有机和无机国画颜料漫反射光谱和吸收光谱特征研究

国画颜料解混一直是古画颜料研究的重要内容,其中光纤反射光谱（FORS）是无损化探测颜料类别的常用手段。通过CCD光纤光谱系统,从光谱线型对国画颜料进行了分类,分别探测了两种有机植物颜料藤黄和胭脂在不同比例混合下的漫反射光谱与吸收光谱,并获取了不同色系无机矿物质颜料混合后的漫反射光谱。分析了单一颜料和混合颜料的光谱特征峰值,运用多元线性回归（MLR）以及一阶导数光谱法（FDS）,通过全波段线性解混获得了各组分颜料的比例。经过实验与理论分析,藤黄与胭脂的漫反射光谱为S型,混合颜料一阶导数光谱中两特征峰的位置分别为536和649 nm,在漫反射光谱中多元线性回归基本适用于该混合颜料的解混并显示出一定的线性规律,但无法精确地解混。而混合颜料的吸收光谱与单色光谱之间存在较好的线性关系,解混误差在5%左右。无机矿物质颜料中的漫反射光谱有S型（石黄和赭石）和钟型（石青和石绿）两种。首先,对于S型（石黄）与S型（赭石）混合颜料漫反射光谱,赭石的一阶导数光谱出现明显的“三峰”现象,并且混合颜料一阶导数光谱在534 nm处出现新的特征峰。多元线性回归理论虽适用于该混合颜料的解混,但由于不同颜料解混的权重因子不同,无法形成较为精准的线性模型。其次,对于S型（赭石）与钟型（石绿）混合颜料的反射光谱需要多元线性回归与导数光谱法共同判断混合比例的基本趋势,该光谱在400～800 nm范围内仅有一个交叉点。最后,利用钟型（石青）与钟型（石绿）混合颜料反射光谱的特征峰位置,即可判断出颜料混合比例的特征,随着混合比例的变化,反射光谱特征峰在457～524 nm出现了明显的横向移动,并且混合颜料光谱的峰值强度有明显的减弱。     

利用地表土壤的反射光谱勘探油气的方法研究

反射光谱分析提供了一种高效和低成本的鉴别物质成分和结构的方法,油气微渗漏理论则建立了油气藏与其上部地表特定蚀变之间的因果关系,因此,可以通过检测地表蚀变的反射光谱来勘探油气。野外实地测量和高光谱遥感均能够实现反射光谱的检测。文章首先提出了典型含气区测点的光谱曲线的宏观特征;然后,给出了一种基于野外测量的反射光谱来确定特定蚀变的地表分布(即分类)的方法。将本方法应用于青海××地区野外测量的反射光谱的分析中,得到的蚀变异常区与该地区的已有气田成功吻合。本方法的鲁棒性实验表明,当分类过程中选用不同的参数组合(例如：分类样本,研究波段范围和相似度阈值)时,均能得到较好的分类结果。为该地区进行中的Hyperion高光谱遥感油气勘探项目提供了有效的分类样本和参考算法。     

基于Top-Hat变换的高光谱吸收特征增强方法

对地物高光谱进行特征分析是高光谱影像用于目标识别和地物分类的基础.基于数学形态学的Top-Hat变换提出了一种光谱吸收峰增强算法.该方法在增强吸收峰的同时还保持了吸收谱带的波形特征.从美国地质调查局USGS光谱数据库选取的11条不同矿物的反射光谱曲线,对其吸收峰增强曲线和原始光谱曲线进行了K-means聚类分析.结果表明:吸收峰增强曲线的聚类结果在波形上和地质背景上都优于原始光谱曲线;且将吸收峰增强曲线的聚类的结果用矿物光谱的ASTER影像采样光谱曲线显示时,能总结出各组矿物的ASTER光谱典型特征.说明吸收峰增强曲线很好地增强了矿物光谱的吸收特征,提高了高光谱的可分性,同时还能为基于多光谱数据的遥感信息提取提供参考,是十分有用的高光谱分析方法.     

