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高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用概況

高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在地物分布反演方向。這一應(yīng)用是基于提取光譜影像中不同地物在不同波段對電磁波的不同反射率特征，并與實(shí)驗(yàn)室測量已知礦物得到的參照光譜進(jìn)行對比，從而通過未知地物與已知礦物間相同的特征吸收波長來確定地物的種類。

1高光譜遙感的技術(shù)背景

含有金屬離子（如鐵，鎳，鉻等）的礦物，光譜特征往往集中于可見光和近紅外波段（VNIR），受這些金屬離子的電子過程的影響，電磁波在通過這些礦物時，會在 VNIR波段上呈現(xiàn)出被反射或被傳遞的現(xiàn)象。在波長1400nm和1900nm的波段上，電磁波主要被水分子吸收，同時氫氧基的吸收特征也位于波長1400nm的波段。地質(zhì)領(lǐng)域常用的化合物中，AL-OH的吸收波段位于2200nm，Mg-OH位于2300nm，而 2320-2350nm波長波段上的特征則是碳酸鹽礦物吸收的結(jié)果 (Awad et al.,2018)。

2高光譜成像光譜儀的發(fā)展

世界上最早的高光譜光譜儀是美國國家航空航天局（NASA）于上世紀(jì)七十年代早期開發(fā)的掃描式光譜成像儀系統(tǒng)，1981 年 NASA 的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）開發(fā)出了第一款空基高光譜成像光譜儀系統(tǒng)，其在 1.2μm~2.4μm 的波長范圍內(nèi)擁有 128 個波段。1993 年 JPL 又開發(fā)出了更加先進(jìn)的空基高光譜成像光譜儀，這一系統(tǒng)把光譜分辨率提高到了10nm的水平，即在0.4-2.5μm的波長范圍內(nèi)共有224個連續(xù)的光譜波段，是目前較為常用的高光譜機(jī)載成像光譜儀系統(tǒng) 。世界上第一枚成功的高光譜遙感衛(wèi)星是NASA在NMP項(xiàng)目框架下研發(fā)的 Earth-Observing（EO）-1 衛(wèi)星，這顆軌道高度 705km 的太陽同步衛(wèi)星軌道角度為 98.7°。它可以提供從 0.4μm~2.5μm 波長范圍內(nèi)帶有220個連續(xù)光譜波段的高光譜影像。

3高光譜影像的數(shù)據(jù)處理

在遙感地質(zhì)學(xué)的研究中，為遂行礦物制圖和地質(zhì)調(diào)查等研究目的，工作人員需要對獲取的高光譜影像進(jìn)行一系列諸如光譜重建，端元提取和信息分析等一系列的數(shù)據(jù)處理過程，產(chǎn)出高光譜影像數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

3.1光譜重建

高光譜遙感的光譜重建主要包括傳感器標(biāo)定，建立坐標(biāo)和大氣校正三個主要步驟。其目的是將傳感器接收到的輻射信號轉(zhuǎn)換為可用的地表反射率信號，為后續(xù)的高光譜數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。傳感器標(biāo)定利用同一傳感器在實(shí)驗(yàn)室條件下對目標(biāo)地物成像獲取的光譜數(shù)據(jù)和該傳感器在空基 / 天基平臺搭載的條件下對目標(biāo)地物成像獲取光譜間的對比，來評估傳感器光子計量與輻射探測間的關(guān)系，進(jìn)而建立傳感器的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和單通道光譜效應(yīng)函數(shù)模型或傳感器標(biāo)定的理論模型。從而消除傳感器對獲取光譜數(shù)據(jù)的影響，完成定標(biāo)。一般來說，使用高光譜遙感數(shù)據(jù)的研究人員得到的數(shù)據(jù)都是已經(jīng)經(jīng)過傳感器定標(biāo)的純輻射數(shù)據(jù)。同時，搭載這些高光譜成像光譜儀的載具往往同時搭載有衛(wèi)星定位和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地給出當(dāng)傳感器獲取地物反射光譜時所處的位置，并給出傳感器高度信息，依托這兩類數(shù)據(jù)，研究人員可以為光譜影像精確地建立地理坐標(biāo)系。對高光譜遙感影像的大氣校正，其目的是消除地球大氣層中的水蒸氣，氧氣，氣溶膠以及其他成分因其在特定波段對電磁波的吸收作用所造成的對傳感器所獲取的目標(biāo)地物光譜的干擾和影響。在經(jīng)過大氣校正后，傳感器所探測到的輻射信號會被轉(zhuǎn)化為地表反射光譜信號，從而進(jìn)行地物分類等地質(zhì)學(xué)研究。

3.2端元提取

隨著高光譜遙感技術(shù)的興起，大量的端元提取技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展起來。其中較為常用的有空間-光譜協(xié)同端元提取法和主成分分析法（PCA）。在這兩種方法中，SSEE法又是目前應(yīng)用最廣。在得到 SSEE算法輸出的端元后，這些端元會與光譜庫中已知礦物的光譜以光譜吸收波段為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，挑選出其中與已知礦物最為接近的候選端元，并定名為相應(yīng)的礦物，用于下一步的礦物識別。

3.3礦物識別分類

在得到經(jīng)過定名的光譜端元后，這些端元會被作為參照系與整張高光譜影像中的每一個像素所攜帶的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并將相似光譜所屬像素標(biāo)記為相對應(yīng)的礦物，從而完成礦物的識別分類，生產(chǎn)出光譜礦物圖。較為常用的幾種分類方法包括將端元光譜和像素攜帶光譜均轉(zhuǎn)化為矢量并比較其夾角大小進(jìn)而完成分類的光譜角法（SAM）；對上述兩光譜進(jìn)行線性最小二乘法計算并借此完成對比的光譜特征適應(yīng)法（SFF）和將上述兩光譜投影到多維空間，并對比兩個向量的幾何差別的歐幾里得距離法等等多種方法。目前光譜角法是最常用的遙感數(shù)據(jù)分類方法，但其結(jié)果也存在著一定的問題，等待著學(xué)者的進(jìn)一步研究與完善。

4總  結(jié)

高光譜遙感地質(zhì)學(xué)正隨著精密光學(xué)儀器和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而快速發(fā)展著，截至目前，其主要的研究工作集中在地質(zhì)制圖方向上，而在地質(zhì)研究領(lǐng)域中也越來越重視遙感數(shù)據(jù)，野外數(shù)據(jù)和地球物理數(shù)據(jù)的綜合考慮。遙感地質(zhì)學(xué)正在彌合遙感技術(shù)與傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的鴻溝，向著多學(xué)科交叉領(lǐng)域進(jìn)一步前進(jìn)。