遥感岩矿光谱研究的现状和发展趋势

2221 遥感光谱研究的现状

遥感岩矿光谱是遥感地质的基础研究工作之一，它在空间传感器的设计、最佳遥感波段的选择、卫星遥感数据的大气校正、图像数字处理方法的选择、参数的确定以及应用解译标志的确定等方面具有极其重要的意义，因此，国内外一些遥感研究部门对遥感岩矿光谱的研究，包括光谱的测试、数据分析处理和应用工作十分重视。

美国、前苏联等国家，从20世纪60年代到70年代主要在实验室和野外对岩矿和其他地物的光谱特性进行测试和分析，如对岩石、矿物、土壤、水体、农作物、森林、草地，积累了大量有价值的光谱信息，为80年代航空多光谱、航天遥感（MSS、TM）技术的发展和应用打下了基础。随着遥感技术的发展和应用领域的扩展，对岩矿光谱的研究不仅要对岩矿光谱进行测试、分析，而且还要对其进行数据分析处理以及应用方法研究，于是在80年代，遥感岩矿光谱研究非常活跃，形成了一个热点，尤其是国内在80年代初期更是如此。在这一时期，主要对遥感地物波段型的光谱数据作一些统计处理分析，如：均值、中值、方差（标准方差），T检验、秩检验和游程检验，回归分析、聚类分析、判别分析、主成分以及因子分析（庄培仁等，1986）等等。通过这些分析处理，一方面直接应用分析地物（如岩矿）的物理化学性质，另一方面与航天遥感数据MSS和TM对应分析，指导其图像处理，进行光谱选择以及应用解译标志的建立。在80年代后期，科学技术发展日新月异，航空、航天遥感技术发展也非常迅速，出现了航空的成像光谱技术，这一新技术的发展，使得遥感技术从微米级（μm）走向纳米级（nm）。遥感传感器的光谱分辨率提高了数十倍，甚至数百倍。野外遥感岩矿光谱仪从波段型（低分辨率）发展成连续的高分辨率光谱仪。由于成像光谱技术具有光谱-图像合二为一的特性，在航空、航天遥感成像光谱数据的分析处理和应用时，对岩矿光谱的研究就显得尤其重要，于是在这一时期岩矿光谱的分析测试以及光谱数据处理分析中，其特征的量化表示与提取的方法研究形成了光谱分析的热点。光谱特征信息处理、量化表示和提取的主要技术方法有：波形分析、光谱分析、外壳系数分析、编码分析（坡向编码、特征编码等）以及数据库技术。如果说80年代中期是成像光谱技术萌芽阶段，后期是发展阶段的话，那么，20世纪90年代成像光谱技术的发展与应用就是遥感技术发展的标志性阶段。在这一阶段，与之相应的遥感光谱研究也是迫切需要的，除了上述提到的方法技术之外，光谱特征分析（如特征谱形成机理），特征谱的提取、分析技术、与成像光谱对应分析技术以及光谱数据库分析技术则是光谱分析研究的重点，同时也代表着这一领域的研究方向。

国内的遥感研究起步比较晚，在20世纪70年代后期才开始。从这一段学习时期到80年代初期，国内的一些遥感研究部门，一方面开始进行岩矿光谱测试，另一方面开展MSS数据分析处理与应用。在这一阶段，国内遥感技术发展迅猛。到80年代中、后期，遥感岩矿光谱研究显得后劲不足，处于萧条阶段，主要进行一些对应TM波段的光谱测试，以及与之对应的数据统计分析，来指导TM图像处理与应用。

改革开放以来，国际技术交流在我国发展很快，遥感新技术——成像光谱技术，于90年代初期在我国就开始发展起来了。上海技术物理研究所研制的79通道成像光谱仪（AIS），谱写了我国遥感技术的新篇章，相继的一些研制机构开展了成像光谱技术，如中国科学院遥感应用研究所、上海技术物理研究所等。与之相应的光谱特征研究方法技术就成为了这一时期的成像光谱技术研究的热点之一。相应的分析方法技术，基本与国外水平相当。其主要技术仍然是开发遥感光谱特征数据库，成像光谱图像与光谱对应分析处理方法、特征谱的提取与识别的方法。

