地物光譜儀孔雀石紫云母測(cè)試

1.為什么用地物光譜儀對(duì)地物進(jìn)行測(cè)試？

對(duì)于地物的測(cè)試，傳統(tǒng)的方法有化學(xué)法等。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在可以運(yùn)用光譜法去對(duì)地物進(jìn)行測(cè)試，獲取地物自身的信息。無(wú)論是植被、土壤、水體還是人工地物都具有其自身特征的光譜反射率，我們可以通過地物光譜儀去測(cè)試地物的光譜反射率，有些地物信息是可以直接通過地物光譜測(cè)量去獲取，除此之外地物光譜測(cè)量也能輔助一些化學(xué)法或者其他方法去對(duì)地物做研究。

2.地物光譜特征

每種地物的自身特性都不一樣，有些地物會(huì)吸收掉大部分的太陽(yáng)光，而有些會(huì)將大部分太陽(yáng)光反射出去，這種地物的反射率比較高，有一些能被部分太陽(yáng)光透過，這些地物都具有不一樣的反射光譜。所謂光譜學(xué)，就是研究一定波長(zhǎng)的電磁波在液體，固體和氣體這三種介質(zhì)中經(jīng)過反射，輻射，散射以及吸收作用的學(xué)科。研究地物光譜特征主要就是研究其反射光譜，知道地物的光譜吸收段并通過吸收段的光譜響應(yīng)來(lái)獲取反演地物的材料，狀態(tài)等等。光譜范圍能否包括我們測(cè)試地物需要提取的特征點(diǎn)獲取信息的光譜吸收段，是我們能否順利研究獲取地物信息的關(guān)鍵，所以我們首先需要知道光譜范圍，還需要看其光譜分辨率，光譜帶寬以及信噪比。相鄰的兩個(gè)通道的中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)間隔就是光譜分辨率，這個(gè)波長(zhǎng)間距對(duì)被測(cè)地物的局部特征反映有影響，采樣間隔越小，就越能反映被測(cè)地物的局部吸收。光譜帶寬是指光譜儀內(nèi)一個(gè)光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測(cè)量的精確性，帶寬太寬，就會(huì)導(dǎo)致我們需要提取的特征點(diǎn)丟失，測(cè)量精度低，帶寬越窄，就不容易損失有用的信息，在鄰近的譜段能測(cè)到的波譜樣本越多，對(duì)地物的測(cè)量就越精確，有利于數(shù)據(jù)處理分析。信噪比是傳感器的信號(hào)功率（SP）和噪聲功率（NP）之比，它取決于探測(cè)器的敏感度、光譜寬度、被測(cè)量物表面反射和發(fā)射光的強(qiáng)度，當(dāng)信噪比低的時(shí)候，噪聲功率的占比就會(huì)比較高，對(duì)地物的信號(hào)探索反演有很大的干擾；當(dāng)信噪比高時(shí)，就能更準(zhǔn)確的去獲取地物的光譜信息。

除了植被、土壤等典型的地物光譜，人們還開始研究一些人工地物的光譜特征，比如迷彩服的綠色與植被的綠色的區(qū)別。而且根據(jù)這些需要，也建立起越來(lái)越精確且多樣的地物光譜庫(kù)，為高光譜影像分類和匹配做準(zhǔn)備。

2.1巖石和礦物的反射光譜特征

決定巖石和礦物在400-2500nm波段的反射光譜特征的因素很多，其中最主要的是巖石和礦物的物質(zhì)成分、粒度和顏色等。

巖石和礦石是礦物集合體，其反射光譜特征與礦物成分有關(guān)。不同的礦物由不同的元素組成，它們影響著巖石的反射光譜特征（表1、2）。從表中看出，在碳酸鹽巖中，MgO和CaO的合量大于52%時(shí)，其反射率較高，反之則低。在硅酸鹽巖石中，若SiO₂含量大其反 射率就高，反之則低。

巖石和礦物在400-2500nm波段內(nèi)呈現(xiàn)的反射光譜特征，起因于組成陽(yáng)離子的電子躍遷和陰離子團(tuán)的分子振動(dòng)。400-1300nm波段范圍內(nèi)的反射光譜特征主要是由陽(yáng)離子的電子躍遷所引起的。鐵是一種常見的元素，地表可見到許多化合物如氧化物、氫氧化物等，F(xiàn)e³⁺在400-600nm波段形成一個(gè)正吸收邊，并在520nm和900nm波段附近各形成一個(gè)吸收譜帶，F(xiàn)e²⁺在1100波段附近有一個(gè)吸收譜帶，這些譜帶的強(qiáng)度和寬度各不相同。磁鐵礦礦石的含鐵量很高，但因其為不透明礦物，故壓抑了該礦石的反射光譜特征。

