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高光譜對礫巖巖石的分析處理報告-礦業(yè)大學(xué)

瀏覽次數(shù)：949發(fā)布日期：2023-05-05

高光譜成像技術(shù)具有超多波段（上百個波段）、高的光譜分辨率（幾個nm）、波段窄（≤10-2λ）、光譜范圍廣（200-2500nm）和圖譜合一等特點。優(yōu)勢在于采集到的圖像信息量豐富，識別度較高和數(shù)據(jù)描述模型多。由于物體的反射光譜具有“指紋”效應(yīng)，不同物不同譜，同物一定同譜的原理來分辨不同的物質(zhì)信息。

　　物體的光譜特性與其內(nèi)在的理化學(xué)特性緊密相關(guān)，由于物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的差異就造成物質(zhì)內(nèi)部對不同波長光子的選擇性吸收和發(fā)射。完整而連續(xù)的光譜曲線可以更好地反映不同物質(zhì)間這種內(nèi)在的圍觀差異，這也正是成像光譜技術(shù)實現(xiàn)地物精細(xì)探測的物理基礎(chǔ)。

　　第一：光譜分辨率高：探測器各波段光譜帶寬，表示探測器對地物光譜的探測能力，它包括探測器總的探測波譜的寬度、波段數(shù)、各波段的波長范圍和間隔。若探測器所探測的波段越多，每個波段的波長范圍越小，波段間隔越小，則他的光譜分辨率越高。探測器的光譜分辨率高，它取得的圖像能很好地反映出地物光譜性質(zhì)，不同地物間的差別在圖像上能很好地體現(xiàn)出來，探測器探測地物的能力就強。高光譜遙感影像數(shù)據(jù)的一個重要特征是超多波段和大數(shù)據(jù)量，對它的處理也就成為其成功應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。一般礦物質(zhì)的光譜吸收峰寬度為30nm左右，只有利用光譜分辨率小于30nm的傳感器才能夠識別出來。

　　第二：影像光譜合一：

　　主要體現(xiàn)在圖像和光譜同時呈現(xiàn)出來，而且物質(zhì)的特征光譜是連續(xù)的，研究物體的任何一個環(huán)節(jié)的信息都可以通過數(shù)據(jù)建模的方式來進行分析。

圖高光譜數(shù)據(jù)處理分析

　　礦物：具有穩(wěn)定化學(xué)組成份和物理結(jié)構(gòu)，所以礦物的光譜主要取決于光譜吸收的特征，決定因素在于：物質(zhì)內(nèi)電子與晶體場的相互作用，還有分子的振動。

　　土壤的光譜特性：土壤的原生礦物：石英、長石、白云母、少量的角閃石、輝石、磷灰石、赤鐵礦、黃鐵礦等。土壤中的石礫、沙粒幾乎全是由原生礦物組成，多以石英為主。粉粒絕大多數(shù)也是由石英和原生硅酸鹽礦物組成。土壤中的次生礦物主要有一下幾類：1、簡單的鹽類，如碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物等；2、含水的氧化物，如氧化鐵、氧化鋁、氧化硅等；3、次生層狀鋁硅酸鹽，如高嶺石、蒙脫石和水化云母類等。

土壤水分是土壤的重要組成部分，當(dāng)土壤的含水量增加時，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶處1400nm、1900nm、2700nm，反射率的下降尤為明顯。對于植物和土壤，造成這種現(xiàn)象顯然是同一種原因，即入射輻射在水的特定吸收帶處被水強烈吸收所致。

圖低含水量土壤的光譜曲線

圖砂巖光譜反射率隨著水侵入時間的變化

　　土壤質(zhì)地是指土壤中各種粒徑的顆粒所占的相對比例。他對土壤光譜反射率特性的影響，主要表現(xiàn)在兩個方面：

　　1.影響土壤持水能力，進而影響土壤光譜反射率；

　　2.土壤顆粒大小本身也對土壤的反射率有很大影響；

　　對于土壤粒徑較小的粘粒部分，由于其很強的吸濕作用，他在1400nm、1900nm、2700nm等處的水吸收帶異常明顯。隨土壤顆粒變小，顆粒間的空間減少，比表面積增大，表面更趨于平滑，使土壤中粉砂粒的反射率比砂粒高，但當(dāng)顆粒細(xì)至粘粒時，又使土壤持水能力增加，反而降低了反射率。

　　此外，土壤質(zhì)地影響反射特性的因素不僅是粒徑組合及其表面狀況，還與不同粒徑組合物質(zhì)的化學(xué)組成密切相關(guān)。

圖礫巖的RGB圖像R:1112 G:1322 B:1533

　　礫巖未加水時，對反射率校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進行主成分分析處理（PCA）：PCA是用多波段數(shù)據(jù)的一個線性變換，變換數(shù)據(jù)到一個新的坐標(biāo)系統(tǒng)，以使數(shù)據(jù)的差異達到最大。這一技術(shù)對于增強信息含量、隔離噪聲、減少數(shù)據(jù)維數(shù)非常有用。

