反射率值恢复等。
原始的遥感图像数据除了包含地物光谱反射率信息外，也包含着大气辐射传输效应、地形效应和不同波段的增益影响。剔除这些干扰因素，将原始图像数据转换为反射率图像是多光谱数据定量化解译和分析不可少的基础性工作。转换的方法很多，本次试验仅采用波谱平台对数剩余值法和线性回归法。
表2 地质试验区主要地物波段反射光谱数据（%）
线性回归法的数学表达式为：
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式中：Rj（i）为第j波段第i像元的反射率；Aj,Bj为线性回归系数；Lj（i）为第j波段第i像元的图像亮度值。
该方法的适用条件是定标地物分布均匀、面积足够大（约10×10像元）而且地形起伏不能太大。
波谱平台对数剩余值法克服了对数剩余值法中背景地物压制目标地物吸收特征这一缺陷，其数学模型为：
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式中：G′j（·）为波段j上处于波谱平台区的所有像元的几何平均值；G′（·）为所有处于波谱平台区的像元在所有波段上的几何平均值；G.（i）为第i像元点在所有波段的几何平均值；Rj（i）为第j波段第i像元的波谱平台反射率对数值。
该模型的适用条件是像幅内大气水平均匀。
二、试验区地物反射光谱解释模型建立
（一）用于农业区地物识别的反射光谱解释模型建立及定量化分析
多光谱遥感图像的波谱特征是地物识别的重要依据，而建立判别地物属性的反射光谱解译模型是识别地物的关键。我们利用试验区主要地物的地面反射率值与遥感图像中光谱信息的相关特征以及反射率的变化趋势，建立了地物反射光谱解译模型，这些模型主要有：
①归一化差值植被指数In,d.v
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②垂直植被指数Ip.v
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③综合比值植被指数Ir,v
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式（3）、（4）、（5）中R3、R4、R7、R8分别为DS—1268系统第3、4、7、8波段图像的反射率值。各主要地物的判别指数动态变化范围如表3。
表3 主要地物判别指数动态变化范围
（二）矿化蚀变信息解译模型的建立及其数据特征定量分析
在地质研究区内地表满足朗伯体假定、地形起伏中等、大气状况均匀的情况下，预处理后的多光谱图像j波段传感器对地面某点成像时所记录的第i个像元的反射率值可表示为：
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式中：pij为图像内第j波段的第i个像元对应的地面目标波段反射率值；ρkl为平台区内第l波段的第k个像元对应的地面目标波段反射率；m为多光谱图像的波段数；n′为平台区像元个数；Rij为图像反射率值。
由式（6）可知，图像反射率值仅与平台像幅内地物的和目标地物的反射光谱特征有关。由于平台区选取地物（花岗斑岩）满足灰体的反射特性，因此对于多光谱图像的两个波段的综合比值图像上某一像元点的值可表示为如下形式：
航空物探遥感论文集
由式（7）可知，在一定条件下，反射率图像波段比值仅与像元内目标地物的波谱特性有关。为准确地定量提取矿化蚀变信息，对已知矿化蚀变训练区的多波段综合比值数据进行统计分析，区内主要地物类型的反射率数据综合比值统计特征归纳如表4所示。
表4 主要地物类型图像反射率数据比值特征
表4数据表明：应用反射率生成模型对经过初步辐射校正的图像作图像光谱转换之后，在（R9—R7）/（R9+R7）与（R9—R10）/（R9+R10）的二维比值数据中，植被和未蚀变岩石基本上被压缩在零值附近，而在（R5—R2）/（R5+R2）的比值数据中，非矿化蚀变岩类基本上也被压缩到了零值附近，因此，应用遥感信息定量化分析技术可以将矿化蚀变信息单独提取出来作为遥感定量信息，从而实现遥感信息的定量化提取。
三、遥感信息定量化提取
（一）农业试验区地物类型专题信息定量化提取
根据所建立的试验区遥感解译模型，在定量分析的基础上，将不同类型的地物属性信息提取出来。具体方法是，根据对已知地物训练区的统计分析，以由试验区主要地物类型的反射光谱解译模型计算出的各判别指数值的动态变化范围作为阈值基数，在阈值范围内的像元点被认为是所识别的地物，依此类推。附彩图2和附彩图3是利用判别指数在定量分析的基础上提取的试验区主要地物分类图像，提取结果是令人满意的，抽样统计精度达85%。
（二）矿化蚀变岩性信息定量化提取
1.植被影响因素的消除
如前所述，应用反射率图像的ATM9和ATM7生成的比值图像R97可将植被信息单独提取出来，进而消除植被对岩性信息提取的干扰。令：
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式中：R9为第9波段的反射率值；R7为第7波段的反射率值。
当比值图像的像元值R97≤0时，该像元点所反映的地物为植被。
2.蚀变岩石信息提取
应用反射率图像的ATM9和ATM10生成的比值图像可提取蚀变信息。令：
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在消除植被的影响后，蚀变信息的判别依据为：当比值图像上的像元值R910＞0.03时，该像元点所反映的地物为蚀变岩。
3.矿化信息提取
