潘蔚，唐毅，李瀚波，余長發(fā)，張元濤，陳雪嬌，田青林，李新春

（1．核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100029；2．北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京100083）

1 引言

成像光譜遙感是國內(nèi)外遙感應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。由于礦物光譜具有 “診斷性”或 “指紋性”特征［1-4］，地質(zhì)界一直希望利用這一技術(shù)來提高地質(zhì)填圖精度和效率。國內(nèi)外有不少利用成像光譜識別礦物巖石、特別是蝕變礦物的成功案例。但是，巖礦填圖效果和精度還不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求［5-6］。這是因為礦物光譜的 “診斷性”或 “指紋性”特征多數(shù)是基于礦物、巖石或材料磨碎加工后，室內(nèi)測量得到的結(jié)果。實(shí)際上，礦物結(jié)晶學(xué)的研究早就發(fā)現(xiàn)，除了等軸晶系的礦物，礦物晶體普遍具有各向異性，實(shí)際測量也發(fā)現(xiàn)礦物巖石的光譜具有明顯的各向異性［7-10］。在遙感技術(shù)領(lǐng)域，地物輻射的各向異性被稱為二向性或方向性［8-9，11］。 地物光譜的二向性雖不會影響其本身光譜 “診斷性”或 “指紋性”吸收位置，但會影響光譜吸收形態(tài)。當(dāng)有多種地物混合在一起時，就會嚴(yán)重影響地物分類準(zhǔn)確性和圖像識別效果［5-6］。巖石作為礦物的集合體，顯然也存在光譜混合的現(xiàn)象。

為了描述和研究地物輻射的這種各向異性，國外學(xué)者提出了二向性反射分布函數(shù)（Bidirection Reflectance Distribution Function）的概念，用某一觀察高度角和方位角接收到的地物微小表面對某一波長入射光的反射輻射強(qiáng)度與同一波長入射光輻射強(qiáng)度之比來標(biāo)識，是包含5個變量的函數(shù)［12-13］。為了測量BRDF，國內(nèi)學(xué)者不僅發(fā)明了在野外現(xiàn)場開展二向性測量的有效方法［14-15］，在林業(yè)、作物估產(chǎn)方面也取得了良好的應(yīng)用效果。巖石礦物光譜二向性研究雖然國外起步較早，但主要限于對礦物顆粒及其堆積體的研究。近年來，國內(nèi)有學(xué)者開始對自然礦物光譜的二向性開展研究，但主要關(guān)注礦物本身［16］；少數(shù)研究花崗巖自然表面二向性光譜的成果，則是從材料學(xué)角度探討材料的粗糙度對鏡面反射與漫反射的影響［17］，沒有涉及巖石光譜二向性。由于現(xiàn)有的現(xiàn)場二向性測量方法無法消除環(huán)境的影響，因此需要利用地物的結(jié)構(gòu)模型來進(jìn)行修正。但是由于自然巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至今還沒有找到有效描述巖石表面結(jié)構(gòu)的有效數(shù)學(xué)方法，因此無法利用這些現(xiàn)場二向性測量方法來研究巖石光譜的二向性問題。為此，本文設(shè)計了專門光學(xué)裝置，開展了初步的實(shí)驗研究。

2 實(shí)驗原理與對象

2.1 實(shí)驗原理

選取自然界中的巖石，特別是礦物組成相同而結(jié)構(gòu)不同的巖石，在暗室內(nèi)利用不同入射角的平行光照射巖石的表面，在不同方向按照不同距離接收其反射光譜，通過計算和對比分析，研究巖石的反射光譜隨照射-接收方向改變發(fā)生的變化，總結(jié)巖石光譜二向性特征，探討識別不同巖石的最佳光照和接收角度。

2.2 實(shí)驗對象及樣品制備

本次實(shí)驗選取了我國主要的兩類賦鈾巖石——花崗巖和砂巖，作為研究對象。花崗巖為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，即巖石全部由礦物晶體組成，按照礦物顆粒大小分為粗粒花崗巖與細(xì)?；◢弾r。顯微鏡鑒定二者的礦物種類和所占百分比非常接近，但礦物的顆粒大小差別明顯。砂巖則是晶體與非晶體的混合物。砂巖中的碎屑礦物是結(jié)晶體，而膠結(jié)物和雜基一般是非晶質(zhì)。實(shí)驗樣品經(jīng)顯微鏡鑒定為粗粒黑云母長石砂巖和細(xì)粒黑云母長石砂巖。兩者碎屑礦物種類和所占百分比也非常接近，但雜基的含量與碎屑礦物的顆粒大小差別較大。