基于离散极大值法的太赫兹光谱特征吸收峰提取方法

太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间,具有指纹特性、安全无损、强穿透性等特点,因此太赫兹光谱技术在药品成分和组成检测领域具有广泛应用价值。针对高纯度物质识别研究中存在部分弱吸收峰不易识别,以及混合物的太赫兹光谱中吸收峰强度降低而导致吸收峰位信息模糊化的问题,提出了一种基于离散极大值法的光谱吸收峰位识别方法,即伴随拐点法。伴随拐点法首先利用目标检测物太赫兹吸收系数谱图的一阶和二阶导数确定吸收峰位的伴随拐点和基线谱,其次将原始吸收光谱与基线谱进行差分运算得到差谱,最后根据离散极大值法确定吸收峰位,从而实现特征吸收峰的识别。为验证伴随拐点法的有效性,采用伴随拐点法对四种硝基呋喃类样品光谱进行吸收峰提取,并将吸收峰位识别结果与仿真结果进行比较。实验结果证明,伴随拐点法能有效识别目标检测物的强吸收峰和弱吸收峰。该方法不仅在含峰目标物的太赫兹特征吸收峰识别问题中具有广泛的应用前景,还适用于其他光谱的谱峰峰位检测。     

典型红树林反射光谱特征分析研究

获取红树林的反射光谱属性,探测其反射光谱特征波段,可为红树林各种指标的遥感反演模拟和估算提供技术依据。以广西山口红树林保护区典型红树林为研究对象,对美国ASD FieldSpec 2光谱仪实测的反射光谱曲线进行去噪平滑处理,获得木榄、红海榄、秋茄、白骨壤、桐花树、大米草和泥滩的标准反射光谱曲线并分析其反射光谱特征。结果表明：典型红树林反射光谱与大米草和泥滩的反射光谱区分明显,红树林类内反射光谱曲线走向大致相同,峰谷值出现波段基本一致,差异主要表现在特征波段反射峰值和谷值。采用空间距离法、相关系数法和光谱角度制图法来定量描述红树林类内反射光谱差异性和相关性,通过样本验证区分方法精度,相关系数法>光谱角度制图法>空间距离法,发现红树林类内和大米草的反射光谱相关系数均>0.995,反射光谱夹角余弦值均>0.95,相似性强,差异小。     

基于高光谱技术建筑反射隔热涂料光谱特征减损规律的分析

受太阳辐射、气象等外界不可控因素的影响,建筑反射隔热涂料的反射隔热性能会逐渐减损。建筑反射隔热涂料性能在时间维度的变化是评价建筑在特定时段内节能效果的关键基础数据,明确建筑反射隔热涂料性能在时间维度的减损规律具有重要的现实与理论意义。建筑反射隔热涂料的反射、吸收特征是其性能的直观体现,借助高光谱技术定量分析涂料反射、吸收特征可正确揭示涂料性能在时间尺度的变化特征。为研究分析建筑反射隔热涂料性能在时间尺度上的减损规律,该研究利用高光谱技术,联合进行室内与外置实验采集涂料样本不同时期的光谱数据,并结合吸收峰深度、图谱分析法等光谱处理方法,定量分析涂料光谱反射特征、吸收特征在时间维度的变化特征,以研究分析涂料光谱反射率在外界环境影响下的减损规律。研究结论如下：(1)在350～2 250 nm波段区间内,建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的增加而降低;光谱反射率的降低幅度在1月—5月内呈增加趋势,而在5月—10月内呈递减规律,且光谱反射率在可见光区间的降低幅度明显高于近红外区域。(2)建筑反射隔热涂料的吸收峰深度随时间的增加而降低,降低幅度在0～0.163范围内。(3)涂料厚度对涂料光谱反射率...     

重金属污染水稻的冠层反射光谱特征研究

利用野外光谱仪获取矿区农田重金属污染水稻的冠层反射光谱,通过曲线模拟和统计分析提取了与水稻冠层叶片重金属含量变化极显著相关的光谱敏感波段(Pb, 460 nm;Zn, 560 nm;Cu, 660 nm;As, 1 100 nm)、归一化植被指数(Pb, NDVI_{(510, 810)};Zn, NDVI_{(510, 870)};Cu, NDVI_{(660, 870)};As, NDVI_{(510, 810)})和“红边”位置等水稻冠层反射光谱特征。表明水稻重金属污染可以被地面遥感传感器快速检测,其浓度变化与所提取的光谱特征之间存在极显著相关,归一化植被指数与“红边”位置对光谱信息的表达要优于敏感波段。归一化植被指数以及“红边”位置可以作为水稻重金属污染遥感监测模型的光谱特征参数选择参考。同时,文章提出了利用遥感技术监测水稻重金属污染的“光谱临界值”概念, 并计算出研究中各重金属对应的“光谱临界值”。     

