高光譜成像系統(tǒng)：高光譜數(shù)據(jù)光譜分辨率對(duì)礦物識(shí)別的影響分析

高光譜遙感可得出地物的光譜信息，即在傳統(tǒng)的二維遙感的基礎(chǔ)上增加了光譜維，形成了一種獨(dú)特的三維遙感。運(yùn)用具有高光譜分辨率的儀器，通過獲取圖像上任何一個(gè)像元或像元組合所反映的地球表面物質(zhì)的光譜特性，運(yùn)用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ湍苓_(dá)到快速區(qū)分和識(shí)別地球表面物質(zhì)的目的。但是，載荷的光譜分辨率與載荷其他參數(shù)相互制約，對(duì)于后續(xù)數(shù)據(jù)處理來講，也并非越高越好。

光譜分辨率決定因素分析

光譜分辨率是成像光譜儀的一個(gè)重要參數(shù)，它是指遙感器所選用的波段數(shù)量的多少、各波段的波長位置及波長間隔大小。即選擇的通道數(shù)，每個(gè)通道的中心波長，帶寬，這三個(gè)因素共同決定光譜分辨率

成像光譜儀第k個(gè)波段的輸出信號(hào)可由下式表示:

式中:H(λ)地面光譜輻射度；β為系統(tǒng)的瞬時(shí)視場；D為系統(tǒng)的有效光學(xué)口徑的直徑;τa(λ)為大光過率;τ0（λ）為系統(tǒng)光學(xué)效率；Ss(λ)為光譜儀色散系統(tǒng)的傳遞函數(shù):Rd(λ）為探測(cè)器的光譜儀響應(yīng)率;Re(λ)為電子學(xué)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)率。其中H(λ)，p(λ)，τa（λ）是與系統(tǒng)關(guān)的量而，τ0（λ），Ss(λ)，Rd(λ)，Re(λ)則是由系統(tǒng)定的參數(shù)。

在遙感成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，空間分辨率和光譜分辨率往往不可兼得。因?yàn)楦吖庾V成像系統(tǒng)的光譜帶寬很窄，必須用較大的瞬時(shí)視場才能采集足夠的光量子以維持可接受的信噪比，同樣高分辨率系統(tǒng)瞬時(shí)視場很小則必須加寬光譜通道。

2、仿真實(shí)驗(yàn)分析

成像光譜遙感巖性識(shí)別和礦物填圖主要利用不同巖礦種類，礦物豐度和不同組分的光譜特征差異，特別是光譜吸收譜帶波長位置，吸收深度和譜帶形態(tài)特征。光譜分辨率直接影響對(duì)巖礦尤譜吸收譜帶及其形態(tài)特征的探測(cè)和分辨能力，從而直接影響成像光譜數(shù)據(jù)對(duì)礦物種類及其成分的區(qū)分能力和識(shí)別精度。

2.1明磯石(Alunite，含AL一OH基團(tuán))

圖1明礬石不同光譜分辨率條件下的光譜曲線

圖1為明石的重采樣光譜曲線。明石為含AL-OH基因礦物代表具有以下特征：

1)在2.16μm處吸收特征表現(xiàn)得尤為明顯;

2)在2.318μm的吸收峰表現(xiàn)得相對(duì)較弱一些。

從上圖1可以看，上述兩個(gè)吸收峰在逐漸加大采樣間隔的過程中均有削弱，這種現(xiàn)象在采用64m采樣間隔得到的圖上表現(xiàn)的為明顯最為明顯，雖然1)的位置仍可被辨認(rèn)出來，但深度卻減小很多，而且還有向長波方向漂移的跡象；而2)已完全消失。

2.2 藍(lán)銅礦(Azurite，含Cu2+離子)

圖2藍(lán)銅礦不同光譜分辨率條件下的光譜曲線

圖2為藍(lán)銅礦的重采樣光譜曲線。藍(lán)銅礦為含Cu2+離子的礦物代表，主要表現(xiàn)出1)0.8m的寬帶吸收特征。另外2)1.379μm1.88μm，2.28μm和2.318μm處為輔助吸收特征。從圖6可以看出:隨光樣間隔的加大，吸收特征1)形狀未發(fā)生很大變化，但有向長波方向漂的跡象；2)處的輔助吸收特征逐漸變淺或消失，也有向長波方向漂移的跡象。

2.3 菱鐵礦(Siderite，含F(xiàn)e2+離子)

圖4菱鐵礦不同光譜分辨率條件下的光譜曲線

圖4為菱鐵礦的重采樣光譜曲線。菱鐵礦為含F(xiàn)e2+離子的礦物代表，1.0~1.1μm的寬吸收帶非常明顯，從圖3可以看出，隨著光譜采樣間隔的加大，光譜形狀基本未發(fā)生變化，即使用128mm的采樣間隔也可基本演出物質(zhì)的光譜信息。

3、結(jié)論

以上分析可以總結(jié)為：對(duì)于較大的吸收特征和較為平緩的光譜曲線，如方解石的反映CO32-基團(tuán)特征的強(qiáng)烈吸收和菱鐵礦的反映Fe2+離子特征的寬吸收帶，光譜分辨率的變化對(duì)礦物識(shí)別的影響不大，在利用光譜信息識(shí)別這兩類物質(zhì)時(shí)，采用較大的光譜采樣間隔對(duì)反演物質(zhì)的光譜信息基本沒有影響。而在探測(cè)光譜特征曲線中含有較多較淺的吸收特征的物質(zhì)（如明礬石）時(shí)，就需要使探測(cè)器的光譜采樣間隔相對(duì)小些，否則在反演物質(zhì)特征光譜時(shí)就會(huì)使物質(zhì)的吸收特征消弱甚至消失，同時(shí)吸收特征的位置也會(huì)發(fā)生變化，這都會(huì)對(duì)礦物識(shí)別的準(zhǔn)確性帶來影響。

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審核編輯 黃宇