輕小型短波紅外高光譜成像儀精細(xì)化礦物識別

任夢如，劉洪成，葉發(fā)旺，張 川，武 鼎，李瀚波

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

高光譜成像儀（hyperspectral imager）又稱成像光譜儀，具有 “圖譜合一”的特點，即在獲取目標(biāo)地物的窄波段連續(xù)光譜圖像的同時，也獲取每個像元幾乎連續(xù)的光譜曲線。經(jīng)過精確的輻射定標(biāo)后，將獲取的目標(biāo)地物光譜輻射值轉(zhuǎn)換成反射率或輻亮度信息?；谀繕?biāo)的光譜曲線，可以實現(xiàn)對地物組成成分的識別。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高光譜成像技術(shù)愈發(fā)成熟與先進，光譜分辨率可以達(dá)到納米級，被廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)礦產(chǎn)勘查等［1-4］。按照巖礦光譜形成基本原理和不同蝕變礦物對光譜吸收機制的不同，目前在可見光-短波紅外（400～2 500 nm）譜段，成像光譜技術(shù)可識別30～40種礦物的種類、礦物組成成分以及礦物相對含量。比如與成礦作用密切相關(guān)的蝕變礦物的識別，對于尋找地質(zhì)信息所蘊涵的礦物共生組合規(guī)律，對圈定礦化蝕變帶，減少和降低傳統(tǒng)地質(zhì)工作中可能因地質(zhì)路線、采樣部署不合理以及肉眼的局限性而遺漏的一些主要地質(zhì)現(xiàn)象，以及追索礦化熱液蝕變中心和圈定找礦靶區(qū)等都有重要作用［4-5］。

目前，國外高光譜成像儀產(chǎn)品已逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，機載光譜成像技術(shù)也發(fā)展到商業(yè)運行階段，具有代表性的高光譜成像儀有加拿大的 CASI/SASI、 美 國 的 AVIRIS、 德 國 的ROSIS、澳大利亞的HyMap等，但體積和重量偏大，不適于無人機搭載，無法進行近距離高光譜成像測量。而國內(nèi)起步相對較晚，光譜成像技術(shù)不夠成熟，且受元件制造技術(shù)水平的限制， 成型的產(chǎn)品還 比 較 少［6-7］。 而Fe2＋、Fe3＋、Mn3＋等陽離子礦物與含羥基 O—H、硫基S—H等陰離子基團的礦物在短波紅外（1 000～2 500 nm）譜段具有明顯的特征譜帶與吸收特征，可以有效識別綠泥石、綠簾石、蛇紋石等礦物［8-9］。因此開展輕小型短波紅外高光譜成像儀研制對野外地質(zhì)礦產(chǎn)勘查具有重要意義，可以有效促進蝕變礦物精細(xì)化識別水平的進步。

鑒于此，筆者采用模塊化光譜儀制造方式研制了一款短波紅外高光譜成像儀，具有光譜分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕小型化、便攜型性強等優(yōu)點，適用于無人機載成像，可以較低的成本獲得熱液蝕變的詳細(xì)礦物信息，在鈾礦地質(zhì)勘查領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1 短波紅外高光譜成像儀光學(xué)設(shè)計

1.1 高光譜成像儀工作原理

高光譜成像儀主要由物鏡、狹縫、準(zhǔn)直鏡、透射式光柵、棱鏡、紅外面陣探測器和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)組成（圖1）。光線經(jīng)過成像物鏡射入并會聚到入射狹縫，經(jīng)準(zhǔn)直鏡后入射到與透射式光柵和棱鏡組成的分光模塊，復(fù)色光線經(jīng)過色散部件后變?yōu)閱紊饩€，此時地物目標(biāo)成為一系列線陣列像元，之后通過成像鏡的會聚作用，成像在短波紅外焦平面探測器上成像，最后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)接收，從而獲得目標(biāo)的二維空間信息。

圖1 推掃式高光譜成像儀原理圖Fig.1 The schematic diagram of push broom hyperspectral imager

空間維在記錄目標(biāo)的二維空間信息的同時由光譜維獲取地物目標(biāo)的光譜信息，最終得到完整的數(shù)據(jù)立方體，如圖2所示。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

物鏡的設(shè)計遵循儀器結(jié)構(gòu)緊湊、輕小型化、大視場、低F數(shù)、與光譜儀光瞳匹配的原則，兼顧成本和裝調(diào)難度。由于地物在光譜范圍為1 000～2 500 nm的短波紅外區(qū)間反射能量較低，因此物鏡光譜透過率要高，采用透射式鏡組結(jié)構(gòu)，像方遠(yuǎn)心設(shè)計。為能夠?qū)δ繕?biāo)精細(xì)化成像，鏡頭焦距盡量擴大且能夠在短距離情況下成像［10］。

