多重主成分分析及在地质构造信息提取中的分析论文_王宏伟

中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队

摘要：随着社会的发展以及科技的进步，许多新技术和新方法被广泛应用于各个领域，如多重主成分分析方法在地质构造信息提取中的应用，有效推动了地质领域的发展。本文提出一种多重主成分分析方法，利用运算处理和图像变化的方式来分析原始遥感数据，针对专题信息进行多次提取，综合处理不同分辨率与不同类型的遥感图像，从而保证信息提取的高效性。以柴达木盆地为例，借助多重主成分分析的方法来提取地质构造信息，并取得了良好的效果。

关键词：多重主成分；地质构造；信息提取

随着科学技术的快速发展与进步，许多新技术与新方法被广泛应用于地质矿产勘查中，利用多重主成分分析来进行地质分析的能力也不断提高。柴达木盆地属于高原山地地貌，处于盆地的西北边缘，陡坡深沟纵横交错，地形的相对高差可达300~400m，地表条件十分恶劣。由于无法进行连网地震勘探，只能对周边地区加以勘测，利用遥感数据来提取地质专题信息，并借助化探和物探等资料，通过推理与分析来圈定找矿靶区及矿远景区。

一、多重主成分分析概述

多重主要是指有针对性选择主成分分析的结构及原始数据，然后对其进行组合，在此基础上再次进行主成分分析，当然也可组合几种不同的主成分分析结果。对于主成分分析而言，其多着重于变量间的关系，利用综合性指标来汇集多个变量的测量值，以免信息的丢失，具有数据压缩与去相关的特点。我国学者张满郎在《金矿蚀变信息提取中的主成分分析》中介绍了主成分分析，并提出几种不同的主成分分析方法，如主成分逆变化方法、主成分分析与植被滤波及掩膜等，可对地表不同的蚀变岩性信息加以提取，为找矿研究提供依据。

本文所采用的多重主成分分析是针对地质构造信息来分析，尤其是断裂与圈闭的地质专题信息中的隐伏构造信息。通常隐伏构造信息的差异特征可以通过地表地层的岩性、地形、水系和含水量等加以表现，并在遥感图像上进行反映，即颜色色调与影纹结构的异常及变化。这些信息在原始图像中难以察觉，这是因为其多被地表物质光谱的强反射信息所掩盖，相对微弱；同时通过主成分分析方法也无法达到高质量的解释分析，信息量少，信噪比低。

而多重主成分分析方法与前文所提的主成分分析方法具有明显的不同，首先需要利用各种手段来提取遥感图像中的地质专题信息，如波段间比值、选择主成分分析、一般主成分分析等，然后选择和二次处理具有较好显示结果的专题信息。多重主成分分析涉及两种处理方法：①选取利于专题信息提取的结果，或者是再次利用主成分分析方法来分析原始波段数据，并对其进行二次压缩与提取；②利用不同的彩色叠加或组合，有效突出专题信息。由于原始数据与不同处理结果之间存在相关性，且第二次主成分分析是以第一次图像处理为依据，对输入信息进行有针对性选择，是针对专题信息的信息分离与数据压缩。可以说，多重主成分分析主要是二次提取与增强相对微弱的专题信息。

二、多重主成分分析在地质构造信息提取中的应用

（一）主成分分析的方法

图1为实验区山脉东部区域TM7，4,1波段组合，由图可知：右上角属于山前倾斜平原，北西—南东方向具有清晰的纹理，并且一组北东向张性断裂，其他信息较为杂乱。利用主成分分析处理图1中的TM1—5,7六个波段之后，第三分量PCA（3）显示出一组清晰的弧形纹理，该纹理朝着南西方向突出，能够连接两组北西西向纹理，并在北东向断裂处的转折十分明显。这一组信息往往难以从原始图像加以观察，而利用主成分分析方法可以提供相关的地质信息，便于了解该地区的断裂发育及构造运动等情况。当然该方法的运用可发现该地区的右上角存在一个圈闭构造，需要开展下一步的工作加以证实。

