主要賦鈾巖石可見光
——短波紅外光譜二向性特征初步實(shí)驗(yàn)研究

潘蔚，唐毅，李瀚波，余長(zhǎng)發(fā)，張?jiān)獫?，陳雪嬌，田青林，李新?/p>

（1．核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2．北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京100083）

1 引言

成像光譜遙感是國(guó)內(nèi)外遙感應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。由于礦物光譜具有 “診斷性”或 “指紋性”特征［1-4］，地質(zhì)界一直希望利用這一技術(shù)來(lái)提高地質(zhì)填圖精度和效率。國(guó)內(nèi)外有不少利用成像光譜識(shí)別礦物巖石、特別是蝕變礦物的成功案例。但是，巖礦填圖效果和精度還不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求［5-6］。這是因?yàn)榈V物光譜的 “診斷性”或 “指紋性”特征多數(shù)是基于礦物、巖石或材料磨碎加工后，室內(nèi)測(cè)量得到的結(jié)果。實(shí)際上，礦物結(jié)晶學(xué)的研究早就發(fā)現(xiàn)，除了等軸晶系的礦物，礦物晶體普遍具有各向異性，實(shí)際測(cè)量也發(fā)現(xiàn)礦物巖石的光譜具有明顯的各向異性［7-10］。在遙感技術(shù)領(lǐng)域，地物輻射的各向異性被稱為二向性或方向性［8-9，11］。 地物光譜的二向性雖不會(huì)影響其本身光譜 “診斷性”或 “指紋性”吸收位置，但會(huì)影響光譜吸收形態(tài)。當(dāng)有多種地物混合在一起時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重影響地物分類準(zhǔn)確性和圖像識(shí)別效果［5-6］。巖石作為礦物的集合體，顯然也存在光譜混合的現(xiàn)象。

為了描述和研究地物輻射的這種各向異性，國(guó)外學(xué)者提出了二向性反射分布函數(shù)（Bidirection Reflectance Distribution Function）的概念，用某一觀察高度角和方位角接收到的地物微小表面對(duì)某一波長(zhǎng)入射光的反射輻射強(qiáng)度與同一波長(zhǎng)入射光輻射強(qiáng)度之比來(lái)標(biāo)識(shí)，是包含5個(gè)變量的函數(shù)［12-13］。為了測(cè)量BRDF，國(guó)內(nèi)學(xué)者不僅發(fā)明了在野外現(xiàn)場(chǎng)開展二向性測(cè)量的有效方法［14-15］，在林業(yè)、作物估產(chǎn)方面也取得了良好的應(yīng)用效果。巖石礦物光譜二向性研究雖然國(guó)外起步較早，但主要限于對(duì)礦物顆粒及其堆積體的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者開始對(duì)自然礦物光譜的二向性開展研究，但主要關(guān)注礦物本身［16］；少數(shù)研究花崗巖自然表面二向性光譜的成果，則是從材料學(xué)角度探討材料的粗糙度對(duì)鏡面反射與漫反射的影響［17］，沒有涉及巖石光譜二向性。由于現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)二向性測(cè)量方法無(wú)法消除環(huán)境的影響，因此需要利用地物的結(jié)構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行修正。但是由于自然巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至今還沒有找到有效描述巖石表面結(jié)構(gòu)的有效數(shù)學(xué)方法，因此無(wú)法利用這些現(xiàn)場(chǎng)二向性測(cè)量方法來(lái)研究巖石光譜的二向性問題。為此，本文設(shè)計(jì)了專門光學(xué)裝置，開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)原理與對(duì)象

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

選取自然界中的巖石，特別是礦物組成相同而結(jié)構(gòu)不同的巖石，在暗室內(nèi)利用不同入射角的平行光照射巖石的表面，在不同方向按照不同距離接收其反射光譜，通過(guò)計(jì)算和對(duì)比分析，研究巖石的反射光譜隨照射-接收方向改變發(fā)生的變化，總結(jié)巖石光譜二向性特征，探討識(shí)別不同巖石的最佳光照和接收角度。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及樣品制備

本次實(shí)驗(yàn)選取了我國(guó)主要的兩類賦鈾巖石——花崗巖和砂巖，作為研究對(duì)象?；◢弾r為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，即巖石全部由礦物晶體組成，按照礦物顆粒大小分為粗?；◢弾r與細(xì)粒花崗巖。顯微鏡鑒定二者的礦物種類和所占百分比非常接近，但礦物的顆粒大小差別明顯。砂巖則是晶體與非晶體的混合物。砂巖中的碎屑礦物是結(jié)晶體，而膠結(jié)物和雜基一般是非晶質(zhì)。實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)顯微鏡鑒定為粗粒黑云母長(zhǎng)石砂巖和細(xì)粒黑云母長(zhǎng)石砂巖。兩者碎屑礦物種類和所占百分比也非常接近，但雜基的含量與碎屑礦物的顆粒大小差別較大。

