高光譜遙感探礦主要根據(jù)礦石的光譜特征進(jìn)行識別與分類，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)礦石的光譜特征表現(xiàn)在不同種類的礦石具有診斷性的特征吸收峰存在，而決定這些特征吸收峰的因素主要為：（1）電子與晶體場的相互作用；（2）分子的振動過程。以下將對這兩部分進(jìn)行具體闡述。

?

電子與晶體場的相互作用

晶體場效應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移：電子在發(fā)生躍遷的過程中會吸收或發(fā)射特定波長的電磁波，此現(xiàn)象在金屬陽離子中較為常見。由下表2-1可見常見金屬陽離子光譜特征。

色心與導(dǎo)帶躍遷也是影響電子與晶體場相互作用的其余兩個方面，但色心和導(dǎo)帶躍遷一般發(fā)生在鹵化物和半導(dǎo)體材料上，本文在此不作過多的討論。針對本文所要分類識別的礦石材料，其光譜特征主要是由于其內(nèi)部分子或離子基團(tuán)的振動過程。

?

振動過程僅發(fā)生于紅外光譜域

針對礦石材料，在分子振動過程中會吸收一部分的能量，從而在光譜上形成的特征吸收峰。而由于晶體結(jié)構(gòu)的不同、內(nèi)部含有元素的不同和受到外部能量激發(fā)等因素的影響，會產(chǎn)生不同的基頻、倍頻、合頻的吸收峰；這些由于分子振動而產(chǎn)生的光譜特征均可以作為對其分類的依據(jù)。由下表2-2可見常見振動基團(tuán)的吸收峰。

?

結(jié)合我們所要研究的研究區(qū)情況以及，我們將明礬石、高嶺石、蒙脫石和玉髓這四種典型礦石確定為研究對象，同時也是我們后續(xù)分類識別的研究對象。因我們所使用的高光譜遙感數(shù)據(jù)的光譜范圍為0.4~2.5pum，所以在此范圍內(nèi)產(chǎn)生這四種礦石的光譜吸收分峰的主要原因為分子或離子基團(tuán)的合頻或倍頻振動過程7，下面我們將對這四種典型礦石的光譜特征進(jìn)行具體分析。

（1）明礬石

明礬石（Alunite）是一種硫酸鹽礦物，其化學(xué)式為KAl3（SO4）z（OH）6，晶體結(jié)構(gòu)為三方晶系，純凈的明礬石為白色，具有玻璃光澤。明礬石因其內(nèi)部含有鉀、鋁等元素的存在，被用于工業(yè)煉鋁和制造鉀肥。如下圖 2-2所示，其光譜特征主要是由于SO-基團(tuán)和 OH振動引起的，在1.1pm附近有一個較弱的吸收峰可能是由于SO4-基團(tuán)的振動引起的，在1.4pum 和 1.9um附近的強(qiáng)吸收峰是由于 OH振動引起的，在2.2um附近的吸收峰可能是由于Al-OH的拉伸振動引起的，2.3pum附近有明顯的吸收谷，為合頻或倍頻引起。

（2）高嶺石

高嶺石（Kaolinite）是一種硅鋁酸鹽礦物，其化學(xué)式為Al4[Si4O1o]（OH）8，其晶體結(jié)構(gòu)為三斜晶系的層狀結(jié)構(gòu)，一般呈白色，但當(dāng)含有雜質(zhì)時便呈現(xiàn)米色，具有土狀光澤。高嶺石可作為耐火材料、建筑材料等，同時它也是制作陶瓷的主要原料。如下圖 2-3所示，其光譜特征主要是由于SiO3基團(tuán)和OH振動引起的，在1.0um附近有一個較弱的吸收峰可能是由于SiO-基團(tuán)的振動引起的，在1.4pum 和1.9um附近的強(qiáng)吸收峰是由于 OH振動引起的，在2.2m附近有一個明顯的強(qiáng)吸收峰可能是由于Al-OH的拉伸振動引起的。這些在1.4um、1.9um、2.2um附近的強(qiáng)吸收峰將作為我們鑒定識別高嶺石的主要光譜特征，是我們對其分類的依據(jù)。

?