分光模塊采用棱鏡-光柵-棱鏡（PGP）型透射式色散系統(tǒng)，利用光柵和棱鏡構(gòu)成復(fù)合分光器件，解決單一分光器件存在的譜線彎曲和色散非線性問題，達(dá)到簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高光譜分辨率，降低數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度的目的［11-12］。設(shè)計結(jié)合了棱鏡和光柵色散分光技術(shù)的優(yōu)點，具有光譜分辨率高、光學(xué)效率高、光譜線性度好、重量輕便等優(yōu)點。PGP型透射式色散系統(tǒng)為同軸系統(tǒng)，類似管狀結(jié)構(gòu)，有利于光校操作，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，鏡頭接口和探測器接口易搭配。光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

輕小型短波紅外光譜儀技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.3 光學(xué)系統(tǒng)評價

圖2 推掃式高光譜成像儀數(shù)據(jù)立方體Fig.2 Data cube of push broom hyperspectral imager

圖3 輕小型短波紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Optical system structure of compact SWIR hyperspectral imager

表1 輕小型短波紅外光譜儀技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of compact SWIR hyperspectral imager

通過對光學(xué)系統(tǒng)的性能評價可以判斷光學(xué)系統(tǒng)的各個指標(biāo)是否符合設(shè)計要求。通過點列圖不僅可以衡量光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，還能夠判斷光譜儀的光譜分辨率［6］。從望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)點列圖（圖4）可以看出，在一個像元內(nèi)，點列圖形狀比較規(guī)整，且相對集中，滿足設(shè)計要求。適配焦平面探測器像元為30 μm，而全視場內(nèi)物鏡的RMS半徑為18 μm，可以保證入射光線內(nèi)的所有景物均可以在探測器平面上成像。

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線如圖5所示，系統(tǒng)在不同中心波長、不同視場條件下，奈奎斯特頻率16.7 line/mm處的MTF值均高于0.85，系統(tǒng)的實際光譜分辨率優(yōu)于8 nm，滿足設(shè)計要求。

從分光模塊在1.00、1.75和2.50 μm處的單色點列圖（圖6）看出，不同波長不同視場下點列圖比較集中，分布在一個像元之內(nèi)。彌散斑RMS半徑均小于16 μm，小于短波紅外焦平面探測器的像元尺寸，滿足光譜分辨率要求。

圖4 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)點列圖Fig.4 Beam path of the optical system

圖5 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig.5 MTF curve of the telescopic system

圖6 單色點列圖Fig.6 The monochromatic dot plot

2 近景高光譜成像數(shù)據(jù)獲取

2.1 近景高光譜成像空間技術(shù)指標(biāo)

近景高光譜成像儀設(shè)備通過推掃式移動，空間成像幾何關(guān)系如圖7所示，瞬時視場與探測器單個像元尺寸相關(guān)，總視場與掃描行的全部像元數(shù)相關(guān)，根據(jù)探測器的焦平面尺寸，光譜維設(shè)置為256維，空間維設(shè)置為320維。

圖7 推掃式高光譜成像儀空間成像幾何關(guān)系Fig.7 The geometry signature of push broom hyperspectral imager

假定焦平面探測器的像元為正方形，在不考慮光學(xué)系統(tǒng)像差的情況下，瞬時視場是指探測器單個像元對應(yīng)的視場，與像元大小和光學(xué)系統(tǒng)焦距相關(guān)。

一般情況下，由于瞬時視場較小，正切值可用弧度代替：

空間分辨率GR可表示為：

總視場由探測器空間維像元總數(shù)以及光學(xué)系統(tǒng)焦距決定，即：

研制的近景高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)焦距f為 30 mm， 像 元 尺 寸 為 30 μm，IFOV＝0.058°，F(xiàn)OV＝18.2°。在近景高光譜成像條件下，當(dāng)相對距離為1.0 m時，根據(jù)式（3），計算巖石樣品的空間分辨率為1 mm。同理，相對距離為2.0 m時，巖石樣品的空間分辨率為2 mm。

2.2 數(shù)據(jù)存儲

高光譜成像儀在推掃獲取數(shù)據(jù)過程中，影像空間維（spatial dimensions）依次記錄每一個波段的掃描行的，直到覆蓋全部的256維。圖像的長度（lines）等于探測器掃描單張影像的數(shù)量，總數(shù)據(jù)量大小除以每張影像的數(shù)據(jù)量大小來計算得到。數(shù)據(jù)存儲采用BIL格式，并配置*.hdr頭文件。

2.3 輻射校正和光譜重建

輻射校正的主要目的是將高光譜影像的像素值轉(zhuǎn)換為地物的反射率值；而輻射定標(biāo)則是確定焦平面探測單元獲取的影像灰度值與其接收到的電磁波信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并以此來確定不同像元的光譜特征曲線。

由于無人機等搭載的高光譜成像儀，探測距離通常較近，大氣對高光譜成像儀的輻照度影響較小，可忽略不計。在進行數(shù)據(jù)采集時，可以在同一視場內(nèi)放置反射率已知的標(biāo)準(zhǔn)反射率板白板作為參照，對獲得的數(shù)據(jù)進行相對輻射校正和光譜重建，利用下式可以直接獲得被測目標(biāo)的反射率：

