主要赋铀岩石可见光——短波红外光谱二向性特征初步实验研究

潘蔚，唐毅，李瀚波，余长发，张元涛，陈雪娇，田青林，李新春

（1．核工业北京地质研究院，遥感信息与图像分析技术重点实验室，北京100029；2．北京理工大学光电学院，北京100083）

1 引言

成像光谱遥感是国内外遥感应用研究的热点。由于矿物光谱具有 “诊断性”或 “指纹性”特征［1-4］，地质界一直希望利用这一技术来提高地质填图精度和效率。国内外有不少利用成像光谱识别矿物岩石、特别是蚀变矿物的成功案例。但是，岩矿填图效果和精度还不能满足实际应用需求［5-6］。这是因为矿物光谱的 “诊断性”或 “指纹性”特征多数是基于矿物、岩石或材料磨碎加工后，室内测量得到的结果。实际上，矿物结晶学的研究早就发现，除了等轴晶系的矿物，矿物晶体普遍具有各向异性，实际测量也发现矿物岩石的光谱具有明显的各向异性［7-10］。在遥感技术领域，地物辐射的各向异性被称为二向性或方向性［8-9，11］。 地物光谱的二向性虽不会影响其本身光谱 “诊断性”或 “指纹性”吸收位置，但会影响光谱吸收形态。当有多种地物混合在一起时，就会严重影响地物分类准确性和图像识别效果［5-6］。岩石作为矿物的集合体，显然也存在光谱混合的现象。

为了描述和研究地物辐射的这种各向异性，国外学者提出了二向性反射分布函数（Bidirection Reflectance Distribution Function）的概念，用某一观察高度角和方位角接收到的地物微小表面对某一波长入射光的反射辐射强度与同一波长入射光辐射强度之比来标识，是包含5个变量的函数［12-13］。为了测量BRDF，国内学者不仅发明了在野外现场开展二向性测量的有效方法［14-15］，在林业、作物估产方面也取得了良好的应用效果。岩石矿物光谱二向性研究虽然国外起步较早，但主要限于对矿物颗粒及其堆积体的研究。近年来，国内有学者开始对自然矿物光谱的二向性开展研究，但主要关注矿物本身［16］；少数研究花岗岩自然表面二向性光谱的成果，则是从材料学角度探讨材料的粗糙度对镜面反射与漫反射的影响［17］，没有涉及岩石光谱二向性。由于现有的现场二向性测量方法无法消除环境的影响，因此需要利用地物的结构模型来进行修正。但是由于自然岩石结构复杂，至今还没有找到有效描述岩石表面结构的有效数学方法，因此无法利用这些现场二向性测量方法来研究岩石光谱的二向性问题。为此，本文设计了专门光学装置，开展了初步的实验研究。

2 实验原理与对象

2.1 实验原理

选取自然界中的岩石，特别是矿物组成相同而结构不同的岩石，在暗室内利用不同入射角的平行光照射岩石的表面，在不同方向按照不同距离接收其反射光谱，通过计算和对比分析，研究岩石的反射光谱随照射-接收方向改变发生的变化，总结岩石光谱二向性特征，探讨识别不同岩石的最佳光照和接收角度。

2.2 实验对象及样品制备

本次实验选取了我国主要的两类赋铀岩石——花岗岩和砂岩，作为研究对象。花岗岩为全晶质结构，即岩石全部由矿物晶体组成，按照矿物颗粒大小分为粗粒花岗岩与细粒花岗岩。显微镜鉴定二者的矿物种类和所占百分比非常接近，但矿物的颗粒大小差别明显。砂岩则是晶体与非晶体的混合物。砂岩中的碎屑矿物是结晶体，而胶结物和杂基一般是非晶质。实验样品经显微镜鉴定为粗粒黑云母长石砂岩和细粒黑云母长石砂岩。两者碎屑矿物种类和所占百分比也非常接近，但杂基的含量与碎屑矿物的颗粒大小差别较大。

为了保证各样品实验条件的统一，测试的岩石被加工成6 cm×9 cm×2 cm的相同长方体，除保留一个自然面用于测量外，其余面均磨平打光。

3 实验装置与测试过程

3.1 实验装置

测试实验在微光实验室中进行。测试装置由钨丝灯、平行光管、可升降旋转载物台、旋转支架、光谱仪和工作台组成（图1）。

图1 岩石光谱二向性测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of bidirectional measurement system for rock sample1—钨丝灯；2—平行光管；3—可升降旋转载物台；4—样品；5—旋转支架； 6—光谱仪探头；7—工作台。