从20世纪60年代以来，随着国内外遥感技术的发展，遥感岩矿光谱特性研究的发展与现状如表2-2-1所示。从该表中，我们可以看出，国际上遥感岩矿光谱研究主要可以分为三个阶段。第一阶段（60～70年代），主要是岩矿光谱现状特性测试分析期；第二阶段（80年代），主要是光谱特性数据分析期；第三阶段（90年代），主要是成像光谱分析期。

2222 遥感光谱的应用范围

由于光谱是地球表面上各种物质的电磁光谱反射、辐射（发射）、散射及透射的特性所形成的，因此涉及到从紫外到微波波长范围内各种地物的光谱特性研究与应用。在本书中，我们只讨论岩矿的反射光谱特性的应用研究范围。

表2-2-1 岩矿光谱研究发展与现状

22221 地质学中的应用研究

我们赖以生存的地球其表层绝大部分是由岩石、矿物组成的。地质学中最为重要的研究课题之一就是岩石、矿物的形成以及其物理、化学特性研究。由于岩石、矿物的反射光谱是岩石、矿物的组成成分、结构构造的一种表现形式之一，它指示着岩石、矿物成分以及结晶的结构构造。因此，通过其光谱特性分析来研究岩石、矿物的各种物理、化学特性，可以为岩矿的基础理论研究提供一种新的方法技术。

地质学中除研究岩石、矿物、地质构造、地质演变过程之外，另一重要目的就是找矿勘查。找矿勘查是为了寻找固体金属矿、石油与天然气以及稀有金属矿等等。从光谱特性上分析表明，如果该岩矿光谱特征位于矿化蚀变波段位置上，如140μm，190μm，220μm，235μm等，那么我们就推断该岩矿处于成矿有利的蚀变带上，或称该岩矿为蚀变岩。找矿的一个重要标志线索之一，就是寻找蚀变带，有利于缩小找矿范围（靶区）。更深入的研究表明：蚀变带上岩矿光谱特征信息还可以指示该蚀变带在热液蚀变形成过程中温度的情况。不同温度的热液蚀变类型，可形成不同成因类型的矿床，而不同的热液蚀变岩，有不同的光谱特征。因此，蚀变带岩矿光谱特征信息是寻找矿床的有利指示信息。

22222 其他领域中的应用

岩矿光谱研究在地质找矿勘探上应用比较广泛，它对遥感新传感器的波段研制与选择，遥感图像处理的方法技术，遥感的各个应用领域的解释提供理论指导，以及对航空、航天遥感数据进行标定。除此之外，光谱可直接应用于森林资源的长势评估、病虫害调查，农作物（如水稻、小麦以及经济作物甘蔗）的长势分析和估产，植被冠层覆盖率的计算，以及通过光谱特征分析直接研究物质的性质及其变异状况，例如，研究分析肌肉、肿瘤、物品的瑕疵和伪装物的光谱特性，以便达到识别这些物质的真伪情况，从而更有利于了解其物性。在医学上，通过对大量正常与异常细胞组织进行可见光、远红外以及短波红外光谱测试分析，提取各自的光谱特征，然后通过待识别的组织细胞进行光谱测试分析，通过把它与已有的大量正常的与异常的（含良好的、恶性的）进行对比分析，来确定待识别的组织类型。在军事伪装上，人工制作伪绿色，事先我们知道绿色植物绿色的光谱特征，对待测的伪装色进行光谱测试，以检测其特征谱与待模仿的绿色植物光谱相差多少，经过多次制作、多次光谱测试对比分析，来逐步使其与待模仿的植被光谱特征相一致，以制作高质量的仿伪装。