為了保證各樣品實(shí)驗條件的統(tǒng)一，測試的巖石被加工成6 cm×9 cm×2 cm的相同長方體，除保留一個自然面用于測量外，其余面均磨平打光。

3 實(shí)驗裝置與測試過程

3.1 實(shí)驗裝置

測試實(shí)驗在微光實(shí)驗室中進(jìn)行。測試裝置由鎢絲燈、平行光管、可升降旋轉(zhuǎn)載物臺、旋轉(zhuǎn)支架、光譜儀和工作臺組成（圖1）。

圖1 巖石光譜二向性測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bidirectional measurement system for rock sample1—鎢絲燈；2—平行光管；3—可升降旋轉(zhuǎn)載物臺；4—樣品；5—旋轉(zhuǎn)支架； 6—光譜儀探頭；7—工作臺。

平形光管和鎢燈作為照射光源，固定在大型工作臺上，通過光闌遮擋，使平行光只照射測試樣品。被測量的巖石樣品置于可以升降的旋轉(zhuǎn)載物臺上，放置在平行光路的正前方。通過旋轉(zhuǎn)載物臺可調(diào)節(jié)平行光的入射角，通過調(diào)整升降臺的位置和高度可保證樣品與平行光路共軸。光譜儀探頭通過槍形支架固定在旋轉(zhuǎn)載物臺上，置于巖石樣品反射光路前方，通過移動旋轉(zhuǎn)支架改變接收方向和距離。光源鎢燈的光譜范圍為350～2 500 nm，其功率為200 W，絕對輻射定標(biāo)的精度為0.5%，相對輻射精度為5%。平行光管的直徑為35 cm，可以對樣品進(jìn)行有效的照射。光譜測量采用ASD fieldPro地面光譜儀，光譜響應(yīng)范圍350～2 500 nm，其中350～700 nm的光譜采樣間隔1.4 nm，光譜分辨率3 nm；1 400～2 100 nm光譜采樣間隔為2 nm，光譜分辨率為10 nm；光譜儀視場角為23°，可大角度接收不同方向輻射。

3.2 實(shí)驗過程

樣品測試在暗室內(nèi)進(jìn)行。為了避免其他物體反射光的影響，采用遮擋光闌使平行光束僅照射測試樣品。測量過程包括下列步驟：1）共軸調(diào)節(jié)：首先將平行光管長軸方向與工作臺邊緣保持平行，載物臺置于平行光管正前方使巖石樣品的測試面與光路垂直，并確保照射光路與放置載物臺和探頭的測量工作臺邊緣平行。根據(jù)測量距離將接收探頭置于樣品載物臺與平行光管之間。旋轉(zhuǎn)載物臺使探頭在巖石樣品測試面上的投影面積最小，同時調(diào)整樣品載物臺和探頭支架的相互高度，保證探頭投影落在樣品測試面中心。2）測量位置確定：以工作臺角點(diǎn)為原點(diǎn)、緊鄰的兩條邊為坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系。記錄光路共軸時旋轉(zhuǎn)支架方形底座的角點(diǎn)坐標(biāo)作為0°方向原點(diǎn)坐標(biāo)，然后按照入射角分別為15°、30°和45°3個方向，保持接收方向不變（0°）時分別距離巖石樣品20（25）cm、30 cm和45 cm接收巖石的反射光譜；每個樣品共測量9個不同入射角-接收距離條件下的反射光譜。3）光譜測試：根據(jù)設(shè)計的測量距離和角度，計算出每個測點(diǎn)在先前設(shè)定的坐標(biāo)系的坐標(biāo)，并移動探頭旋轉(zhuǎn)支架到測量位置。然后利用參考白板對ASD地面光譜儀進(jìn)行優(yōu)化，獲取該距離和角度下的最佳測量量程。其后，按照ASD光譜儀的測量程序，依次測量不同方向入射光照射下參考白板和每個樣品。每個樣品按照自然面，測定其DN值，每次測量連續(xù)獲取5組數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

樣品的反射比R定義為：

式中：DN為測量獲得的原始信號值；DNobj.和ρDNbod.分別為樣品和參考板的測量值；ρ為參考板的輻射定標(biāo)系數(shù)。測量過程中，由于受到光源信號強(qiáng)度和儀器噪聲的影響，獲得的反射光譜存在噪聲干擾。而噪聲主要有兩方面特征，一是主要出現(xiàn)在測量儀器工作波長的兩端，二是具有極高的頻率。因此，對所有測量數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的小波噪聲分離技術(shù)進(jìn)行處理。小波分析可以按照不同的尺度將混合信號分解為不同頻率的信號系列，可以在消除特定時間域和頻率噪聲的同時，保留其他時間域和頻域的信號，即保留信號的光譜吸收特征。

4 結(jié)果分析

4.1 巖石結(jié)晶程度決定二向性優(yōu)勢方向

圖2 粗粒花崗巖的方向譜Fig.2 Bidirectional reflectance spectra of coarse grain granite1—入射角15°，接收距離25 cm；2—入射角30°，接收距離25 cm；3—入射角45°，接收距離25 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

