唐淑兰等：结合多尺度分割和随机森林的变质矿物提取 171· muscovite,and amphibole have identification characteristics on the ASTER image with an extraction accuracy of 85.4088%,84.7640%, and 85.7308%,respectively.The extraction accuracy of other metamorphic minerals with less content are found to reach more than 60% Multiscale segmentation can make full use of the clustering features of minerals and the variogram texture can enhance the ability of morphological features to distinguish the minerals.Random forest is not sensitive to noise and the extraction results are observed to be stable. KEY WORDS variogram;multiscale segmentation;ASTER;mineral extraction;random forest 变质矿物的识别是变质岩研究的基础，造山带 本研究旨在提高变质矿物提取精度，为变质带的 中的变质岩是造山带不同演化阶段动力学过程的直 遥感解译提供技术参考 接记录，其中，中-低压变质带的分布是研究造山过 1地质背景 程和地壳演化等地球科学问题的重要参考依据川 遥感技术作为对传统实地调查的补充，已广 研究区（图1）位于甘肃省玉门市地区，大地构 泛应用于矿产勘查和岩性识别中-习一些矿物提 造隶属于北山造山带.出露的主要地层有：晚太古 取方法得到了快速发展：如比值法、主成分分析 界、长城系、蓟县系、石炭系、二叠系、侏罗系、白 (Principal component analysis,PCA)、支持向量机 垩系和第四系，发育有石炭纪和二叠纪中酸性侵 (Support vector machine,SVM)、光谱角(Spectral 入岩.其中，晚太古界主要岩性组合为：（云母）石 angle mapping,SAM)、混合像元分解、随机森林 英片岩、（石榴石、黑云母、白云母）斜长片麻岩、 (Random forest,RF)等W-].同时，图像处理技术也 (石榴石、黑云母)斜长角闪片麻岩、二长片麻岩、 被结合到遥感矿物提取中：如多尺度分割、小波变 斜长变粒岩、钠长绿帘绿泥片岩和大理岩等；长城 换等？0具有较高分辨率的ASTER传感器通过 系主要岩性为：大理岩、石英岩、长石石英岩和绿 14个波段的波谱数据，提供了更加精细的矿物及 泥石石英千枚岩等；蓟县系主要为大理岩，局部见 岩石信息 蛇纹石、透辉石和阳起石化：石炭系和二叠系主要 矿物信息在遥感影像上表现为弱信息，利用 为浅变质碎屑岩，局部可见绿泥石化，石炭系碎屑 反射带和吸收带的比值，可增强各地质信息之间 岩中夹少量灰岩：侏罗系和白垩系主要为未变质 的光谱差异.可根据各矿物的特征性光谱特征，选 的陆源碎屑岩沉积 择合适的ASTER波段进行比值增强.基于高分辨 Q h 率遥感影像的光谱特征提取矿物信息，会出现“椒 盐现象”山：而遥感影像上变质矿物呈现块状或条 带状分布，可使用面向对象思想，通过多尺度分割 得到相似的对象块，利用影像的光谱、形状、大 小、色调、纹理等特征，提高矿物提取精度.为 了使遥感影像矿物提取更加精确，各种非参数监 山ass1 督分类法得到了发展，应用较为广泛的包括神经 网络(Neural network,NN)、SVM和RFll-RF是 ixian system 一个集成分类器，将复杂的分类过程分解为一系 Ar Late Archean 列决策过程（树）.由于计算速度快、参数要求少、 对训练数据的统计假设少、对噪声或过拟合的敏 感性较低，RF分类器在遥感信息提取中得到了越 Unconformity Fault 来越多的关注).但是，由于部分矿物的光谱相似 图1研究区地质简图 性、变质矿物与主要造岩矿物的混合性，仅基于光 Fig.I Geological sketch of the study area 谱特征提取变质矿物精度有限. 