基于岩石光谱吸收特征的白云母含量反演

岩石是由多种矿物组成,其反射率光谱吸收特征与矿物含量之间存在紧密联系,矿物光谱在特定波段处的光谱吸收特征是定量估算含量的重要指标之一。为提升岩石光谱吸收特征定量反演矿物含量的准确度与精度,以白云母为研究对象,分析岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征及其白云母含量,采用Savitzky-Golay平滑滤波和连续统去除法对岩石光谱反射率进行处理,进而提取光谱吸收特征参数（吸收深度、吸收宽度、吸收面积）,分析岩石光谱在2.2 μm附近吸收特征与白云母含量之间的相关性。研究中采用单一吸收特征建立统计模型、多维吸收特征建立偏最小二乘法（PLS）和多层感知器（MLP）模型,对岩石中白云母含量与光谱吸收特征参数进行分析,进而提出一种非线性预测岩石中矿物含量的方法。研究结果表明,岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征中,吸收深度与白云母含量之间的相关性最高。基于单一吸收特征的统计模型中,二次曲线模型对吸收深度拟合的效果最佳,R2为0.935 0,RMSE为0.063 0,岩石光谱的吸收深度随白云母丰度满足二次曲线变化,岩石中白云母的含量越高,岩石光谱吸收深度值越大;基于多维光谱吸收特征的PLS模型相较于MLP模型拟合的效果更佳,其R2为0.947 7高于MLP的0.901 2,RMSE为0.002 7低于MLP的0.005 1;整体上,多维模型优于单一维度模型,PLS模型反演能力最佳,该模型在预测白云母含量上具有运算量小、精度高的特点。通过分析岩石在诊断特征处的光谱吸收特征,为其矿物组分的含量等进行定量反演提供理论参考,为矿产资源监测与评估提供快速高效便捷的方法。     

一种月壤主要矿物组分含量反演的光谱解混方法

从月壤光谱中挖掘矿物含量信息是月球遥感探测的重要内容之一,矿物光谱混合规律复杂,光谱特征对测试环境、粒度、地形、背景极为敏感是难点。提出并试验了一种基于光谱分解反演矿物含量的方法。在光谱分解前采用光谱连续统去除突出光谱谱形,分解中综合运用了光谱反射峰(介于两个吸收谷之间的光谱曲线向上凸起的部分)与吸收谷,分解后采用Hapke模型修正光谱非线性混合的影响,在混合端元光谱、端元化学成分与粒度未知情况下,实现了对月壤四种主要矿物橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石的43条混合光谱的盲分解与矿物含量反演,反演的残差、误差、线性拟合相关系数(反演含量与真实含量)均值分别为5.0 Vol%,14.4 Vol%,0.92。该方法与反演结果可为月球高光谱矿物识别与填图提供参考与依据。     

比值导数法矿物组分光谱解混模型研究

矿物丰度含量的精确分析是高光谱遥感技术定量分析中的难点。将化学领域的比值导数光谱算法进行总结,将其引入遥感反射率光谱分析,提出了基于线性光谱混合模型的比值导数光谱解混模型,并利用石膏和绿帘石粉末混合物进行了模型的精度分析。实验结果表明,矿物粉末混合物在不同波段其光谱混合特性有所不同,其中部分波段有较强的线性混合特征。采用部分强线性混合波段进行光谱解混,可以取得比全波段解混算法更好的结果。比值导数法光谱解混模型简洁,可以得到高精度的矿物成分反演结果,对于固定端元组成的混合光谱定量分析有较大潜力。     