在蚀变信息提取的基础上，矿化信息可由反射率图像的ATM5和ATM2生成比值图像进行识别和提取。令：
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提取矿化信息的阈值基数为：当R52＞0.03时，比值图像上的对应像元点的地物为矿化蚀变岩。
附彩图4是依据（8）、（9）、（10）式所示的识别准则提取的植被、蚀变岩和矿化点信息分布示意。
在矿化蚀变信息提取的基础上，依据矿化点反射率图像数据的比值特征可进一步提取地表岩石的矿化信息。令：
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有关试验区地表岩石矿化信息和相对应的图像反射率数据比值特征见表5，通过初步分析，可得如下结论：
表5 地表矿化岩石信息和图像反射率数据比值特征
当岩石中铁的氧化物、氢氧化物主要为赤铁矿、褐铁矿矿物时，R678＜0,R789＞0；
当岩石中以含针铁矿、褐铁矿矿物为主时，R789＜0,R678＞0;
R52值越大，岩石的褐铁矿化程度越高，岩石中铁的氧化物、氧氧化物含量也越高。
因此，根据上述结论，可提取以赤铁矿为主的和以针铁矿为主的矿化蚀变信息以及地表岩石的矿化程度信息。
当R678＜0时，矿化标志为以赤铁矿为主的铁帽（附彩图5）；
当R789＜0时，矿化标志为以针铁矿为主的褐铁矿化（附彩图6）。
根据R52的值域范围，可确定矿化蚀变程度。即R52值越大，矿化程度越高，试验区矿化程度与比值图像R52值域的关系为：
当0.03＜R52＜0.05时，矿化程度低；
当0.05＜R52＜0.10时，矿化程度中等；
当0.10＜R52＜0.14时，矿化程度高。
附彩图7是根据R52值域范围提取的矿化程度专题信息示意。根据已有地质矿产资料和前人野外实地踏勘结果可知，矿化程度最高的矿化带是第一号矿化带，这与应用比值特征获取的矿化程度信息所反映的图像部位基本一致。
四、结论
通过多光谱定量化分析技术在地物识别中的初步应用研究，得出如下结论：
①采用多光谱定量化分析技术，利用遥感图像数据的光谱信息，进行地表农作物及其它地物类型的定量识别和地质矿化蚀变专题信息的定量提取，不仅物理意义明确，而且可以为动态监测大面积土地资源与矿产勘查快速提供有关专题信息图件。
②初步试验结果表明：在一定的条件下，应用多光谱信息定量化分析技术，通过对遥感数据进行定量化分析和解译，不仅应用效果好，提取精度高，而且所提取的有用地质信息可做为单独数据与其它地学信息复合，从而为今后更深入地探讨实现遥感解译定量化的有效研究途径奠定了基础。
③基于光谱信息统计的定量化分析方法，较好地与地面波谱数据的分析和应用结合起来，所建立的信息提取模型的主要依据是地面实测波谱数据的变化规律。因此，直接将地面波谱数据应用于多光谱图像预处理和解译过程，为多光谱图像的解译从定性发展到定量，提供了新的思路和研究方法。
④仅依据地物的波谱特性进行地物识别研究，具有一定的局限性。今后如何有效地结合遥感图像的光谱信息、结构信息以及其它相关信息，研究提取地物信息的综合计算机方法是提高遥感解释定量化水平值得注意的发展方向。
参考文献
1.斯韦恩P.H等.遥感定量方法.北京：科学出版社，1984
2.彭望碌.遥感数据的计算机处理与地理信息系统.北京：北京师范大学出版社，1991
3.朱亮璞等.遥感地质学.北京：地质出版社，1994
4.Crippen R E.Regioal Exploration in Desert Terrains:A Guide to the Use of LANDSAT Thematic Mapper Imagery,Presented at the 8th Thematic Conference on Geologic Remote Sensing,1991
THE APPLICATION OF MULTISPECTRAL QUANTITATIVE ANALYTICAL TECHNIQUE TO THE RECOGNITION OF GROUND OBJECTS
Dang Fuxing
（Aerogeophysical Survey and Remote-Sensing Center,Beijing 100083）
Abstract
Using high resolution reflection spectral information of ground objects provided by ATM image data,systematically absorbing and consulting the new achievements in remote sensing techniques and methods gained by the Aerogeophysical Survey and Remote-Sensing Center in the period of Five-Year Plan,and employing multispectral quantitative analytical technology,the author tentatively carried out the remote-sensing ground object recognition study in agricultural area of central Hebei and semi-arid area of Xinjiang,and,as a result,obtained remarkable outcomes in this aspect.