一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法
【专利摘要】本发明属于一种岩矿光谱识别方法，具体公开一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，该方法包括如下步骤：步骤(1)光谱曲线的去噪预处理；步骤(2)岩矿表面反射率归一化；步骤(3)第二类特征点的选取；步骤(4)计算光谱曲线特征；步骤(5)光谱曲线吸收峰位置信息提取。该方法能够克服目前光谱特征吸收峰识别过程中吸收位置难以准确识别的缺陷，提高岩矿光谱特征识别的准确率。
【专利说明】一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种岩矿光谱识别方法，具体涉及一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法。
【背景技术】
[0002]高光谱测量仪器的光谱分辨率高于百分之一波长达到纳米(nm)数量级，其光谱通道数多达数十甚至数百，它的这种独特性已经被成功地应用在植被生态环境、地质、土壤、大气和海洋等多个学科中，特别是在地质学领域中(地表物质分类、识别等方面)的应用更为广泛。在地质勘查时，高光谱测量对岩石出露程度较大的区域优势更为明显，效果更为关出。
[0003]岩矿光谱特征产生的主要原因就是组成岩矿的内部离子与基团的晶体场效应与基团的振动。由于不同种矿物的晶体结构也是各不相同的，因此由晶格振动而产生的各种矿物光谱特性也是不一样的，从而可以利用此特征对矿物进鉴定。但是由于岩石光谱本质上是矿物的混合光谱，其光谱特征受成分、结构、构造和表面状态等因素的影响。鉴于野外地物环境条件的复杂、仪器噪声的影响以及岩石和周围土壤中有机质产生的各种效应等问题的存在，岩矿光谱曲线噪声比较大。
[0004]岩矿光谱通常都应该包含一系列的特征吸收谱带，不同种类的岩矿光谱的这些特征谱带都应该是不相同的。这些特征吸收谱带在不同的矿物中具有较稳定的波长位置和波形，能够显示离子类矿物、单矿物的存在，是利用高光谱进行矿物识别的基础。光谱吸收特征可以用一系列的波形形态参数表示，如吸收波段波长位置(λ)，吸收深度(H)、吸收宽度(W)、对称度(d)、吸收面积(A)以及吸收的数目(η)等。从这些参数中可提取各种矿物的定性、定量以及岩矿中成分的信息，尤其是吸收深度和位置。在了解吸收谷位置(波长)偏移范围的情况下，吸收谷位置(波长)可作为描述野外光谱稳定特征参数之一。可以利用光谱的最大吸收深度的波长位置可以对地表岩性分布进行大致的识别。
[0005]虽然目前人们对于光谱特征的识别技术已经有了很大的进步，各种识别算法得到了不断改进，但是由于岩矿光谱的同质多象、类质同象等现象，使得岩矿光谱特征识别存在很多不确定性，因此，很有必要改进岩矿光谱特征的识别关键技术方法，提高岩矿光谱特征识别的准确率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，该方法能够克服目前光谱特征吸收峰识别过程中吸收位置难以准确识别的缺陷，提高岩矿光谱特征识别的准确率。
[0007]实现本发明目的的技术方案:一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，该方法包括如下步骤:
[0008]步骤⑴光谱曲线的去噪预处理；[0009]步骤(2)岩矿表面反射率归一化；
[0010]步骤⑶第二类特征点的选取；
[0011]步骤(4)计算光谱曲线特征；
[0012]步骤(5)光谱曲线吸收峰位置信息提取。
[0013]所述的步骤(1)具体包括以下步骤:
[0014]光谱曲线的离散的波段点，在前一个点的位置做切线，计算该切线的斜率K(1-l)=P (i)-P (1-2)/λ (?)-λ (1-2)；
[0015]根据斜率可以得到经过该点的切线方程r(i) = K(1-l)*X (i)+b ；