水稻分蘖期无人机高光谱影像混合像元特征分析与分解

开展水稻无人机高光谱解混,获取水稻植株的高光谱反射率信息,对于提高水稻理化参量的反演模型精度具有重要意义。目前大多基于高光谱遥感影像自身数据进行解混,运用算法模型进行高光谱数据解混,将高光谱图像和可见光图像进行优势互补,提出一种基于无人机高清影像与高光谱遥感影像融合的稻田无人机高光谱解混方法,解决单一数据局限性问题,增强光谱数据对地物的描述能力。为了更好的计算端元丰度,将同一目标区的高清数码正射影像与无人机高光谱遥感影像利用经纬度信息进行空间配准,使得不同传感器获得的图片在几何位置上对齐,通过SVM分类器的监督分类方法对可见光的数码正射影像进行地物分类,利用地物分类的结果对应高光谱的一个像元,从而得到一个像元内的端元丰度。设相邻区域内的水体端元是相同的,利用线性解混模型（LSMM）对相邻区域的混合像元进行解混,最终获取水稻高光谱反射率信息。结果表明对两种图片进行空间配准丰富了数据源信息,有利于像元的端元丰度计算,其中水稻端元丰度在70%以上解混效果最好,丰度在50%以上解混效果一般,丰度在30%以下解混效果较差;选择监督分类方法进行地物分类,精度达到99.5%,面向对象方法分类精度为98.2%,监督分类方法优于面向对象分类方法;最终得到的混合像元分解反射率高于原混合像元反射率,减少了水体混合部分对光谱数据的影响,使得分解后水稻的光谱反射率更加准确,为水稻理化参量无人机成像高光谱遥感反演提供更加准确的科学依据。     

火成岩光谱吸收深度与矿物组分黑云母含量关系研究

岩石的矿物组成成分是影响其反射光谱特征的主要因素之一,是产生各类岩石特征谱带的重要原因。本文选择美国喷气推进实验室提供的岩石样本(包括组成岩石样本的各类矿物百分含量和用Analytical Spectral Devices (ASD)地物光谱仪测得0.35～2.50 μm波长范围内岩石样本光谱反射率)、岩石所包含的各类矿物的光谱反射率为基础数据,根据岩石和所含矿物的光谱线性混合模型,首先进行了岩石及其矿物成分线性混合模拟实验,实验结果表明基于线性混合光谱理论的岩石矿物模拟模型能够较好的模拟岩石光谱曲线,并且能够保留各个矿物组分的吸收特征。然后从火成岩的岩石光谱中选出含有黑云母矿物的八个样本,研究岩石样本中黑云母含量及其在2.332 μm处反射光谱吸收深度的特征,用线性和非线性等多种常用统计模型拟合了岩石光谱吸收深度与矿物组分黑云母含量之间的响应关系,最后本文将增长型(Growth)和指数曲线型(Exponential)两个模型相结合获得新的拟合模型,利用该模型拟合了岩石光谱吸收深度与矿物组分黑云母含量之间的统计响应关系,拟合结果表明二者的相关系数达到0.998 4,标准偏差为0.57 2,虽然利用Growth和Exponential模型拟合的标准偏差小于两个模型结合后的新模型拟合的标准偏差,但新模型的相关系数有了显著提高,这说明新模型拟合效果更接近样本的实测值。     

火成岩光谱吸收深度与矿物组分黑云母含量关系研究（英文）

岩石的矿物组成成分是影响其反射光谱特征的主要因素之一,是产生各类岩石特征谱带的重要原因。本文选择美国喷气推进实验室提供的岩石样本(包括组成岩石样本的各类矿物百分含量和用Analytical Spectral Devices(ASD)地物光谱仪测得0.35~2.50μm波长范围内岩石样本光谱反射率)、岩石所包含的各类矿物的光谱反射率为基础数据,根据岩石和所含矿物的光谱线性混合模型,首先进行了岩石及其矿物成分线性混合模拟实验,实验结果表明基于线性混合光谱理论的岩石矿物模拟模型能够较好的模拟岩石光谱曲线,并且能够保留各个矿物组分的吸收特征。然后从火成岩的岩石光谱中选出含有黑云母矿物的八个样本,研究岩石样本中黑云母含量及其在2.332μm处反射光谱吸收深度的特征,用线性和非线性等多种常用统计模型拟合了岩石光谱吸收深度与矿物组分黑云母含量之间的响应关系,最后本文将增长型(Growth)和指数曲线型(Exponential)两个模型相结合获得新的拟合模型,利用该模型拟合了岩石光谱吸收深度与矿物组分黑云母含量之间的统计响应关系,拟合结果表明二者的相关系数达到0.998 4,标准偏差为0.57 2,虽然利用Growth和Exponential模型拟合的标准偏差小于两个模型结合后的新模型拟合的标准偏差,但新模型的相关系数有了显著提高,这说明新模型拟合效果更接近样本的实测值。     