平形光管和钨灯作为照射光源，固定在大型工作台上，通过光阑遮挡，使平行光只照射测试样品。被测量的岩石样品置于可以升降的旋转载物台上，放置在平行光路的正前方。通过旋转载物台可调节平行光的入射角，通过调整升降台的位置和高度可保证样品与平行光路共轴。光谱仪探头通过枪形支架固定在旋转载物台上，置于岩石样品反射光路前方，通过移动旋转支架改变接收方向和距离。光源钨灯的光谱范围为350～2 500 nm，其功率为200 W，绝对辐射定标的精度为0.5%，相对辐射精度为5%。平行光管的直径为35 cm，可以对样品进行有效的照射。光谱测量采用ASD fieldPro地面光谱仪，光谱响应范围350～2 500 nm，其中350～700 nm的光谱采样间隔1.4 nm，光谱分辨率3 nm；1 400～2 100 nm光谱采样间隔为2 nm，光谱分辨率为10 nm；光谱仪视场角为23°，可大角度接收不同方向辐射。

3.2 实验过程

样品测试在暗室内进行。为了避免其他物体反射光的影响，采用遮挡光阑使平行光束仅照射测试样品。测量过程包括下列步骤：1）共轴调节：首先将平行光管长轴方向与工作台边缘保持平行，载物台置于平行光管正前方使岩石样品的测试面与光路垂直，并确保照射光路与放置载物台和探头的测量工作台边缘平行。根据测量距离将接收探头置于样品载物台与平行光管之间。旋转载物台使探头在岩石样品测试面上的投影面积最小，同时调整样品载物台和探头支架的相互高度，保证探头投影落在样品测试面中心。2）测量位置确定：以工作台角点为原点、紧邻的两条边为坐标轴建立直角坐标系。记录光路共轴时旋转支架方形底座的角点坐标作为0°方向原点坐标，然后按照入射角分别为15°、30°和45°3个方向，保持接收方向不变（0°）时分别距离岩石样品20（25）cm、30 cm和45 cm接收岩石的反射光谱；每个样品共测量9个不同入射角-接收距离条件下的反射光谱。3）光谱测试：根据设计的测量距离和角度，计算出每个测点在先前设定的坐标系的坐标，并移动探头旋转支架到测量位置。然后利用参考白板对ASD地面光谱仪进行优化，获取该距离和角度下的最佳测量量程。其后，按照ASD光谱仪的测量程序，依次测量不同方向入射光照射下参考白板和每个样品。每个样品按照自然面，测定其DN值，每次测量连续获取5组数据。

3.3 数据处理

样品的反射比R定义为：

式中：DN为测量获得的原始信号值；DNobj.和ρDNbod.分别为样品和参考板的测量值；ρ为参考板的辐射定标系数。测量过程中，由于受到光源信号强度和仪器噪声的影响，获得的反射光谱存在噪声干扰。而噪声主要有两方面特征，一是主要出现在测量仪器工作波长的两端，二是具有极高的频率。因此，对所有测量数据采用统一的小波噪声分离技术进行处理。小波分析可以按照不同的尺度将混合信号分解为不同频率的信号系列，可以在消除特定时间域和频率噪声的同时，保留其他时间域和频域的信号，即保留信号的光谱吸收特征。

4 结果分析

4.1 岩石结晶程度决定二向性优势方向

图2 粗粒花岗岩的方向谱Fig.2 Bidirectional reflectance spectra of coarse grain granite1—入射角15°，接收距离25 cm；2—入射角30°，接收距离25 cm；3—入射角45°，接收距离25 cm；4—入射角15°，接收距离30 cm；5—入射角30°，接收距离30 cm；6—入射角45°，接收距离30 cm；7—入射角15°，接收距离40 cm；8—入射角30°，接收距离40 cm；9—入射角45°，接收距离40 cm。

图3 细粒花岗岩的方向谱Fig.3 Bidirectional reflectance spectra of fine grain granite1—入射角15°，接收距离25 cm；2—入射角30°，接收距离25 cm；3—入射角45°，接收距离25 cm；4—入射角15°，接收距离30 cm；5—入射角30°，接收距离30 cm；6—入射角45°，接收距离为30 cm；7—入射角15°，接收距离40 cm；8—入射角30°，接收距离40 cm；9—入射角45°，接收距离40 cm。