[0016]如果该交点的值小于反射率，即:r(i)〈P (i)，则取该点为真实曲线所经过点r(i)，即:P’(i) =r(i)。反之，如果该交点的值大于反射率，即:r(i)>P (i)，则取反射率P (i)为无噪声曲线所经过的点。
[0017]所述的步骤(2)中 的岩矿表面反射率归一化公式如下所示:
[0018]p’ Q) = P ⑴-P JiVPniax W-Pniin⑴。
[0019]所述的步骤(3)中具体包括以下步骤:
[0020]计算光谱曲线的平滑曲线的拐点前后两条直线段的斜率，拐点前直线段的斜率Kleft⑴=PM(i)-Psl(1-l)M⑴-入(1-1)，拐点后前直线段的斜率Κ_α)=
P (i+l)-p (?)/λ (?+1)-λ (i)；
[0021]如果KlefJi) X Kright⑴< 0，则该点是第二类特征点。
[0022]所述的步骤(4)具体包括以下步骤:光谱曲线特征为光谱吸收指数SAI，首先计算光谱吸收指数 SAI = d P S1+(l-d) P J P M。
[0023]所述的步骤(5)提取光谱曲线吸收峰位置信息的具体步骤包括:根据光谱吸收指数和相邻波段反射率的差值，设置不同的阈值，提取矿物光谱曲线吸收特征吸收峰的位置信息。
[0024]本发明的有益技术效果在于:本发明通过采用光谱吸收特征，从光谱数据中获得光谱的吸收特征信息，从而能够实现对未知岩矿光谱的识别与组成成分的分析，提高岩矿光谱特征识别的准确率。通过对产生噪声的光谱曲线进行噪声去除处理，获取平滑的光谱曲线，同时，能够保证噪保证吸收峰位置的反射率不发生变化。通过岩矿表面反射率归一化，统一反射率大小的衡量标准，有利于根据吸收深度等光谱曲线的参量来进行吸收峰位置选取。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明所提供的一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法的流程图；
[0026]图2为本发明所提供的噪声去除后的光谱曲线图；
[0027]图3为本发明所提供的光谱吸收特征量化曲线图；
[0028]图4为本发明所提供的光谱特征吸收位置提取效果图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0030]如图1所示，一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，包括如下步骤:[0031]步骤(1)光谱曲线的去噪预处理
[0032]由于波段是连续的，相应的光谱曲线应该是平滑的，但是由于自然环境、岩石表面结构、表面颜色的影响，光谱曲线出现很多噪声，呈现折线状，与实际光滑的形状出现偏差。
[0033]做噪声去除预处理时必须要保证吸收峰位置的反射率是不会发生变化的。依次遍历光谱曲线的离散的波段点，在前一个点的位置做切线，势必会和后一个波段点的垂直直线相交。
[0034]计算该切线的斜率:
[0035]K(1-l) = P (i)-p (1-2)/λ (?)-λ (1-2)(I)
[0036]其中，K(1-l)为(1-1)点的斜率，P (i)、P (1-2)为前一个i点和后一个(i_2)点的反射率，λ (i)、λ (1-2)为前一个i点和后一个(1-2)点的波长。
[0037]根据斜率可以得到经过该点的切线方程: [0038]r(i) =K(1-l)*(A (i)-A (i_l)) + p (1-1)(2)
[0039]式中，r(i)为i点去噪后的新的反射率值，λ (1-1)、P (1-1)为(1-1)点的波长和反射率值。
[0040]如果该交点的值小于反射率，即:r(i)〈P (i)，则取该点为真实曲线所经过点r(i)，即:P’ (i) =r(i)。反之，如果该交点的值大于反射率，即:r(i)>P (i)，则取反射率P (i)为无噪声曲线所经过的点。
[0041]附图2中描述了经过噪声去除后的结果，上面的不光滑曲线为去噪前的光谱曲线，下面的光滑曲线为经过噪声去除后的光谱曲线，可以看到噪声得到抑制后的曲线显得更加平滑。
