基于Hapke模型混合岩矿粉末反射率光谱模拟

Hapke岩矿二向反射率光谱定量模型是研究混合矿物光谱的有利工具,而国内对该模型的基础研究较少。通过4组室内混合矿物光谱数据来研究该模型在模拟混合矿物光谱时的准确性与存在的问题,进而探讨混合矿物光谱的特征规律。研究表明,在模拟混合矿物光谱方面不论是各向同性,还是各向异性的Hapke模型均有很高的精度,权重调整后4组各向同性模型的模拟结果均方根误差(RMSE)均值为0.014 4,相关系数(R)均值为0.994 7,4组各向异性模型的模拟结果 RMSE均值为0.008 4,R均值为0.994 4,说明该模型是优异的混合光谱分析手段;但模型对暗色矿物适用性较差,如当混合矿物中含有黑云母时模拟精度较低;混合矿物的光谱谱形需要针对矿物组成进行具体分析,其中所占质量分数较高的矿物并不一定能主导混合矿物的光谱谱形,而低反射率的矿物在混合矿物光谱中发挥的作用远大于其质量分数的比重。

基于Hapke和Shkuratov模型的斑岩铜矿蚀变带混合波谱研究

矿物光谱混合模型研究对于蚀变带蚀变矿物的信息提取具有重要意义。本文基于目前两种主流的非线性光谱混合模型Hapke和Shkuratov模型,通过对两者特性的对比分析,提出了一种综合利用这两种模型进行矿物或岩石光谱混合模拟的思路,并针对斑岩型铜矿典型蚀变分带现象,进行钾化带、绢英岩化带、泥化带、青磐岩化带等典型蚀变带矿物组合光谱的模拟实验。本研究提取结果可以为斑岩铜矿蚀变带研究提供理论依据。

基于Hapke辐射传输模型的月壤光谱模拟

由于月球采样点较少,月壤真实数据稀缺,限制了对月球科学问题的进一步研究。较全面系统地采集月壤样品在近期很难完成,开展月壤光谱模拟工作是月壤实测光谱的必要有益补充,可以为研究月壤光谱特征提供大量数据。基于Hapke模型,我们选取RELAB光谱库的斜长石、单斜辉石、斜方辉石、橄榄石、单质铁、钛铁矿、火山玻璃、熔融玻璃等典型月壤矿物,运用牛顿插值和最小二乘优化的方法,模拟了LSCC月壤数据的一定粒径、单质铁含量、观测条件及矿物混合比例下的混合光谱。模拟光谱与实测光谱拟合较好,相关系数均大于0.99,均方根误差在10^(-3)数量级;模拟矿物丰度与实测矿物丰度基本一致;模拟SMFe含量与相对成熟度指数Is/FeO线性关系明显;模拟粒径基本落在实测粒径组范围内。最后,文中讨论了光谱吸收中心波长、吸收面积等光谱特征参数的模拟精度,以及高精度模拟光谱时光学常数的计算方法。

基于Hapke模型多角度孔雀石光谱特性分析

岩矿的光谱特征是利用遥感手段识别岩矿的理论基础,随着遥感技术的不断发展,多角度观测为岩矿的遥感精确识别提供了新的思路。选取孔雀石粉末的多角度光谱特征作为研究对象,利用Hapke模型对孔雀石的多角度光谱特征进行精确描述,以确定孔雀石的单次散射反照率的多角度光谱特征。研究表明,光源天顶角和传感器观测天顶角之间的关系对于孔雀石的单次散射反照率有着重要影响,样本的单次散射反照率标准差与其光谱之间整体体现负相关关系。根据这一结论,比较样品单位波长内各角度二向反射率和单次散射反照率标准差,二向反射率受到影响作用较小,故可以利用多角度条件下单次散射反照率波谱特征提高对孔雀石的遥感识别精度。

