地物光谱仪：江西信江盆地红层标准颜色系统建立研究1.0

引言

本文选取江西信江盆地晚白垩世龟峰群河口组、塘边组地层作为研究对象，测定红层岩石光谱数据，分析岩石光谱特征，通过光谱三刺激值，实现光谱与色彩空间转换，利用比色法、色差法和三维空间法划分信江盆地红层颜色色系。结合样品岩性特征，分析不同地层、岩性、风化程度与呈色的关系，最终建立红层野外标准颜色系统。

区域概况

2.1 自然地理概况

信江盆地位于江西省东北部，地处怀玉山南和武夷山北麓之间，西起抚州东乡，连通崇仁盆地，东至上饶广丰，连接金衢盆地。整体呈近东西向展布，东西长约180km，南北宽约10～40km，面积约为3148km2。地势上边缘向内降低，为中小型陆相沉积盆地，区内多为丘陵岗地地貌和丹霞地貌，信江流经盆地中部。行政区域上主要隶属于上饶市和鹰潭市，部分隶属于抚州市东乡县。研究区气候温润，属中亚热带季风性气候，全年温差较大，4.6℃≦全年气温≦36℃，多年平均气温约为18℃，夏季日均气温不低于29℃，冬季日均气温不超过17℃。全年各季度降水量分布不均，雨热同期，3月下旬至8月高温多雨，暴雨季主要集中在4~6 月，汛期易涝，9月至次年2月温和少雨。年均降水量在1800mm以上，属于湿润区。盆地内水系发育，分布鄱阳湖流域五大水系之一信江。信江盆地矿产资源丰富，种类繁多，已探明的主要能源矿产有煤、油气等；贵金属矿产有金、银等；黑色金属矿产铁；有色金属矿产有铜、铅、锌等；贵金属矿产有金、银等；稀有稀土金属矿产有重稀土、铌、钽等；非金属矿产有磷、蛇纹石等及放射性矿产铀等，共发现24种矿产资源。其中铜、铀、稀土矿规模较大，具有特征性。

2.2 地层

信江盆地地层出露广泛，化石丰富，保存相对完整。其中盆地基底地层由褶皱基底地层和震旦系至三叠系地层组成，是信江盆地沉积的主要物源。盆地充填岩系由三叠系至第四系地层组成，自下而上依次为一套含煤地层、火山-沉积岩灰色岩系和红层沉积，其中上白垩统红色沉积地层是信江盆地丹霞地貌的主要成景地层（图1）。

图 2.1 信江盆地地层分布图

2.3 丹霞地貌分布

信江盆地内丹霞地貌总体上呈现边缘聚集、盆中及过渡带分散的分布特征，从丹霞地貌发育过程来看，盆地边缘一带是典型的壮年-老年早期丹霞地貌，主要形成斜顶的峰林、峰丛、陡崖、岩洞等景观类型，如南缘的龙虎山、龟峰、广丰九仙山、六岩石，北缘横峰-上饶一带的油桐山、天王殿、月岩等；盆中一带则是典型的幼年―青年期丹霞地貌，主要形成顶圆的石墙、石梁等景观类型，如九狮山、南岩寺、赭亭山、挂榜山等。信江盆地内出露新生代第四纪地层，且以中生代侏罗纪和白垩纪地层出露最为齐全。尤其是，信江盆地内晚白垩世红色岩系分布最广、出露良好、层序清晰、特征明显。因此，赣州群的茅店组(K2m)，龟峰群河口组(K2h)、塘边组(K2t)和莲荷组(K2lh)是信江盆地丹霞地貌的主要成景地层。

光谱数据采集

3.1 地物光谱仪野外采集

便携式地物光谱仪在实际测量中，要尽量避免测试结果受自然因素和人为因素的干扰。尤其是环境条件，较为苛刻，须择一天中阳光充足、光照稳定的时间，大致为上午十点至下午三点之间,太阳立体角90°，风速小于三级，晴空无云，无明显雾和霾，水平能见度不小于10km，相对湿度小于70％。测量时测试人员应身着黑色，即暗色衣物，避免浅色及彩色衣物反射光谱被光谱仪误测，对数据产生干扰，选择在空旷开阔的场地，测试人员面向太阳，光纤探头避免阴影，垂直向下（至少保持光纤探头与被测样品水平截面的法线 夹角不大于 10°）距被测样品2～3cm处进行测量，在夏季温度过高时， 避免仪器长时间暴露在阳光下，导致温度过高损伤仪器，加速电池耗电量。

