煤礦區(qū)典型地物反射波譜庫建立方法

賈智樂，盧小平，李向陽，余 濤

(1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454003;2.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州450003;3.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京100101)

一、引 言

地物波譜庫是使用光譜儀在野外特定條件下測(cè)得的各類地物反射光譜數(shù)據(jù)的集合。以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的波譜庫作為影像解譯標(biāo)志，是遙感圖像分析的理論基礎(chǔ)和地物分類識(shí)別的依據(jù)。我國(guó)目前已建成了10余種地物的波譜庫，但煤礦區(qū)典型地物波譜庫的建設(shè)尚屬空白，因此該項(xiàng)工作顯得尤為重要。建立煤礦區(qū)典型地物波譜庫就是對(duì)具有典型特征的地物進(jìn)行反射光譜測(cè)量，經(jīng)后期處理、存儲(chǔ)后，作為構(gòu)建波譜庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這樣就可以將遙感系統(tǒng)獲取的地物波譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的信息，并應(yīng)用于多種輔助決策過程，如礦區(qū)資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理、土地復(fù)墾、區(qū)域規(guī)劃等。本文以典型地物波譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納挖掘擴(kuò)展產(chǎn)生知識(shí)庫，最終形成數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、模型庫三位一體的數(shù)據(jù)庫，可為巖礦的自動(dòng)識(shí)別、定量反演及礦石晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析等提供基礎(chǔ)支撐。

二、礦區(qū)典型地物波譜數(shù)據(jù)采集方法

1.試驗(yàn)區(qū)概況

本文選擇鶴壁礦區(qū)作為試驗(yàn)研究區(qū)。鶴壁市位于河南省北部太行山脈東麓和華北平原的過渡地帶，礦區(qū)范圍為113°59'23″E～ 114°45'12″E、35°26'00″N～36°02'54″N，屬于北溫帶大陸性干旱型季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，溫差較大。據(jù)鶴壁市氣象局1999—2009年氣象資料顯示，該市年平均蒸發(fā)量為1 811.25 mm，平均相對(duì)濕度為60.43%。光譜測(cè)量地點(diǎn)主要集中在鶴壁煤業(yè)集團(tuán)下屬六礦區(qū)域，該礦為丘陵地區(qū)，地勢(shì)西北高、東南低，地面高程為125.50～227.70 m，面積約 18 km2，目前核定生產(chǎn)能力為120萬t/a，煤層保有儲(chǔ)量157 024.4萬 t。其中，工業(yè)儲(chǔ)量12 768.8 萬t，可采儲(chǔ)量8 097.8萬t。

2.測(cè)量?jī)x器

本次波譜測(cè)量使用美國(guó)分析光譜儀器(ASD)公司生產(chǎn)的ASD FieldSpec 3便攜式滿光譜野外光譜儀(如圖1所示)。該儀器具有測(cè)定范圍大(350～2500 nm)、光譜分辨率高(3～10 nm)，實(shí)時(shí)測(cè)量并觀察反射、透射、輻射度等光譜曲線，以及顯示絕對(duì)反射比(需要定標(biāo)的白色標(biāo)準(zhǔn)板數(shù)據(jù))等特點(diǎn)。ASD FieldSpec 3標(biāo)配大視場(chǎng)角光纖接收端，可選附件齊全，包括反射探頭、透射或反射式余弦接收器、積分球、葉片探頭、不同視場(chǎng)角鏡頭、不同長(zhǎng)度的光纖等。

圖1 光譜儀

3.光譜測(cè)定方法

為獲得植被高質(zhì)量的反射光譜曲線，宜選擇在晴空無云天氣下進(jìn)行，最佳作業(yè)時(shí)間為北京時(shí)間10：00—14：00。本次野外波譜測(cè)量在2012年4月下旬進(jìn)行，為避開太陽直射對(duì)光場(chǎng)的影響，具體測(cè)定方法是在地物陽面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，太陽與測(cè)量方位的夾角保持在135°(背向太陽方向)、天頂角(探頭/光源)大于45°、觀測(cè)高度為0.5 m;為避免身體遮擋光線，需對(duì)地物進(jìn)行垂直、45°傾斜和天空光測(cè)量，并及時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行測(cè)量。由于光照條件和儀器穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，對(duì)同一目標(biāo)應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量(10～15次)，并取平均值作為樣點(diǎn)的反射光譜值。

