高光譜礦物識(shí)別和礦物填圖可分為3個(gè)層次，即礦物的種類(lèi)識(shí)別、豐度反演和成分識(shí)別。種類(lèi)識(shí)別是識(shí)別巖石中的礦物組成；豐度反演是反演目標(biāo)礦物在巖石中的相對(duì)含量或含量百分比；成分識(shí)別一般是識(shí)別礦物中金屬離子的相對(duì)含量或不同金屬離子的含量比。

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礦物種類(lèi)識(shí)別礦物分層識(shí)別譜系

高光譜礦物識(shí)別的基本原理是高光譜遙感數(shù)據(jù)的重建光譜與礦物標(biāo)準(zhǔn)光譜或?qū)崪y(cè)光譜的定量比對(duì)分析。從巖礦信息提取的角度分析，國(guó)內(nèi)外發(fā)展的光譜識(shí)別方法從本質(zhì)上可歸納為兩大類(lèi)型：即以重建光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜相似性度量為基礎(chǔ)的光譜匹配方法和以礦物學(xué)和礦物光譜知識(shí)為基礎(chǔ)的智能識(shí)別方法。

光譜匹配是將重建光譜與參考光譜相比較，以某種測(cè)度函數(shù)度量它們之間的相似性或相關(guān)程度，從而對(duì)礦物進(jìn)行識(shí)別的方法。相似性測(cè)度函數(shù)可以是距離麗數(shù)（歐氏距離、馬氏距離等）、相似性指數(shù)、相關(guān)系數(shù)、光譜矢量夾角及光譜信息散度等，智能識(shí)別方法是以礦物學(xué)和礦物光譜知識(shí)為基礎(chǔ)，選取合適的具有診斷性的光譜特征或具有鑒別能力的光譜參量，結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)方法建立識(shí)別規(guī)則，對(duì)礦物進(jìn)行識(shí)別[4]。有代表性的是美國(guó)地調(diào)局發(fā)展的Tricorder系統(tǒng)，它以特征譜帶的擬合度、診斷譜帶處連續(xù)統(tǒng)的大小及梯度，以及輔助光譜特征作為判別指標(biāo)進(jìn)行綜合判別。在決策中還考慮了特征強(qiáng)度的歸一化、不同鑒別能力的不同特征權(quán)重、水氣譜帶對(duì)礦物吸收特征的影響等因素，識(shí)別礦物的種類(lèi)和正確率都比較高，可識(shí)別的礦物達(dá)40種左右。但由于某些礦物，特別是與成礦作用有關(guān)的熱液蝕變礦物的波譜特征差異較小，更受到礦物混合光譜等因素的影響，Tricorder系統(tǒng)對(duì)一些波譜特征相近的一些礦物仍會(huì)出現(xiàn)混淆和誤判現(xiàn)象。

]針對(duì)像元混合光譜和光譜解混中的諸多不確定性以及端元像元選擇困難的問(wèn)題，從混合光譜與端元光譜的相似性概率理論出發(fā)，將斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)和肯達(dá)爾一致性系數(shù)引人到高光譜礦物識(shí)別中，發(fā)展了光譜混合極大相關(guān)的礦物識(shí)別方法，用以識(shí)別混合光譜中的主導(dǎo)性礦物，取得了較好的識(shí)別效果，并獲得發(fā)明專(zhuān)利“基于光譜混合組成的高光譜礦物極大相關(guān)識(shí)別方法”（專(zhuān)利號(hào)：Z1 2004 10048343.1）。

目前，基于光譜匹配，包括亞像元匹配形成的礦物識(shí)別流程都將每種礦物看作是彼此孤立五不聯(lián)系的個(gè)體，識(shí)別中對(duì)光譜參量的運(yùn)用也一視同仁，平等對(duì)待，而不論其對(duì)不同礦物的敏感性和在不同條件下的穩(wěn)定性。實(shí)際上，根據(jù)礦物學(xué)和礦物分類(lèi)學(xué)的知識(shí)，同類(lèi)、同族的礦物在化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和光譜特征上都有不同程度的相似性。為此，提出建立礦物識(shí)別分層譜系的思想：在系統(tǒng)分析礦物光譜的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)光譜參量的敏感性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，參照或借鑒礦物學(xué)的分類(lèi)方法，在可見(jiàn)一反射紅外光譜區(qū)間，分別以主要吸收譜帶、譜帶組合特征、譜帶精細(xì)特征和譜帶變異特征為基礎(chǔ)，對(duì)礦物依“礦物類(lèi)一族一種一亞種”逐層進(jìn)行識(shí)別，形成了成像光譜礦物分層識(shí)別譜系，構(gòu)成了實(shí)際判別決策過(guò)程的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)[M1，49]。在由類(lèi)到具體礦物的識(shí)別決策中，所使用特征的精細(xì)程度越來(lái)越高，但其穩(wěn)定性和對(duì)礦物的診斷性逐漸降低，這樣，將識(shí)別的不確定性控制在某一類(lèi)別層次上，從總體上提高了礦物識(shí)別的可信度，并提高了處理的自動(dòng)化水平和批量處理能力5。

