粗糙度和觀測角度對巖石熱紅外光譜特性及其解混影響的實驗研究

李天子

河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000

光譜解混是一種重要巖礦光譜定量反演方法。但該方法的影響因素較多，機理復(fù)雜，嚴重影響了巖礦定量反演精度，其中巖石表面的粗糙度和光譜觀測角度是重要的影響因素。為揭示粗糙度和觀測角度對巖石熱紅外光譜及光譜解混的影響特征，論文在國家自然基金面上項目“粗糙度和觀測角度對巖石熱紅外光譜解混影響規(guī)律的實驗研究”的資助下開展研究。主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下：

(1) 自然塊狀巖石表面形態(tài)研究。利用三維激光掃描方法對典型自然巖石樣品進行掃描，獲取巖石的表面形態(tài)，并利用小波分析方法研究巖石表面的形態(tài)特征，獲取巖石表面粗糙度范圍。結(jié)果表明：12塊自然巖石表面的粗糙度范圍為0.8 μm

(2) 粗糙度對礦物熱紅外光譜特征的影響研究。利用自然巖石粗糙度測試結(jié)果，并依據(jù)Becker判據(jù)，對典型礦物(石英、正長石、斜長石等)制作成系列粗糙度的試樣，利用紅外光譜輻射計觀測其熱紅外光譜，研究粗糙度對光譜特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明：粗糙度對3種礦物的光譜特征有明顯影響，且在不同波段影響特點不同。在CF特征波段影響不明顯；在RF特征波段影響明顯，隨著粗糙度的增加，發(fā)射率明顯增加，但到達一定閾值后，光譜發(fā)射率不再增加，反而降低。石英、正長石和斜長石的發(fā)射率變化拐點分別為粗糙度4.11 μm、3.74 μm、4.04 μm，與Becker判據(jù)基本吻合；TF特征發(fā)射率光譜沒有明顯規(guī)律性變化，特征位置沒有變化。

(3) 粗糙度對巖石熱紅外光譜解混的影響研究。采用塊體拼接的方式模擬二長花崗巖，通過不同粗糙度的礦物端元與模擬巖石光譜的交叉解混，研究粗糙度對巖石光譜解混的影響。結(jié)果表明：當?shù)V物端元與巖石的粗糙度相同時，光譜解混誤差小于5%，解混精度較高；當?shù)V物端元與巖石的粗糙度不同時，光譜解混誤差較大，大于5%，最大達到16.80%。這說明在利用光譜解混方法進行巖石礦物組分高精度定量反演時應(yīng)該考慮粗糙度的影響。

(4) 觀測角度對熱紅外光譜特征和光譜解混的影響研究。對一般粗糙度的石英、正長石、斜長石試樣進行9個傾斜角度的熱紅外光譜觀測，研究觀測角度對光譜特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明：CF特征在觀測角度大于50°之后向短波方向移動明顯；RF特征在0°～77°之間隨觀測角度的增加，向短波方向移動，在觀測角度大于20°之后吸收谷深度加深；TF特征在觀測角度大于40°之后發(fā)射率降低明顯。

將觀測角度作為影響巖石光譜解混的考察因素，通過垂直觀測的礦物端元解混不同觀測角度的虛擬二長花崗巖，結(jié)果表明：在0°～20°范圍內(nèi)，觀測角度對光譜解混影響不明顯，解混誤差小于5%；當觀測角度大于20°時，觀測角度對光譜解混有顯著影響，30°～77°解混誤差大于5%，平均解混誤差達到17.2%，解混精度較低。這表明，在利用光譜解混方法進行巖石礦物組分高精度定量反演時，應(yīng)該考慮觀測角度的影響。

(5) 試驗結(jié)果的機理分析。利用光散射、多次反射、Hapke模型和基爾霍夫近似方法，就礦物粗糙度和觀測角度對光譜發(fā)射率的影響機理進行分析。結(jié)果表明：礦物粗糙度對發(fā)射率的影響是表散射、體散射和空腔效應(yīng)等共同作用的結(jié)果，在一般粗糙度條件下，礦物試樣方向發(fā)射率受光滑面的發(fā)射率、多重散射和遮蔽效應(yīng)等的共同影響。