式（5）、 （6）中： ρobj（m）—待測目標(biāo)的第 m 波段反射率；ρstd（m）—標(biāo)準(zhǔn)反射率板的第m波段反射率；DNstd（m）—測量標(biāo)準(zhǔn)反射率板得到的第m波段DN值；DNobj（m）—測量待測目標(biāo)得到的第m波段DN值。

這里，我們可以反射率為0.99的標(biāo)準(zhǔn)白板作為標(biāo)準(zhǔn)反射率板，根據(jù)式（6）計算每個像元的反射率，便可獲取近景高光譜成像數(shù)據(jù)和光譜曲線，然后利用標(biāo)準(zhǔn)反射板進行校正處理，最后將校正后的發(fā)射率曲線與ENVI光譜庫中的對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線對比，就可以較準(zhǔn)確地對目標(biāo)物進行識別。

3 近景高光譜成像礦物信息識別

3.1 礦物識別算法

基于地物光譜反射率曲線，利用標(biāo)準(zhǔn)光譜庫或地面光譜儀同步測量的光譜曲線作為已知光譜數(shù)據(jù)，采用光譜匹配的方法，通過巖石光譜與參考光譜的相似性度量或巖石光譜與光譜庫中標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線的比較，計算成像像元光譜與參考光譜在光譜空間中的差異性來識別近景高光譜影像中的蝕變礦物類型［8，13］。

巖礦的光譜曲線包含一系列特征吸收譜帶，且每一個特征吸收譜帶或譜帶組合與巖石內(nèi)部微粒的位置屬性存在一定的對應(yīng)關(guān)系，如：Fe2＋在1 000 nm附近產(chǎn)生特征譜帶，CO32-在2 300 nm處產(chǎn)生特征吸收，Al-OH在2 210 nm處產(chǎn)生特征吸收等。根據(jù)不同礦物在短波紅外波段區(qū)間的吸收峰位（表2），即可以區(qū)分不同含羥基或陰性離子團的礦物。利用陰離子的特征譜帶或其譜帶組合可以對礦物進行識別。

表2 部分礦物的特征吸收峰位置Table 2 Infrared spectral absorption position of source minerals

3.2 典型礦物特征信息提取

在進行數(shù)據(jù)采集前，首先用ASD對實驗樣品進行光譜測量，并對礦物含量進行判斷。利用研制的成像儀對典型礦物含量高的巖石面進行掃描，采用光譜角礦物識別算法進行礦物識別，并獲得了對應(yīng)礦物的光譜曲線。之后對獲得結(jié)進行處理，并與標(biāo)準(zhǔn)光譜庫對應(yīng)曲線進行對比（圖 8）。

圖8 典型礦物精細(xì)化識別影像及對應(yīng)光譜曲線Fig.8 Refined identification image and corresponding spectral curve of typical minerals

從實測光譜曲線上看出，石膏在短波紅外波段有4個明顯的吸收峰（1 448、1 748、1 940、2 216 nm），方解石在2 335 nm處有明顯吸收特征，與表2中吸收峰位置一致；光譜形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)光譜庫中對應(yīng)光譜曲線的吻合性好。表明研制的成像光譜儀可以通過礦物的反射率曲線來進行不同礦物的精細(xì)化識別。

3.3 混合礦物信息識別

為進一步驗證光譜儀對同一巖石內(nèi)部不同礦物識別效果，在實驗室內(nèi)利用輕小型短波紅外高光譜成像儀近景測量獲取了某巖石樣品（圖9 a）的高光譜圖像，采用蝕變礦物提取算法進行混合礦物識別，成功對巖石樣品中蝕變礦物進行提取，并可見明顯的孔雀石化和絹云母化的分界面，其分布情況見圖9 b。

輕小型短波紅外高光譜成像儀的成功研制為礦物精細(xì)化識別工作提供了技術(shù)支持，但部分礦物在短波紅外波段光譜特征不明顯，如赤鐵礦僅在可見光-近紅外波段范圍內(nèi)有明顯吸收特征，因此在使用過程中需要結(jié)合實際情況；實驗室測量時，外界影響較小，儀器姿態(tài)基本無變化，在進行無人機載成像時外界擾動大，對實際結(jié)果有一定的影響，需設(shè)計專用穩(wěn)定平臺，并進一步完善礦物提取方法，以提高礦物識別的準(zhǔn)確性。

圖9 孔雀石化巖石樣品（a）和精細(xì)化高光譜成像識別結(jié)果（b）Fig.9 The malachite specimen（a）and refined mineral identification results（b）

4 結(jié)語

采用透射式光柵研制的輕小型短波紅外高光譜成像儀可以獲取較高光譜分辨率和空間分辨率的近景高光譜成像數(shù)據(jù)。通過性能測試表明本儀器不僅能夠在更高的光譜分辨率和空間分辨率的尺度上對礦物進行精細(xì)化識別，還可以在一個影像平面上進行混合礦物識別。此外，由于本光譜儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕小型化、便攜型性強等優(yōu)點，適用于無人機載成像，可以提高野外地質(zhì)勘探的工作效率，在地質(zhì)資源勘查領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。