（二）多重主成分分析的方法

矿产勘探的主要目标就是对已知的地质构造进行研究，而地质勘探中最为重要的信息就是圈闭与断裂构造。地下构造在地表的异常特征能够以破碎情况、含水量、岩石类型、地形和水系等加以反映；而遥感图像又能对不同岩性分布、地形和水系等空间信息进行识别，尤其是图像上色调异常和影纹结构变化等，可以追踪不同规模的线性体系及单元。总结这些线性体地质性质，可以发现线性体表示的是不同埋藏深度及不同类型的断层位移的地表。同时根据其与线性构造空间分布关系、相互关系、所处构造位置以及在图像上的清晰度，综合分析地质构造固有的地质属性，能够揭示地壳的隐伏构造，提取出关键有用的信息。

由于主成分分析方法还无法清楚反映出该构造的周围接触关系以及内部特征，这时可以采用多重主成分分析的方法，进一步提取特征信息。表1为实验区TM1—5，7六个波段间的相关系数，表2位特征向量矩阵。从表中可以知道该区TM数据波段之间具有较高的相关性；对图1进行多重主成分分析，其中PCA为主成分分析，PCA（）括号内数字表示主成分分析结果的某个分量。PCA1主要是利用主成分分析处理原始TM数据，而其它波段的分辨率明显高于TM6热红外波段的分辨率，因此暂时不用。此外，PCA2的作用是对碳酸盐岩矿物与粘土矿物的信息进行提取，PCA3则是对岩性信息加以提取。表3为这3个原始数据的不同输入组合的主成分分析结果对比。对比发现第一分量基本相同，其他分量提取的信息或是相补或是类似，而相补的信息有时属于特征地质构造信息，其多存在于主成分分析的较高分量中，信息相对较弱。采用彩色组合的方式来选择目标信息中最为突出的分量，能够使特征信息更为突出。

PCA4是以上述处理为基础，对反映地质构造信息的分量加以选择，然后再次进行主成分分析，从而提取专题信息与压缩信息。选择依据为：主成分分析能降低噪音，增强细节特征，便于提取线性特征；而第三、四分量中涉及较高相关程度的波段之间的差别信息，TM7和TM5都是短波红外，可用于地质调查研究和岩性分类等方面，能够有效反映和提取岩性与地质的差异信息。地质构造信息的几个分量信噪比会在原始PCA分析后有所降低，而TM6的热红外光谱波段能对地下断裂情况加以反映，可参与二次主成分的分析运算，提取和压缩信息。表4为几个分量之间的相关系数。其中第三分量PCA1（3）与原始波段TM6之间，第三、第四分量PCA1（3、4）与TM5/TM7比值结果之间都存在一定的相关性。表5为特征向量矩阵。由表5可知：PCA4（1）中涉及较多的信息，输入的原主成分分析的第一分量与特征基本相同，信息量大，信噪比高；PCA4（2）中涉及TM5/TM7和原始TM6波段的综合信息；PCA4（4）可以突出原主成分分析的第三、四分量的差异，并载有原始TM6波段信息。

利用多重主成分分析来处理图1，结果如图2所示，图中具有明显的鼻状构造，并且鼻状圈闭构造与周边接触关系和断裂更为清晰，特征信息更加突出。在地质解释的作用下，可以发现该鼻状构造的东北部属于已知含油背斜构造，需要深入揭示构造内部的断裂发育情况、走向以及与周边地质体等信息，从而进一步提取信息。图2通过多重主成分分析的方法，以矿产地质勘探要求为依据，对构造本身及其周边接触关系和地质体等地质信息进行提取。另外，由于已知背斜构造处于较为平坦的区域，通过钻井和物探等资料证实了岩层、特征和构造形态；而利用多重主成分分析方法发现了新的地质构造，可以追踪明显的标志层，通过地质解译得出两个构造处于同一背斜带中段且具有相似性的结论，并且鼻状构造是此背斜中局部隆起构造中的一种。

结束语：

多重主成分分析作为特征地质信息提取中的重要手段之一，能够以原始遥感数据为依据，借助主成分分析处理的某些分量，再次通过主成分分析的方法分析对象，有针对性提取处理专题信息。可以说，多重主成分分析的方法属于一种多次信息提取的方法，具有更强的目的性与针对性。本文采用的多重主成分分析可综合不同分辨率及不同类型的多元数据和遥感数据，对其进行分析及处理。

论文作者:王宏伟

论文发表刊物:《基层建设》2016年19期

论文发表时间:2016/12/2

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