SVC HR-768地物光譜儀巖石光譜采集存在的問題與處理

孔維豪， 祝民強

(東華理工大學江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西撫州 344000)

SVC HR-768地物光譜儀巖石光譜采集存在的問題與處理

孔維豪， 祝民強

(東華理工大學江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西撫州 344000)

單純利用遙感圖像進行礦物的識別有著一定的不確定性。利用Spectra Vista公司新式的SVC HR-768地物波譜儀對研究區(qū)內(nèi)采集的巖石樣品進行光譜測量的數(shù)據(jù)，能有效的提高遙感識別的精度。從巖石樣品的光譜數(shù)據(jù)采集和處理出發(fā)，分析了日光條件采集數(shù)據(jù)存在的問題和人工光源采集的數(shù)據(jù)，通過對比分析，采用人工光源采集的數(shù)據(jù)簡便可用，對礦物識別的結(jié)果良好。

SVC HR-768;光譜;礦物識別

孔維豪，祝民強.2012.SVC HR-768地物光譜儀巖石光譜采集存在的問題與處理［J］.東華理工大學學報:自然科學版，35(2):155-159.

Kong Wei-hao，Zhu Min-qiang.2012.The problem and treatment of rock sample spectra acquired by SVC HR-768 field spectrometer［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(2):155-159.

通過利用Spectra Vista公司新式的SVC HR-768便攜式地物波譜儀對研究區(qū)巖石單元樣品進行光譜測量，一種方法是在日光條件下進行測量，另外一種則是選擇合適的人工光源進行測量。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用日光作為光源會造成不可避免的噪聲，其中1 900 nm附近和2 400～2 500 nm噪聲較大，不易去除。由于巖石在1 000～2 500 nm范圍內(nèi)主要有2個吸收谷，巖石和礦物在近紅外區(qū)域的光譜特性是判別各類巖石和礦物的主要依據(jù)，而日光條件下采集的數(shù)據(jù)噪聲恰好是在近紅外區(qū)域，因此可見日光條件下利用SVC HR-768便攜式地物波譜儀采集的巖石光譜數(shù)據(jù)是不可靠的。為了光譜數(shù)據(jù)可以為遙感圖像識別礦物和巖石提供較好的依據(jù)，需要采用另外一種方法來獲取巖石光譜，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量對人工光源方法的可行性進行分析。通過合適的人工光源進行測量的方法，以期對巖石礦物的光譜采集工作起到一定的指導(dǎo)作用。

1 儀器簡介

Spectra Vista公司(原GER公司)在便攜式分光輻射度計的領(lǐng)域上再次推出了新式的SVC HR-768野外便攜式地物波譜儀。在確保體積輕巧的同時，能夠在整個VIS-NIR-SWIR領(lǐng)域內(nèi)獲取優(yōu)良的光譜分辨率。儀器可探測波長范圍為350～2 500 nm;最小積分時間1 ms;內(nèi)置存儲器500 scans(掃);通道數(shù)達到768個;光譜采樣間隔≦1.5 nm@350 ～1 000 nm，≦7.5 nm@1 000～1 850 nm，≦5 nm@1 850～2 500 nm?？蓪崟r輻照亮度和反射率，獲得被測物體連續(xù)的光譜曲線。

2 地物反射波譜測量理論

在電磁波譜中，可見光和近紅外波段(0.3～2.5 μm)是地表反射的主要波段，也是眾多遙感器使用的波段區(qū)域。地物光譜的測試不僅可以為傳感器的波段選擇和評價提供依據(jù)，建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系，還可以將地物光譜與地物特征進行相關(guān)性分析和建立應(yīng)用模型。

2.1 地物反射波譜理論

(1)雙向反射分布函數(shù)(BRDF)。對于地物表面，入射輻照度為dIi(Φi，θi)，在Φr和θr方向上，由dIi產(chǎn)生的反射亮度為dLr，隨著入射方向和反射方向的不同，產(chǎn)生一個函數(shù)fr，稱雙向反射分布函數(shù)(Nicodemus，1970)。BRDF函數(shù)完全描述了反射空間分布特征的規(guī)律，用下式表示:

式中，Φi和θi分別為入射方向的方位角和天頂角，Φr和θr分別為某一反射方向的方位角和天頂角。

(2)雙向反射比因子R(BRF)。其定義為在未定的立體角錐體所限制的方向內(nèi)，在一定輻照度和觀測條件下，目標反射輻射通量與處于同一輻照度和觀測條件下的標準參考面(朗伯反射面)反射輻射通量之比(Nicodemus，1970)。

