高光譜遙感技術在地質領域的發展與應用概況

姜廷軒

（長安大學，陜西 西安 710061）

高光譜遙感技術在地質領域的應用主要集中在地物分布反演方向。這一應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，并與實驗室測量已知礦物得到的參照光譜進行對比，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波段上呈現出被反射或被傳遞的現象。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。地質領域常用的化合物中，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果(Awad et al.,2018)。

2 高光譜成像光譜儀的發展

世界上最早的高光譜光譜儀是美國國家航空航天局（NASA）于上世紀七十年代早期開發的掃描式光譜成像儀系統，1981年NASA的噴氣推進實驗室（JPL）開發出了第一款空基高光譜成像光譜儀系統，其在1.2μm～2.4μm的波長范圍內擁有128個波段。1993年JPL又開發出了更加先進的空基高光譜成像光譜儀AVIRIS，這一系統把光譜分辨率提高到了10nm的水平，即在0.4-2.5μm的波長范圍內共有224個連續的光譜波段，是目前較為常用的高光譜機載成像光譜儀系統(Vane&Goetz,1991)。

世界上第一枚成功的高光譜遙感衛星是NASA在NMP項目框架下研發的Earth-Observing（EO）-1衛星，這顆軌道高度705km的太陽同步衛星軌道角度為98.7°。它可以提供從0.4μm～2.5μm波長范圍內帶有220個連續光譜波段的高光譜影像。

3 高光譜影像的數據處理

在遙感地質學的研究中，為遂行礦物制圖和地質調查等研究目的，工作人員需要對獲取的高光譜影像進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據處理過程，產出高光譜影像數據的產品，進而實現應用。

3.1 光譜重建

高光譜遙感的光譜重建主要包括傳感器標定，建立坐標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換為可用的地表反射率信號，為后續的高光譜數據處理打下基礎。

傳感器標定利用同一傳感器在實驗室條件下對目標地物成像獲取的光譜數據和該傳感器在空基/天基平臺搭載的條件下對目標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系，進而建立傳感器的點擴散函數和單通道光譜效應函數模型或傳感器標定的理論模型。從而消除傳感器對獲取光譜數據的影響，完成定標。

一般來說，使用高光譜遙感數據的研究人員得到的數據都是已經經過傳感器定標的純輻射數據。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星定位和慣性導航系統，可以準確地給出當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，依托這兩類數據，研究人員可以為光譜影像精確地建立地理坐標系。

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地物光譜的干擾和影響。在經過大氣校正后，傳感器所探測到的輻射信號會被轉化為地表反射光譜信號，從而進行地物分類等地質學研究。

3.2 端元提取

隨著高光譜遙感技術的興起，大量的端元提取技術也隨之蓬勃發展起來。其中較為常用的有空間-光譜協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準進行對比，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據進行對比，并將相似光譜所屬像素標記為相對應的礦物，從而完成礦物的識別分類，生產出光譜礦物圖。

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化為矢量并比較其夾角大小進而完成分類的光譜角法（SAM）；對上述兩光譜進行線性最小二乘法計算并借此完成對比的光譜特征適應法（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據分類方法，但其結果也存在著一定的問題，等待著學者的進一步研究與完善。

4 總結

高光譜遙感地質學正隨著精密光學儀器和計算機技術的進步而快速發展著，截至目前，其主要的研究工作集中在地質制圖方向上，而在地質研究領域中也越來越重視遙感數據，野外數據和地球物理數據的綜合考慮。遙感地質學正在彌合遙感技術與傳統地質學領域的鴻溝，向著多學科交叉領域進一步前進。