典型煤的近紅外反射光譜特征的方向性研究

楊 恩，王世博

1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 徐州 221116 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116

引 言

煤炭是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要能源和重要原材料，利用先進(jìn)的科技手段高效、綠色、安全地探測(cè)和開(kāi)發(fā)煤炭具有重要的意義。高光譜遙感作為一種可見(jiàn)-近紅外波段光譜分辨率較高、地物探測(cè)更為精確的遙感技術(shù)，近年來(lái)已在煤礦區(qū)的煤炭資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了一定的研究和應(yīng)用[1-3]。由于地物的反射光譜特征具有方向性，即地物的反射光譜特征隨探測(cè)器探測(cè)角度的變化而變化，因此獲得地物的方向反射光譜特征是實(shí)現(xiàn)地物高光譜遙感精確識(shí)別結(jié)果的重要基礎(chǔ)[4-7]。獲得煤、矸石、植被、水體等地物的方向反射光譜特征對(duì)于煤礦區(qū)高光譜遙感更為精確的探測(cè)結(jié)果具有重要作用。

目前，為校準(zhǔn)機(jī)載和衛(wèi)星傳感器對(duì)地物的高光譜遙感數(shù)據(jù)，同時(shí)為提供地面尺度的地物反射光譜數(shù)據(jù)，已有多位學(xué)者測(cè)定了多種地物的方向反射光譜特征，并采用了不同的測(cè)量裝置。Knowles-Middleton等[4]最早采用了一個(gè)封閉的半圓形盒子，里面設(shè)有鏈傳動(dòng)軌道，通過(guò)光電倍增管輸出電壓測(cè)定了雪面定向反射特征。Schopfer等[8]采用雙視角測(cè)角支架和兩臺(tái)ASD FieldSpec-3光纖光譜儀測(cè)定了人造地物的方向反射光譜特征。Cloutis等[5]采用ASD FieldSpec Pro HR光纖光譜儀、準(zhǔn)直光源、測(cè)角儀等裝置測(cè)定了碳質(zhì)球粒隕石的方向反射光譜特征。趙子傑等[6]采用ASD FieldSpec-3光纖光譜儀、NENULGS角度測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)定了沙地表面的方向反射光譜特征。路鵬等[7]為研究月球表面主要礦物的方向反射特征，采用ASD FieldSpec-3 Hi-Res光譜儀測(cè)定了斜長(zhǎng)石和單斜輝石的方向反射光譜特征。以上文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)于巖石、礦物、植被、水體、人造物等地物的方向反射光譜特征的研究，然而煤作為露天煤礦等煤礦區(qū)的主要地物，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道相關(guān)煤的方向反射光譜特征。研究典型煤的方向反射光譜特征將為礦區(qū)煤炭高光譜遙感最優(yōu)探測(cè)幾何的選擇、煤炭資源精準(zhǔn)探測(cè)等提供參考。

選取了我國(guó)無(wú)煙煤、煙煤、褐煤三大類(lèi)煤中的無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)4種典型煤樣，利用方向反射測(cè)量球坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定了每種煤半球空間各個(gè)反射方向的近紅外波段(1 000～2 500 nm)反射光譜曲線(xiàn)，獲得了每種煤特征波長(zhǎng)處反射率的空間分布特征，分析了每種煤前向反射(180°探測(cè)方位角)和后向反射(0°探測(cè)方位角)特征波長(zhǎng)反射率的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣處理

從寧夏汝其溝煤礦、山東東風(fēng)煤礦、山東興隆莊煤礦、吉林舒蘭煤礦分別收集了無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)4種典型煤樣各1塊。將每種煤樣切割成10 cm×10 cm×5 cm的方體試樣，并對(duì)其中一側(cè)10 cm×10 cm表面打磨平整，采集此表面反射光譜后，將此表面煤樣切割下來(lái)碾成粉末，取其中一部分粉末依次進(jìn)行工業(yè)分析、煤灰X射線(xiàn)熒光(XRF)分析，其中XRF分析所用儀器為德國(guó)Bruker Spectrometer S8 Tiger。按煤階由高到低順序排列，4種煤的空氣干燥基固定碳、揮發(fā)分、灰分、水分工業(yè)分析結(jié)果及煤灰XRF分析結(jié)果如表1所示。