总之，岩矿光谱研究表明，它在岩性的物化性和岩性的确定、蚀变带制图和矿化地段圈定等地质应用方面，在土壤类型划分、土地利用调查和农作物估产等农业应用方面，在森林类型识别和制图、森林病害的监测和植冠层覆盖率的计算以及其双向反射特性等林业应用方面都具有特殊的意义。归纳起来，主要表现为研究岩矿光谱特性与影像密度之间的对应关系，建立遥感图像的目视解译标志；研究空间遥感图像中一些“影像异常”的反射光谱特征，探讨其成像机理，促进对遥感基础理论的研究；建立遥感信息库和岩矿光谱库，将图像解译从定性分析发展为定量分析和自动识别，根据光谱特征，有目的地选择最适用的数字图像处理方法和参数，从而减少计算机处理中的盲目性，提高处理速度和经济效益。

2223 遥感光谱研究的发展趋势

岩矿光谱研究从航空摄影时代，到现在的成像光谱与微波时代，已经走过了半个世纪。在这半个世纪中，岩矿光谱特征的研究无论是对航空摄影技术，还是对遥感技术以及其他相关领域都发挥了极其重要的作用，同时对其自身的发展也起了促进作用，使其更具生命力，有更广阔的应用前景。在可见光、近红外到短波红外波长上，岩矿光谱研究的未来主要集中在下面几个方向：

（1）对具有代表性光谱特征的岩石、矿物、土壤等地物，建立光谱数据库。

（2）分析室内外岩矿表层不同涂层和粒度等因素对光谱的影响效应以及野外获取光谱的方向性效应。

（3）分析并理解包括元素替代（置换）、晶体结构、晶格畸变等在内的化学变化对其光谱的效应。

（4）自然界地物（主要是岩石）光谱特性的确定，包括岩石中矿物混合模型的建立，以便使从成像光谱数据中提取矿物的相对含量（丰度）的精度得到提高。

（5）确定地物的反射、散射和透射光谱之间的相关性。

（6）光谱特征的量化表示及其提取方法技术的完善和发展。

5421 典型的岩矿光谱特征谱带

在第二章、第三章已经对矿物、岩石和岩矿的光谱特性及其变异形进行了分析。本节将进一步总结和分析岩矿的光谱特征谱带的波长位置，以便于为矿物识别选择最优的光谱分辨率。

在可见/近红外波段（VNIR）和短波红外波段（SWIR）两个大气窗口，岩石、矿物的主要光谱特征主要起因于电子过程或分子振动。这些光谱特征主要取决于岩石的矿物组分，是其物理、化学性质的外在反映。具有一定化学组分和物理结构的岩石、矿物具有较稳定的本征光谱吸收特征，重要金属离子和分子基团的光谱吸收特征（见图2-2-2）归纳总结如下：

Fe2+：043μm、045μm、051μm、055μm、10～11μm

Fe3+：040μm、045μm、049μm、070μm、087μm

Mn2+：034μm、037μm、041μm、045μm、045μm（如菱锰矿）

图5-4-2 矿物的典型光谱特征

（Roger NClark，1999）

Cr3+：040μm、055μm、070μm（置换Al3+，如红宝石）

H2O：在近红外区存在水分子振动的倍频和合频，有1875μm，1454μm，1379μm，1135μ，0942μm吸收特征。岩石矿物中只要有水，就会出现两个特征谱带，即140μm和190μm，二者同时出现是含水的鉴定证据；若只有140μm谱带，说明岩石矿物存在的是羟基，而不是分子水。

OH-：O-H振动的倍频表现在14μm产生极常见谱带，在此波长附近有些矿物出现双峰，如明矾石、高岭石等；合频谱带位于22μm和23μm。若含铝，主要谱带常在22μm附近，如层状硅酸盐种二八面体-OH绕铝配位，有些矿物出现双峰，如高岭石、叶蜡石等；若含镁，谱带常在23μm附近，如闪石族一般都含镁，且三八面体OH绕镁配位，有些矿物出现双峰，如金云母等。

：近红外区有5个显著特征谱带，分别是255μm，235μm，216μm，200μm，190μm，前两者最强。注意铜碳酸岩在08μm附近宽谱带由立方八次配位Cu2+产生。