基于实测端元光谱的多光谱图像光谱模拟研究

地物光谱特性是遥感应用的基础。然而,在基于野外实测端元光谱的遥感应用中,由于测量尺度不同,导致同一地物光谱形态和反射率值存在很大差异,为遥感信息的定量反演带来困难。文章以新疆塔里木盆地北缘渭干河-库车河绿洲为研究区,选取裸土、植被两类地物作为研究对象,首先通过AVNIR-2传感器的光谱响应函数,实现了将野外实测端元光谱拟合为多光谱离散光谱,通过实例数据表明,拟和的多光谱与AVNIR-2像元光谱具有很好的相关性,在此基础上,采用线性算法建立端元光谱与遥感图像像元光谱的转换模型,实现了从实测端元光谱尺度向遥感多光谱像元尺度的定量光谱转换,为遥感定量分析奠定了一定基础。     

基于改进光谱特征拟合算法的高光谱数据矿物信息提取

根据光谱特征拟合算法在实际应用中存在的问题,介绍一种改进光谱特征拟合算法,该算法综合常规的特征拟合处理和地物光谱吸收特征参量约束为一体,能更细致地进行高光谱数据地物信息提取.实验基于不同空间分辨率和信噪比的高光谱数据,编程实现改进光谱特征拟合算法对实验区的白云母、方解石、绿泥石等蚀变矿物信息提取,与常规光谱特征拟合和光谱角制图处理结果的比较分析发现改进算法在矿物混淆区分、信息提取精细度上均得到提高,有较强的实用性.     

唐卡主色矿物颜料光谱分析

唐卡作为一件艺术品,具有较高的历史价值和艺术价值。对唐卡的矿物颜料进行鉴别分析,对唐卡的鉴定、修复、数字化存档、再现等具有非常重要的意义。该研究对唐卡主色矿物颜料进行体系性的光谱分析,选用唐卡绘制过程中5种主色常用的矿物颜料,深入分析矿物颜料的可见光、近红外、短波红外光谱特征产生机理,总结了不同色系矿物颜料可见光、近红外、短波红外谱段光谱特征。通过分析同一矿物颜料粉末、调和骨胶颜料以及颜料上布色卡光谱特征,发现粉状颜料调和骨胶后,反射率整体下降,在1 447和1 928 nm附近出现两个水的强吸收特征。而当骨胶溶物涂绘上布后,随着膏状颜料中水分的减少,上述两个吸收特征均变弱,个别颜料在1 447 nm处的吸收特征甚至消失。因此,矿物颜料粉末和颜料上布色卡光谱极为接近,可以在后期的唐卡颜料分析中直接利用唐卡矿物颜料粉末光谱进行匹配分析。唐卡红色矿物颜料为朱砂,矿物成分主要为HgS,其光谱在可见光波段先降后升,500 nm附近形成一个较深的吸收特征,且吸收峰较宽（430～530 nm）,红光谱段附近反射率急速升高,近红外波段反射率变化较为平直,在1 940和2 250 nm附近有弱吸收特征。唐卡黄色矿物颜料主要有三种：土黄（雄黄、雌黄）,赭石及金箔,主要成分分别为硫化砷、氧化铁及金。其特征光谱在可见光谱段集中在400～500 nm之间,不同颜料的吸收特征位置和吸收深度均不同。赭石在近红外波段的反射率整体较低,且860 nm附近还出现了吸收特征;而雄黄、雌黄和土黄则在近红外和短波红外谱段表现出反射率较高且波形平直,在1 890和2 230 nm附近有弱吸收特征;金箔在可见光波段的吸收特征窄浅,可作为区分的依据。唐卡蓝色矿物颜料为石青,主要矿物成分为蓝铜矿,其光谱在500～1 000,1 500,2 040,2 285和2 350 nm附近均有较强吸收特征,而在1 885和1 980 nm处有弱吸收特征。唐卡绿色矿物颜料为石绿,主要矿物成分为孔雀石,其光谱在550～1 000 nm有较强的宽吸收特征,在2 270和2 350 nm有明显吸收特征。尽管石青和石绿主要矿物成分皆为碳酸铜,但石绿在900～1 900 nm红-近红外谱段反射率增加较缓,1 500 nm无吸收特征,可以作为区分石青和石绿的依据。唐卡白色矿物颜料为砗磲和白土,主要矿物成分分别为碳酸钙和高岭土。在可见光谱段范围,砗磲在370 nm有弱吸收特征,而白土则在370和730 nm处有两个明显的吸收特征,可作为区分。在短波红外和近红外谱段,白土在1 425,1 930和2 230 nm均具有明显吸收特征,砗磲则在1 930和2 320 nm有明显吸收特征,1 440 nm处吸收特征较弱。且同种矿物颜料粉末,矿物粉末颗粒越大,颜料颜色越深,其光谱特征反射率越低。     

