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地物光譜儀孔雀石紫云母測試

1.為什么用地物光譜儀對地物進(jìn)行測試？

對于地物的測試，傳統(tǒng)的方法有化學(xué)法等。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在可以運用光譜法去對地物進(jìn)行測試，獲取地物自身的信息。無論是植被、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量去獲取，除此之外地物光譜測量也能輔助一些化學(xué)法或者其他方法去對地物做研究。

2.地物光譜特征

每種地物的自身特性都不一樣，有些地物會吸收掉大部分的太陽光，而有些會將大部分太陽光反射出去，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試地物需要提取的特征點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。相鄰的兩個通道的中心波長的波長間隔就是光譜分辨率，這個波長間距對被測地物的局部特征反映有影響，采樣間隔越小，就越能反映被測地物的局部吸收。光譜帶寬是指光譜儀內(nèi)一個光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測量的精確性，帶寬太寬，就會導(dǎo)致我們需要提取的特征點丟失，測量精度低，帶寬越窄，就不容易損失有用的信息，在鄰近的譜段能測到的波譜樣本越多，對地物的測量就越精確，有利于數(shù)據(jù)處理分析。信噪比是傳感器的信號功率（SP）和噪聲功率（NP）之比，它取決于探測器的敏感度、光譜寬度、被測量物表面反射和發(fā)射光的強度，當(dāng)信噪比低的時候，噪聲功率的占比就會比較高，對地物的信號探索反演有很大的干擾；當(dāng)信噪比高時，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，也建立起越來越精確且多樣的地物光譜庫，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，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，起因于組成陽離子的電子躍遷和陰離子團(tuán)的分子振動。400-1300nm波段范圍內(nèi)的反射光譜特征主要是由陽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波段形成一個正吸收邊，并在520nm和900nm波段附近各形成一個吸收譜帶，F(xiàn)e²⁺在1100波段附近有一個吸收譜帶，這些譜帶的強度和寬度各不相同。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。

孔雀石礦石無論野外或室內(nèi)反射光譜曲線在800nm波段附近都有一個強烈而寬的吸收譜帶，同時在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出現(xiàn)特征譜帶。如圖1中的蝕變閃長玢巖，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：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，偶爾會有白色的斑點，不透明。本次測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

用地物光譜儀對樣品孔雀石和紫云母（圖3）進(jìn)行測試反射率，對所取的數(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有一個十分明顯的正吸收邊，以及在800nm波段附近都有一個強烈而寬的吸收譜帶，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附近存在一個正吸收邊，并且在520nm和900nm波段附近各形成一個吸收譜帶；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)實意義。

推薦：

地物光譜儀iSpecField-HH/NIR/WNIR

地物光譜儀是萊森光學(xué)專門用于野外遙感測量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，獨有的光路設(shè)計，噪聲校準(zhǔn)技術(shù)、可以實時自動校準(zhǔn)暗電流，采用了固定全息光柵一次性分光，測試速度快，最短積分時間最短可達(dá)20μs，操作靈活、便攜方便、光譜測試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于遙感測量、農(nóng)作物監(jiān)測、森林研究、海洋學(xué)研究和礦物勘察等各領(lǐng)域。