Apollo16登月区Hapke模型参数反演及模型敏感性分析

月表光度行为描述了月表物质反射的太阳光随入射、出射和太阳相角的变化,其反射率的不同取决于月壤颗粒大小、粒子形状、透明度、孔隙度、表面粗糙度等因素。为了分析月表光度行为,了解区域反射率差异原因,本文以Apollo16登月区为例,使用M^3(moon mineralogy mapper)数据反演Hapke模型物理参数,并分析了Hapke模型光度参数对二向性反射率的影响程度。反演结果显示,本文研究区域光度参数b、hS变化很小,光度参数w有一定的变化;表明本文研究区域反射率不同主要是w的差异造成的。研究区域月壤中各类矿物颗粒的前向散射占主导地位,月壤结构和粒径总体相近,但在孔隙度、风化层填充物状态及表面粗糙度等因素中至少有一种因素存在差异。

模拟月壤的Hapke模型参数反演方法

Hapke模型是描述行星表面光度行为的辐射传输模型,利用行星表面多角度反射率数据可以反演得到Hapke模型参数,研究行星表面的物理和光度特性.Hapke模型参数的反演需要覆盖相角范围足够大的反射率数据,而行星遥感和就位探测时很难覆盖足够大的相角范围.因此,如何利用有限的多角度数据获取准确的模型参数是一个重要的研究课题.实验室提供了获取大范围角度下反射率数据的实验条件,可以在实验室条件下研究Hapke模型参数反演方法.通过实验室ASD光谱仪和Chang’E-3红外成像光谱仪鉴定件获取的橄榄石和模拟月壤多角度反射率数据进行实验,结果表明有限观测角度可以获取比较准确的模型参数;通过分析Hapke模型参数得到橄榄石和两种模拟月壤的光度和物理特征.

滞尘叶片反射光谱的Hapke双层散射模型模拟

针对粉尘附着于植被表面干扰植被光谱信息的纯洁性,从而影响植被正常遥感监测和管理问题,提出一种基于Hapke双层散射模型对滞尘叶片反射光谱进行正演仿真模拟的方法,为定量剔除粉尘对植被光谱的干扰奠定理论基础。通过设定粉尘粒径、堆积密度等物理参数定量模拟滞尘叶片反射光谱,再利用实际测得的反射光谱评价模型模拟精度,从而实现滞尘叶片反射光谱的高精度正演模拟。研究表明:随着粉尘沉积质量的增加,Hapke双层散射模型得到的理论误差呈先增大后减小的趋势,最终理论值和实验值接近一致;在不同波段模拟反射光谱误差影响不一,其中近红外波段误差最大;模型模拟的反射光谱曲线与实验光谱曲线拟合精度高达95%,反射率偏差值控制在5%以内,模拟精度较高。

基于多角度高光谱指数的花岗岩中长石含量反演研究

花岗岩中长石含量的定量估算有助于其定名和分类,为后续相关地质过程研究提供基础数据。在可见光—近红外—短波红外波段范围内(0.35~2.5μm),传统基于光谱吸收特征参数反演矿物种类和含量的方法,不适用于像长石这类无诊断性吸收特征的矿物。同时,基于物理的辐射传输模型由于计算复杂,在较大程度上限制了该方法在矿物定量反演中的应用。本文基于多角度高光谱数据,通过不同光谱预处理方法及光谱指数类型的组合实验,创建用于估算花岗岩中长石比例的光谱指数模型。结果表明,使用2035 nm波段的反射率二重差分型(CRDDn_(2035))指数模型,在不同实测数据集中均具有良好表现,估算精度达到0.81。本研究创建了一种适用于估算长石占比的光谱指数模型,为定量反演具有弱吸收特征的岩矿信息提供了新的技术手段与思路。