NH4+基团：SWIR区有两个特征谱带：202μm，212μm。

C—H：C—H伸缩基频在34μm，一级倍频在17μm，合频在23μm。

表5-4-1列出了典型金属离子和一些典型相关矿物在可见光/近红外光谱范围的主要光谱吸收特征。表5-4-2列出了典型分子基团和一些典型相关矿物在短波红外光谱范围的光谱吸收谱带。

表5-4-1 可见光/近红外光谱区岩矿的主要光谱吸收特征位置（单位：μm）

5422 光谱分辨率的数值模拟分析

我们用一些矿物的典型光谱曲线进行不同光谱分辨率的数值模拟，研究不同光谱分辨率下矿反射谱带和光谱特征的表现。本研究选择了黑云母、绿泥石、白云母、蛇纹石、叶蜡石、电气石、绿帘石、高岭石、方解石、白云石、菱铁矿、菱镁矿、蓝铜矿、辉石、明矾石、伊利石、滑石、菱锌矿、地开石、菱锰矿、绿帘石、蒙脱石、黄铁矿、锂云母、石膏、三水铝石、蛭石、黄钾铁钒、阳起石近30种有代表性的典型矿物，模拟所采用的典型光谱取自美国地质调查所（USGS）的标准矿物光谱数据库（ENVI 35，2001），光谱分辨率为4φ。这些矿物或者是重要的成矿指示矿物，或者是与环境变化有关的矿物，它们在地质勘探、全球变化研究中占有重要地位，并且在不同的光谱段上具有典型的和普遍性的可诊断性的光谱吸收特征。

表5-4-2 短波红外光谱区岩矿的主要光谱吸收峰位置（单位：μm）

本研究对每种矿物都进行了6次模拟。通过重采样和归一化的处理分别模拟为4、8、16、32、64、128、256φ的光谱分辨率曲线（图5-4-3）。图中有7条光谱曲线，从上到下分别代表原始光谱曲线和重采样为4、8、16、32、64、128、256φ的光谱分辨率的光谱曲线。为了显示清楚，纵坐标都已作了平移。由下列典型的矿物光谱模拟图可看出，大部分样品光谱分辨率为64～128φ时吸收特征仍然明显，在可见光光谱范围内，金属离子跃迁的光谱吸收特征宽度一般都可达到64φ；在近红外波段（080～130μm）的金属离子等光谱吸收特征都较宽，128φ的光谱分辨率仍然明显（菱铁矿、蓝铜矿等）；在130～250μm范围内，由分子振动/转动引起的光谱双吸收特征在64φ光谱分辨率下可保持清晰可见（明矾石、蒙脱石、蛇纹石等）。但是谱带特征（中心波长位置、深度、宽度和对称性）都会发生不同程度的改变。

（a）黑云母（biotite）原始和连续统去除曲线

图5-4-3 部分典型矿物光谱分辨率模拟

对于那些较宽的特征谱带，随着光谱分辨率的降低，其谱带的特征谱带的吸收深度、宽度及峰值波长位置基本上不变，如黑云母、黄铁矿、蓝铜矿等，但形态逐渐变缓，中心波长位置越来越不明显；对于那些较窄的吸收谱带，它们的峰值波长位置、宽度、深度和对称性随着光谱分辨率的变化从16φ分辨率开始都会发生明显变化，深度变浅，宽度变大，形态变缓，中心波长位置有所漂移。如绿泥石2300φ附近波长向短波漂移约10φ，三水铝石在2200φ附近波长向短波漂移约10φ，相应地吸收深度、宽度与对称性也发生改变；而对于那些具有双吸收谱带矿物，如叶蜡石、明矾石、高岭石、三水铝石等，其在相邻波长位置上的双吸收峰随光谱分辨率的降低，双峰在16φ的分辨率已变模糊，三水铝石在8φ时两对双峰已经被淹没掉（5-4-4（a）），并且吸收峰波长也发生偏移，最小6φ，最大达50φ；向位置相近的一些吸收特征，光谱分辨率较小时，会造成为一个宽谱的特征而不能区分，如阳起石、地开石及明矾石等。