基于高光谱影像的干旱区草地光谱特征分析

基于石羊河流域金昌地区Hyperion高光谱影像,通过FLAASH大气校正,利用纯像元指数法提取草地波谱信息,并运用光谱一阶微分法和连续统去除法进行定量化处理。结果表明,相对于生长旺盛期的草地光谱特征,衰退期草地光谱红边左移,斜率降低,蓝边、黄边特征减弱,可见光波段反射值较高,近红外波段反射率较低;不同覆盖度草地的红边、绿峰、蓝光和红光吸收谷位置保持一致,可见光波段的光谱吸收特征(波段深度、宽度、面积、对称性)随覆盖度的增大呈有规律的变化,可作为提取或判定植被覆盖度的依据。     

雪-土混合像元微观/宏观尺度光谱混合机制差异分析

为探索微观和宏观尺度下混合像元光谱混合机制的差异,在人工设置试验环境下,以人工制作雪-土混合像元表征微观尺度混合像元,固定全波段光谱仪探头距离,完成不同面积比的雪-土混合像元和雪、土端元反射光谱的采集,并对采集得到的光谱数据进行全波段反射光谱、350～2 500 nm归一化反射光谱和剔除噪声后350～1 815 nm再归一化反射光谱数据定性定量分析。同时,分析同期MODIS和环境与灾害监测卫星B星(HJ-1B CCD/IRS)影像中可见光、近红外和短波红外通道反射率相关性及MODIS影像中雪-土混合像元光谱与端元光谱的关系。结果表明;(1)微观尺度时,全波范围内混合像元反射光谱与端元光谱存在非线性关系,分波段范围内存在线性关系;(2)宏观尺度时,可见光范围内,CCD 1,2,3通道与MODIS 3,4,1通道相关系数在0.76～0.89间;短波红外范围内,IRS通道2与MODIS通道6相关系数为0.35。(3)MODIS影像中雪-土混合像元光谱与端元光谱关系为混合像元与雪端元光谱间正线性相关,与裸土端元光谱负线性相关。     

