光谱成像仪的理论基础知识

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　高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，其最突出的应用是遥感探测领域，并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。高光谱成像技术集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，是传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。Hunt(1978)以上述实验研究为基础，归纳出下述对TM遥感解译极为重要的结论：
　　①主要造岩矿物的主要成分,即硅、铝、镁和氧，在VNIR区不产生具有诊断性的谱带。其振动基频在中红外和远红外区，波长位于10μm附近或更长区域，第一倍频也在5μm附近或更长区域，高倍频谱带强度太弱，所以不能期望在VNIR区中观察到它们。所以由这些矿物构成的岩石在TM1—5和7(0.45—2.35μm)各波段上均没有特征谱带。
　　②岩石中的次要成分，如铁杂质或蚀变矿物，可形成岩石谱带中的优势地位。 换言之，在可见及近红外区中，天然矿物和岩石最常见的光谱特征是由这样或那 样形式存在的铁产生的，或者是由水、OH-基团或 基团产生的。关于它们的 波谱以下将较细致地讨论。
　　③热液蚀变矿物在短波近红外波段具有诊断性强吸收特征，它们是纯矿物本 身固有的特征。不同矿物混合在一起组成岩石并不能改变矿物的波谱特征，因此 岩石的波谱是组成岩石的纯矿物波谱的线性组合，但某种矿物吸收特征的强弱不 但取决于其含量，还取决于辐射能量的可接近程度。例如某一矿物被透明矿物所 包围时，其吸收特征就较强，反之亦然。光谱成像吸收特征的尖锐程度取决于矿物的结晶 程度，结晶程度越好吸收特征越明显。
　　④绝对反射率和谱带的光谱对比度，对矿物颗粒大小非常敏感。对透明物质 来说，一般的规律是，粒级越小，总反射率越高，但光谱对比度降低。不透明物 质，粒级越小，反射率越低。
　　矿物岩石的各种光谱特征均起因于电子过程或振动过程。光谱成像之所以能够将不同种类性质各异的200多种矿物的光谱特征在同一张图上表示出来，就是因 为大多数矿物的主要成分在VNIR区不产生吸收谱带，因此VNIR区所获信息来自为数不多的几种结构离子和置换离子的电子过程，以及数目有限的阴离子基团的振动过程。电子过程中Fe2+、Fe3+占主要地位，也就是说，在矿物(当然也包括岩石和土壤)的VNIR光谱中，最常遇到的电子特征是以某种形式存在蛇铁产生的。光谱成像振动过程中占主要地位的有水和羟基(OH-)，此外还有碳酸根。
　　遥感进行蚀变矿物识别或异常提取主要利用电子跃迁和原子团振动产生的电磁波谱信息。
　　电子过程
　　VNIR区所覆盖的能量范围相当宽，足以包括电子过程所产生的不同效应： 晶体场效应、电荷转移、色心、导带跃迁。
　　二价铁离子Fe2+产生的光谱特征其波长因矿物不同而异，数据主要与离子所在位置的性质有关，分布在1.1μm—2.4μm范围内。
　　三价铁离子Fe3+在0.76-0.90μm(TM4)波段有较强的吸收，见图1-3。图中赤铁矿、黄钾铁矾、针铁矿的Fe3+特征吸收波段中心分别在0.85μm、0.90μm和 0.94μm。光谱成像此外在中心为0.45μm、0.55μm等波段亦有吸收，对应的TH波段为TM1(0.45—0.52μm)和TM2(0.52—0.60μm)。
　　振动过程
　　振动过程产生的谱带较之电子过程产生的谱带要尖锐得多，而且典型的振动特征以多重谱带的形式出现。现具体说明如下。
　　任何一个振动系统的表观无规则运动，是由数目有限的简单运动(称为简正模式或基本模式)构成的。一个由N个粒子组成的系统有3N—6个简正振动。每一种基本振动有其基频υi。