高光譜遙感探礦主要根據(jù)礦石的光譜特征進(jìn)行識(shí)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(chǎng)的相互作用；（2）分子的振動(dòng)過(guò)程。以下將對(duì)這兩部分進(jìn)行具體闡述。

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電子與晶體場(chǎng)的相互作用

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

色心與導(dǎo)帶躍遷也是影響電子與晶體場(chǎng)相互作用的其余兩個(gè)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(guò)多的討論。針對(duì)本文所要分類識(shí)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(dòng)過(guò)程。

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振動(dòng)過(guò)程僅發(fā)生于紅外光譜域

針對(duì)礦石材料，在分子振動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(huì)產(chǎn)生不同的基頻、倍頻、合頻的吸收峰；這些由于分子振動(dòng)而產(chǎn)生的光譜特征均可以作為對(duì)其分類的依據(jù)。由下表2-2可見(jiàn)常見(jiàn)振動(dòng)基團(tuán)的吸收峰。

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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(duì)象，同時(shí)也是我們后續(xù)分類識(shí)別的研究對(duì)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?yàn)榉肿踊螂x子基團(tuán)的合頻或倍頻振動(dòng)過(guò)程7，下面我們將對(duì)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(dòng)引起的，在1.1pm附近有一個(gè)較弱的吸收峰可能是由于SO4-基團(tuán)的振動(dòng)引起的，在1.4pum 和 1.9um附近的強(qiáng)吸收峰是由于 OH振動(dòng)引起的，在2.2um附近的吸收峰可能是由于Al-OH的拉伸振動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)引起的，在1.0um附近有一個(gè)較弱的吸收峰可能是由于SiO-基團(tuán)的振動(dòng)引起的，在1.4pum 和1.9um附近的強(qiáng)吸收峰是由于 OH振動(dòng)引起的，在2.2m附近有一個(gè)明顯的強(qiáng)吸收峰可能是由于Al-OH的拉伸振動(dòng)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(shí)別高嶺石的主要光譜特征，是我們對(duì)其分類的依據(jù)。

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（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(shí)帶淺紅、淺綠色，無(wú)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(duì)色素、膠狀物及雜質(zhì)具有強(qiáng)吸附性，可作為精煉石油時(shí)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?yàn)镾iO3-基團(tuán)和OH振動(dòng)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。

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在這里通過(guò)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(gè)問(wèn)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(wú)疑是礦石分類問(wèn)題的一個(gè)難點(diǎn)，后面將針對(duì)這樣的情況結(jié)合分類算法對(duì)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(guò)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(dòng)和OH振動(dòng)引起的，在1.4um和1.9um附近的強(qiáng)吸收峰是由于OH振動(dòng)引起的，在2.2um附近有一個(gè)明顯的中強(qiáng)度吸收峰可能是由于Si-O鍵拉伸振動(dòng)的合頻或倍頻引起的。

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經(jīng)分析比較發(fā)現(xiàn)，這四種典型礦石實(shí)際上屬于蝕變巖大類，蝕變巖[18是在火山噴發(fā)或板礦運(yùn)動(dòng)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(duì)相似，均在1.4pm附近、1.9um附近由于 OH 和水分子的振動(dòng)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(shì)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(gè)其他三種礦石所沒(méi)有的吸收峰特征，此特征可主要作為識(shí)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(duì)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。

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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(shí)別工作提供了可能性；而對(duì)于本文所研究的礦石間存在相似性光譜特征，無(wú)疑是對(duì)分類算法的一種考驗(yàn)，同時(shí)如何保證有效地將光譜存在相似性的礦石分類出來(lái)也是值得探究的。

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