高光谱成像系统：高光谱数据光谱分辨率对矿物识别的影响分析

高光谱遥感可得出地物的光谱信息，即在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成了一种独特的三维遥感。运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特性，运用适当的处理方法，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的。但是，载荷的光谱分辨率与载荷其他参数相互制约，对于后续数据处理来讲，也并非越高越好。

光谱分辨率决定因素分析

光谱分辨率是成像光谱仪的一个重要参数，它是指遥感器所选用的波段数量的多少、各波段的波长位置及波长间隔大小。即选择的通道数，每个通道的中心波长，带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率

成像光谱仪第k个波段的输出信号可由下式表示:

式中:H(λ)地面光谱辐射度；β为系统的瞬时视场；D为系统的有效光学口径的直径;τa(λ)为大光过率;τ0（λ）为系统光学效率；Ss(λ)为光谱仪色散系统的传递函数:Rd(λ）为探测器的光谱仪响应率;Re(λ)为电子学系统的光谱响应率。其中H(λ)，p(λ)，τa（λ）是与系统关的量而，τ0（λ），Ss(λ)，Rd(λ)，Re(λ)则是由系统定的参数。

在遥感成像系统的设计中，空间分辨率和光谱分辨率往往不可兼得。因为高光谱成像系统的光谱带宽很窄，必须用较大的瞬时视场才能采集足够的光量子以维持可接受的信噪比，同样高分辨率系统瞬时视场很小则必须加宽光谱通道。

2、仿真实验分析

成像光谱遥感岩性识别和矿物填图主要利用不同岩矿种类，矿物丰度和不同组分的光谱特征差异，特别是光谱吸收谱带波长位置，吸收深度和谱带形态特征。光谱分辨率直接影响对岩矿尤谱吸收谱带及其形态特征的探测和分辨能力，从而直接影响成像光谱数据对矿物种类及其成分的区分能力和识别精度。

2.1明矶石(Alunite，含AL一OH基团)

图1明矾石不同光谱分辨率条件下的光谱曲线

图1为明石的重采样光谱曲线。明石为含AL-OH基因矿物代表具有以下特征：

1)在2.16μm处吸收特征表现得尤为明显;

2)在2.318μm的吸收峰表现得相对较弱一些。

从上图1可以看，上述两个吸收峰在逐渐加大采样间隔的过程中均有削弱，这种现象在采用64m采样间隔得到的图上表现的为明显最为明显，虽然1)的位置仍可被辨认出来，但深度却减小很多，而且还有向长波方向漂移的迹象；而2)已完全消失。

2.2 蓝铜矿(Azurite，含Cu2+离子)

图2蓝铜矿不同光谱分辨率条件下的光谱曲线

图2为蓝铜矿的重采样光谱曲线。蓝铜矿为含Cu2+离子的矿物代表，主要表现出1)0.8m的宽带吸收特征。另外2)1.379μm1.88μm，2.28μm和2.318μm处为辅助吸收特征。从图6可以看出:随光样间隔的加大，吸收特征1)形状未发生很大变化，但有向长波方向漂的迹象；2)处的辅助吸收特征逐渐变浅或消失，也有向长波方向漂移的迹象。

2.3 菱铁矿(Siderite，含Fe2+离子)

图4菱铁矿不同光谱分辨率条件下的光谱曲线

图4为菱铁矿的重采样光谱曲线。菱铁矿为含Fe2+离子的矿物代表，1.0~1.1μm的宽吸收带非常明显，从图3可以看出，随着光谱采样间隔的加大，光谱形状基本未发生变化，即使用128mm的采样间隔也可基本演出物质的光谱信息。

3、结论

以上分析可以总结为：对于较大的吸收特征和较为平缓的光谱曲线，如方解石的反映CO32-基团特征的强烈吸收和菱铁矿的反映Fe2+离子特征的宽吸收带，光谱分辨率的变化对矿物识别的影响不大，在利用光谱信息识别这两类物质时，采用较大的光谱采样间隔对反演物质的光谱信息基本没有影响。而在探测光谱特征曲线中含有较多较浅的吸收特征的物质（如明矾石）时，就需要使探测器的光谱采样间隔相对小些，否则在反演物质特征光谱时就会使物质的吸收特征消弱甚至消失，同时吸收特征的位置也会发生变化，这都会对矿物识别的准确性带来影响。

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审核编辑 黄宇