地物光谱仪孔雀石紫云母测试

1.为什么用地物光谱仪对地物进行测试？

对于地物的测试，传统的方法有化学法等。随着光谱学的发展，现在可以运用光谱法去对地物进行测试，获取地物自身的信息。无论是植被、土壤、水体还是人工地物都具有其自身特征的光谱反射率，我们可以通过地物光谱仪去测试地物的光谱反射率，有些地物信息是可以直接通过地物光谱测量去获取，除此之外地物光谱测量也能辅助一些化学法或者其他方法去对地物做研究。

2.地物光谱特征

每种地物的自身特性都不一样，有些地物会吸收掉大部分的太阳光，而有些会将大部分太阳光反射出去，这种地物的反射率比较高，有一些能被部分太阳光透过，这些地物都具有不一样的反射光谱。所谓光谱学，就是研究一定波长的电磁波在液体，固体和气体这三种介质中经过反射，辐射，散射以及吸收作用的学科。研究地物光谱特征主要就是研究其反射光谱，知道地物的光谱吸收段并通过吸收段的光谱响应来获取反演地物的材料，状态等等。光谱范围能否包括我们测试地物需要提取的特征点获取信息的光谱吸收段，是我们能否顺利研究获取地物信息的关键，所以我们首先需要知道光谱范围，还需要看其光谱分辨率，光谱带宽以及信噪比。相邻的两个通道的中心波长的波长间隔就是光谱分辨率，这个波长间距对被测地物的局部特征反映有影响，采样间隔越小，就越能反映被测地物的局部吸收。光谱带宽是指光谱仪内一个光谱通道的宽度，带宽的宽窄直接影响了地物测量的精确性，带宽太宽，就会导致我们需要提取的特征点丢失，测量精度低，带宽越窄，就不容易损失有用的信息，在邻近的谱段能测到的波谱样本越多，对地物的测量就越精确，有利于数据处理分析。信噪比是传感器的信号功率（SP）和噪声功率（NP）之比，它取决于探测器的敏感度、光谱宽度、被测量物表面反射和发射光的强度，当信噪比低的时候，噪声功率的占比就会比较高，对地物的信号探索反演有很大的干扰；当信噪比高时，就能更准确的去获取地物的光谱信息。

除了植被、土壤等典型的地物光谱，人们还开始研究一些人工地物的光谱特征，比如迷彩服的绿色与植被的绿色的区别。而且根据这些需要，也建立起越来越精确且多样的地物光谱库，为高光谱影像分类和匹配做准备。

2.1岩石和矿物的反射光谱特征

决定岩石和矿物在400-2500nm波段的反射光谱特征的因素很多，其中最主要的是岩石和矿物的物质成分、粒度和颜色等。

岩石和矿石是矿物集合体，其反射光谱特征与矿物成分有关。不同的矿物由不同的元素组成，它们影响着岩石的反射光谱特征（表1、2）。从表中看出，在碳酸盐岩中，MgO和CaO的合量大于52%时，其反射率较高，反之则低。在硅酸盐岩石中，若SiO₂含量大其反 射率就高，反之则低。

岩石和矿物在400-2500nm波段内呈现的反射光谱特征，起因于组成阳离子的电子跃迁和阴离子团的分子振动。400-1300nm波段范围内的反射光谱特征主要是由阳离子的电子跃迁所引起的。铁是一种常见的元素，地表可见到许多化合物如氧化物、氢氧化物等，Fe³⁺在400-600nm波段形成一个正吸收边，并在520nm和900nm波段附近各形成一个吸收谱带，Fe²⁺在1100波段附近有一个吸收谱带，这些谱带的强度和宽度各不相同。磁铁矿矿石的含铁量很高，但因其为不透明矿物，故压抑了该矿石的反射光谱特征。

孔雀石矿石无论野外或室内反射光谱曲线在800nm波段附近都有一个强烈而宽的吸收谱带，同时在400-600nm波段的正吸收边也十分明显，这些特征显然是了Cu²⁺离子的电子跃迁引起的。

1300-2500nm波段范围内的反射光谱特征，是OH^- 、H₂O和CO₃^2-等阴离子团所引起的。在岩石矿物中，只要有水的存在就会出现特征谱带。如图1中的蚀变闪长玢岩，除含有OH矿物外，水的含量为4.04-10.6%。故它们的反射光谱曲线在1400和1900nm波段附近呈现水的吸收谱带。羟基离子引起的特征谱带，往往出现在1400、2200或2300nm波段附近（图1）。

CO₃^2-离子引起的特征谱带，据文献记载有5个：1850-1870、1970-2000、2120-2160、2300-2350和2500nm波段。

孔雀石属于单斜晶系，它是一种含铜的碳酸盐类矿物，一般地质学上把它作为寻找黄铜矿脉的标志。孔雀石是一种天然的矿石，主要成分为碱式碳酸铜[Cu₂(OH)₂CO₃或2CuOCO₂H₂O]。紫云母为紫色的斜红磷铁矿，单斜晶系，颜色多为均匀分布的紫红色，偶尔会有白色的斑点，不透明。本次测试的孔雀石和紫云母为西安地调局提供。

3.数据获取及分析

3.1数据获取

本次测试采用莱森光学研发的地物光谱仪iSpecField-WNIR（图2），光谱范围300-2500nm，光谱通道数2200，光谱分辨率≤3nm@300-1000nm，≤15nm@1000-2500nm，2048像素面阵BT-CCD/256像素InGaAs-TEC致冷：固定全息光栅分光以及99%标准白板。

图2 地物光谱仪iSpecField-WNIR

用地物光谱仪对样品孔雀石和紫云母（图3）进行测试反射率，对所取的数据进行平均、平滑处理，排除仪器本身噪声影响，使数据更准确、真实地还原样品本身的光学特征。

图3 孔雀石、紫云母

3.2数据分析

下图（图4）为处理后的反射率图，可看出紫云母整体反射率大于孔雀石。

图4孔雀石紫云母反射率

孔雀石的反射率整体偏低，由于Cu²⁺的影响，曲线在400-600nm有一个十分明显的正吸收边，以及在800nm波段附近都有一个强烈而宽的吸收谱带，在2200nm处还存在较明显的水吸收带。孔雀石本身含有Fe元素，在1100nm附近没有一个吸收带，原因可能是孔雀石自身还有一些不透明矿物，压抑了孔雀石的反射谱线。

图5 孔雀石反射率曲线

紫云母的反射率整体较高，由于Fe³⁺的存在，在400nm附近存在一个正吸收边，并且在520nm和900nm波段附近各形成一个吸收谱带；由于OH^-的存在，羟基离子引起的特征谱带往往出现在1400nm、2200nm或2300nm附近，图中在1400nm和2200nm呈现水的吸收谱带。

图6 紫云母反射率曲线

4.结论

用地物光谱仪去测试矿物反射率能够定性分析处矿物自身的成分，不同类型矿物具有各自的反射光谱特征，应用这些特征，不仅为区分矿物成因份提供一种新的研究途径，而且在遥 感地质找矿上也具有一定的现实意义。