3.2 测试结论分析

图2至5为4个具有代表性的样品光谱图，对比这些光谱曲线表明，数据具有较相似的曲线特征，如新鲜样品YY-07、YANS-23号、图3.5中样品所示，其反射光谱波形相似,主要区别在于反射率的值不同（在551.31nm，YY-07号样品反射率是13.5而YANS-23号样品反射率是8.12）。新鲜样品的反射光谱曲线在551～608nm光谱区间迅速上升，形成1个反射陡坡。而风化样品YT-02、GF-51号则在551～608nm光谱区间缓慢上升，在682nm附近有明显吸收谷，表面风化严重的样品大都呈此特征。

图 2YT-02 样品平均光谱曲线

图 3 YY-07 样品平均光谱曲线

图 4 GF-51 样品平均光谱曲线

图 5 YANS-23 样品平均光谱曲线

3.3 色彩空间理论

颜色既是信息的载体又是信息的表现形式。从物理学的角度出发，颜色的本质是一种光（电磁波），其中能够被人眼捕获并引起视觉感知的光称为可见光，波长范围大约在380～780nm之间，光的波长反映了组成发光体的物质的电子跃迁情况，波长越长，跃迁能量越小。具有单一频率（或波长）的光称为单色光，在17世纪中叶，英国科学家牛顿利用三棱镜将太阳光分解为红橙黄绿蓝靛紫的彩色光谱带，通过色散实验说明了白光是由多种单色光混合而成的。

不同波长的单色光能够刺激人眼产生不同的颜色感觉，彩色光谱带中的七色光就反映了波长从长到短改变引起的颜色感觉，其中红光波长最长，频率最小，紫光波长最短，频率最高。

然而在可见光光谱中并没有包含人眼所能分辨的所有颜色，大部分颜色是通过不同波长的单色合成得到的，称为复合色。自然光源和大多数人工光源发出的光就是各种波长的单色光混合而成的复合光。光源的颜色取决于自身产生的光波的颜色，非光源体也能呈现丰富的颜色则是对可见光选择性吸收的结果。不同物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，当光照射时，物体会吸收特定波长的光，透明物体的颜色主要由剩余透过物体的光谱组成决定，不透明物体的颜色主要由剩余反射的光谱组成决定。物体对光的选择性吸收、反射和透射只与材料本身有关，是一种光学特性，但不同的光照条件能使物体产生不同的颜色变化，也就是说颜色感觉不仅与光和材料的物理性质相关，也受其他因素的影响。为此科学家尝试在色彩研究中引入色彩空间的概念，量化感知特征与颜色之间的关系，实现颜色的描述、计算、测量和复制。下面介绍几种最常见的颜色空间。

3.3.1 CIE L*a*b*均匀色彩空间

CIE L*a*b*均匀色彩空间是一种通过数学模型计算得到的颜色系统，通过数值描述人眼颜色感受，由亮度和颜色范围共同表征，L*表示亮度通道，取值范围通常为0～100，此通道无法表现色彩变化，仅能保存明暗信息，数值越大亮度越高，取值为0时为颜色黑色，取值为100 时颜色为白色。当出现荧光样品时，L*值会大于100；a* 通道代表从绿色到红色的过渡，b*通道代表从蓝色到黄色的过渡，负值代表冷色，正值代表暖色，通常运行在-100～100 或-128～127 范围之间，在色彩管理中可进行颜色的计算和转换。LAB模式既不受照明条件影响，也不受印刷条件限制，其颜色系统本身与设备呈色无关，是被创建用作独立于设备的色彩空间模型，是均匀色彩空间。它包含了人眼可感知的全部色彩，甚至有一大部分已经超出了人类视觉范围（图 6），同时LAB弥补了RGB和CMYK两种色彩模式的不足，其色域范围比RGB和CMYK都要大，常用作不同色彩模型之间的交换格式。

图 6 CIE L*a*b*色彩空间示意图

本章小结

本章主要介绍了岩石光谱测量和颜色空间的理论基础。先介绍了便携式地物光谱仪的工作原理、数据采集方法及分析所得光谱数据；然后着重介绍了国际照明委员会CIE制定的L*a*b*均匀色彩空间，用以表征岩石的颜色特征和颜色测量与管理。

未完待续。。。。。

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审核编辑 黄宇