粗糙度和观测角度对岩石热红外光谱特性及其解混影响的实验研究

李天子

河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000

光谱解混是一种重要岩矿光谱定量反演方法。但该方法的影响因素较多，机理复杂，严重影响了岩矿定量反演精度，其中岩石表面的粗糙度和光谱观测角度是重要的影响因素。为揭示粗糙度和观测角度对岩石热红外光谱及光谱解混的影响特征，论文在国家自然基金面上项目“粗糙度和观测角度对岩石热红外光谱解混影响规律的实验研究”的资助下开展研究。主要内容和研究结果如下：

(1) 自然块状岩石表面形态研究。利用三维激光扫描方法对典型自然岩石样品进行扫描，获取岩石的表面形态，并利用小波分析方法研究岩石表面的形态特征，获取岩石表面粗糙度范围。结果表明：12块自然岩石表面的粗糙度范围为0.8 μm

(2) 粗糙度对矿物热红外光谱特征的影响研究。利用自然岩石粗糙度测试结果，并依据Becker判据，对典型矿物(石英、正长石、斜长石等)制作成系列粗糙度的试样，利用红外光谱辐射计观测其热红外光谱，研究粗糙度对光谱特征的影响规律。结果表明：粗糙度对3种矿物的光谱特征有明显影响，且在不同波段影响特点不同。在CF特征波段影响不明显；在RF特征波段影响明显，随着粗糙度的增加，发射率明显增加，但到达一定阈值后，光谱发射率不再增加，反而降低。石英、正长石和斜长石的发射率变化拐点分别为粗糙度4.11 μm、3.74 μm、4.04 μm，与Becker判据基本吻合；TF特征发射率光谱没有明显规律性变化，特征位置没有变化。

(3) 粗糙度对岩石热红外光谱解混的影响研究。采用块体拼接的方式模拟二长花岗岩，通过不同粗糙度的矿物端元与模拟岩石光谱的交叉解混，研究粗糙度对岩石光谱解混的影响。结果表明：当矿物端元与岩石的粗糙度相同时，光谱解混误差小于5%，解混精度较高；当矿物端元与岩石的粗糙度不同时，光谱解混误差较大，大于5%，最大达到16.80%。这说明在利用光谱解混方法进行岩石矿物组分高精度定量反演时应该考虑粗糙度的影响。

(4) 观测角度对热红外光谱特征和光谱解混的影响研究。对一般粗糙度的石英、正长石、斜长石试样进行9个倾斜角度的热红外光谱观测，研究观测角度对光谱特征的影响规律。结果表明：CF特征在观测角度大于50°之后向短波方向移动明显；RF特征在0°～77°之间随观测角度的增加，向短波方向移动，在观测角度大于20°之后吸收谷深度加深；TF特征在观测角度大于40°之后发射率降低明显。

将观测角度作为影响岩石光谱解混的考察因素，通过垂直观测的矿物端元解混不同观测角度的虚拟二长花岗岩，结果表明：在0°～20°范围内，观测角度对光谱解混影响不明显，解混误差小于5%；当观测角度大于20°时，观测角度对光谱解混有显著影响，30°～77°解混误差大于5%，平均解混误差达到17.2%，解混精度较低。这表明，在利用光谱解混方法进行岩石矿物组分高精度定量反演时，应该考虑观测角度的影响。

(5) 试验结果的机理分析。利用光散射、多次反射、Hapke模型和基尔霍夫近似方法，就矿物粗糙度和观测角度对光谱发射率的影响机理进行分析。结果表明：矿物粗糙度对发射率的影响是表散射、体散射和空腔效应等共同作用的结果，在一般粗糙度条件下，矿物试样方向发射率受光滑面的发射率、多重散射和遮蔽效应等的共同影响。