岩矿高光谱遥感——矿石的光谱特征

高光谱遥感探矿主要根据矿石的光谱特征进行识别与分类，经研究发现矿石的光谱特征表现在不同种类的矿石具有诊断性的特征吸收峰存在，而决定这些特征吸收峰的因素主要为：（1）电子与晶体场的相互作用；（2）分子的振动过程。以下将对这两部分进行具体阐述。

电子与晶体场的相互作用

晶体场效应和电荷转移：电子在发生跃迁的过程中会吸收或发射特定波长的电磁波，此现象在金属阳离子中较为常见。由下表2-1可见常见金属阳离子光谱特征。

色心与导带跃迁也是影响电子与晶体场相互作用的其余两个方面，但色心和导带跃迁一般发生在卤化物和半导体材料上，本文在此不作过多的讨论。针对本文所要分类识别的矿石材料，其光谱特征主要是由于其内部分子或离子基团的振动过程。

振动过程仅发生于红外光谱域

针对矿石材料，在分子振动过程中会吸收一部分的能量，从而在光谱上形成的特征吸收峰。而由于晶体结构的不同、内部含有元素的不同和受到外部能量激发等因素的影响，会产生不同的基频、倍频、合频的吸收峰；这些由于分子振动而产生的光谱特征均可以作为对其分类的依据。由下表2-2可见常见振动基团的吸收峰。

结合我们所要研究的研究区情况以及，我们将明矾石、高岭石、蒙脱石和玉髓这四种典型矿石确定为研究对象，同时也是我们后续分类识别的研究对象。因我们所使用的高光谱遥感数据的光谱范围为0.4~2.5pum，所以在此范围内产生这四种矿石的光谱吸收分峰的主要原因为分子或离子基团的合频或倍频振动过程7，下面我们将对这四种典型矿石的光谱特征进行具体分析。

（1）明矾石

明矾石（Alunite）是一种硫酸盐矿物，其化学式为KAl3（SO4）z（OH）6，晶体结构为三方晶系，纯净的明矾石为白色，具有玻璃光泽。明矾石因其内部含有钾、铝等元素的存在，被用于工业炼铝和制造钾肥。如下图 2-2所示，其光谱特征主要是由于SO-基团和 OH振动引起的，在1.1pm附近有一个较弱的吸收峰可能是由于SO4-基团的振动引起的，在1.4pum 和 1.9um附近的强吸收峰是由于 OH振动引起的，在2.2um附近的吸收峰可能是由于Al-OH的拉伸振动引起的，2.3pum附近有明显的吸收谷，为合频或倍频引起。

（2）高岭石

高岭石（Kaolinite）是一种硅铝酸盐矿物，其化学式为Al4[Si4O1o]（OH）8，其晶体结构为三斜晶系的层状结构，一般呈白色，但当含有杂质时便呈现米色，具有土状光泽。高岭石可作为耐火材料、建筑材料等，同时它也是制作陶瓷的主要原料。如下图 2-3所示，其光谱特征主要是由于SiO3基团和OH振动引起的，在1.0um附近有一个较弱的吸收峰可能是由于SiO-基团的振动引起的，在1.4pum 和1.9um附近的强吸收峰是由于 OH振动引起的，在2.2m附近有一个明显的强吸收峰可能是由于Al-OH的拉伸振动引起的。这些在1.4um、1.9um、2.2um附近的强吸收峰将作为我们鉴定识别高岭石的主要光谱特征，是我们对其分类的依据。

（3）蒙脱石

蒙脱石（Montmorillonite）是一种硅铝酸盐，其化学式为Al2[SizO1o]（OH）2.nH2O，与高岭石的化学成分十分相似，也被称为微晶高岭石，但其在结构上主要呈八面体形状，也有十六面体的存在，一般呈现玫瑰色或白色，有时带浅红、浅绿色，无光泽。从其化学式含有的结晶水可以看出其吸水性超强，对色素、胶状物及杂质具有强吸附性，可作为精炼石油时的漂白剂，也可作粘结和耐火用途。因其化学式与高岭石相似，所以其光谱特征也与高岭石近似，如下图2-4所示，我们将蒙脱石与高岭石的光谱特征进行比较分析。蒙脱石的强吸收峰主要出现在1.4um、1.9um、2.2um附近，主要是因为SiO3-基团和OH振动引起的；与高岭石不同的是，因蒙脱石的成分中结晶水的存在使得它在1.9um处的吸收峰呈现更具深度的吸收。

在这里通过分析其两者的光谱特征，发现它们的光谱特征呈现出相似性，由此可引出一个问题，即单纯地利用矿石的光谱特征能否有效地将这两者进行分类，这无疑是矿石分类问题的一个难点，后面将针对这样的情况结合分类算法对它们进行分类，以探究不同分类算法的性能。

（4）玉髓

玉髓（Chalcedony）的化学成分为SiO2，它是经过热液蚀变、沉积后产生的，有的玉髓内部可能含有水或气泡，常常被用于制作首饰和工艺品。如上图2-5所示，其光谱特征主要是由于Si-O键的伸缩振动和OH振动引起的，在1.4um和1.9um附近的强吸收峰是由于OH振动引起的，在2.2um附近有一个明显的中强度吸收峰可能是由于Si-O键拉伸振动的合频或倍频引起的。

经分析比较发现，这四种典型矿石实际上属于蚀变岩大类，蚀变岩[18是在火山喷发或板矿运动中，在高温热液中，石英（SiOz）、水、金属元素（如Al、K等）混合发生反应，最终经沉积与风化作用而形成的。如下图2-6所示，这四种典型矿石在0.4-2.5um内的光谱特征相对相似，均在1.4pm附近、1.9um附近由于 OH 和水分子的振动出现了较强的吸收峰，在2.2um附近因不原因也产生了吸收峰，这些吸收峰的位置大致相似，但吸收的强度与曲线走势却又略微有所不同。其中，明矾石较为特殊，在2.3um附近存在一个其他三种矿石所没有的吸收峰特征，此特征可主要作为识别明矾石的依据；玉髓的本质为SiO2，在2.2pum附近虽存在吸收峰，但相对较弱，吸收强度不明显；高岭石与蒙脱石的光谱特征最为相似，但因蒙脱石的成分中结晶水的存在使得它在1.9um附近的吸收峰呈现更具深度的吸收，而在2.2pum附近的吸收峰深度却比高岭石弱了许多。

矿石的光谱特征可作为高光谱遥感矿石分类的依据，给分类识别工作提供了可能性；而对于本文所研究的矿石间存在相似性光谱特征，无疑是对分类算法的一种考验，同时如何保证有效地将光谱存在相似性的矿石分类出来也是值得探究的。