基于特征譜帶的高光譜遙感礦物譜系識(shí)別

引言

高光譜的光譜識(shí)別是高光譜區(qū)分于多光譜的主要標(biāo)準(zhǔn)，也是高光譜的優(yōu)勢所在。目前高光譜巖礦蝕變信息識(shí)別與提取的方法主要為基于光譜波形參數(shù)、波譜相似性測度、混合光譜模型等。在具有大量已知地物光譜時(shí)這些方法適應(yīng)性強(qiáng)，圖像地物識(shí)別更有用。但明顯不足是由于實(shí)際地物光譜變異、獲取數(shù)據(jù)受觀測角以及顆粒大小的影響而造成光譜變化，準(zhǔn)確匹配比較困難，造成巖礦識(shí)別與分析上的混淆和誤差。

礦物光譜特征

在當(dāng)前光學(xué)遙感攝影普遍使用的譜段范圍（0.4~2.5μm）內(nèi)，巖礦標(biāo)型光譜特征都與碳酸根、水、羥基和鐵離子等陰離子基團(tuán)或一些陽離子有關(guān)。礦物吸收特征的差異主要取決于礦物晶體物化屬性的不同，即陰陽離子的化合價(jià)、陽離子的配位數(shù)目、主要陽離子的質(zhì)量、鍵的共價(jià)程度、陰陽離子間的距離、晶體對(duì)稱的不同。這些特征吸收指的是礦物獨(dú)特而較穩(wěn)定的吸收譜帶。這些譜帶在不同的礦物中有較穩(wěn)定的波長位置，具較穩(wěn)定獨(dú)特的波形，指示著某種礦物的存在。一般而言，陽離子（如Fe2+，F(xiàn)e3+和Mn3+等）因電子躍遷而在可見光區(qū)或近紅外具有特征譜帶，陰離子基團(tuán)（如CO32-，H2O，OH-與金屬-OH基團(tuán)等）因彎曲振動(dòng)而在短波紅外產(chǎn)生倍頻與合頻光的譜特征。

2.1 礦物光譜特征

（1）Mn離子：這里主要分析水錳礦、硬錳礦、菱錳礦、錳鋁榴石與錳橄欖石中Mn的光譜特征。Mn2+是典型的d5電子構(gòu)架，其譜帶主要產(chǎn)生于電子躍遷。在可見光區(qū)域（圖1），錳的特征譜帶主要為0.45μm與0.55μm以及在0.36~0.41μm附近的3處吸收特征，或在0.4~0.6μm區(qū)域產(chǎn)生的一個(gè)較陡的半吸收特征。

圖1含錳礦物光譜

右圖為左圖的局部放大

（2）Fe離子：在礦物的組成成分中，F(xiàn)e是一個(gè)非常重要的元素。由晶體場理論可知，F(xiàn)e2+的基態(tài)D在四面體場中分裂為較高的五重線能級(jí)Eg和較低的五重線能級(jí)T2g；由于僅存在一個(gè)自旋容許躍遷，從而在1.0~1.1μm附近產(chǎn)生一個(gè)常見的強(qiáng)而寬的譜帶；Fe3+有一個(gè)對(duì)稱的基態(tài)S，在任何晶體場中都不分裂，到4G態(tài)所形成的更高能級(jí)的躍遷均為自旋禁戒，因而光譜相對(duì)較弱，但在0.6~0.9μm間產(chǎn)生強(qiáng)的吸收譜帶。對(duì)于不同類型鐵化合物，因其分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)以及透明度的差異，其特征譜形差別較大。圖2為一些含鐵礦物的波譜曲線。

從光譜曲線可知，鐵硅酸鹽礦物的特征譜帶位于0.9μm，呈對(duì)稱展布于0.8~1.0μm光譜區(qū)域。鐵的氫氧化合物特征譜帶位于1.0μm附近，成非對(duì)稱展布于0.7~1.40μm之間。而鐵的碳酸鹽礦物吸收譜帶呈寬緩平直狀展布于0.8~1.5μm之間。但鐵的氧化物和硫化物因礦物顏色的影響，屬于不透明礦物系列，出現(xiàn)光譜吸收限，光譜特征被掩蓋，輕微的氧化或蝕變可能使鐵的一些特征波譜顯現(xiàn)出來。