喷墨打印半色调混合像元的反射光谱形态特征研究

对不同的半色调混合像元比例通过彩色喷墨打印机输出后的光谱反射率曲线的光谱形态特征进行了研究。选择反射光谱形态指标,分析了125组不同半色调混合比例下光谱混合像元反射光谱形态指标的变化规律。研究结果表明,半色调混合元的光谱形态指标与半色调混合像元的比例间存在明显的关系;选择分析的4个光谱形态指标之间存在着较大的相关性,按照0.05及以上置信水平和相关系数0.9的条件对光谱形态指标进行剔除,确定了不同基色不同特征波段中的有效光谱形态指标;在不同波段范围内,各光谱形态指标随半色调混合像元比例的变化规律存在差异性;使用回归分析,各基色特征波段的光谱形态指标与半色调混合比例符合一次线性与二次多项式关系,R~2可达到0.9以上。     

基于光谱吸收靶标的成像光谱仪光谱定标方法研究

中心波长和带宽是影响成像光谱仪数据定量化应用水平的两个重要光谱性能参数。针对覆盖光谱范围较窄的可见光与近红外波段成像光谱仪,提出了一种利用人工光谱吸收靶标进行光谱定标的方法,论证和建立光谱吸收靶标光谱定标方法的数学模型。在同一环境下利用成像光谱仪和ASD光谱仪对地面光谱吸收靶标进行准同步光谱测量,并进行反射率计算,然后通过光谱匹配计算中心波长偏移量和带宽变化量。利用该方法对设计带宽为6 nm的可见光与近红外波段的成像光谱仪进行了地面定标实验。实验结果表明,该方法能够作为外场光谱定标的辅助手段,提高成像光谱仪的定量化应用水平。     

不同干扰程度的盐渍土与其光谱反射特征定量分析

通过对新疆阜康500水库下游的盐渍化土壤实地定点取样和光谱测量,利用光谱变换、相关分析等方法,定量探讨了不同人为干扰程度的土壤盐分、水分与光谱反射率之间的关系,并建立了土壤反射光谱与盐分含量之间的多元线性回归预测模型。结果表明：(1)人为干扰程度与土壤盐分呈极显著正相关,而与土壤水分呈极显著负相关,相关系数分别为0.961和-0.929。(2)在不同干扰程度与土壤光谱反射率的关系中,重度干扰的土壤反射率比轻度干扰土壤的反射率高10%,比未干扰高17%。这是由于人为干扰破坏了土壤表面的少量植被及生物、物理结皮,土壤表层因缺乏保护,水分会迅速蒸发,并将土壤下部的盐分带到上部,加之降水稀少,盐分在表层聚集。干扰程度越高,结皮破坏越严重,土壤积盐越多,反射率越高。(3)随干扰程度的不断增加,土壤原始光谱反射率与盐分相关系数的两个最大值逐渐向近红外波段偏移(999,876～979,1 182～1 370和1 900 nm),这预示着,在近红外区土壤光谱反射率对盐分含量更为敏感。(4)利用反射率R、反射率一阶导数R′、反射率R+水分分别建立了不同干扰程度的三类土壤盐分含量预测模型。综合R2和RMSE判断模型精度,在不同干扰程度下,同类型的土壤含盐量预测模型中,干扰程度越小,模型精度越高;而在相同干扰程度下,不同类型的土壤含盐量预测模型中,均以一阶导数R′建立的模型预测效果最优,R2均超过0.983。总体上,模型精度提高了5%～10%,表明原始光谱经过一阶导数变换处理,可以去除部分线性背景值的干扰,提高预测土壤含盐量的精度。     

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。     

基于中红外光谱吸收技术的一氧化碳气体检测系统

基于中红外光谱吸收技术,利用一氧化碳(CO)气体分子在4.6 μm处的基频吸收带,采用新脉冲的红外光源和双通道的热释电探测器,研制了一种CO浓度检测系统。该系统主要由脉冲调制式宽带热光源、开放式椭球聚光镜/气室、双通道探测器、主控及信号处理模块构成。通过优化开放式椭球聚光镜/气室,气体吸收光程达到40 cm, 探测器输出电信号的幅度增加约为原来的2~3倍。因此,采用椭球聚光镜后,将在一定程度上提高系统的信噪比从而改善系统的性能指标。利用配备的CO气体样品,研究了该系统对CO气体的传感特性。实验结果显示,该系统的最小检测下限为10 ppm,在该浓度点的测量误差约为14%;在20~25 000 ppm范围内的测量误差小于7.8%;对0 ppm气体样品的连续50分钟测量结果的最大偏差约为3 ppm,标准差约为0.18 ppm。同基于量子级联激光器和分布反馈激光器的CO检测系统相比,该系统具有性价比高、光路结构简单等优势,从而在煤矿、环保等场合下的CO检测方面具有较好应用前景。     