根據(jù)野外光譜儀測(cè)定的各種植被(林地、自然草地、人工草地)、水域、干線水渠、可耕地、撂荒地、沉陷地等環(huán)境要素和煤礦典型地物(如矸石堆、煤堆、公路、運(yùn)煤鐵路專用線等)在不同波譜段的反射率，可建立礦區(qū)典型地物的反射波譜庫。煤礦區(qū)典型地物包括：

1)矸石堆：包括矸石山，被矸石污染的地表覆被，污染水體、土壤、植被，未污染區(qū)域的水體、土壤、植被，以及矸石山污染物(鐵氧化物)等。

2)煤堆：礦區(qū)內(nèi)的所有煤堆及堆煤場(chǎng)。

3)洗煤水：包括煤礦洗煤廠排放的污染水體，以及矸石堆污染水體等。

4)開采塌陷區(qū)：包括沉陷區(qū)、塌陷盆地、地裂縫等地物。

5)典型交通線路：主要是礦區(qū)內(nèi)的運(yùn)煤公路、運(yùn)煤鐵路專用線及附屬構(gòu)建(筑)物。

三、數(shù)據(jù)采集及處理

1.數(shù)據(jù)采集

首先確定需要測(cè)量的典型地物，然后用光譜儀進(jìn)行反射波譜測(cè)定，如圖2所示。具體操作步驟如下：

1)打開光譜儀電源和計(jì)算機(jī)電源，啟動(dòng)RS3軟件并在軟件上選擇相應(yīng)的鏡頭，點(diǎn)擊OPT優(yōu)化(工作過程中特別是開始工作的前半個(gè)小時(shí)內(nèi)每隔一定時(shí)間需要作一次優(yōu)化)，在軟件中選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的路徑、名稱和其他內(nèi)容。

2)對(duì)每個(gè)地物測(cè)量10次以上，以提高精度。

3)拍攝典型地物地貌的景觀照片，如地裂縫、沉陷盆地、矸石堆、煤堆、礦井、鐵路、土壤等，然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)照片進(jìn)行編碼，使之與相應(yīng)地物波譜數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。

圖2 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)

2.影響礦區(qū)光譜測(cè)量的主要因素及處理方法

一些外在因素不可避免地會(huì)對(duì)波譜測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，這些影響因素主要包括：

1)大氣透射率的影響。礦區(qū)空氣中的粉塵會(huì)在一定程度上造成太陽輻射度的衰減，并對(duì)大氣透射率產(chǎn)生影響。因此，盡量選擇雨后的晴天進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)空氣中的懸浮物相對(duì)比較低，一定程度上可以提高測(cè)量精度。

2)水蒸氣的影響。在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板(由硫酸鋇或石膏等物質(zhì)制成)或目標(biāo)物時(shí)，水蒸氣的瞬間變化也會(huì)降低光譜數(shù)據(jù)測(cè)量精度，因此可以通過光譜儀間接測(cè)量空氣濕度。具體方法是利用標(biāo)準(zhǔn)板使反射光譜標(biāo)準(zhǔn)化(此時(shí)反射率曲線整體是近于1.0的直線)，然后連續(xù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。如果測(cè)得的反射光譜近似直線，說明大氣條件穩(wěn)定、濕度相對(duì)較低;若反射光譜曲線不平滑，則表明大氣條件不穩(wěn)定，以此可以檢驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，選擇在10：00—14：00進(jìn)行反射光譜測(cè)量，是由于該時(shí)間段內(nèi)的太陽光線較強(qiáng)，空氣濕度相對(duì)較低，大氣條件穩(wěn)定性較好，可以最大限度地降低水蒸氣對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)處理

要確定一種物體反射能力的大小，需要同時(shí)測(cè)量參考物和目標(biāo)物的光譜反射能量，兩者相除可消除目標(biāo)物和參照物光譜響應(yīng)中的放大參數(shù)，如光源(通常為太陽)的光譜輻射和光譜儀自身的光學(xué)輸出，從而得到目標(biāo)物相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)板的相對(duì)反射率，即

式中，r為被測(cè)物體的反射率;Bi、Bo分別為目標(biāo)物、參考板的反射能量。

隨著太陽入射角與觀測(cè)角度的變化，地物表面的反射會(huì)有明顯的差異，這種差異不僅與入射和反射角度有關(guān)，而且還隨物體空間結(jié)構(gòu)要素的變化而變化。方向反射率是對(duì)入射和反射方向嚴(yán)格定義的反射率。

由于自然界中不存在反射率為100%的物體，因此被測(cè)物體的絕對(duì)反射率可利用測(cè)得的相對(duì)反射率乘以標(biāo)準(zhǔn)板的反射系數(shù)求得?；谏鲜鲈?，本文借助相應(yīng)的軟件將野外采集的波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了各種典型地物的反射率，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、編輯與整理后，建立了反射波譜庫。