　　意義：主成分分析法是使用較為廣泛的線形降維方法之一，在許多降維處理中應(yīng)用都很廣泛。主成分分析法將方差的大小作為衡量信息量多少的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為方差越大提供的信息越多，反之提供的信息就越少。其基本思想是通過線形變換保留方差大、含信息多的分量，丟掉信息量少的方向，從而降低數(shù)據(jù)的維數(shù)。降維后每個分量是原變量的線形組合，因此，主成分分析方法本質(zhì)上是一種線形降維的方法。其計算步驟一般分為以下四步：

　　1）對原始數(shù)據(jù)樣本集合進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

　　2）計算標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)矩陣的協(xié)方差矩陣，并對其進行正交分解，得出主成分分量。

　　3）計算各主成分的累計貢獻量，根據(jù)要求的貢獻率閾值選取主成分。

　　4）針對選取的主成分建立主成分方程，計算主成分值。

　　PCA把原自變量映射為含絕大部分信息的少數(shù)潛變量，再用線性的最小二乘法確定這些潛變量系數(shù)，建立潛變量和因變量的回歸方程后再轉(zhuǎn)換為原自變量和因變量的回歸方程。其壓縮自變量的效率高，但其映射過程和因變量無關(guān)，因而其預(yù)測精度也難達到很高。

　　Savitzky-golay （數(shù)字平滑與濾波）

　　給數(shù)據(jù)以不同的權(quán)重，獲得更為有效的數(shù)據(jù)平滑，是基于最小二乘原理，能夠保留分析信號中的有用信息，消除隨機噪聲的有效地數(shù)據(jù)平滑方法，利用高次多項式進行數(shù)據(jù)平滑，其實就是一種去卷積運算。

　　由于光譜儀采集得到的光譜信號中既包含實驗所需的有用信息，同時由于儀器精密度等原因帶來隨機噪聲，常用的消除噪聲的方法Savitzky-Golay(SG)卷積平滑法，通過多項式來移動窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進行多項式最小二乘擬合信號平滑，既消除噪聲又保留了光譜輪廓。由于各個樣本間分布不均勻、樣本大小不一樣、樣本表面散射及光程變化等都會產(chǎn)生散射影響，采用多遠(yuǎn)散射校正（multiplicative scatter correction，MSC）的方法可以有效的消除這些散射影響。另外，導(dǎo)數(shù)光譜可以有效的消除基線和其他背景干擾，分辨出重疊峰，提高靈敏度和分辨率。針對光譜采集過程中可能存在的噪聲來源，分別利用MSC和SG卷積求導(dǎo)方法的不同組合對光譜數(shù)據(jù)進行與處理。

　　獲取并比較經(jīng)歷以下時間段后，礫巖在吸收水分后，其礫巖的整體影像表現(xiàn)變化。水在巖石或者礫巖在近紅外波段900nm-2500nm波段都表現(xiàn)出強的吸收，上面已經(jīng)敘述。

　　此次試驗采用的相機光譜波段為900nm-1700nm，水的吸收帶主要集中體現(xiàn)在1400nm左右，而礦物巖石的光譜特征主要集中體現(xiàn)在2000nm-2400nm波段范圍內(nèi)。

　　下圖為礫巖在未接觸水時，其礫巖經(jīng)過主成分分析（PCA）、Savitzky-golay （數(shù)字平滑與濾波）、多遠(yuǎn)散射校正（multiplicative scatter correction，MSC）的方法處理后，在主成分PC-3狀態(tài)下的影像表現(xiàn)。

圖礫巖未加水（PC3）

　　同樣，選取整個礫巖數(shù)據(jù)采集的10個樣本，時間分別為：11:08、11:17、11:20、11:27、12:00、12:30、12:58、13:36、13:57、14:35共計10個時間段的高光譜影像與未加水的礫巖影像比較。

　　礫巖在未吸收水時，其整體表現(xiàn)出相同的狀態(tài)。而當(dāng)?shù)[巖開始吸收水分以后，從其礫巖與水接觸部位開始，直至吸收看似包含為止。在此過程中，礫巖表現(xiàn)出非常明顯的對水吸收的一種狀態(tài)。

　　下圖中，從右到左，能夠看出礫巖隨著時間的變化，礫巖在不斷的吸收水分，顏色越深，而且越多，說明此區(qū)域吸收水分越明顯，礫巖表現(xiàn)處理的信息是，整個礫巖在不同程度的吸收著水分，而不是單個的粒狀成分。

　　之前給您提供的數(shù)據(jù)分析報告，是借助其中一個顆粒來分析其隨著時間的變化，同一顆粒在吸收水分后其表現(xiàn)出來的特征光譜變化。

11：08 11:17

11:20 11:27

12:00 12:30

12:58 13:36

13:57 14:35

　　其光譜變化，我在這里不再進行詳細(xì)的分析，因為礫巖上的每一個像素或者每一個礫巖顆粒均可在高光譜里面作為有效的研究對象。

　　這樣是高光譜非常重要的一個技術(shù)優(yōu)勢：把圖像和光譜結(jié)合在一起，一次可以進行大量的數(shù)據(jù)采集，對研究物體或者物質(zhì)整體宏觀表現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用非常的有效，而且也非常的直觀。其他技術(shù)可能在光譜精度上存在一定的優(yōu)勢，但他們不可能一次性的采集如此多的數(shù)據(jù)和影像，精度的分析可以借助分析手段來提供。