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域.直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为...     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

气体峰值吸收系数随压强变化关系的理论分析

峰值吸收系数对于污染气体的定量分析以及分子参数的理论研究等都具有非常重要的意义。文章首先从理论上分析了气体的吸收系数α(ν) ,得出计算α(ν)的一般方法。其次通过分析甲烷 2ν3 带R3支吸收线 ,得出峰值吸收系数α(ν0 )随压强的变化关系 ,得到压强在 <0 0 3和 >2atm时 ,可分别用Gauss线型和Lorenz线型来计算峰值吸收系数 ,理论上得到很好的结果 ,并对结果进行了误差分析。最后讨论了单位长度峰值吸收κ(ν0 )随压强的变化关系 ,分析得出气体压强在 <0 1和 >1atm时可分别作为获得高分辨率和高灵敏光谱的气压条件     

基于物候特征的植物光谱识别方法研究

光谱分析对于植物识别特征与机理研究具有重要意义,长期以来在植被光谱的叶绿素吸收特征、水分吸收特征、红边效应、光谱波形参数提取、波形转换、以及植被叶面结构和化学组份对光谱的影响方面进行了大量研究,而在植物因季节变化引起的叶面结构、叶绿素、叶面积指数变化而产生的光谱变化研究较少。通过开展对不同生活型、叶面结构与大小、物候特征的11类植物季节生长过程的地物光谱观测,提取植物的归一化植被指数NDVI、包络线去除后的绿波段最大光谱吸收深度、红波段最大光谱吸收深度参数,对该参数时间过程曲线的均值、变幅、斜率进行分析,研究植物生长期和成熟期特征参数的植物光谱可分性研究。提出了植被光谱区分度的参数运算方法,利用该参数进行植被识别能力分析。结果表明：植物生长过程的光谱特征比成熟期的光谱特征更容易区分。在相同参数对比中,生长期植物区分度比成熟期区分度高出三个点。在植物生长过程中,总体上植被的季节变幅区分度>斜率区分度>均值区分度,而对于NDVI参数季节变化,植物季节斜率区分度最大。所以利用植物的季节NDVI斜率、绿波段最大光谱吸收深度的季节变幅、红波段最大光谱吸收深度的季节变幅进行植物的识别效果最佳。     

土壤漏油含量光谱预测实验研究与分析

针对土壤漏油污染的检测、分析和含量预测等实际问题,用关中平原常见普通土壤、柴油、机油及油土混合物为研究对象,设计被不同油种污染以及不同污染程度的土壤光谱特征实验。采用光谱分析的方法来获取光谱指数,测量并分析渗漏相同含量两个油种的油土混合物以及渗漏不同含量同一油种的油土混合物的光谱特征及其差异,根据分析结果建立一个基于反射特征的土壤柴油渗漏含量的光谱预测模型。研究表明：(1)渗漏相同含量不同油种时,渗漏柴油的土壤的反射率低于渗漏机油的土壤;渗漏柴油和机油的土壤均在1 740和2 328 nm附近出现双吸收谷特征,且在每一个吸收谷点处渗漏柴油的土壤的光谱吸收深度和光谱吸收指数均低于渗漏相同含量机油的土壤。(2)建立的土壤柴油渗漏含量的光谱预测模型相关系数r的值达到0.854,说明模型具有较强的稳定性;评价模型预测能力的均方根误差RMSE值为0.016证明该模型具有较好预测能力,可以对土壤柴油渗漏含量进行有效的预测。     

红外光谱分辨率对气体定量分析的影响研究

利用不同分辨率(1, 2, 4, 8 cm-1)的红外光谱建立对多组分气体样本(一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮)的定量分析模型,研究了分辨率对气体定量测量精确性的影响。研究发现：对于样本中的各气体组分,在合适的分辨率下都有其最佳的测量精确性;而对于模型的整体精确性,在高分辨率1和2 cm-1以及低分辨率8 cm-1时模型都有较好的精确性,各组分相关系数(r)均值达到0.999 5以上,校正均方根误差(RMSEC)和验证均方根误差(RMSEP)的均值分别为18.36和15.43以下,而在分辨率为4 cm-1时,模型测量精确性陡然降低,r均值降到0.989 66,RMSEC均值为90.37,RMSEP均值为64.33。实验结果表明：光谱分辨率对气体定量分析有明显的影响。为提高定量分析测量的精确性,需要针对不同的待测气体和应用场合采用合适的分辨率参数。