圖2鐵化合物光譜下圖縱坐標(biāo)偏移，以便能夠清楚展示不同鐵化合物的光譜特征

左圖：Al的氧化物與氫氧化物；右圖：Al的硅酸鹽礦物

（3）鋁離子（Al3+）類礦物光譜：鋁離子在大多礦物中均能發(fā)現(xiàn)，尤其是硅酸鹽礦物。鋁在硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)中起著雙重作用。一是呈四次配位，代替部分的Si4+而進(jìn)入絡(luò)陰離子，形成鋁硅酸鹽；二是呈六次配位，存在于硅氧骨干之外，起一般陽離子作用，形成鋁的硅酸鹽；或者兼有上述兩者的特性。圖3為這些礦物的波譜曲線。

鋁的氧化物波譜為1.4μm附近的反射峰較強(qiáng)。鋁的氫氧化物中，三水鋁石由于所含較強(qiáng)的Al-O-H鍵的伸縮振動(dòng)的合頻或倍頻的作用，在1.4~1.6μm間產(chǎn)生尖銳的由主要的1.435μm與次要的1.558μm組成的“二元”吸收特征。硬水鋁石因Al3+充填由O2-和(OH)-形成的1/2的八面體空隙，Al-O-H鍵較弱而在1.408μm產(chǎn)生較弱的吸收特征。

圖4鈣長石-綠簾石光譜

圖5高嶺石-夕線石光譜

鋁的硅酸鹽礦物（圖3，4，5）的特征光譜與[AlO4]并不相關(guān)，與[AlSi3O8]相關(guān)性也不明顯。鋁在硅酸鹽中的光譜行為主要是鋁陽離子的電子躍遷以及Al-OH基團(tuán)伸縮振動(dòng)的合頻與倍頻的作用，而在短波紅外光譜產(chǎn)生特征吸收光譜。隨著Al-OH鍵力的增強(qiáng)與數(shù)量的增多，硅酸鹽礦物的特征更多地凸顯出OH基團(tuán)的尖銳且窄的吸收特征。由于Al-OH基團(tuán)在不同晶體結(jié)構(gòu)中能級(jí)的差異，其吸收譜帶的形態(tài)、位置以及次級(jí)吸收峰的形態(tài)都有所不同。從圖3下圖可見，鈉長石光譜特征并不明顯；白云母與高嶺石均因較強(qiáng)的Al-OH鍵而表現(xiàn)出較為一致的1.42μm與2.15μm的特征吸收峰，但在2.0~2.5μm之間的吸收峰形態(tài)卻存在較大的差異，這是二者識(shí)別與區(qū)分的標(biāo)志，是Al在晶體結(jié)構(gòu)中不同占位的光譜外在表現(xiàn)。

在低溫條件下，[AlO4]四面體的體積稍大于[SiO4]四面體，從而易轉(zhuǎn)變?yōu)榱闻湮恍问?。如鈣長石Ca[Al2Si2O8]轉(zhuǎn)變成綠簾石Ca2(Al,Fe)3O(OH)[SiO4][Si2O7]，使A全部處于八面體配位中，成為最穩(wěn)定的形式。綠簾石光譜特征（圖4）較鈣長石復(fù)雜，并具有與高嶺石或白云母相同的譜形，但相對(duì)于后二者，其特征譜帶的位置相對(duì)向長波方向移動(dòng)。這主要是由于綠簾石晶體中具有Fe的類質(zhì)同象，影響了Al在晶體中鍵力與鍵長，從而使能級(jí)分裂的大小或OH基團(tuán)伸縮彎曲振動(dòng)的方向發(fā)生變化造成的。