光譜微分技術(shù)是處理高光譜遙感數(shù)據(jù)的一種重要方法，它通過對(duì)反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和計(jì)算不同階數(shù)的微分差，以迅速確定光譜彎曲點(diǎn)及最大最小反射率的波長(zhǎng)位置。一般認(rèn)為，對(duì)光譜的一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景噪聲對(duì)目標(biāo)光譜的影響。其中，目標(biāo)光譜必須是非線性的。ASD FieldSpec 3光譜儀測(cè)量的是離散型光譜數(shù)據(jù)，其一階微分計(jì)算公式為

式中，R(λi+1)和 R(λi－1)表示相鄰波長(zhǎng)的反射率;R'(λi)表示波長(zhǎng)λi反射率的一階微分值。

為了減小儀器本身及環(huán)境的隨機(jī)噪聲，對(duì)得到的一階微分光譜進(jìn)行平滑過濾處理，使得到的光譜曲線的彎曲點(diǎn)及最大、最小反射率的波長(zhǎng)位置變得更加突出，如圖3所示。

圖3 反射率的一階微分

對(duì)野外測(cè)量的所有樣本點(diǎn)的多個(gè)光譜反射率曲線在軟件中進(jìn)行均值處理，并選取平均值作為樣本點(diǎn)的光譜值。取同一目標(biāo)多次測(cè)量值的平均值，可以提高測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可信度，同時(shí)可大幅度提升信噪比。

光譜儀不同波段對(duì)能量響應(yīng)的差異，使光譜曲線存在一些噪聲。為了去除包含在光譜數(shù)據(jù)中的噪聲，提高數(shù)據(jù)精度，需要平滑光譜曲線波形，并對(duì)同一地物多次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，將所求的平均值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Text/Data Only格式保存(如圖4(a)所示)。在Excel表格中打開后，每個(gè)波段對(duì)應(yīng)其相應(yīng)的反射值，首先去除受外界噪聲影響較大的邊緣波段350～390 nm和2430～2550 nm兩段數(shù)據(jù)(如圖4(b)所示);然后導(dǎo)入Origin軟件中，并對(duì)由于儀器工作狀態(tài)不穩(wěn)定、周圍環(huán)境影響等因素造成的異常光譜曲線進(jìn)行消除跳躍點(diǎn)(如圖4(c)所示);最后對(duì)曲線進(jìn)行非線性最小平方擬合處理(如圖4(d)所示)。

圖4 數(shù)據(jù)處理過程

4.試驗(yàn)結(jié)果

本文選取煤礦區(qū)具有典型特色地物的反射波譜進(jìn)行了處理與分析，結(jié)果如圖5所示。光譜對(duì)于地物化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的微細(xì)變化非常敏感，地物微細(xì)的化學(xué)和結(jié)構(gòu)的變化都能導(dǎo)致吸收位置和吸收形態(tài)的變化，以致呈現(xiàn)不同的反射波譜曲線。

由圖5(a)可以看出，矸石堆與煤堆外形相似，兩者的反射波譜曲線都呈線性，但反射率存在明顯差異：在可見光波段相差約為25%，近紅外區(qū)域則達(dá)到40%，這是由于兩者礦物組成和化學(xué)成分不同。此外，矸石堆由于長(zhǎng)期風(fēng)化，含水量比較低，而煤堆的含水量較大，含水量越高在紅外波段吸收越嚴(yán)重。

由圖5(b)可以看出，矸石堆東部的麥地與礦區(qū)生長(zhǎng)小麥的反射曲線走勢(shì)基本一致，但在近紅外區(qū)的差異明顯大于可見光部分，反射波譜在750～1400 nm波段呈現(xiàn)出較大的差異。這是由于小麥的下墊面不同，礦區(qū)麥田的土壤受到煤礦區(qū)沖水(雨水、洗煤水)的影響大，土表發(fā)黑，矸石堆東部的小麥?zhǔn)苡绊懗潭认鄬?duì)小些，由此可以判定礦區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤受煤礦及其附屬品的影響程度。

圖5 煤礦區(qū)典型地物反射波譜

四、結(jié)束語

本文通過對(duì)采集的煤礦區(qū)典型地物的波譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，獲得了典型地物的反射波譜，并對(duì)相似地物、同種植被在不同地貌情況下的反射率存在的差異進(jìn)行了定量分析，研究結(jié)果可為礦區(qū)典型地物遙感自動(dòng)解譯提供借鑒。

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