孔雀石礦石無(wú)論野外或室內(nèi)反射光譜曲線在800nm波段附近都有一個(gè)強(qiáng)烈而寬的吸收譜帶，同時(shí)在400-600nm波段的正吸收邊也十分明顯，這些特征顯然是了Cu²⁺離子的電子躍遷引起的。

1300-2500nm波段范圍內(nèi)的反射光譜特征，是OH^- 、H₂O和CO₃^2-等陰離子團(tuán)所引起的。在巖石礦物中，只要有水的存在就會(huì)出現(xiàn)特征譜帶。如圖1中的蝕變閃長(zhǎng)玢巖，除含有OH礦物外，水的含量為4.04-10.6%。故它們的反射光譜曲線在1400和1900nm波段附近呈現(xiàn)水的吸收譜帶。羥基離子引起的特征譜帶，往往出現(xiàn)在1400、2200或2300nm波段附近（圖1）。

CO₃^2-離子引起的特征譜帶，據(jù)文獻(xiàn)記載有5個(gè)：1850-1870、1970-2000、2120-2160、2300-2350和2500nm波段。

孔雀石屬于單斜晶系，它是一種含銅的碳酸鹽類礦物，一般地質(zhì)學(xué)上把它作為尋找黃銅礦脈的標(biāo)志。孔雀石是一種天然的礦石，主要成分為堿式碳酸銅[Cu₂(OH)₂CO₃或2CuOCO₂H₂O]。紫云母為紫色的斜紅磷鐵礦，單斜晶系，顏色多為均勻分布的紫紅色，偶爾會(huì)有白色的斑點(diǎn)，不透明。本次測(cè)試的孔雀石和紫云母為西安地調(diào)局提供。

3.數(shù)據(jù)獲取及分析

3.1數(shù)據(jù)獲取

本次測(cè)試采用萊森光學(xué)研發(fā)的地物光譜儀iSpecField-WNIR（圖2），光譜范圍300-2500nm，光譜通道數(shù)2200，光譜分辨率≤3nm@300-1000nm，≤15nm@1000-2500nm，2048像素面陣BT-CCD/256像素InGaAs-TEC致冷：固定全息光柵分光以及99%標(biāo)準(zhǔn)白板。

圖2 地物光譜儀iSpecField-WNIR

用地物光譜儀對(duì)樣品孔雀石和紫云母（圖3）進(jìn)行測(cè)試反射率，對(duì)所取的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均、平滑處理，排除儀器本身噪聲影響，使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、真實(shí)地還原樣品本身的光學(xué)特征。

圖3 孔雀石、紫云母

3.2數(shù)據(jù)分析

下圖（圖4）為處理后的反射率圖，可看出紫云母整體反射率大于孔雀石。

圖4孔雀石紫云母反射率

孔雀石的反射率整體偏低，由于Cu²⁺的影響，曲線在400-600nm有一個(gè)十分明顯的正吸收邊，以及在800nm波段附近都有一個(gè)強(qiáng)烈而寬的吸收譜帶，在2200nm處還存在較明顯的水吸收帶。孔雀石本身含有Fe元素，在1100nm附近沒有一個(gè)吸收帶，原因可能是孔雀石自身還有一些不透明礦物，壓抑了孔雀石的反射譜線。

圖5 孔雀石反射率曲線

紫云母的反射率整體較高，由于Fe³⁺的存在，在400nm附近存在一個(gè)正吸收邊，并且在520nm和900nm波段附近各形成一個(gè)吸收譜帶；由于OH^-的存在，羥基離子引起的特征譜帶往往出現(xiàn)在1400nm、2200nm或2300nm附近，圖中在1400nm和2200nm呈現(xiàn)水的吸收譜帶。

圖6 紫云母反射率曲線

4.結(jié)論

用地物光譜儀去測(cè)試礦物反射率能夠定性分析處礦物自身的成分，不同類型礦物具有各自的反射光譜特征，應(yīng)用這些特征，不僅為區(qū)分礦物成因份提供一種新的研究途徑，而且在遙 感地質(zhì)找礦上也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。