地物光譜儀：江西信江盆地紅層標準顏色系統(tǒng)建立研究1.0

引言

本文選取江西信江盆地晚白堊世龜峰群河口組、塘邊組地層作為研究對象，測定紅層巖石光譜數(shù)據(jù)，分析巖石光譜特征，通過光譜三刺激值，實現(xiàn)光譜與色彩空間轉換，利用比色法、色差法和三維空間法劃分信江盆地紅層顏色色系。結合樣品巖性特征，分析不同地層、巖性、風化程度與呈色的關系，最終建立紅層野外標準顏色系統(tǒng)。

區(qū)域概況

2.1 自然地理概況

信江盆地位于江西省東北部，地處懷玉山南和武夷山北麓之間，西起撫州東鄉(xiāng)，連通崇仁盆地，東至上饒廣豐，連接金衢盆地。整體呈近東西向展布，東西長約180km，南北寬約10～40km，面積約為3148km2。地勢上邊緣向內降低，為中小型陸相沉積盆地，區(qū)內多為丘陵崗地地貌和丹霞地貌，信江流經(jīng)盆地中部。行政區(qū)域上主要隸屬于上饒市和鷹潭市，部分隸屬于撫州市東鄉(xiāng)縣。研究區(qū)氣候溫潤，屬中亞熱帶季風性氣候，全年溫差較大，4.6℃≦全年氣溫≦36℃，多年平均氣溫約為18℃，夏季日均氣溫不低于29℃，冬季日均氣溫不超過17℃。全年各季度降水量分布不均，雨熱同期，3月下旬至8月高溫多雨，暴雨季主要集中在4~6 月，汛期易澇，9月至次年2月溫和少雨。年均降水量在1800mm以上，屬于濕潤區(qū)。盆地內水系發(fā)育，分布鄱陽湖流域五大水系之一信江。信江盆地礦產資源豐富，種類繁多，已探明的主要能源礦產有煤、油氣等；貴金屬礦產有金、銀等；黑色金屬礦產鐵；有色金屬礦產有銅、鉛、鋅等；貴金屬礦產有金、銀等；稀有稀土金屬礦產有重稀土、鈮、鉭等；非金屬礦產有磷、蛇紋石等及放射性礦產鈾等，共發(fā)現(xiàn)24種礦產資源。其中銅、鈾、稀土礦規(guī)模較大，具有特征性。

2.2 地層

信江盆地地層出露廣泛，化石豐富，保存相對完整。其中盆地基底地層由褶皺基底地層和震旦系至三疊系地層組成，是信江盆地沉積的主要物源。盆地充填巖系由三疊系至第四系地層組成，自下而上依次為一套含煤地層、火山-沉積巖灰色巖系和紅層沉積，其中上白堊統(tǒng)紅色沉積地層是信江盆地丹霞地貌的主要成景地層（圖1）。

圖 2.1 信江盆地地層分布圖

2.3 丹霞地貌分布

信江盆地內丹霞地貌總體上呈現(xiàn)邊緣聚集、盆中及過渡帶分散的分布特征，從丹霞地貌發(fā)育過程來看，盆地邊緣一帶是典型的壯年-老年早期丹霞地貌，主要形成斜頂?shù)姆辶?、峰叢、陡崖、巖洞等景觀類型，如南緣的龍虎山、龜峰、廣豐九仙山、六巖石，北緣橫峰-上饒一帶的油桐山、天王殿、月巖等；盆中一帶則是典型的幼年―青年期丹霞地貌，主要形成頂圓的石墻、石梁等景觀類型，如九獅山、南巖寺、赭亭山、掛榜山等。信江盆地內出露新生代第四紀地層，且以中生代侏羅紀和白堊紀地層出露最為齊全。尤其是，信江盆地內晚白堊世紅色巖系分布最廣、出露良好、層序清晰、特征明顯。因此，贛州群的茅店組(K2m)，龜峰群河口組(K2h)、塘邊組(K2t)和蓮荷組(K2lh)是信江盆地丹霞地貌的主要成景地層。

光譜數(shù)據(jù)采集

3.1 地物光譜儀野外采集

便攜式地物光譜儀在實際測量中，要盡量避免測試結果受自然因素和人為因素的干擾。尤其是環(huán)境條件，較為苛刻，須擇一天中陽光充足、光照穩(wěn)定的時間，大致為上午十點至下午三點之間,太陽立體角90°，風速小于三級，晴空無云，無明顯霧和霾，水平能見度不小于10km，相對濕度小于70％。測量時測試人員應身著黑色，即暗色衣物，避免淺色及彩色衣物反射光譜被光譜儀誤測，對數(shù)據(jù)產生干擾，選擇在空曠開闊的場地，測試人員面向太陽，光纖探頭避免陰影，垂直向下（至少保持光纖探頭與被測樣品水平截面的法線 夾角不大于 10°）距被測樣品2～3cm處進行測量，在夏季溫度過高時， 避免儀器長時間暴露在陽光下，導致溫度過高損傷儀器，加速電池耗電量。