一种稀疏约束的图正则化非负矩阵光谱解混方法

由于受到高光谱遥感图像传感器平台的限制,图像的空间分辨率受到一定影响,这导致高光谱遥感图像的像元通常是多种地物的混合, 也叫做混合像元。混合像元的存在制约了高光谱遥感图像的准确分析和应用领域。采用高光谱解混技术可将混合像元分解为纯净的物质光谱（Endmember, 端元）和每种物质光谱所对应的混合比例（Abundance, 丰度）,为获取更多更精细的光谱提供了可能。这对高精度的地物分类识别、目标检测和定量遥感分析等研究领域具有重要的意义。因此,解混技术成为高光谱遥感图像领域的一个研究热点。基于线性光谱混合模型(linear spectral mixing model, LMM),提出了一种端元丰度联合稀疏约束的图正则化非负矩阵分解（endmember and abundance sparse constrained graph regularized nonnegative matrix factorization, EAGLNMF）算法。该算法通过研究基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization, NMF)的方法,结合图正则化理论来考虑高光谱数据内部的几何结构,将端元光谱稀疏约束和丰度稀疏约束应用于其中,从而能够对高光谱数据的内部流形结构进行更为有效的表达。首先,构造了EAGLNMF算法的损失函数,采用VCA-FCLS方法进行初始化,然后,设定相关参数,包括图正则化权重矩阵参数、端元光谱稀疏约束因子和丰度矩阵稀疏约束因子,最后,通过推导得到了端元矩阵与丰度矩阵的迭代公式,并且设置了迭代停止条件。该方法不受图像中是否有纯像元的限制。实际上,在现行高光谱遥感传感器平台情况下,高光谱遥感图像中几乎不存在纯像元,因此,EAGLNMF方法为高光谱遥感图像的实际应用提供了一种思路。采用合成的高光谱数据,构造了4个实验来分析该方法的可行性和有效性,实验将该算法与VCA-FCLS,标准NMF及GLNMF等经典的解混算法进行比较,通过光谱角距离(spectral angle distance, SAD)和丰度角距离(abundance angle distance, AAD)这两个度量标准来进行比较。实验1是总体分析实验。在固定的信噪比和固定端元数目的情况下,用以上三种经典方法与EAGLNMF同时进行解混。实验2是SNR影响分析实验。在固定端元数目和不同信噪比的情况下,用这四种方法进行解混。实验3端元数目分析实验。在固定信噪比和不同端元数目的情况下,用四种方法进行解混,并且将结果进行对比。实验结果发现提出的EAGLNMF方法在提取端元精度和估计丰度精度上都更为准确。同时,实验4是稀疏因子分析实验。对端元稀疏约束和丰度稀疏约束之间的影响因子进行分析,实验结果表明引入的端元稀疏约束对于解混结果也具有较好的影响,并且端元稀疏约束和丰度稀疏约束之间的影响因子也对解混结果具有一定影响。最后,将该算法应用于AVIRIS所采集的真实高光谱图像数据,将其解混结果与美国地质勘探局光谱库中光谱进行匹配对比,其提取的平均端元精度相比于其他三种方法要稍好。     

基于光谱分类的端元提取算法研究

目前成熟的端元提取算法是基于单形体几何学的像元纯度指数(PPO)算法,N-FINDR,VCA等算法.这些算法从图像所有像元中提取纯光谱,具有提取速度慢、精度不高的缺点;部分算法需要进行光谱降维,不利于小目标信息的提取.该文提出先利用基于空间特征的光谱分类算法进行分类,将格个图像划分成空间相邻、光谱相似的若干类,每一类的...     

兴城地区岩石光谱特征与物性参数、金属元素间响应关系研究

岩石物性参数、元素含量和光谱特征三者之间的相互关系并非独立存在, 研究三者之间的相互关系,对于探索通过遥感信息进行岩石矿物成分、物性参数的定量反演方法奠定基础。采集了兴城地区590块岩样本,分析其物性参数（密度、介电常数、电阻率、磁化率）、金属成分含量（Fe, Ti, V, Mn, Zr, Co, Zn, Nb, Bi, Pb）以及岩石光谱之间的关系。将各物化参数与原始光谱、光谱吸收深度、光谱小波包分解后的高低频做相关性分析,找出各物化参数影响光谱吸收和反射的特征波段,探究关系密切的参数。该研究为岩石岩性分类、某种金属元素和物理特性的反演以及用某种参数来预测关系密切的参数奠定了基础,取得如下结论：（1）获得了火成岩中Fe,Ti,Mn,V,Zn,Bi和Pb等元素的特征谱带,其中Fe元素含量更高,与光谱的相关性更显著。在0.4和0.54 μm波段附近存在Fe的特征反射波段,1.0~1.5 μm波段范围内存在Fe元素的特征吸收波段;在0.4~0.55和0.6~0.65 μm波段范围内,Ti元素与光谱的相关性更显著,在2.28 μm波段附近存在Ti的特征吸收波段;在0.41 μm波段附近存在Mn的特征反射波段;火成岩、沉积岩V元素与光谱相关性差异性较大,在0.76,0.81,0.89,0.95 μm波段附近可能存在火成岩的特征吸收波段和沉积岩的特征反射波段;沉积岩的Zn元素含量与光谱的相关性比火成岩要显著,在0.41,1.36,1.59 μm波段附近可能存在火成岩Zn的特征反射波段,在2.34 μm波段附近可能存在沉积岩Zn的特征波段;2.14 μm波段附近,Bi元素对沉积岩光谱的吸收有一定的作用;Pb的特征谱带可能存在于0.45,0.54,2.29 μm附近;（2）在岩石各物理特性和光谱的关系研究中,在0.57~0.85 μm波段范围内,密度对光谱有很好的吸收反射特征,在0.53 μm波段附近,磁化率使光谱有较强的反射,在1.08 μm波段附近,磁化率使光谱产生较强的吸收;电阻率和光谱的相关关系与密度和光谱的相关关系极为相似;（3）在岩石各物性参数间的关系中发现,密度和电阻率呈显著正相关的关系;（4）在岩石各物性参数与金属元素的关系中研究发现,密度与各金属元素相关性较弱;磁化率与Fe和Ti元素呈显著的正相关关系;电阻率与各金属元素间的相关关系较弱;介电常数与各金属元素含量呈正相关关系,其中与V,Zn,Bi元素的相关关系最显著;（5）在金属元素间,Fe与Ti有较显著的正相关关系,Ti与Fe,V元素间有较强的正相关关系,Zn和Pb存在较强的正相关。     