2.2 地物光譜測量

(1)垂直測量。為使得所有測量數(shù)據(jù)能與航空、航天傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行比較，一般情況下測量儀器須垂直向下測量，使得采集數(shù)據(jù)域多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)方向一致。通用白板采用硫酸鋇或氧化鎂材料制成，在反射天頂角不大于45°時，接近朗伯體，并經(jīng)過計量部門標定已知反射率(梅安新等，2001)。通常認為，實際目標和標準板的測量值之比就是反射率之比，用下式表示:

式中，p(λ)為被測物體的反射率，ρs(λ)為標準板的反射率，V(λ)和Vs(λ)分別為被測量物體和標準板的儀器測量值。

(2)非垂直測量。更精確的測量是測量不同角度的方向反射比因子，考慮到輻射到地物的光線由來自太陽的直射光(近似定向入射)和天空的散射光(近似半球入射)，因此方向反射比因子取兩者的加權(quán)和(梅安新等，2001)，用下式表示:

式中，Φi和θi分別為太陽的方位角和天頂角;Φr和θr分別為觀測儀器的方位角和天頂角;ID為天空漫入射光照射地物的輻照度;IS(Φiθi)為太陽直射光在地面上的輻照度;I(Φiθi)為太陽直射光和漫入射光的總輻照度;RD(Φiθi)為漫入射的半球一定向反射比因子;RS(Φiθi，Φrθr)為太陽直射光照射下的雙向反射比因子;R(Φiθi，Φrθr)為野外測量出的方向反射比因子。

K1和K2的測量。地面上平放標準板，用光譜輻射計垂直測量，自然光照射時測量一次相當于I值;再用擋板遮住太陽光使陰影遮擋住標準板，再測一次相當于 ID;求出 K2=ID/I，K1=1 － K2。

測量自然條件下反射比因子 R(Φiθi，Φrθr)。選擇太陽方向(Φiθi)和觀測角(Φrθr)，在同一地面位置分別迅速測量標準板的輻射值和地物的輻射值，計算得到反射比因子R。

用黑擋板遮住太陽直射光，在只有天空漫入射光時分別迅速測量標準板和地物的輻射值，計算比值得到半球一定向反射比系數(shù)RD(Φrθr)。

3 日光條件下的光譜測量

3.1 光譜測量注意事項

在野外光譜測量中，光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量受多種因素的影響。測量條件應(yīng)選擇陽光入射天頂角為－10°～10°，淡積云量，無卷云、濃積云等，風力小于5級，光照穩(wěn)定，測量時的水平能見度要求不小10 km。測量時不要穿帶淺色、特色衣帽，如果穿戴白色、亮紅色、黃色、綠色、藍色的衣帽，就會改變反射物體的光譜特征(陳蕾等，2011)。本次光譜測量中選擇勻質(zhì)黑色瀝青天臺，避免了背景介質(zhì)對光的反射，從而保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。探頭定位時必須避免陰影，人應(yīng)該面向陽光(閆錦成等，2005)。選取測量巖石樣品要具有代表性，應(yīng)能真實反映被測目標的平均自然性，盡量選用較為平整和新鮮面進行測量。

綜上所述，野外地物光譜測量是一個需要綜合考慮各種光譜影響因素的復(fù)雜過程，所獲取的光譜數(shù)據(jù)是太陽方位角、云、風、入射角、探測角、儀器視場角及目標本身光譜特性等各種因素共同作用的結(jié)果(趙良斌等，2008)。測量前要根據(jù)目標與任務(wù)制定相對應(yīng)的方案，排除各種干擾因素對所測結(jié)果的影響，使所得的光譜數(shù)據(jù)盡量反映目標本身的光譜特性。只有這樣，所測結(jié)果才是可靠的并具有可比性，為以后的光譜重建和圖像解譯提供可靠依據(jù)。

3.2 測量方法與步驟

(1)傳感器探頭選擇和白板反射校正。傳感器探頭采用視場角為25°的光纖進行測量。校正時白板應(yīng)放置水平。據(jù)葉榮華(2001)的研究，如果掃描頭與參考板有1°的傾斜角度，在太陽天頂角為30°時，測量的反射率誤差為1%;在太陽天頂角為60°時，測量的反射率誤差為3%。因此天氣較好時每隔幾分鐘就要用白板校正1次，如果天氣較差，校正應(yīng)更頻繁，防止傳感器響應(yīng)漂移和太陽入射角的變化影響。

(2)測量方法。在11時00分至13時30分進行測量，每個樣品光譜測量前，對準標準參考白板進行定標校準，得到基線，然后對著目標樣品進行測量;為使所測數(shù)據(jù)能與衛(wèi)星傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行比較，測量儀器均垂直向下進行測量(天頂角保持為－10°～10°)。為了使數(shù)據(jù)具有代表性，對同一樣品至少測量5次，保證測試結(jié)果準確性。

