便攜式高光譜成像系統(tǒng)：巖礦高光譜遙感

高光譜成像作為目前遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)，在地質(zhì)應(yīng)用中取得了巨大成功。巖石 和礦物由于電子過程和分子振動(dòng)可以產(chǎn)生特征的光譜吸收，因此可以利用高光譜技術(shù)進(jìn)行巖 礦填圖，快速且準(zhǔn)確地獲取區(qū)域內(nèi)巖石和礦物的分布情況，進(jìn)而圈定有潛力的找礦靶區(qū)。

多平臺遙感數(shù)據(jù)在地質(zhì)填圖中的綜合應(yīng)用示意圖

光學(xué)遙感影像經(jīng)歷了全色—彩色—多光譜—高光譜的發(fā)展歷程。高光譜遙感也被稱為成像光譜遙感，相比多光譜具有圖譜合一的特點(diǎn)，即可以同時(shí)獲取二維空間信息和連續(xù)的光譜維信息，是目前光 學(xué)遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。光譜分辨率的提高使得由物質(zhì)本身微小成分變化引起的光 譜特征差異可以被識別，因此在巖石礦物分類、化學(xué)組成的探測甚至定量—半定量分析等方面具有更大的優(yōu)勢。

01巖礦光譜特性

太陽光譜通常被劃分為紫外光（UV，0.001～0.4μm）、可見光（VIS，0.4～0.7μm）、近紅外（NIR，0.7～3.0μm）、中紅外（MIR，3.0～30μm）和遠(yuǎn)紅外（FIR，30μm～1mm）等幾部分，而在地質(zhì)領(lǐng)域得到應(yīng)用的主要是可見光—近紅外（VNIR，0.4～1.0μm）和短波紅外（SWIR，1.0～2.5μm）光譜區(qū)間，對熱紅外（TIR，6～14μm）部分的應(yīng)用則相對比較薄弱。當(dāng)太陽光線照射到礦物或巖石表面時(shí)，特定波長的入射光一部分被吸收，另一部分則被反射或透射，吸收或反射的比例取決于物質(zhì)化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。能量的吸收主要由物體內(nèi)電子過程和分子振動(dòng)造成，電子過程包括晶體場效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移、導(dǎo)帶和色心；分子振動(dòng)過程包括化學(xué)鍵的伸縮、彎曲和旋轉(zhuǎn)等。下圖系統(tǒng)分析了各種礦物的特征譜帶位置及其吸收機(jī)理，為通過反射光譜進(jìn)行礦物探測奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)測定的主要礦物類型的診斷性光譜吸收特征位置

02高光譜遙感巖礦填圖方法

利用高光譜遙感進(jìn)行巖礦填圖雖然具有獨(dú)特的優(yōu)勢，高光譜數(shù)據(jù)具有波段多、光譜分辨率高的特點(diǎn)，帶來豐富的地物信息的同時(shí)也造成了數(shù)據(jù)的冗余，使得對數(shù)據(jù)的處理更加復(fù)雜。開展高光譜遙感巖礦填圖的基本流程如圖3所示。由于受到地表特性、大氣過程、遙感器載荷參數(shù)差異等因素的影響，對獲取的高光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品級別不同，通常需要用戶進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正等預(yù)處理過程。

其中，大氣校正最常用的方法是FLASSH，其目的是將光譜輻射率轉(zhuǎn)換為反射率。利用反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行巖礦特征信息提取，其中涉及到特征波段選擇、波段比值和主成分分析以及圖像融合、像元解混等技術(shù)手段，其本質(zhì)都是為了突出巖礦光譜特性與其本身物化屬性間的關(guān)聯(lián)性，從而實(shí)現(xiàn)巖性和礦物的精確識別。

高光譜遙感巖礦填圖工作流程

03區(qū)域巖礦填圖

目前國內(nèi)外發(fā)展的巖礦高光譜識別方法可以分為3類：

（1）光譜匹配方法：將遙感成像光譜與光譜庫的參考光譜或?qū)崪y光譜相匹配，構(gòu)建某種測度函數(shù)以評估它們之間的相似性，從而對礦物進(jìn)行分類。如距離法（DBM）、光譜角填圖（SAM）、匹配濾波（MF）、光譜信息散度（SID）、混合調(diào)制匹配濾波（MTMF）等。

（2）模式識別方法：以礦物學(xué)和光譜學(xué)知識為基礎(chǔ)，提取具有診斷性的光譜特征或光譜吸收參數(shù)（如吸收位置、深度、寬度、對稱度等），建立識別規(guī)則，對礦物進(jìn)行分類，如光譜特征擬合（SFF）、光譜吸收指數(shù)（SAI）和吸收譜帶定位分析（AABP）等。

（3）人工智能方法：上述兩類巖礦填圖方法的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但這類方法往往要求研究者具有足夠的專家經(jīng)驗(yàn)和先驗(yàn)知識來設(shè)置合適的參數(shù)，以獲得最優(yōu)分類效果，且只能提取遙感圖像的淺層特征，分類精度有限。

柳園地區(qū)高光譜礦物填圖結(jié)果

a. 礦物分布圖；b.絹云母成分圖

柳園地區(qū)巖性填圖結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)圖比較

綜合多譜段或全譜段的光譜填圖可以充分發(fā)揮不同波段的特性，大大改進(jìn)對巖性單元和蝕變礦物的填圖效果。這是因?yàn)槊總€(gè)波段區(qū)間具有不同的巖礦識別能力，針對不同地物有各自的優(yōu)勢和局限性。如VNIR波段適于提取含鐵離子的礦物，SWIR波段則可以區(qū)分碳酸鹽礦物和含Al-OH、Mg-OH的熱液蝕變相關(guān)礦物，而TIR波段具有識別石英和主要造巖硅酸鹽礦物的能力。

此外，相較于野外地質(zhì)填圖的區(qū)域局限性，高光譜遙感填圖可以發(fā)現(xiàn)一些通過傳統(tǒng)手段難以探測到的隱伏斷層和巖體，從而對過去地質(zhì)調(diào)查繪制的地質(zhì)圖進(jìn)行校對和修訂。

典型斑巖銅礦蝕變分帶及其特征礦物的反射率光譜

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審核編輯 黃宇