（3）蒙脫石

蒙脫石（Montmorillonite）是一種硅鋁酸鹽，其化學(xué)式為Al2[SizO1o]（OH）2.nH2O，與高嶺石的化學(xué)成分十分相似，也被稱為微晶高嶺石，但其在結(jié)構(gòu)上主要呈八面體形狀，也有十六面體的存在，一般呈現(xiàn)玫瑰色或白色，有時帶淺紅、淺綠色，無光澤。從其化學(xué)式含有的結(jié)晶水可以看出其吸水性超強(qiáng)，對色素、膠狀物及雜質(zhì)具有強(qiáng)吸附性，可作為精煉石油時的漂白劑，也可作粘結(jié)和耐火用途。因其化學(xué)式與高嶺石相似，所以其光譜特征也與高嶺石近似，如下圖2-4所示，我們將蒙脫石與高嶺石的光譜特征進(jìn)行比較分析。蒙脫石的強(qiáng)吸收峰主要出現(xiàn)在1.4um、1.9um、2.2um附近，主要是因為SiO3-基團(tuán)和OH振動引起的；與高嶺石不同的是，因蒙脫石的成分中結(jié)晶水的存在使得它在1.9um處的吸收峰呈現(xiàn)更具深度的吸收。

?

在這里通過分析其兩者的光譜特征，發(fā)現(xiàn)它們的光譜特征呈現(xiàn)出相似性，由此可引出一個問題，即單純地利用礦石的光譜特征能否有效地將這兩者進(jìn)行分類，這無疑是礦石分類問題的一個難點，后面將針對這樣的情況結(jié)合分類算法對它們進(jìn)行分類，以探究不同分類算法的性能。

（4）玉髓

玉髓（Chalcedony）的化學(xué)成分為SiO2，它是經(jīng)過熱液蝕變、沉積后產(chǎn)生的，有的玉髓內(nèi)部可能含有水或氣泡，常常被用于制作首飾和工藝品。如上圖2-5所示，其光譜特征主要是由于Si-O鍵的伸縮振動和OH振動引起的，在1.4um和1.9um附近的強(qiáng)吸收峰是由于OH振動引起的，在2.2um附近有一個明顯的中強(qiáng)度吸收峰可能是由于Si-O鍵拉伸振動的合頻或倍頻引起的。

?

經(jīng)分析比較發(fā)現(xiàn)，這四種典型礦石實際上屬于蝕變巖大類，蝕變巖[18是在火山噴發(fā)或板礦運動中，在高溫?zé)嵋褐?，石英（SiOz）、水、金屬元素（如Al、K等）混合發(fā)生反應(yīng)，最終經(jīng)沉積與風(fēng)化作用而形成的。如下圖2-6所示，這四種典型礦石在0.4-2.5um內(nèi)的光譜特征相對相似，均在1.4pm附近、1.9um附近由于 OH 和水分子的振動出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收峰，在2.2um附近因不原因也產(chǎn)生了吸收峰，這些吸收峰的位置大致相似，但吸收的強(qiáng)度與曲線走勢卻又略微有所不同。其中，明礬石較為特殊，在2.3um附近存在一個其他三種礦石所沒有的吸收峰特征，此特征可主要作為識別明礬石的依據(jù)；玉髓的本質(zhì)為SiO2，在2.2pum附近雖存在吸收峰，但相對較弱，吸收強(qiáng)度不明顯；高嶺石與蒙脫石的光譜特征最為相似，但因蒙脫石的成分中結(jié)晶水的存在使得它在1.9um附近的吸收峰呈現(xiàn)更具深度的吸收，而在2.2pum附近的吸收峰深度卻比高嶺石弱了許多。

?

礦石的光譜特征可作為高光譜遙感礦石分類的依據(jù)，給分類識別工作提供了可能性；而對于本文所研究的礦石間存在相似性光譜特征，無疑是對分類算法的一種考驗，同時如何保證有效地將光譜存在相似性的礦石分類出來也是值得探究的。

?