表1 4種典型煤樣的主要成分Table 1 Main compositions of the four typical coal samples

1.2 煤近紅外方向反射光譜測(cè)定

如圖1所示，搭建方向反射測(cè)量球坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由球坐標(biāo)支架、100 W鹵鎢燈光源、準(zhǔn)直鏡、Y型石英光纖、650 nm激光器、PTFE參照白板、荷蘭Avantes AvaSpec近紅外光纖光譜儀、采集計(jì)算機(jī)組成，其中近紅外光纖光譜儀波長(zhǎng)范圍為1 000～2 500 nm，Y型光纖合并端連接準(zhǔn)直鏡，一個(gè)分支端連接光譜儀用于光譜數(shù)據(jù)采集，另一個(gè)分支端連接激光器用于指示探測(cè)位置，準(zhǔn)直鏡固定于球坐標(biāo)支架反射角滑軌用于收集反射光。

圖1 煤方向反射實(shí)驗(yàn)臺(tái)及光譜采集示意圖(a)：方向反射測(cè)量球坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置；(b)：煤方向反射光譜采集示意圖Fig.1 Directional reflection platform and spectra acquisition diagram for coal(a)：Spherical coordinate device for directional reflection measurment; (b):Directional reflectance spectra acquisition diagram for coal

對(duì)于每種煤塊樣，方向反射測(cè)量球坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置采用鹵鎢聚光燈模擬太陽(yáng)照射試樣被測(cè)表面，鹵鎢燈光束入射方向固定，其方位角為0°，入射角為45°，準(zhǔn)直鏡探頭模擬試樣反射光譜探測(cè)接收器，其接收方位角(φ)設(shè)定0°，45°，90°，135°和180° 5個(gè)位置，每個(gè)方位角下設(shè)定0°，15°，30°，45°，60°和75° 6個(gè)接收反射角(θo)，光源照射距離和準(zhǔn)直鏡探測(cè)距離均為0.5 m，即對(duì)于每種試樣共采集30個(gè)探測(cè)方位的反射光譜數(shù)據(jù)。在任一探測(cè)方向，測(cè)定試樣被測(cè)表面內(nèi)不同區(qū)域反射光譜數(shù)據(jù)，取其均值作為試樣在該探測(cè)方向的反射光譜數(shù)據(jù)。按對(duì)稱(chēng)取試樣在180°～360°方位角相應(yīng)探測(cè)方位的光譜數(shù)據(jù)[6-7]，以此獲得每種煤樣近似半球空間各反射方向的近紅外波段反射光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤近紅外方向反射光譜曲線(xiàn)特征

實(shí)驗(yàn)所得無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)4種典型煤樣表面各探測(cè)方位角(φ)下各反射角(θo)方向的近紅外波段(1 000～2 500 nm)光譜反射率曲線(xiàn)分別如圖2、圖3、圖4、圖5所示(兩端邊緣波段1 000～1 049和2 450～2 500 nm光譜曲線(xiàn)受光譜儀暗電流影響，噪聲較大，圖中已去除)。對(duì)于同一種煤，不同探測(cè)方向的近紅外光譜曲線(xiàn)表現(xiàn)出了基本相似的波形，但整體反射率大小和局部波形特征有一定的差異性。受反射能量越多，接收信噪比越高的影響，所得反射光譜曲線(xiàn)具有隨整體反射率升高，光譜吸收谷特征更加明顯的規(guī)律。同時(shí)，4種煤樣按煤階由高到低順序，各探測(cè)方向近紅外反射光譜波形整體上符合吸收谷特征增多、反射率增大的趨勢(shì)[9-10]。

圖3 貧煤各位角(φ)下的近紅外反射光譜曲線(xiàn)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°Fig.3 Near-infrared spectral reflectance curves of meager coal under different azimuth angles (φ)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°

如圖2(e)、圖3(e)、圖4(e)、圖5(e)所示，在180°探測(cè)方位角，即前向反射方向時(shí)，4種煤樣均表現(xiàn)出隨探測(cè)反射角變化，反射光譜曲線(xiàn)變化較為明顯、強(qiáng)度差異較大的特征，整體規(guī)律為隨反射角增大，反射光譜曲線(xiàn)上升。而在0°探測(cè)方位角，即后向反射方向，如圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)、圖5(a)所示，4種煤樣均表現(xiàn)出隨探測(cè)反射角變化，反射光譜曲線(xiàn)變化相對(duì)不明顯、強(qiáng)度差異較小的特征，無(wú)煙煤一號(hào)后向反射光譜曲線(xiàn)整體最大反射率出現(xiàn)在15°反射角附近，貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)后向反射光譜曲線(xiàn)整體最大反射率均出現(xiàn)在45°～60°反射角附近。

如圖2(b—d)、圖3(b—d)、圖4(b—d)、圖5(b—d)所示，45°，90°，135° 3個(gè)方位角下，4種煤樣反射光譜曲線(xiàn)強(qiáng)度無(wú)明顯的隨反射角變化規(guī)律。