3.2 測試結論分析

圖2至5為4個具有代表性的樣品光譜圖，對比這些光譜曲線表明，數(shù)據(jù)具有較相似的曲線特征，如新鮮樣品YY-07、YANS-23號、圖3.5中樣品所示，其反射光譜波形相似,主要區(qū)別在于反射率的值不同（在551.31nm，YY-07號樣品反射率是13.5而YANS-23號樣品反射率是8.12）。新鮮樣品的反射光譜曲線在551～608nm光譜區(qū)間迅速上升，形成1個反射陡坡。而風化樣品YT-02、GF-51號則在551～608nm光譜區(qū)間緩慢上升，在682nm附近有明顯吸收谷，表面風化嚴重的樣品大都呈此特征。

圖 2YT-02 樣品平均光譜曲線

圖 3 YY-07 樣品平均光譜曲線

圖 4 GF-51 樣品平均光譜曲線

圖 5 YANS-23 樣品平均光譜曲線

3.3 色彩空間理論

顏色既是信息的載體又是信息的表現(xiàn)形式。從物理學的角度出發(fā)，顏色的本質是一種光（電磁波），其中能夠被人眼捕獲并引起視覺感知的光稱為可見光，波長范圍大約在380～780nm之間，光的波長反映了組成發(fā)光體的物質的電子躍遷情況，波長越長，躍遷能量越小。具有單一頻率（或波長）的光稱為單色光，在17世紀中葉，英國科學家牛頓利用三棱鏡將太陽光分解為紅橙黃綠藍靛紫的彩色光譜帶，通過色散實驗說明了白光是由多種單色光混合而成的。

不同波長的單色光能夠刺激人眼產生不同的顏色感覺，彩色光譜帶中的七色光就反映了波長從長到短改變引起的顏色感覺，其中紅光波長最長，頻率最小，紫光波長最短，頻率最高。

然而在可見光光譜中并沒有包含人眼所能分辨的所有顏色，大部分顏色是通過不同波長的單色合成得到的，稱為復合色。自然光源和大多數(shù)人工光源發(fā)出的光就是各種波長的單色光混合而成的復合光。光源的顏色取決于自身產生的光波的顏色，非光源體也能呈現(xiàn)豐富的顏色則是對可見光選擇性吸收的結果。不同物質的電子結構不同，所能吸收光的波長也不同，當光照射時，物體會吸收特定波長的光，透明物體的顏色主要由剩余透過物體的光譜組成決定，不透明物體的顏色主要由剩余反射的光譜組成決定。物體對光的選擇性吸收、反射和透射只與材料本身有關，是一種光學特性，但不同的光照條件能使物體產生不同的顏色變化，也就是說顏色感覺不僅與光和材料的物理性質相關，也受其他因素的影響。為此科學家嘗試在色彩研究中引入色彩空間的概念，量化感知特征與顏色之間的關系，實現(xiàn)顏色的描述、計算、測量和復制。下面介紹幾種最常見的顏色空間。

3.3.1 CIE L*a*b*均勻色彩空間

CIE L*a*b*均勻色彩空間是一種通過數(shù)學模型計算得到的顏色系統(tǒng)，通過數(shù)值描述人眼顏色感受，由亮度和顏色范圍共同表征，L*表示亮度通道，取值范圍通常為0～100，此通道無法表現(xiàn)色彩變化，僅能保存明暗信息，數(shù)值越大亮度越高，取值為0時為顏色黑色，取值為100 時顏色為白色。當出現(xiàn)熒光樣品時，L*值會大于100；a* 通道代表從綠色到紅色的過渡，b*通道代表從藍色到黃色的過渡，負值代表冷色，正值代表暖色，通常運行在-100～100 或-128～127 范圍之間，在色彩管理中可進行顏色的計算和轉換。LAB模式既不受照明條件影響，也不受印刷條件限制，其顏色系統(tǒng)本身與設備呈色無關，是被創(chuàng)建用作獨立于設備的色彩空間模型，是均勻色彩空間。它包含了人眼可感知的全部色彩，甚至有一大部分已經(jīng)超出了人類視覺范圍（圖 6），同時LAB彌補了RGB和CMYK兩種色彩模式的不足，其色域范圍比RGB和CMYK都要大，常用作不同色彩模型之間的交換格式。

圖 6 CIE L*a*b*色彩空間示意圖

本章小結

本章主要介紹了巖石光譜測量和顏色空間的理論基礎。先介紹了便攜式地物光譜儀的工作原理、數(shù)據(jù)采集方法及分析所得光譜數(shù)據(jù)；然后著重介紹了國際照明委員會CIE制定的L*a*b*均勻色彩空間，用以表征巖石的顏色特征和顏色測量與管理。

未完待續(xù)。。。。。

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審核編輯 黃宇