為了保證各樣品實(shí)驗(yàn)條件的統(tǒng)一，測(cè)試的巖石被加工成6 cm×9 cm×2 cm的相同長(zhǎng)方體，除保留一個(gè)自然面用于測(cè)量外，其余面均磨平打光。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)試實(shí)驗(yàn)在微光實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。測(cè)試裝置由鎢絲燈、平行光管、可升降旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)、旋轉(zhuǎn)支架、光譜儀和工作臺(tái)組成（圖1）。

圖1 巖石光譜二向性測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bidirectional measurement system for rock sample1—鎢絲燈；2—平行光管；3—可升降旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)；4—樣品；5—旋轉(zhuǎn)支架； 6—光譜儀探頭；7—工作臺(tái)。

平形光管和鎢燈作為照射光源，固定在大型工作臺(tái)上，通過(guò)光闌遮擋，使平行光只照射測(cè)試樣品。被測(cè)量的巖石樣品置于可以升降的旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)上，放置在平行光路的正前方。通過(guò)旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)可調(diào)節(jié)平行光的入射角，通過(guò)調(diào)整升降臺(tái)的位置和高度可保證樣品與平行光路共軸。光譜儀探頭通過(guò)槍形支架固定在旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)上，置于巖石樣品反射光路前方，通過(guò)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架改變接收方向和距離。光源鎢燈的光譜范圍為350～2 500 nm，其功率為200 W，絕對(duì)輻射定標(biāo)的精度為0.5%，相對(duì)輻射精度為5%。平行光管的直徑為35 cm，可以對(duì)樣品進(jìn)行有效的照射。光譜測(cè)量采用ASD fieldPro地面光譜儀，光譜響應(yīng)范圍350～2 500 nm，其中350～700 nm的光譜采樣間隔1.4 nm，光譜分辨率3 nm；1 400～2 100 nm光譜采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10 nm；光譜儀視場(chǎng)角為23°，可大角度接收不同方向輻射。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

樣品測(cè)試在暗室內(nèi)進(jìn)行。為了避免其他物體反射光的影響，采用遮擋光闌使平行光束僅照射測(cè)試樣品。測(cè)量過(guò)程包括下列步驟：1）共軸調(diào)節(jié)：首先將平行光管長(zhǎng)軸方向與工作臺(tái)邊緣保持平行，載物臺(tái)置于平行光管正前方使巖石樣品的測(cè)試面與光路垂直，并確保照射光路與放置載物臺(tái)和探頭的測(cè)量工作臺(tái)邊緣平行。根據(jù)測(cè)量距離將接收探頭置于樣品載物臺(tái)與平行光管之間。旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)使探頭在巖石樣品測(cè)試面上的投影面積最小，同時(shí)調(diào)整樣品載物臺(tái)和探頭支架的相互高度，保證探頭投影落在樣品測(cè)試面中心。2）測(cè)量位置確定：以工作臺(tái)角點(diǎn)為原點(diǎn)、緊鄰的兩條邊為坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系。記錄光路共軸時(shí)旋轉(zhuǎn)支架方形底座的角點(diǎn)坐標(biāo)作為0°方向原點(diǎn)坐標(biāo)，然后按照入射角分別為15°、30°和45°3個(gè)方向，保持接收方向不變（0°）時(shí)分別距離巖石樣品20（25）cm、30 cm和45 cm接收巖石的反射光譜；每個(gè)樣品共測(cè)量9個(gè)不同入射角-接收距離條件下的反射光譜。3）光譜測(cè)試：根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)量距離和角度，計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)在先前設(shè)定的坐標(biāo)系的坐標(biāo)，并移動(dòng)探頭旋轉(zhuǎn)支架到測(cè)量位置。然后利用參考白板對(duì)ASD地面光譜儀進(jìn)行優(yōu)化，獲取該距離和角度下的最佳測(cè)量量程。其后，按照ASD光譜儀的測(cè)量程序，依次測(cè)量不同方向入射光照射下參考白板和每個(gè)樣品。每個(gè)樣品按照自然面，測(cè)定其DN值，每次測(cè)量連續(xù)獲取5組數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

樣品的反射比R定義為：

式中：DN為測(cè)量獲得的原始信號(hào)值；DNobj.和ρDNbod.分別為樣品和參考板的測(cè)量值；ρ為參考板的輻射定標(biāo)系數(shù)。測(cè)量過(guò)程中，由于受到光源信號(hào)強(qiáng)度和儀器噪聲的影響，獲得的反射光譜存在噪聲干擾。而噪聲主要有兩方面特征，一是主要出現(xiàn)在測(cè)量?jī)x器工作波長(zhǎng)的兩端，二是具有極高的頻率。因此，對(duì)所有測(cè)量數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的小波噪聲分離技術(shù)進(jìn)行處理。小波分析可以按照不同的尺度將混合信號(hào)分解為不同頻率的信號(hào)系列，可以在消除特定時(shí)間域和頻率噪聲的同時(shí)，保留其他時(shí)間域和頻域的信號(hào)，即保留信號(hào)的光譜吸收特征。