光谱最小信息熵的高光谱影像端元提取算法

端元提取是混合像元分解的关键,研究其算法在高精度的地物识别、丰度反演和定量遥感等方面具有重要意义。通过研究高光谱遥感影像光谱特征,结合信息熵理论,应用高斯分布函数,建立了一种新的高光谱影像端元提取算法,即光谱最小信息熵(spectral minimum shannon entropy,SMSE)算法。将该算法应用于AVRIRS高光谱影像的端元光谱提取,并经过与美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)波谱库中的数据匹配,得知其提取端元的精度较高。同时,通过与经典的纯净像元指数(pixel purity index,PPI)和连续最大角凸锥(sequential maximum angle convex cone,SMACC)等端元提取算法进行实验比较和结果综合分析,发现光谱最小信息熵算法提取端元光谱效率更高、精度更好。此外,分别利用SMACC和SMSE提取Hyperion高光谱影像端元,得出SMSE的端元提取效果好于SMACC,从而可认为SMSE算法具有一定普适性。     

Study on the Relationship between the Depth of Spectral Absorption and the Content of the Mineral Composition of BiotiteSCIEI北大核心CSCD

The mineral composition of rock is one of the main factors affecting the spectral reflectance characteristics, and it' s an important reason for generating various rock characteristic' spectra. This study choose the rock samples provided by Jet Propulsion Laboratory (JPL) (including all kinds of mineral percentage of rocks, and spectral reflectances range from 0. 35 to 2. 50 Elm wavelength measured by ASD spectrometer), and the various types of mineral spectral reflectances contained within the rocks are the essential data. Using the spectral linear mixture model of rocks and their minerals, firstly, a simulation study on the mixture of rock and mineral composition is achieved, the experimental results indicate that rock spectral curves using the model which based on the theory of the linear mixture are able to simulate better and preserve the absorption characteristics of various mineral components well. Then, 8 samples which contain biotite mineral are picked from the rock spectra of igneous, biotite contents and the absorption depth characteristics of spectral reflection at 2. 332 tan, furthermore, a variety of linear and nonlinear normal statistical models are used to fit the relationship between the depth of absorption spectra and the content of the mineral composition of biotite, finally, a new simulation model is build up with the Growth and the Exponential curve model, and a statistical response relationship between the spectral absorption depth and the rock mineral contents is simulated by using the new model, the fitting results show that the correlation coefficient reaches 0. 998 4 and the standard deviation is 0. 572, although the standard deviation using Growth and Exponential model is less than the two model combined with the new model fitting the standard deviation, the correlation coefficient of the new model had significantly increased, which suggesting that the new model fitting effect is closer to the measured values of samples, it proves that the simulation results of new model is closer to the measured value.