上节从理论上详细分析了大气成分、大气尘埃、气溶胶的光学特性，大气分子与尘该的对太阳光谱、地面反射辐射能量的散射与吸收特性。本节将根据这些特性开展岩矿在可见光、近红外、短波红外上和不同大气高度上的光谱特性模拟分析。

5241 模拟方法

52411 模拟的假设条件

大气效应对岩矿光谱特性的影响因素主要是大气中主要分子成分（如：H2O、CO2等）与气溶胶类型和大气光学厚度等。根据机载成像光谱HyMmp数据获取时试验区-新疆东天山土屋东-三岔口地区地理与气候现象，假设的模拟大气条件如下（尹宏，1993；Vermote E，Tanṙen D，Deuże JLet al，1996；ZQIN，AKarnieli and PBerliner，2001）：

日期：9月28日；

太阳高度角：40°，方位角：100°；

气候模式：中纬度的秋季；

气溶胶模型：大陆；

水平可见度：23km，在550φ处的光学厚度：043；

臭氧总量：0319

模拟大气高度为机下点的垂直高度；

波段范围：040～250μm，光谱分辨率：与HYMap的相同。

52412 模拟的过程

岩矿光谱模拟过程分别按照太阳光谱辐照度（下行），岩矿反射辐射亮度（上行）和光谱反射率进行。下面是对一个波段进行模拟的过程：①将高光谱分辨率岩矿反射光谱曲线按照HyMap的波段范围、波段的带宽（FMHW）进行光谱重采样成128个波段；②本次模拟使用的模型为大气转输的理论模型6S（Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum，Vermote，E，Tanṙen，D，Deuże，JLet al，1996）模型。6S模型有两种运行方式，一种需逐个输入参数，一种是将输入参数放到一个文本文件，这里采用第二种方式，以便进行批处理，减少了工作量，事先将整理好待输入参数编辑成文本文件，如第一波段的输入文件名input001，具体内容见表521；③计算每一个波段的下行的光谱辐照度、上行岩矿反射辐亮度和光谱反射率，在模拟太阳光谱辐照度（下行）计算中，分别计算出太阳直射到某一高度层能量，大气反射、散射的能量和周围的大气环境散射的能量，这三者之和为该高度层的光谱辐照度（Eh（λ）），岩矿反射辐射的上行辐射亮度（Lh（λ））模拟，仍然是由三部分构成，即岩矿反射直接到达转感器的能量（Target Direct Radiance）、大气对岩矿反射能量散射后进入传感器的能量（At⁃mospheric Intrinsic Radiance）和岩矿地物周围的反射能量（background radiance）；④传感器在不同高度的视反射率模拟模型，假设目标在h高度层上，模拟的目标视反射率ρ为（5-2-8）式改写：

表5-2-1 6S模型光谱模拟输入的参数（文件名：input001）

ρ（θs，θv，φs-φv）=｛ρr（h）+ρa+ρt［Ts（h，λ）Tv（h，λ）］/［（1-ρtS（h））］｝×Tg（θs，θv，h，λ） （5-2-12）

5242 模拟结果

太阳光从大气外层100km的高度穿过大气到达不同高度层（h）的光谱辐照度（Eh（λ））变化曲线如图5-2-4（a）所示。从图5-2-4（a）中可以看出，太阳光从外层到地面，大气对能量进行衰减，在可见光衰减最快，其次是在近红外，在短波红外上衰减较弱；在近红外的0940μm，0113μm，140μm和190μm附近因大气的水汽的吸收，从外层到地面对太阳光的吸收最多，衰减也最强烈（图5-2-5（a））。以094μm处的光谱辐照度衰减为例。在大气外层1000km处太阳光谱辐照度值588（mW/cm2·μm），在10km高度层能量衰减为551，衰减率约为102%，可是到离地面5km处，能量变为496，衰减率达到156%，在离地面3km处能量减到394，衰减率达32%，到1km处衰减率快速降为576%，到地面已衰减了697%（见表5-2-2）。