[0042]步骤(2)岩矿表面反射率归一化。
[0043]野外勘测的岩矿经常受到太阳光照强度不同、外在环境、岩石表面颜色特征和物理风化等因素的影响，这些因素会引起岩石反射率大小的变化，但谱带位置、宽度、吸收深度和形态一般比较稳定。因此，必须要统一反射率大小的衡量标准，这样有利于根据吸收深度等光谱曲线的参量来进行吸收峰位置选取，也有利于和标准光谱曲线比较。
[0044]岩矿表面反射率归一化公式如下所示:
[0045]P’(i) = P (D-p—QVp^D-pminQ)(3)
[0046]式(3)中，P’(i)为归一化计算后的新反射率值，P min(i)、Pmax⑴分别为反射率的最小值和最大值。
[0047]步骤(3)第二类特征点的选取
[0048]吸收和反射特征点总是位于光谱曲线的平滑曲线的拐点，也就是相邻两条直线段斜率发生逆转的地方，需依次计算每个拐点前后两条直线段的斜率，如果两者的乘积为负值，即为第二类特征点；
[0049]KlefJi) = P ⑴-P (1-Ι)/ λ (?)-λ (1-1) ⑷
[0050]式⑷中，Klrft (i)为i波段点左边直线的斜率，P⑴、P (1-Ι)分别为i和(1-1)点的反射率。λ α)、λ (1-1)分别为i和(1-1)点波段值。
[0051]Kright ⑴=P (i+l)-p (i)/ λ (?+1)-λ ⑴ (5)
[0052]式(5)中，为i波段点右边直线的斜率，P⑴、P (i+1)分别为i和(i+1)点的反射率。λ α)、λ (i+1)分别为i和(i+1)点波段值。[0053]如果Klrft⑴XKright⑴< O,则该点是第二类特征点。至于是反射点还是吸收点，需要根据这两条曲线斜率的正负来判断。如果Kleft (i) <0,5.Kright(i) >0，则该点是吸收点，如果Ui) > 0，且Kright (i) <0，则该点是反射点。
[0054]步骤(4)计算光谱曲线特征
[0055]光谱吸收特征可以用一系列的波形形态参数表示，如吸收波段波长位置(λ )、光谱吸收指数(SAI)、吸收宽度(W)、对称度(d)、吸收面积(A)以及吸收的数目(η)等，从这些参数中可以定量的反映岩矿中成分的信息。本发明根据光谱吸收指数(SAI)来提取光谱曲线吸收峰的位置。
[0056]如图3所示，任一光谱曲线的光谱吸收特征都可由光谱吸收谷点M与光谱吸收的两个肩部SI和S2组成，SI和S2的连线叫做“非吸收基线。其中，S1、S2、M可以分别是一个波段，也可以是几个波段的线性组合。图3中吸收谷点M与两个肩端组成的“非吸收基线"的距离可以表征为光谱吸收深度(H)。光谱吸收指数(SAI)就是在此基础上提出来的，它是光谱吸收深度(H)的定量反映。令:
[0057]P S1、λ S1为吸收左肩端SI的反射率和波长位置；
[0058]P Μ> λ M为吸收点M的反射率和波长位置；
[0059]P S2、λ S2为吸收右肩端S2的反射率和波长位置；
[0060]S1-S2的虚线为非吸收基线；
[0061]这样，吸收肩部波长差为吸收波段宽d= λ52-λω/ω ；
[0062]吸收对称性参数d = λ S2- λ m/ ω ；
[0063]吸收肩端反射率差为Aps= Ps2-Psi ；
[0064]实际中的非吸收基线是曲线，我们为了应用计算的简便直接把它看成直线段来处理，则光谱吸收指数(SAI)可表示为:
[0065]SAI = d P S1+(l-d) P S2/ P M (6)
[0066]步骤(5)光谱曲线吸收峰位置信息提取
[0067]根据光谱吸收指数，相邻波段反射率的差值等信息，设置不同的阈值，来提取矿物光谱曲线吸收特征吸收峰的位置信息，进而得到矿物受测区环境影响特征吸收峰的漂移范围。例如:蒙脱石类化学公式为[1/2 (Ca, Na) 0.76 (Al, Mg, Fe) 4_6 (Si, AlO20) (OH) 4.ηΗ20]，八面体的点位可能包含Al、Fe或者Mg。另外，Al可能置换四面体层中的Si，这类矿物的吸收谱位于1408nm，1899nm和2205nm处。反射光谱的肩部，分别在1455nm，1940nm和2232nm处。蒙脱石的特征吸收向长波方向转移，在2229nm形成吸收谱，是富Fe和Mg的结果；向短波长方向转移，在2199nm形成吸收谱，是富Al的结果。