該成果獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利“高光譜礦物分層譜系識(shí)別方法”（專(zhuān)利號(hào)：ZL200410048346.5）。圖2為新疆東天山 HyMap航空多光譜Al-OH類(lèi)礦物分層識(shí)別的結(jié)果。

在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)對(duì)相似礦物精細(xì)光譜特征的分析，在識(shí)別譜系中進(jìn)一步發(fā)展和引人光譜相似性匹配、光譜指數(shù)和混合分解等方法，進(jìn)一步細(xì)化和擴(kuò)充了高光譜礦物分層識(shí)別規(guī)則，建立了可集成不同識(shí)別算法分層次的識(shí)別框架，使可識(shí)別的礦物增加到30余種。

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礦物豐度識(shí)別礦物豐度光譜識(shí)別

即是根據(jù)測(cè)量光譜的某些特征，定性或定量地反演礦物在地質(zhì)體中相對(duì)含量（豐度）的方法。目前，礦物豐度的定量反演方法主要有基于診斷吸收譜帶的深度、光譜混合分解和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。

反射光吸收譜帶的強(qiáng)度（Intensity）是礦物的本征吸收強(qiáng)度（Intrinsic Absorption Strength）、散射特性和礦物豐度的函數(shù)川]。礦物混合光譜特征研究結(jié)果表明[27]，礦物特征譜帶強(qiáng)度與礦物的百分含量基本呈線(xiàn)性相關(guān)，利用吸收譜帶的強(qiáng)度變化可以近似估計(jì)礦物的相對(duì)含量。由于混合光譜的影響，不同巖石中礦物的譜帶強(qiáng)度與礦物百分含量的關(guān)系不同，譜帶深度還受到環(huán)境因素和光譜重建精度等因素的影響，而具有一定的不確定性[52]統(tǒng)計(jì)分析方法最常用的是回歸分析和偏最小二乘回歸分析[53]，起到了“規(guī)一化”或“定標(biāo)”的作用，將反演的“相對(duì)含量”轉(zhuǎn)化為“真實(shí)含量”，但需要測(cè)量和分析大量的樣品。

混合像元分解是目前反演礦物豐度常用的方法[54]，但其存在兩大主要問(wèn)題：一是目前混合分解使用的基本都是線(xiàn)性模型，但在反射光譜區(qū)間，礦物光譜混合屬于緊致混合，非線(xiàn)型特征明顯；二是混合光譜分解得到的“豐度”信息是各端元光譜在混合光譜中所占的比重，是礦物的“光譜豐度”。針對(duì)這兩大問(wèn)題，我們采取三大措施對(duì)光譜線(xiàn)性混合分解進(jìn)行改進(jìn)：一是利用 Hapke 輻射傳輸模型將光譜反射率轉(zhuǎn)換為單次散射反照率，將光譜的非線(xiàn)性混合轉(zhuǎn)換為“線(xiàn)性混合”；二是用連續(xù)統(tǒng)去除方法分離吸收譜帶和背景，以減少照度和環(huán)境因素的影響；三是加人代表無(wú)吸收特征礦物的光譜單次散射反照率為1的端元參加分解，使反演的豐度接近其真實(shí)豐度（圖3），提高了豐度反演的可靠性。