4 結(jié)果分析

4.1 巖石結(jié)晶程度決定二向性優(yōu)勢(shì)方向

圖2 粗?；◢弾r的方向譜Fig.2 Bidirectional reflectance spectra of coarse grain granite1—入射角15°，接收距離25 cm；2—入射角30°，接收距離25 cm；3—入射角45°，接收距離25 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

圖3 細(xì)?；◢弾r的方向譜Fig.3 Bidirectional reflectance spectra of fine grain granite1—入射角15°，接收距離25 cm；2—入射角30°，接收距離25 cm；3—入射角45°，接收距離25 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離為30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

分析不同入射角和接收距離條件下4種巖石反射光譜可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)（圖2-圖5）：一是4種巖石反射光譜強(qiáng)度大?。ú煌ㄩL(zhǎng)的反射率大?。┡判蚩傮w按顏色排列，但相同顏色曲線并沒有完全排在一起。例如粗粒和細(xì)?；◢弾r反射光譜強(qiáng)度由高到低排列順序都是：藍(lán)-紅-紅-紅-綠-綠-綠-藍(lán)，粗粒砂巖為綠-綠-藍(lán)-藍(lán)-綠-紅-紅-紅-綠-藍(lán)， 細(xì)粒砂巖則是紅-紅-綠-藍(lán)-紅-藍(lán)-綠-綠-藍(lán)。由于曲線顏色反應(yīng)的是入射角條件，而光譜曲線的類型代表接收距離。這說(shuō)明巖石反射光譜強(qiáng)度大小主要取決于入射角，同時(shí)也與接收距離有關(guān)，反映出4種巖石都存在各向異性，但各向異性的特征不同。全晶質(zhì)花崗巖其不同照射-接收條件下的反射光譜排列順序完全相同且分組明顯、二向性顯著；30°角入射最強(qiáng)，其次是45°角入射，最弱是15°角入射。晶體與非晶體混合的砂巖則分組不明顯，二向性不顯著。粗砂巖反射光譜最強(qiáng)的方向是45°角入射，但不同接收距離差別很大，最強(qiáng)和最弱均在此方向，其次是15°角方向，最弱的是30°角方向；而細(xì)砂巖最大反射強(qiáng)度方向出現(xiàn)在15°角方向，其次是45°角方向，最弱的是30°角方向?？梢姲蔷з|(zhì)體的砂巖，其二向性特征隨晶體含量（結(jié)晶程度）變化。

4.2 礦物顆粒大小決定二向性分布

圖4 粗粒砂巖方向譜Fig.4 Bidirectional reflectance spectra of coarse grain sandstone1—入射角15°，接收距離20 cm；2—入射角30°，接收距離20 cm；3—入射角45°，接收距離20 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

圖5 細(xì)粒砂巖的方向譜Fig.5 Bidirectional reflectance spectra of fine grain sandstone1—入射角15°，接收距離20 cm；2—入射角30°，接收距離20 cm；3—入射角45°，接收距離20 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

對(duì)比細(xì)粒和粗?；◢弾r類的反射光譜可以發(fā)現(xiàn)，粗?；◢弾r比細(xì)?；◢弾r不同方向反射率差別更大，但同方向不同接收距離的反射率差別更小，反映了粗粒晶質(zhì)組成的巖石反射的方向性更好，也就是二向性分布差別更大。

砂巖類的反射光譜各向異性則有不同特征。粗砂巖不僅不同方向反射率差別大于細(xì)砂巖，而且同一方向不同接收距離的差別也明顯大于細(xì)砂巖（表1）?？梢姡皫r光譜的二向性分布差異隨砂巖中礦物顆粒的減小而逐漸變?nèi)酢?/p>

表1 花崗巖與砂巖二向性特征Table 1 Bidirectional feature of granite and sandstone

5 結(jié)論與問題

通過(guò)對(duì)花崗巖和砂巖樣品在不同入射角-接收距離組合條件下的反射光譜的室內(nèi)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理和對(duì)比分析，結(jié)論如下：

1）巖石的結(jié)晶程度決定了巖石光譜二向性的優(yōu)勢(shì)方向。全晶質(zhì)的花崗巖具有相同的光譜二向性優(yōu)勢(shì)方向；混合體（晶體與非晶體）的砂巖，其反射光譜的二向性優(yōu)勢(shì)方向，隨晶體（碎屑礦物含量）的含量變化而變化，晶體含量越高二向性優(yōu)勢(shì)方向角度越大；

2）巖石中結(jié)晶顆粒大小決定光譜二向性分布的差別大小，結(jié)晶顆粒越大不同方向光譜之間的差別越大，結(jié)晶顆粒越小不同方向光譜差別越小。

3）花崗巖類，當(dāng)入射光線以30°角入射，可獲得最強(qiáng)的方向反射；砂巖則沒有統(tǒng)一的最大的反射輻射的入射條件，粗砂巖出現(xiàn)最大反射輻射時(shí)的入射輻射角為45°，而細(xì)砂巖則為 15°。