表5-2-2 在094μm附近大气对太阳光光谱衰减

图5-2-4 在可见光、近红外和短波红外上模拟**土壤白板地在不同大气高度上的视反射光谱

（a）太阳光谱辐照度（下行）；（b）白板地的反射辐射亮度（上行）；（c）视光谱反射率的模拟

图中曲线在045μm处自上而下的排列顺序对应着右边0km至100km的自上而下的排列顺序

图5-2-5 模拟**土壤白板地在不同大气高度上的反射光谱特性

（a）太阳光谱辐照度（下行）；（b）白板地的反射辐射亮度（上行）；（c）视光谱反射率的模拟

大气对**土壤白板地（地表）反射辐射光谱亮度值的影响见图5-2-5（b）。由于大气散射，在可见光的蓝、绿波段（＜566φ）范围内，随着大气高度增加光谱辐亮度值也随着增加；在566～726φ之间光谱辐亮度值随大气高度增加而缓慢上升；近红外波段上辐亮度值随着大气高度的增加呈缓慢递减，在小于4km的高度上递减的速度相对要快一些，在此高度之后递减幅度极缓；在短波红外波段上辐亮度值随着大气高度的增加呈极缓慢递减，在小于4km的高度上递减的速度相对要快一些，在此高度之后递减幅度极缓，基本上无变化。但是在近红外—短波红外上的0940μm，0113μm，140μm和190μm附近因大气的水汽的吸收，辐亮度值随高度增加而呈递减的速度较明显（图5-2-5（b））。

从图5-2-4（c）、图5-2-5（c）分析白板地光谱视反射率的模拟变化情况来看，仍然是在可见光的蓝、绿波段（＜566φ）范围内，随着大气高度增加光谱反射率值也随着增加；在566～726φ之间光谱反射率值随大气高度增加缓慢上升；近红外波段上反射率值随着大气高度的增加呈缓慢递减，在小于4km的高度上递减的速度相对要快一些，在此高度之后递减幅度缓慢；在短波红外波段上辐亮度值随着大气高度的增加呈缓慢递减，在小于4km的高度上递减的速度相对要快一些，在此高度之后递减幅度较缓。但是在近红外—短波红外上的0940μm，0113μm，140μm和190μm附近因大气的水汽的吸收，反射率值随高度增加而呈递减的速度十分明显。

从以上分析可见，由于大气选择性散射和吸收，尤其是在可见光范围和近红外—短波红外上大气散射和水汽的吸收以及200μm短波之后的CO2的吸收，使得在040～0556μm之间光反射率随高度增加而增加，而在0556～250μm之间光谱反射率都一致性减少，造成地面地物的反射光谱与空中接受到的反射光谱之间有很明显的差异；还可注意到在短波红外上如：216μm、220μm的Al-OH（图5-2-4（c）、图5-2-6（a）和230μm处Mg-OH、 （图5-2-6（b）、（c））的光谱吸收特征尽管还能辨清特征的大概轮廓，但其定量特征参数，如深度、宽度和对称性等度已发生不同程度的改变。因此，要根据光谱特征识别的地物消除大气影响，恢复地面地物光谱特征是一个必要的环节。而且，大气校正和光谱重建质量的好坏将直接影响地物识别能力和识别精度，在光谱矿物识别中，我们主要是应用光谱特征吸收谱带的参量和光谱整体形态，因而，在大气校正中，要特别注意光谱总体形态的重建和光谱吸收谱带的恢复，而对绝对反射强度的要求不高。

图5-2-6 在可见光、近红外、短波红外上模拟的岩矿地质体在不同大气高度上的反射光谱曲线

（a）盐碱化土壤；（b）绿泥石化辉长岩；（c）大理岩

图中曲线在045μm处自上而下的排列顺序对应着右边自上而下的说明顺序

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