[0068]利用上述方法计算从USGS和PJL标准矿物光谱库中选取的有Al-OH吸收特征的光谱曲线，左右两个肩部的SAI大约为0.08和0.15。通过设置吸收左肩端S1、吸收右肩端S2的光谱吸收指数SAI分别为0.08和0.15，得到了图4反应的实验结果。其中，曲线的为原始光谱曲线，折线为经过信息提取后的点连接成的折线，“ + ”即为光谱曲线吸收峰所在位置信息。波长2000-2500nm区域反映绿泥石、絹云母及方解石等矿物的混合吸收特征(絹云母2204nm,绿泥石2272nm,方解石2345nm);絹云母吸收特征谱带出现在2204nm-2220nm附近，绿泥石吸收峰出现在2354nm附近。通过对该测区内样品光谱曲线的分析，Al-OH吸收特征位于2199nm-2212nm之间。[0069]上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
【权利要求】
1.一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤(1)光谱曲线的去噪预处理； 步骤(2)岩矿表面反射率归一化； 步骤(3)第二类特征点的选取； 步骤(4)计算光谱曲线特征； 步骤(5)光谱曲线吸收峰位置信息提取。
2.根据权利要求1所述的一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，其特征在于:所述的步骤(1)具体包括以下步骤: 光谱曲线的离散的波段点，在前一个点的位置做切线，计算该切线的斜率K(1-l)=P (i)-p (?-2)/λ (?)-λ (1-2)； 根据斜率可以得到经过该点的切线方程Hi) =K(1-l)*X⑴+b; 如果该交点的值小于反射率，即 :r(i)〈P (i)，则取该点为真实曲线所经过点r(i)，即:P’ (i) =r(i)。反之，如果该交点的值大于反射率，即:r(i)>P (i)，则取反射率P (i)为无噪声曲线所经过的点。
3.根据权利要求2所述的一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，其特征在于:所述的步骤(2)中的岩矿表面反射率归一化公式如下所示: P’(i) = P ⑴-PminQ)/PmaxQ)-P min ⑴。
4.根据权利要求3述的一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，其特征在于:所述的步骤(3)中具体包括以下步骤: 计算光谱曲线的平滑曲线的拐点前后两条直线段的斜率，拐点前直线段的斜率Kleft⑴=P M⑴-Psi(H)/入⑴-入(1-1)，拐点后前直线段的斜率⑴=P (i+l)-p (?)/λ (?+1)-λ (i)； 如果Klrft⑴XKHght⑴< ^则该点是第二类特征点。
5.根据权利要求4述的一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，其特征在于:所述的步骤(4)具体包括以下步骤:光谱曲线特征为光谱吸收指数SAI，首先计算光谱吸收指数SAI = d P S1+(l-d) P S2/ P M。
6.根据权利要求5述的一种岩矿光谱特征吸收峰位置识别方法，其特征在于:所述的步骤(5)提取光谱曲线吸收峰位置信息的具体步骤包括:根据光谱吸收指数和相邻波段反射率的差值，设置不同的阈值，提取矿物光谱曲线吸收特征吸收峰的位置信息。
【文档编号】G01N21/31GK103983588SQ201410213470
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】刘洪成, 叶发旺, 张川 申请人:核工业北京地质研究院