2数据与方法 本文以ASTER数据为研究对象，利用波段比 值增强各变质矿物的光谱特征；接着，结合光谱特 2.1数据 征和变差函数纹理进行多尺度分割；然后，利用 2.1.1 ASTER数据 RF提取变质矿物：最后，通过野外调查验证精度. ASTER具有14个波段的波谱数据，近红外及可muscovite, and amphibole have identification characteristics on the ASTER image with an extraction accuracy of 85.4088%, 84.7640%, and 85.7308%, respectively. The extraction accuracy of other metamorphic minerals with less content are found to reach more than 60%. Multiscale segmentation can make full use of the clustering features of minerals and the variogram texture can enhance the ability of morphological features to distinguish the minerals. Random forest is not sensitive to noise and the extraction results are observed to be stable. KEY WORDS    variogram；multiscale segmentation；ASTER；mineral extraction；random forest 变质矿物的识别是变质岩研究的基础，造山带 中的变质岩是造山带不同演化阶段动力学过程的直 接记录，其中，中−低压变质带的分布是研究造山过 程和地壳演化等地球科学问题的重要参考依据[1] . 遥感技术作为对传统实地调查的补充，已广 泛应用于矿产勘查和岩性识别中[2−3] . 一些矿物提 取方法得到了快速发展：如比值法、主成分分析 （ Principal component analysis， PCA）、支持向量机 （ Support  vector  machine， SVM） 、光谱角 （ Spectral angle mapping， SAM）、混合像元分解、随机森林 (Random forest，RF) 等[4−8] . 同时，图像处理技术也 被结合到遥感矿物提取中：如多尺度分割、小波变 换等[9−10] . 具有较高分辨率的 ASTER 传感器通过 14 个波段的波谱数据，提供了更加精细的矿物及 岩石信息. 矿物信息在遥感影像上表现为弱信息，利用 反射带和吸收带的比值，可增强各地质信息之间 的光谱差异. 可根据各矿物的特征性光谱特征，选 择合适的 ASTER 波段进行比值增强. 基于高分辨 率遥感影像的光谱特征提取矿物信息，会出现“椒 盐现象” [11] ；而遥感影像上变质矿物呈现块状或条 带状分布，可使用面向对象思想，通过多尺度分割 得到相似的对象块，利用影像的光谱、形状、大 小、色调、纹理等特征[12] ，提高矿物提取精度. 为 了使遥感影像矿物提取更加精确，各种非参数监 督分类法得到了发展，应用较为广泛的包括神经 网络（Neural network, NN）、SVM 和 RF[13−14] . RF 是 一个集成分类器，将复杂的分类过程分解为一系 列决策过程（树）. 由于计算速度快、参数要求少、 对训练数据的统计假设少、对噪声或过拟合的敏 感性较低，RF 分类器在遥感信息提取中得到了越 来越多的关注[15] . 但是，由于部分矿物的光谱相似 性、变质矿物与主要造岩矿物的混合性，仅基于光 谱特征提取变质矿物精度有限. 本文以 ASTER 数据为研究对象，利用波段比 值增强各变质矿物的光谱特征；接着，结合光谱特 征和变差函数纹理进行多尺度分割；然后，利用 RF 提取变质矿物；最后，通过野外调查验证精度. 本研究旨在提高变质矿物提取精度，为变质带的 遥感解译提供技术参考. 1    地质背景 研究区（图 1）位于甘肃省玉门市地区，大地构 造隶属于北山造山带. 出露的主要地层有：晚太古 界、长城系、蓟县系、石炭系、二叠系、侏罗系、白 垩系和第四系. 发育有石炭纪和二叠纪中酸性侵 入岩. 其中，晚太古界主要岩性组合为：（云母）石 英片岩、（石榴石、黑云母、白云母）斜长片麻岩、 （石榴石、黑云母）斜长角闪片麻岩、二长片麻岩、 斜长变粒岩、钠长绿帘绿泥片岩和大理岩等；长城 系主要岩性为：大理岩、石英岩、长石石英岩和绿 泥石石英千枚岩等；蓟县系主要为大理岩，局部见 蛇纹石、透辉石和阳起石化；石炭系和二叠系主要 为浅变质碎屑岩，局部可见绿泥石化，石炭系碎屑 岩中夹少量灰岩；侏罗系和白垩系主要为未变质 的陆源碎屑岩沉积. Cretaccous Quaternary Unconformity Jurassic Permian Carboniferous Jixian system Changcheng system Late Archean Permian granite Carboniferous granite Gcological boundary Fault Q Q Q K J P C Jx Ch Ar Pγ Cγ Q Q Q Ar Ar Ar Ar Ar Pγ Pγ Pγ Cγ Cγ Pγ P P P K Pγ C Ch Ch Ch Ch J J J J Jx 图 1    研究区地质简图 Fig.1    Geological sketch of the study area 2    数据与方法 2.1    数据 2.1.1    ASTER 数据 ASTER 具有 14 个波段的波谱数据，近红外及可 唐淑兰等： 结合多尺度分割和随机森林的变质矿物提取 · 171 ·