近紅外光譜技術在地質礦物識別中應用研究

俞延義

（青海創(chuàng)睿地質勘查有限公司，青海 西寧 810000）

近紅外光譜通常是指波長在780納米至2500納米范圍內的電磁波，是人類最早研究的不可見光源區(qū)域，現(xiàn)在此技術已經(jīng)廣泛應用于商業(yè)、農業(yè)，食品、石油等諸多領域。近紅外光譜是九十年代以來發(fā)展最迅速的一種光譜分析技術，是一種可以廣泛應用于各個行業(yè)的“綠色”新興分析技術。現(xiàn)代近紅外光譜主要依靠著分析速度較快、成本較低、效率較高、穩(wěn)定性較好等特點成為在線分析的一種便捷有利工具。利用近紅外光譜識別地質礦物的主要原理是：由于地質礦物結晶產(chǎn)物的中原子之間連接的化學鍵發(fā)生彎曲、伸長收縮或跳躍式吸收一些其他區(qū)域的紅外光譜，生成吸收峰，利用地質礦物中一些功能團的特點對地質礦物的品種進行分類，實現(xiàn)地質礦石的結晶程度和其中所含有的元素所占百分比的分析研究等。這一特點對于在野外勘探地質礦物的研究人員提供了便捷的幫助。

1 基于近紅外光譜技術的地質礦物識別方法

（1）建立礦物類中近紅外光譜鑒別模型。近紅外光譜分析是一種通過固定模型來鑒別、考量的二次數(shù)據(jù)分析方式，近紅外光譜采用網(wǎng)絡構建的辦法進行建模，主要步驟分為如下幾點，首先實現(xiàn)預處理之標準化，實現(xiàn)在固定范圍內可以取得最佳效果，滿足最大利用率。使用預處理后的校正數(shù)據(jù)進行各個主要成分的校正建模。其次在進行固定地質礦物分析時需要實現(xiàn)模型的校正，模型校正的準確性直接影響近紅外光譜對地質礦物識別的準確性。最后采用監(jiān)督學習算法，以合成數(shù)據(jù)校正集進行調整網(wǎng)絡的性能。模型檢驗符合標準后便可用于未知的地質礦物樣品進行識別，即提高了識別的種類，也可通過化學計量學方法對地質礦物模型進行檢測識別，有需要時還可以進行樣品的修復，定期進行模型的更新，主要注重模塊化和反復利用性，方便及時將模型進行優(yōu)化[1]。

（2）近紅外礦物光譜數(shù)據(jù)庫的建立 。不同的地質礦物在近紅外光譜波段下有著不同的表現(xiàn)形式，但是光譜的識別信息能力依舊需要光譜數(shù)據(jù)庫進行管理，且隨著地質礦物的種類和數(shù)據(jù)形式越加增多，更需要建立一個既規(guī)范、又全面合理的近紅外光譜數(shù)據(jù)庫用來提高現(xiàn)代的光譜技術。在滿足近紅外地質礦物的基礎上，首先設置參數(shù)，選擇地質礦物數(shù)據(jù)庫，整理光譜數(shù)據(jù)的文件名稱，修改成具體所代表的地質礦物名稱，執(zhí)行選定的純地質礦物光譜分析的數(shù)據(jù)或名稱調入到設立的光譜數(shù)據(jù)庫內，實現(xiàn)可以在名稱區(qū)域或備注區(qū)域進行修改。這樣小型的本地近紅外光譜數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立完成，如果有相似地質礦物的識別，只需要在近紅外光譜數(shù)據(jù)庫進行識別。根據(jù)近紅外光譜采集速度相對較快的特點，實現(xiàn)提高近紅外光譜對地質礦物的識別和整理能力，在完成構建地質礦物樣品模型后，可以直接對識別的地質礦物光譜進行分析數(shù)據(jù)對比，若有相似光譜類型也可直接歸類[2]。從而在保證光譜識別能力提高的同時，大量降低人工工作時長，節(jié)省成本費用，起到“一舉三得”的效果。