(3)測量步驟。首先裝配好儀器，確保儀器和PDA有足夠的電量，開機預(yù)熱15 min，使儀器在測量環(huán)境中保持穩(wěn)定的狀態(tài)。然后打開PDA，點擊Start中HR768pda選項。

接下來首先要建立PDA和儀器的連接，通過選擇“DevCntrl－＞Connect”來實現(xiàn)。當出現(xiàn)選擇接口時，選擇COM8(藍牙接口)建立連接。然后進行光譜測量設(shè)置，選擇AutoDark，確保每次測量時儀器都會自動測量暗流值;選擇Auto選項，儀器自動選擇Si，SWIR1和SWIR2傳感器最適合的組合測量時間;Scan Time一般選擇為1，并可以隨著光照條件的降低適度的增加;Optic選項是選擇傳感器探頭，本次選擇 fiber(光纖)。點擊OK，設(shè)置完畢。

測量時，首先要對白板進行基線測量，點擊Reference，儀器會測量得到一個目前光照情況下的基線，然后就可以對目標物進行測量，點擊Target即可獲得光譜曲線。需要注意的是由于時間的推移，光照條件不斷變化，因此每隔一段時間需要對白板進行一次定標;多次測量的數(shù)據(jù)需要進行實時檢驗，避免出現(xiàn)較大噪聲，如圖1所示屬于測量偶然誤差。

多次測量是為了消除偶然誤差，其它4次測量數(shù)據(jù)均保持較相似的曲線特征，但是紅色曲線在657 nm附近產(chǎn)生大量噪聲，如果這個數(shù)據(jù)也加入到后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，必然造成錯誤的結(jié)果，因此這個數(shù)據(jù)在計算時需刪除。

4 數(shù)據(jù)處理和分析

4.1 重疊波段去除

由于傳感器的原因，原始數(shù)據(jù)會在2個位置(983～1 019 nm和1 879～1 927 nm)存在重疊波段(圖2，3)。

原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入儀器自帶軟件SVC HR-768，打開去除重疊波段Tools-SIG File Overlap/Matching，然后把原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入(最多一次50個)，最后Process All Files，即可生成無重疊波段csv格式的新文件。

983～1 019 nm，去除前傳感器部分數(shù)據(jù)，保留后傳感器部分數(shù)據(jù);1 879～1 927 nm，以1 900 nm作為分隔線，前部分傳感器保留1 900 nm之前的數(shù)據(jù)，后部分傳感器保留1 900 nm之后的數(shù)據(jù)。

依據(jù)“應(yīng)以SWIR1波段數(shù)據(jù)為準進行連接校正”的原則，980 nm之前的數(shù)據(jù)，白板和目標物的輻射值同時增加大約10%，反射率不變;1 007 nm之后的數(shù)據(jù)保持不變;983.9 nm，991.8 nm，999.6 nm作為連接部分，軟件自動擬合。

4.2 均值光譜曲線

利用Tools-SIG File Merge功能導(dǎo)入同一樣品5次測量數(shù)據(jù)，然后選擇導(dǎo)出格式為水平，最后Process All Files生成csv文件。打開csv文件，對于多次反射率測量數(shù)據(jù)取平均值，另存為便于ENVI識別的txt格式文件。

4.3 測量結(jié)果分析

通過大量研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)礦物和巖石光譜曲線在400～1 100 nm之間沒有明顯特征吸收光譜，只有個別重金屬礦物有微弱的吸收帶。巖石在1 000～2 500 nm范圍內(nèi)有2個吸收谷，在1 000 nm以下僅少量礦物呈一個微弱的吸收谷。因此，巖石和礦物在近紅外區(qū)域的光譜特性是判別各類巖石和礦物的主要依據(jù)。

圖4為日光條件下測量得到的光譜曲線，可明顯發(fā)現(xiàn)其中1 900 nm附近和2 400～2 500 nm噪聲較大，且不易去除，只能刪除噪聲大的點，但是這種做法造成光譜曲線丟失大量的波谷波峰信息，對巖石鑒別分析很不利，所以直接日光光照下測量的數(shù)據(jù)，對于巖石樣品是不可行的。

圖4 日光采集光譜曲線Fig.4 Spectrum of daylight condition

5 實驗室光譜采集

5.1 人工光源介紹

本次實驗采用UltraFire WF-600氙氣強光手電筒作為人工光源。光源使用最新飛利浦6～9 V高壓氙氣High Pressure Xenon燈杯量度高達600 lm，微橘皮反光杯，光斑完美，保證無黑圈、黑心等不良品，可為巖石光譜采集提供良好的光源。