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礦物化學(xué)成分反演與地質(zhì)成因信息分析

白云母、綠泥石是成因礦物學(xué)和找礦礦物學(xué)研究的兩種重要的特征礦物。通過(guò)采集不同地點(diǎn)、不同巖性及不同成因的兩種樣品作實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，研究光譜特征與礦物成分、結(jié)構(gòu)的關(guān)系變化，分析其所包含的成因及形成時(shí)的溫、壓信息。采集了新疆東天山地區(qū)黃山東銅鎳礦超基性巖中的以葉綠泥石為主的綠泥石，香山西和黃山銅鎳礦的輝長(zhǎng)巖、輝綠巖等基性巖中的鐵鎂綠泥石，紅灘金礦輝長(zhǎng)巖、輝綠巖等基性巖中的輝綠泥石，香山西銅鎳礦中性閃長(zhǎng)巖中的葉綠泥石和鐵鎂綠泥石、綠泥絹云板巖中的鐵鎂綠泥石等樣品，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量反射光譜，并用電子探針對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析。

根據(jù)綠泥石顆粒的分析結(jié)果，以28個(gè)氧原子為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算綠泥石的結(jié)構(gòu)式。同時(shí)收集了USGS 光譜庫(kù)中綠泥石的光譜數(shù)據(jù)與相應(yīng)的化學(xué)分析結(jié)果，研究綠泥石的光譜特征與其化學(xué)成分以及形成溫度之間的相互關(guān)系。分析結(jié)果表明，綠泥石礦物的Mg八面體配位數(shù)、（Fe）/（Fe+ Mg）、Al"等離子數(shù)與Mg-OH/Fe-OH基團(tuán)的譜帶位置和光譜吸收深度有一定的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)隨綠泥石生成溫度的升高，Mg-OH/Fe-OH基團(tuán)的特征吸收位置向長(zhǎng)波方向漂移[32]以同樣方法研究不同成因類(lèi)型白云母（絹云母）中四面體Al離子含量、八面體Al離子含量（圖4左）、Al，0，重量百分比、（Si）/（Al）（圖4右）等參數(shù)與2 210 nm附近譜帶位置的關(guān)系，結(jié)果顯示譜帶位置隨白云母中Al"含量的減少，（Si）/（AlV）值的增加而向長(zhǎng)波方向漂移[32.57]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用回歸分析方法，建立了根據(jù)白云母在2 210 nm波長(zhǎng)附近譜帶位置反演白云母中Al"含量、（Si）/（Al"）等的回歸方程（圖4）；根據(jù)綠泥石3 330 nm附近譜帶位置反演Fe、Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)，（Fe）/（Fe+ Mg）、（Mg）/（Fe’+ + FeZ+）等比值的反演模型。

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中熱紅外多/高光譜數(shù)據(jù)處理和礦物識(shí)別

從“十一五”開(kāi)始，中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心在反射光譜礦物識(shí)別研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了發(fā)射光譜的礦物識(shí)別方法研究，將使用的光譜區(qū)間由可見(jiàn)一反射紅外擴(kuò)展到中一熱紅外譜段，以建立全譜段的礦物填圖技術(shù)體系，目前已取得很多階段性成果。

（1）定量研究分析了不同大氣模式下溫度廓線(xiàn)

誤差對(duì)發(fā)射率反演的影響。分析比較了參考通道法、晝夜法、灰體發(fā)射率法、比值法、a剩余法、發(fā)射率歸一化法及溫度-發(fā)射率分離法等目前國(guó)內(nèi)外所發(fā)展的主要發(fā)射光譜反演方法，總結(jié)了它們的應(yīng)用條件和優(yōu)、缺點(diǎn)[，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的處理程序。

（2）利用JHU 和 ASU光譜數(shù)據(jù)中138個(gè)巖礦樣品的發(fā)射光譜，以及收集到的火星TES熱紅外高光譜數(shù)據(jù)，研究應(yīng)用發(fā)射光譜的礦物識(shí)別方法，

運(yùn)用與反射光譜礦物識(shí)別類(lèi)似的思路，建立了一些造巖礦物和礦石礦物的識(shí)別準(zhǔn)則

（3）分析研究了克里斯琴森特征（CF）與巖石SiO，含量、SCFM 指數(shù)[（SiO，）/（SiO2+ Ca0 +FeO + MgO）]的關(guān)系，建立相關(guān)模型。

（4）針對(duì)ASTER 熱紅外多光譜數(shù)據(jù)波段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了SiO指數(shù)（E1z/81x），建立了其與SiO、含量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并利用Si0，指數(shù)由 ASTER 熱紅外多光譜數(shù)據(jù)定量反演地表巖石SiO含量。在新疆東天山工作區(qū)發(fā)現(xiàn)了一處原地質(zhì)圖上未予填繪的輝石巖巖體（圖5）。

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