（3）地質礦物的識別 。根據(jù)近紅外光譜識別模型的基本步驟，地質礦物類識別可以概括為以下幾點，選擇足夠數(shù)量的地質礦物樣品，可以采用進行野外采集樣品的方式，選擇礦化有利的地點，進行測量距離，布置采取點等前期工作。采集樣品兩點間的距離一般為十米左右，地質巖石化或蝕變較嚴重的地點加密3m～5m，盡量選取代表性較明顯的樣品。利用提前構建好的近紅外光譜技術識別模型，從采集的地質礦物樣本中選擇有代表的校正集樣品，樣品應包括地質礦物的正品、次品和中等過渡品等，依靠標準方式所要求的測量校正集的地質礦物樣品的性質，準確性較高。也可以利用近紅外光譜技術的波形進行匹配也叫光譜角度匹配。

對標準的近紅外光譜曲線依次進行一階求導，去掉本底和噪聲，繼續(xù)求出兩者的平方差，平方差最小者即為相對應的數(shù)據(jù)庫的地質礦物。其中Q為平方差，n為近紅外光譜點數(shù)，X1i和X2i為數(shù)據(jù)庫中兩個的近紅外光譜。

兩段近紅外光譜的匹配程度與夾角之間呈反比例關系，得出夾角α與兩個非零向量A，B之間的計算公式。

匹配的程度越高，夾角越小，即兩段近紅外光譜的匹配程度越高。

2 地質礦物取樣分析對比實驗

此次實驗首先根據(jù)地質礦物詳查報告進行樣品的采集，地質礦物樣品通常是巖石礦物的混合，通常巖石均含有兩種或者兩種以上的地質礦物，如果利用傳統(tǒng)的化學計量法檢測，情況比較復雜，且無法實現(xiàn)固定量的分析，本實驗主要用傳統(tǒng)的檢測方式檢測同一種特定的地質礦物的半定量分析，進行地質礦物準確率的對比和識別數(shù)量的對比實驗，具體實驗如下。

2.1 識別準確率對比實驗

為保證本文提出的近紅外光譜對地質礦石識別的有效性，進行多次對比實驗論證，為保證整體實驗的嚴密性，首先采用傳統(tǒng)的地質礦物識別方法，再采用近紅外光譜技術對地質礦石進行多次識別，做出實驗的對比數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)波形圖如下圖1所示。

圖1 識別準確率對比圖

從圖1可以看出，經(jīng)過多次的實驗，近紅外光譜技術對地質礦石的識別準確率極高，且對比傳統(tǒng)方法的識別，近紅外光譜技術具有相對穩(wěn)定性，提高了識別的準確率約22.45%。

2.2 識別數(shù)量對比實驗

首先采用傳統(tǒng)的地質礦物識別方法對地質礦物種類進行識別，識別后與數(shù)據(jù)庫進行對比與可得出識別數(shù)量。再采用近紅外光譜技術對地質礦石種類進行同樣步驟的識別，做出實驗的對比數(shù)據(jù)，如下圖2所示。

從圖2可以看出，經(jīng)過多次的實驗，相比傳統(tǒng)識別技術，近紅外光譜技術對地質礦石的識別率較高，可以識別出更高的地質礦石的數(shù)量，識別數(shù)量約提高30%。因此要加快近紅外光譜技術的創(chuàng)新。

圖2 識別數(shù)量對比圖

3 結語

本文對近紅外光譜技術對地質礦石的識別方法及意義進行分析，根據(jù)對地質礦物識別的準確率及識別數(shù)量的數(shù)據(jù)反饋和樣品分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)本文設計。實驗結果表明，本文設計的方法具備極高的有效性，彌補了傳統(tǒng)的技術對地質礦石分析的不足之處。希望本文的研究能夠為地質礦石的識別提供理論依據(jù)。未來隨著地質礦石的基礎研究的逐漸深入，以及近紅外光譜技術的發(fā)展，該技術也組件將為地質礦物類的真?zhèn)舞b別提供新的方法近紅外光譜技術將發(fā)展成為全國最先進的分析技術。