粗糙度和觀測角度對巖石熱紅外光譜特性及其解混影響的實驗研究

李天子

河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000

光譜解混是一種重要巖礦光譜定量反演方法。但該方法的影響因素較多，機理復雜，嚴重影響了巖礦定量反演精度，其中巖石表面的粗糙度和光譜觀測角度是重要的影響因素。為揭示粗糙度和觀測角度對巖石熱紅外光譜及光譜解混的影響特征，論文在國家自然基金面上項目“粗糙度和觀測角度對巖石熱紅外光譜解混影響規律的實驗研究”的資助下開展研究。主要內容和研究結果如下：

(1) 自然塊狀巖石表面形態研究。利用三維激光掃描方法對典型自然巖石樣品進行掃描，獲取巖石的表面形態，并利用小波分析方法研究巖石表面的形態特征，獲取巖石表面粗糙度范圍。結果表明：12塊自然巖石表面的粗糙度范圍為0.8 μm

(2) 粗糙度對礦物熱紅外光譜特征的影響研究。利用自然巖石粗糙度測試結果，并依據Becker判據，對典型礦物(石英、正長石、斜長石等)制作成系列粗糙度的試樣，利用紅外光譜輻射計觀測其熱紅外光譜，研究粗糙度對光譜特征的影響規律。結果表明：粗糙度對3種礦物的光譜特征有明顯影響，且在不同波段影響特點不同。在CF特征波段影響不明顯；在RF特征波段影響明顯，隨著粗糙度的增加，發射率明顯增加，但到達一定閾值后，光譜發射率不再增加，反而降低。石英、正長石和斜長石的發射率變化拐點分別為粗糙度4.11 μm、3.74 μm、4.04 μm，與Becker判據基本吻合；TF特征發射率光譜沒有明顯規律性變化，特征位置沒有變化。

(3) 粗糙度對巖石熱紅外光譜解混的影響研究。采用塊體拼接的方式模擬二長花崗巖，通過不同粗糙度的礦物端元與模擬巖石光譜的交叉解混，研究粗糙度對巖石光譜解混的影響。結果表明：當礦物端元與巖石的粗糙度相同時，光譜解混誤差小于5%，解混精度較高；當礦物端元與巖石的粗糙度不同時，光譜解混誤差較大，大于5%，最大達到16.80%。這說明在利用光譜解混方法進行巖石礦物組分高精度定量反演時應該考慮粗糙度的影響。

(4) 觀測角度對熱紅外光譜特征和光譜解混的影響研究。對一般粗糙度的石英、正長石、斜長石試樣進行9個傾斜角度的熱紅外光譜觀測，研究觀測角度對光譜特征的影響規律。結果表明：CF特征在觀測角度大于50°之后向短波方向移動明顯；RF特征在0°～77°之間隨觀測角度的增加，向短波方向移動，在觀測角度大于20°之后吸收谷深度加深；TF特征在觀測角度大于40°之后發射率降低明顯。

將觀測角度作為影響巖石光譜解混的考察因素，通過垂直觀測的礦物端元解混不同觀測角度的虛擬二長花崗巖，結果表明：在0°～20°范圍內，觀測角度對光譜解混影響不明顯，解混誤差小于5%；當觀測角度大于20°時，觀測角度對光譜解混有顯著影響，30°～77°解混誤差大于5%，平均解混誤差達到17.2%，解混精度較低。這表明，在利用光譜解混方法進行巖石礦物組分高精度定量反演時，應該考慮觀測角度的影響。

(5) 試驗結果的機理分析。利用光散射、多次反射、Hapke模型和基爾霍夫近似方法，就礦物粗糙度和觀測角度對光譜發射率的影響機理進行分析。結果表明：礦物粗糙度對發射率的影響是表散射、體散射和空腔效應等共同作用的結果，在一般粗糙度條件下，礦物試樣方向發射率受光滑面的發射率、多重散射和遮蔽效應等的共同影響。