基于特征譜帶的高光譜遙感礦物譜系識別

引言

高光譜的光譜識別是高光譜區(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這些方法適應(yīng)性強，圖像地物識別更有用。但明顯不足是由于實際地物光譜變異、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、陽離子的配位數(shù)目、主要陽離子的質(zhì)量、鍵的共價程度、陰陽離子間的距離、晶體對稱的不同。這些特征吸收指的是礦物獨特而較穩(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Eg和較低的五重線能級T2g；由于僅存在一個自旋容許躍遷，從而在1.0~1.1μm附近產(chǎn)生一個常見的強而寬的譜帶；Fe3+有一個對稱的基態(tài)S，在任何晶體場中都不分裂，到4G態(tài)所形成的更高能級的躍遷均為自旋禁戒，因而光譜相對較弱，但在0.6~0.9μm間產(chǎn)生強的吸收譜帶。對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。鋁的氫氧化物中，三水鋁石由于所含較強的Al-O-H鍵的伸縮振動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)中能級的差異，其吸收譜帶的形態(tài)、位置以及次級吸收峰的形態(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，但相對于后二者，其特征譜帶的位置相對向長波方向移動。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，從而使能級分裂的大小或OH基團(tuán)伸縮彎曲振動的方向發(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)振動產(chǎn)生的吸收峰較夕線石尖銳，次級吸收峰特征較明顯?？偟膩碚f，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程度、陰陽離子間的距離造成晶體對稱度等的不同，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附近具有強吸收特征峰。陽起石強吸收譜帶位于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。可見含Al-OH鍵的礦物的識別光譜位于2165nm~2215nm之間。

（2）CO32-：在碳酸鹽CO3絡(luò)陰離子中，C與O之間為鍵力強的共價鍵，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)振動所產(chǎn)生，即CO32或一些水分子本身的倍頻或合頻模式振動產(chǎn)生（圖8）。在近紅外區(qū)，碳酸鹽通常出現(xiàn)5個顯著的特征譜帶：2.55μm，2.35μm，2.16μm，2.0μm和1.9μm，第Ⅰ、第Ⅱ是較清楚的雙重譜帶，強度比其余3個強；碳酸鹽巖礦物最顯著的識別特征是2.3~2.4μm之間具有單一的特征吸收，對稱性左寬右窄，有別于其它類礦物光譜特征。同時該類絕大多數(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