圖3 細(xì)?；◢弾r的方向譜Fig.3 Bidirectional reflectance spectra of fine grain granite1—入射角15°，接收距離25 cm；2—入射角30°，接收距離25 cm；3—入射角45°，接收距離25 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離為30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

分析不同入射角和接收距離條件下4種巖石反射光譜可以發(fā)現(xiàn)兩個特點(diǎn)（圖2-圖5）：一是4種巖石反射光譜強(qiáng)度大?。ú煌ㄩL的反射率大?。┡判蚩傮w按顏色排列，但相同顏色曲線并沒有完全排在一起。例如粗粒和細(xì)?；◢弾r反射光譜強(qiáng)度由高到低排列順序都是：藍(lán)-紅-紅-紅-綠-綠-綠-藍(lán)，粗粒砂巖為綠-綠-藍(lán)-藍(lán)-綠-紅-紅-紅-綠-藍(lán)， 細(xì)粒砂巖則是紅-紅-綠-藍(lán)-紅-藍(lán)-綠-綠-藍(lán)。由于曲線顏色反應(yīng)的是入射角條件，而光譜曲線的類型代表接收距離。這說明巖石反射光譜強(qiáng)度大小主要取決于入射角，同時也與接收距離有關(guān)，反映出4種巖石都存在各向異性，但各向異性的特征不同。全晶質(zhì)花崗巖其不同照射-接收條件下的反射光譜排列順序完全相同且分組明顯、二向性顯著；30°角入射最強(qiáng)，其次是45°角入射，最弱是15°角入射。晶體與非晶體混合的砂巖則分組不明顯，二向性不顯著。粗砂巖反射光譜最強(qiáng)的方向是45°角入射，但不同接收距離差別很大，最強(qiáng)和最弱均在此方向，其次是15°角方向，最弱的是30°角方向；而細(xì)砂巖最大反射強(qiáng)度方向出現(xiàn)在15°角方向，其次是45°角方向，最弱的是30°角方向?？梢姲蔷з|(zhì)體的砂巖，其二向性特征隨晶體含量（結(jié)晶程度）變化。

4.2 礦物顆粒大小決定二向性分布

圖4 粗粒砂巖方向譜Fig.4 Bidirectional reflectance spectra of coarse grain sandstone1—入射角15°，接收距離20 cm；2—入射角30°，接收距離20 cm；3—入射角45°，接收距離20 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

圖5 細(xì)粒砂巖的方向譜Fig.5 Bidirectional reflectance spectra of fine grain sandstone1—入射角15°，接收距離20 cm；2—入射角30°，接收距離20 cm；3—入射角45°，接收距離20 cm；4—入射角15°，接收距離30 cm；5—入射角30°，接收距離30 cm；6—入射角45°，接收距離30 cm；7—入射角15°，接收距離40 cm；8—入射角30°，接收距離40 cm；9—入射角45°，接收距離40 cm。

對比細(xì)粒和粗?；◢弾r類的反射光譜可以發(fā)現(xiàn)，粗?；◢弾r比細(xì)?；◢弾r不同方向反射率差別更大，但同方向不同接收距離的反射率差別更小，反映了粗粒晶質(zhì)組成的巖石反射的方向性更好，也就是二向性分布差別更大。

砂巖類的反射光譜各向異性則有不同特征。粗砂巖不僅不同方向反射率差別大于細(xì)砂巖，而且同一方向不同接收距離的差別也明顯大于細(xì)砂巖（表1）?？梢?，砂巖光譜的二向性分布差異隨砂巖中礦物顆粒的減小而逐漸變?nèi)酢?/p>

表1 花崗巖與砂巖二向性特征Table 1 Bidirectional feature of granite and sandstone

5 結(jié)論與問題

通過對花崗巖和砂巖樣品在不同入射角-接收距離組合條件下的反射光譜的室內(nèi)測試、數(shù)據(jù)處理和對比分析，結(jié)論如下：

1）巖石的結(jié)晶程度決定了巖石光譜二向性的優(yōu)勢方向。全晶質(zhì)的花崗巖具有相同的光譜二向性優(yōu)勢方向；混合體（晶體與非晶體）的砂巖，其反射光譜的二向性優(yōu)勢方向，隨晶體（碎屑礦物含量）的含量變化而變化，晶體含量越高二向性優(yōu)勢方向角度越大；

2）巖石中結(jié)晶顆粒大小決定光譜二向性分布的差別大小，結(jié)晶顆粒越大不同方向光譜之間的差別越大，結(jié)晶顆粒越小不同方向光譜差別越小。

3）花崗巖類，當(dāng)入射光線以30°角入射，可獲得最強(qiáng)的方向反射；砂巖則沒有統(tǒng)一的最大的反射輻射的入射條件，粗砂巖出現(xiàn)最大反射輻射時的入射輻射角為45°，而細(xì)砂巖則為 15°。