5.2 測量方法與步驟

巖石樣品擺放平臺為黑色橡膠平面，與日光條件下的平臺類似，避免了背景介質(zhì)對光的反射，從而保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。然后固定人工光源和光纖探頭，保持與平面垂直，并且調(diào)整好距離。打開光譜儀，預(yù)熱15 min，與日光條件下測量一樣做好相應(yīng)的設(shè)置，然后開始進行光譜測量。

打開人工光源，白板定標后把巖石樣品平放在平面上，保持較新鮮和平整的一面垂直向上。通過操作PDA，進行巖石樣品的光譜采集，并隨時檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量和保存數(shù)據(jù)。采集得到光譜數(shù)據(jù)，通過剔除噪聲曲線，求平均值，得到最后的均勻光譜曲線。

圖5 人工光源條件下的光譜Fig.5 Spectrum of Artificial light condition

5.3 測量結(jié)果分析

如圖5所示，光譜曲線無明顯噪聲，較好的保持了光譜的平滑性，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。需要注意的是在964 nm附近存在一個微弱的吸收谷，這是由于連接部分擬合造成的，并不是樣品本身的光譜特性。

5.4 數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入ENVI分析

通過ENVI中的光譜分析功能，可以得到巖石光譜曲線的分析結(jié)果。為了論證人工光源的可靠性，采用石膏單礦物的光譜采集實驗來驗證。對研究區(qū)采集的石膏單礦物sg072211進行人工光源光譜測量，通過一系列的預(yù)處理得到最終結(jié)果。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ENVI的 Spectral Analyst中，使用 USGS的礦物光譜庫進行光譜識別。由于巖石和礦物在近紅外區(qū)域的光譜特性是判別各類巖石和礦物的主要依據(jù)，通過圈定分析范圍后進行光譜識別的結(jié)果如表1所示。

表1 光譜分析結(jié)果Table 1 Spectral analysis result

通過設(shè)置分析方法權(quán)重比SAM，SFF和BE都為1的情況下，光譜分析可以看到識別的物質(zhì)中權(quán)重較高的3種中有2種為gypsum，即石膏，并且各種方法得到的數(shù)值均為高值，表明分析結(jié)果良好。

通過去包絡(luò)線法顯示測量光譜曲線和吻合度最高礦物gypsum1.spc Gypsum H的曲線，如圖6所示，可以看到1 000～2 500 nm附近的吸收谷頗為吻合，尤其光譜特征高度一致，表明光譜測量結(jié)果良好。

6 結(jié)論

本文通過日光條件下采集數(shù)據(jù)出發(fā)，分析了日光條件下測量方法存在的問題，由于自然光照的水汽等造成大量的噪聲，并難以去除。而通過對人工光源采集的數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)選用人工光源所得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，消除了日光條件下測量中不可避免的大量噪聲，尤其是采用單礦物石膏進行實驗，通過軟件分析和權(quán)威光譜數(shù)據(jù)庫的分析得出數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的結(jié)論，因此利用人工光源對巖石光譜進行采集具有很好的可行性。另外，人工光源采集不受天氣和時間的限制，避免了野外復(fù)雜的環(huán)境對光譜造成的影響，可在任何時間在實驗室內(nèi)進行巖石樣品光譜采集，可操作性好，為工作提供了很大的便利，值得在實驗教學和科學研究中進行推廣。

圖6 去包絡(luò)線法顯示Fig.6 The continuum removed display

陳蕾，秦雁，鄧孺孺，等.2011.基于ASD地物光譜儀的兩種天空光測量方法比較分析［J］.熱帶地理，31(2):182-186.

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The Problem and Treatment of Rock Sample Spectra Acquired by SVC HR-768 Field Spectrometer

KONG Wei-hao，ZHU Min-qiang
(Jiangxi Province Key Lab for Digital Land，East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China)

There is some uncertainties to recognize minerals with RS images alone.With the help of the spectral data of the collected rock samples，which are measured by Spectra Vista＇s latest SVC HR-768 portable field spectrometer，it can effectively improve the RS recognition accuracy.Starting with collecting and processing of the rock samples’spectral data，and then analyzing different data of the problem of daylight condition and the artificial light condition，it comes to the conclusion that the data applied by artificial light is easy and good in mineral identification after the comparative analysis.

SVC HR-768;spectra;mineral identification

TP75

A

1674-3504(2012)02-0155-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.02.009

2011-10-28 責任編輯:吳信民

孔維豪(1986—)，男，碩士研究生，主要從事地圖學與地理信息系統(tǒng)方面研究。E-mail:whkong2010@ecit.cn