圖4 氣煤各方位角(φ)下的近紅外反射光譜曲線(xiàn)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°Fig.4 Near-infrared spectral reflectance curves of gas coal under different azimuth angles (φ)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°

圖5 褐煤二號(hào)各方位角(φ)下的近紅外反射光譜曲線(xiàn)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°Fig.5 Near-infrared spectral reflectance curves of No.2 lignite under different azimuth angles (φ)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°

2.2 煤近紅外特征波長(zhǎng)反射率空間分布特征

煤在近紅外波段的反射光譜吸收谷特征主要受其所含的水分、礦物、有機(jī)成分的影響。煤中的水分在1 400和1 900 nm波長(zhǎng)附近有吸收谷特征[10-13]。煤中的主要礦物成分最為常見(jiàn)的有黏土礦物、石英，黏土礦物中—OH、石英結(jié)合H2O也對(duì)煤1 400和1 900 nm波長(zhǎng)附近的吸收谷特征產(chǎn)生影響，同時(shí)黏土礦物中的Al—OH對(duì)煤2 200 nm波長(zhǎng)附近的吸收谷特征產(chǎn)生主要影響[10-12]。煤有機(jī)成分中脂肪側(cè)鏈CH3、CH2、芳香結(jié)構(gòu)C—H等彎曲、伸縮振動(dòng)的合頻、倍頻，所產(chǎn)生的近紅外波段反射光譜吸收谷特征主要出現(xiàn)在1 700和2 300 nm波長(zhǎng)附近[11,14]?；谝陨现饕煞謱?duì)煤近紅外波段反射光譜吸收谷特征的影響，選取每種煤樣在半球空間各方向近紅外反射光譜的1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個(gè)特征波長(zhǎng)處的反射率進(jìn)行分析，得到無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)特征波長(zhǎng)處的反射率空間分布極坐標(biāo)云圖，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6、圖7、圖8、圖9中各特征波長(zhǎng)處反射率空間分布極坐標(biāo)云圖表明4種典型煤在近紅外波段各特征波長(zhǎng)處均表現(xiàn)出了一定的雙向反射特征。180°探測(cè)方位角前向反射時(shí)，在各特征波長(zhǎng)處4種典型煤均表現(xiàn)出了較明顯的反射熱點(diǎn)特征，即在某個(gè)方向反射能量較大，在反射率空間分布極坐標(biāo)云圖中，這個(gè)方向的顏色相對(duì)于周?chē)渌较虻念伾呄蛴谂?紅色)，故此，稱(chēng)其為熱點(diǎn)。整體上反射角越大，反射熱點(diǎn)特征越明顯。而0°探測(cè)方位角后向反射時(shí)，在各特征波長(zhǎng)處4種典型煤均表現(xiàn)出了相對(duì)較弱的反射熱點(diǎn)特征，整體表現(xiàn)為無(wú)煙煤一號(hào)后向反射熱點(diǎn)相對(duì)于貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)更為明顯，貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)按煤階降低的順序，后向反射熱點(diǎn)特征整體上逐漸變明顯。

如圖6、圖7、圖8所示，無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤3種煤中，同一種煤在各特征波長(zhǎng)間表現(xiàn)出了相似的反射率分布特征，其中無(wú)煙煤一號(hào)在后向反射方向15°反射角附近出現(xiàn)局部熱點(diǎn)；貧煤在后向反射方向45°反射角附近出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，前向反射方向40°反射角附近出現(xiàn)局部熱點(diǎn)；氣煤在前向反射方向50°反射角附近出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。如圖9所示，褐煤二號(hào)在1 400，1 700和1 900 nm 3個(gè)特征波長(zhǎng)處表現(xiàn)出相對(duì)較明顯的后向反射特征，后向反射方向45°～60°反射角附近出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，2 200和2 300 nm 2個(gè)特征波長(zhǎng)處的后向反射特征相對(duì)不明顯。此外，褐煤二號(hào)還在1 400，1 700和1 900 nm 3個(gè)特征波長(zhǎng)處，90°和270°方位角的45°反射角方向附近出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。

圖6 無(wú)煙煤一號(hào)特征波長(zhǎng)(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.6 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of No.1 anthracite(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

圖7 貧煤特征波長(zhǎng)(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.7 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of meager coal(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

圖8 氣煤特征波長(zhǎng)(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.8 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of gas coal(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

圖9 褐煤二號(hào)特征波長(zhǎng)(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.9 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of No.2 lignite(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