在高溫富Al環(huán)境，[AlO4]可由六次配位轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠值腁l的四次配位。如高嶺石Al4[Si4O10](OH)8在1000~1500°C的條件下可部分地轉(zhuǎn)變?yōu)橄€石Al[AlSiO5]。比較二者的光譜特征（圖5）可見，在2.2μm附近的主要特征吸收差異不大，主要差別是高嶺石中OH基團(tuán)振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰較夕線石尖銳，次級(jí)吸收峰特征較明顯。總的來說，Al離子自身以及硅鋁四面體并無特征吸收，含鋁硅酸鹽或鋁的鋁硅酸鹽礦物的光譜特征更主要是Al-OH鍵振動(dòng)的合頻或倍頻的結(jié)果，這將在金屬-OH的光譜特征中加以進(jìn)一步論述。

2.2 陰離子光譜特征

（1）金屬-OH：由于陰陽離子之間鍵的共價(jià)程度、陰陽離子間的距離造成晶體對(duì)稱度等的不同，使金屬-OH基團(tuán)光譜產(chǎn)生一定的差異。

圖6 Mg-OH特征離子光譜特征

圖6主要為含Mg-OH鍵礦物的光譜。該類礦物最為顯著的是在2.30μm附近具有強(qiáng)吸收特征峰。陽起石強(qiáng)吸收譜帶位于2315nm處，黑云母2335nm水鎂石2315nm，葉蛇紋石2325nm，纖蛇紋石2325nm，鋰皂石2305nm，利蛇紋石2315~2325nm，金云母2325nm，滑石2315nm，透閃石2315nm。含Mg-OH的礦物光譜以2315~2335nm的最大吸收譜帶為特征，這也是識(shí)別含Mg-OH鍵礦物的顯著標(biāo)志。

圖7 Al-OH特征離子光譜

圖7主要是含Al-OH鍵礦物的光譜。該類礦物最顯著的吸收特征是由位于2.20μm附近的最大吸收峰以及其兩側(cè)的一些次一級(jí)吸收峰構(gòu)成“二元結(jié)構(gòu)”。明礬石的特征吸收譜帶位于2165nm和2325nm處；鋰綠泥石為2175nm和2365nm；埃洛石為2205nm和2165nm；伊利石為2215nm和2355nm；高嶺石為2205nm和2165nm；蒙脫石為2205nm和2215nm；白云母2195~2225nm和2355nm；葉蠟石2165nm和2315nm；累托石2195nm；黃玉2085nm和2155nm，2215nm?？梢姾珹l-OH鍵的礦物的識(shí)別光譜位于2165nm~2215nm之間。

（2）CO32-：在碳酸鹽CO3絡(luò)陰離子中，C與O之間為鍵力強(qiáng)的共價(jià)鍵，而CO3與金屬陽離子則以離子鍵為主。在1.3μm以前，碳酸鹽礦物的光譜特征主要是由金屬離子躍遷所決定；而1.3μm以后，其光譜特征是基團(tuán)振動(dòng)所產(chǎn)生，即CO32或一些水分子本身的倍頻或合頻模式振動(dòng)產(chǎn)生（圖8）。在近紅外區(qū)，碳酸鹽通常出現(xiàn)5個(gè)顯著的特征譜帶：2.55μm，2.35μm，2.16μm，2.0μm和1.9μm，第Ⅰ、第Ⅱ是較清楚的雙重譜帶，強(qiáng)度比其余3個(gè)強(qiáng)；碳酸鹽巖礦物最顯著的識(shí)別特征是2.3~2.4μm之間具有單一的特征吸收，對(duì)稱性左寬右窄，有別于其它類礦物光譜特征。同時(shí)該類絕大多數(shù)礦物也具有2.1~2.2μm以及2.5μm附近的次一級(jí)特征吸收。所含陽離子的不同，而在0.4~1.2μm區(qū)間出現(xiàn)陽離子躍遷的光譜特征，可用于識(shí)別不同類型的碳酸鹽巖礦物。

圖8 碳酸鹽巖礦物光譜特征

右圖為左圖局部放大；兩圖的縱坐標(biāo)已偏移

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審核編輯 黃宇