高光譜成像系統：高光譜數據光譜分辨率對礦物識別的影響分析

高光譜遙感可得出地物的光譜信息，即在傳統的二維遙感的基礎上增加了光譜維，形成了一種獨特的三維遙感。運用具有高光譜分辨率的儀器，通過獲取圖像上任何一個像元或像元組合所反映的地球表面物質的光譜特性，運用適當的處理方法，就能達到快速區分和識別地球表面物質的目的。但是，載荷的光譜分辨率與載荷其他參數相互制約，對于后續數據處理來講，也并非越高越好。

光譜分辨率決定因素分析

光譜分辨率是成像光譜儀的一個重要參數，它是指遙感器所選用的波段數量的多少、各波段的波長位置及波長間隔大小。即選擇的通道數，每個通道的中心波長，帶寬，這三個因素共同決定光譜分辨率

成像光譜儀第k個波段的輸出信號可由下式表示:

式中:H(λ)地面光譜輻射度；β為系統的瞬時視場；D為系統的有效光學口徑的直徑;τa(λ)為大光過率;τ0（λ）為系統光學效率；Ss(λ)為光譜儀色散系統的傳遞函數:Rd(λ）為探測器的光譜儀響應率;Re(λ)為電子學系統的光譜響應率。其中H(λ)，p(λ)，τa（λ）是與系統關的量而，τ0（λ），Ss(λ)，Rd(λ)，Re(λ)則是由系統定的參數。

在遙感成像系統的設計中，空間分辨率和光譜分辨率往往不可兼得。因為高光譜成像系統的光譜帶寬很窄，必須用較大的瞬時視場才能采集足夠的光量子以維持可接受的信噪比，同樣高分辨率系統瞬時視場很小則必須加寬光譜通道。

2、仿真實驗分析

成像光譜遙感巖性識別和礦物填圖主要利用不同巖礦種類，礦物豐度和不同組分的光譜特征差異，特別是光譜吸收譜帶波長位置，吸收深度和譜帶形態特征。光譜分辨率直接影響對巖礦尤譜吸收譜帶及其形態特征的探測和分辨能力，從而直接影響成像光譜數據對礦物種類及其成分的區分能力和識別精度。

2.1明磯石(Alunite，含AL一OH基團)

圖1明礬石不同光譜分辨率條件下的光譜曲線

圖1為明石的重采樣光譜曲線。明石為含AL-OH基因礦物代表具有以下特征：

1)在2.16μm處吸收特征表現得尤為明顯;

2)在2.318μm的吸收峰表現得相對較弱一些。

從上圖1可以看，上述兩個吸收峰在逐漸加大采樣間隔的過程中均有削弱，這種現象在采用64m采樣間隔得到的圖上表現的為明顯最為明顯，雖然1)的位置仍可被辨認出來，但深度卻減小很多，而且還有向長波方向漂移的跡象；而2)已完全消失。

2.2 藍銅礦(Azurite，含Cu2+離子)

圖2藍銅礦不同光譜分辨率條件下的光譜曲線

圖2為藍銅礦的重采樣光譜曲線。藍銅礦為含Cu2+離子的礦物代表，主要表現出1)0.8m的寬帶吸收特征。另外2)1.379μm1.88μm，2.28μm和2.318μm處為輔助吸收特征。從圖6可以看出:隨光樣間隔的加大，吸收特征1)形狀未發生很大變化，但有向長波方向漂的跡象；2)處的輔助吸收特征逐漸變淺或消失，也有向長波方向漂移的跡象。

2.3 菱鐵礦(Siderite，含Fe2+離子)

圖4菱鐵礦不同光譜分辨率條件下的光譜曲線

圖4為菱鐵礦的重采樣光譜曲線。菱鐵礦為含Fe2+離子的礦物代表，1.0~1.1μm的寬吸收帶非常明顯，從圖3可以看出，隨著光譜采樣間隔的加大，光譜形狀基本未發生變化，即使用128mm的采樣間隔也可基本演出物質的光譜信息。

3、結論

以上分析可以總結為：對于較大的吸收特征和較為平緩的光譜曲線，如方解石的反映CO32-基團特征的強烈吸收和菱鐵礦的反映Fe2+離子特征的寬吸收帶，光譜分辨率的變化對礦物識別的影響不大，在利用光譜信息識別這兩類物質時，采用較大的光譜采樣間隔對反演物質的光譜信息基本沒有影響。而在探測光譜特征曲線中含有較多較淺的吸收特征的物質（如明礬石）時，就需要使探測器的光譜采樣間隔相對小些，否則在反演物質特征光譜時就會使物質的吸收特征消弱甚至消失，同時吸收特征的位置也會發生變化，這都會對礦物識別的準確性帶來影響。

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審核編輯 黃宇