根據(jù)前述4種典型煤樣近紅外反射光譜曲線(xiàn)隨整體反射率升高，光譜吸收谷特征更加明顯的規(guī)律，優(yōu)先選擇煤特征波長(zhǎng)反射率空間分布極坐標(biāo)云圖局部熱點(diǎn)所處的探測(cè)方向作為高光譜遙感傳感器對(duì)礦區(qū)煤炭的最佳探測(cè)方向。

2.3 煤近紅外特征波長(zhǎng)反射率-反射角相關(guān)性

由煤近紅外特征波長(zhǎng)反射率空間分布特征可知，在180°探測(cè)方位角前向反射方向和0°探測(cè)方位角后向反射方向，隨反射角變化煤有較復(fù)雜的反射強(qiáng)度分布，然而這兩個(gè)探測(cè)方向同時(shí)又是地物反射光譜探測(cè)中主要使用的探測(cè)方向[5-7]。據(jù)此，進(jìn)一步研究4種典型煤前、后向反射光譜探測(cè)中特征波長(zhǎng)處反射率與反射角的關(guān)系。在前向反射方向和后向反射方向，對(duì)每種煤在1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個(gè)特征波長(zhǎng)處進(jìn)行反射率與反射角的相關(guān)性分析，如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

從圖10、圖11、圖12、圖13中4種煤特征波長(zhǎng)反射率-反射角分布點(diǎn)可知，在前向反射時(shí)，4種煤均呈現(xiàn)隨反射角增大，特征波長(zhǎng)反射率整體上增大的趨勢(shì)；在后向反射時(shí)，4種煤均呈現(xiàn)隨反射角增大，特征波長(zhǎng)反射率整體上先增大后減小的趨勢(shì)。在前向反射時(shí)，如圖10(a)、圖11(a)、圖12(a)、圖13(a)所示，采用線(xiàn)性函數(shù)擬合每種煤特征波長(zhǎng)反射率與反射角關(guān)系；在后向反射時(shí)，如圖10(b)、圖11(b)、圖12(b)、圖13(b)所示，采用高斯函數(shù)擬合每種煤特征波長(zhǎng)反射率與反射角關(guān)系。4種煤前向反射和后向反射所用兩種擬合方法的擬合方程決定系數(shù)均大于0.75。

圖10 無(wú)煙煤一號(hào)特征波長(zhǎng)反射率-反射角(θo)回歸曲線(xiàn)(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.10 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of No.1 anthracite(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

圖11 貧煤特征波長(zhǎng)反射率-反射角(θo)回歸曲線(xiàn)(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.11 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of meager coal(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

圖12 氣煤特征波長(zhǎng)反射率-反射角(θo)回歸曲線(xiàn)(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.12 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of gas coal(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

圖13 褐煤二號(hào)特征波長(zhǎng)反射率-反射角(θo)回歸曲線(xiàn)(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.13 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of No.2 lignite(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

此外，4種煤后向反射高斯函數(shù)擬合曲線(xiàn)波峰所對(duì)應(yīng)反射角與特征波長(zhǎng)反射率空間分布云圖中后向反射熱點(diǎn)所在反射角范圍基本一致，并且高斯函數(shù)曲線(xiàn)波峰呈現(xiàn)出隨煤階降低向較大角度移動(dòng)的規(guī)律。

3 結(jié) 論

針對(duì)露天煤礦、堆煤場(chǎng)等煤礦區(qū)地表的高光譜遙感精準(zhǔn)煤炭資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，獲得了典型煤的近紅外方向反射光譜特征，所得結(jié)論如下：

(1)無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)4種典型煤，每種煤各方向近紅外波段反射光譜曲線(xiàn)波形相似，但整體反射率大小和局部波形特征具有差異性，表現(xiàn)為反射率越大，吸收谷越明顯。隨反射角增大，4種煤在前向反射方向各波段反射率均增大，在后向反射方向各波段反射率變化較小。

(2)在近紅外波段1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個(gè)特征波長(zhǎng)處反射率空間分布中，無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)均具有雙向反射特征，在前向反射方向，均表現(xiàn)出明顯的反射熱點(diǎn)；在后向反射方向，反射熱點(diǎn)均較弱，其中無(wú)煙煤一號(hào)相對(duì)最明顯，貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)按煤階降低順序，逐漸變明顯。

(3)無(wú)煙煤一號(hào)、貧煤、氣煤、褐煤二號(hào)在近紅外波段1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個(gè)特征波長(zhǎng)處的方向反射率，前向反射時(shí)，均隨反射角增大而增大，近似為反射角的線(xiàn)性函數(shù)；后向反射時(shí)，均隨反射角增大而先增大后減小，近似為反射角的高斯函數(shù)。