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巖礦高光譜遙感

2025年04月11日 10:17:59      來源:萊森光學(xué)(深圳)有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺      閱讀量:2

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高光譜成像作為目前遙感領(lǐng)域的技術(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)。


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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,即可以同時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,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)。


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實驗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,帶來豐富的地物信息的同時也造成了數(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,從而實現(xiàn)巖性和礦物的精確識別。


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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)驗和先驗知識來設(shè)置合適的參數(shù),以獲得分類效果,且只能提取遙感圖像的淺層特征,分類精度有限。


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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 


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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。這是因為每個波段區(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。


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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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