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

姜廷軒

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710061）

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(duì)電磁波的不同反射率特征，并與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量已知礦物得到的參照光譜進(jìn)行對(duì)比，從而通過(guò)未知地物與已知礦物間相同的特征吸收波長(zhǎng)來(lái)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(jiàn)光和近紅外波段（VNIR），受這些金屬離子的電子過(guò)程的影響，電磁波在通過(guò)這些礦物時(shí)，會(huì)在VNIR波段上呈現(xiàn)出被反射或被傳遞的現(xiàn)象。在波長(zhǎng)1400nm和1900nm的波段上，電磁波主要被水分子吸收，同時(shí)氫氧基的吸收特征也位于波長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于上世紀(jì)七十年代早期開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)范圍內(nèi)擁有128個(gè)波段。1993年JPL又開(kāi)發(fā)出了更加先進(jìn)的空基高光譜成像光譜儀AVIRIS，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(zhǎng)范圍內(nèi)共有224個(gè)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)(Vane&Goetz,1991)。

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(yáng)同步衛(wèi)星軌道角度為98.7°。它可以提供從0.4μm～2.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)帶有220個(gè)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(duì)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(guò)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(gè)主要步驟。其目的是將傳感器接收到的輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的地表反射率信號(hào)，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(duì)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(tái)搭載的條件下對(duì)目標(biāo)地物成像獲取光譜間的對(duì)比，來(lái)評(píng)估傳感器光子計(jì)量與輻射探測(cè)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(duì)獲取光譜數(shù)據(jù)的影響，完成定標(biāo)。

一般來(lái)說(shuō)，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(guò)傳感器定標(biāo)的純輻射數(shù)據(jù)。同時(shí)，搭載這些高光譜成像光譜儀的載具往往同時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)電磁波的吸收作用所造成的對(duì)傳感器所獲取的目標(biāo)地物光譜的干擾和影響。在經(jīng)過(guò)大氣校正后，傳感器所探測(cè)到的輻射信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)化為地表反射光譜信號(hào)，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(lái)。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(huì)與光譜庫(kù)中已知礦物的光譜以光譜吸收波段為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)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(shí)別。

3.3 礦物識(shí)別分類

在得到經(jīng)過(guò)定名的光譜端元后，這些端元會(huì)被作為參照系與整張高光譜影像中的每一個(gè)像素所攜帶的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并將相似光譜所屬像素標(biāo)記為相對(duì)應(yīng)的礦物，從而完成礦物的識(shí)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?cái)y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(duì)上述兩光譜進(jìn)行線性最小二乘法計(jì)算并借此完成對(duì)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(duì)比兩個(gè)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(wèn)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(jì)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(lái)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)。