分析不同入射角和接收距离条件下4种岩石反射光谱可以发现两个特点（图2-图5）：一是4种岩石反射光谱强度大小（不同波长的反射率大小）排序总体按颜色排列，但相同颜色曲线并没有完全排在一起。例如粗粒和细粒花岗岩反射光谱强度由高到低排列顺序都是：蓝-红-红-红-绿-绿-绿-蓝，粗粒砂岩为绿-绿-蓝-蓝-绿-红-红-红-绿-蓝， 细粒砂岩则是红-红-绿-蓝-红-蓝-绿-绿-蓝。由于曲线颜色反应的是入射角条件，而光谱曲线的类型代表接收距离。这说明岩石反射光谱强度大小主要取决于入射角，同时也与接收距离有关，反映出4种岩石都存在各向异性，但各向异性的特征不同。全晶质花岗岩其不同照射-接收条件下的反射光谱排列顺序完全相同且分组明显、二向性显著；30°角入射最强，其次是45°角入射，最弱是15°角入射。晶体与非晶体混合的砂岩则分组不明显，二向性不显著。粗砂岩反射光谱最强的方向是45°角入射，但不同接收距离差别很大，最强和最弱均在此方向，其次是15°角方向，最弱的是30°角方向；而细砂岩最大反射强度方向出现在15°角方向，其次是45°角方向，最弱的是30°角方向。可见包含非晶质体的砂岩，其二向性特征随晶体含量（结晶程度）变化。

4.2 矿物颗粒大小决定二向性分布

图4 粗粒砂岩方向谱Fig.4 Bidirectional reflectance spectra of coarse grain sandstone1—入射角15°，接收距离20 cm；2—入射角30°，接收距离20 cm；3—入射角45°，接收距离20 cm；4—入射角15°，接收距离30 cm；5—入射角30°，接收距离30 cm；6—入射角45°，接收距离30 cm；7—入射角15°，接收距离40 cm；8—入射角30°，接收距离40 cm；9—入射角45°，接收距离40 cm。

图5 细粒砂岩的方向谱Fig.5 Bidirectional reflectance spectra of fine grain sandstone1—入射角15°，接收距离20 cm；2—入射角30°，接收距离20 cm；3—入射角45°，接收距离20 cm；4—入射角15°，接收距离30 cm；5—入射角30°，接收距离30 cm；6—入射角45°，接收距离30 cm；7—入射角15°，接收距离40 cm；8—入射角30°，接收距离40 cm；9—入射角45°，接收距离40 cm。

对比细粒和粗粒花岗岩类的反射光谱可以发现，粗粒花岗岩比细粒花岗岩不同方向反射率差别更大，但同方向不同接收距离的反射率差别更小，反映了粗粒晶质组成的岩石反射的方向性更好，也就是二向性分布差别更大。

砂岩类的反射光谱各向异性则有不同特征。粗砂岩不仅不同方向反射率差别大于细砂岩，而且同一方向不同接收距离的差别也明显大于细砂岩（表1）。可见，砂岩光谱的二向性分布差异随砂岩中矿物颗粒的减小而逐渐变弱。

表1 花岗岩与砂岩二向性特征Table 1 Bidirectional feature of granite and sandstone

5 结论与问题

通过对花岗岩和砂岩样品在不同入射角-接收距离组合条件下的反射光谱的室内测试、数据处理和对比分析，结论如下：

1）岩石的结晶程度决定了岩石光谱二向性的优势方向。全晶质的花岗岩具有相同的光谱二向性优势方向；混合体（晶体与非晶体）的砂岩，其反射光谱的二向性优势方向，随晶体（碎屑矿物含量）的含量变化而变化，晶体含量越高二向性优势方向角度越大；

2）岩石中结晶颗粒大小决定光谱二向性分布的差别大小，结晶颗粒越大不同方向光谱之间的差别越大，结晶颗粒越小不同方向光谱差别越小。

3）花岗岩类，当入射光线以30°角入射，可获得最强的方向反射；砂岩则没有统一的最大的反射辐射的入射条件，粗砂岩出现最大反射辐射时的入射辐射角为45°，而细砂岩则为 15°。