高光谱遥感技术在耕地质量反演中的应用

本文基于高光谱影像对耕地质量相关指标进行反演估算,以河北省石家庄市东北部平原部分耕地区域为研究对象,基于辐射、几何校正预处理后的资源一号02D高光谱遥感影像,采集影像覆盖范围内地表土壤样本共110组,并完成理化分析等流程,获取样本的耕地质量相关指标含量数据。通过Hapke模型、CARS方法与SVM模型建立耕地质量相关指标的反演模型。结合70%的建模样本和30%的预测样本验证表明,水解性氮、有机质等指标达到较高的精度,证实了高光谱遥感技术针对土壤有机质和养分指标反演的应用价值。

基于光谱重建技术的遥感图像复原方法

以提升遥感图像质量为目的,设计基于光谱重建技术的遥感图像复原方法。首先通过光谱反射率重建模型重建遥感图像光谱反射率;采用混沌优化算法改进混沌粒子群算法,采用其优化遥感图像光谱反射率重建模型参数,提升光谱反射率重建精度,然后依据优化后的光谱反射率、入射光亮度与透射率建立遥感图像复原模型进行遥感图像复原,最后进行了仿真实验,结果表明,本方法复原后的遥感图像清晰度高,在运动模糊条件依旧能够有效复原遥感图像,在不同波段时,复原遥感图像时的峰值信噪比高,对比度大,即遥感图像复原清晰度高、抗噪声能力优。

小样本矿物高光谱数据增强与丰度反演

为了解决基于深度学习的开展矿物高光谱丰度反演研究中标签数据不足的问题,提出一种基于添加填充系数的Hapke混合模型的小样本矿物高光谱数据增强方法,用于生成大量带标签的数据集。在实验室内选择5种常见矿物按照质量比例对矿物粉末进行多元混合,并对混合矿物开展光谱量测。基于线性混合模型、Hapke混合模型、填充系数分别为0.1,0.2和0.3的Hapke混合模型共5种模型,按照对应的质量比例生成模拟的混合矿物光谱,与实验室实测光谱进行比较。最后,基于Monte Carlo法随机生成多元“和为一”的丰度矩阵,利用5种混合模型开展数据增强,分别生成40000条模拟光谱作为堆栈自编码网络的训练集,反演矿物高光谱数据的丰度信息。研究结果表明:Hapke模型以及添加填充系数后的光谱模拟精度均优于线性混合模型的模拟精度,当Hapke模型的填充系数为0.1和0.2时,光谱角距离误差均值分别为0.0535和0.0537,模拟的矿物光谱更接近实测光谱,且优于未添加填充系数时的光谱角距离误差0.0748。利用填充系数为0.1和0.2的Hapke模型生成的模拟数据作为深度学习训练集,矿物高光谱丰度反演的均方根误差(RMSE)为0.1248,优于其他4种模型的反演结果。基于添加填充系数后的Hapke混合模型生成的模拟数据更接近真实光谱,可为深度学习的小样本矿物丰度反演研究提供数据支撑。

高光谱遥感图像非线性解混研究综述

介绍了近年来非线性光谱解混方法的发展状况,主要包括矿物沙地地区的紧密混合模型和植被覆盖区域的多层次混合模型,以及基于这些模型的非线性解混算法和利用核函数、流形学习等方法的数据驱动非线性光谱解混算法及非线性探测算法.最后分析总结了现有非线性解混模型与算法的优势与缺陷及未来的研究趋势.

土壤偏振光谱二向反射影响研究

实验测量了土壤在400～720nm内的光谱二向反射分布函数(BRDF),并分析了偏振BRDF强度分量与实验观测角及波长的关系。由于Hapke模型能很好地描述入射辐射与地物之间的相互作用过程,利用Hapke二向反射模型实现土壤在可见光波段的BRDF强度分量建模。通过比较模型预测值与实验观测值可以看出,所采用的强度模型能准确地描述土壤的f00特性,并能达到较好的精度要求,因此,可以根据所建立的模型来分析土壤模型参数变化趋势,在一定条件下反映出土壤本身的部分特性。同时,分析了土壤偏振度与探测角、波长及土壤强度分量的关系,对土壤偏振性质的研究具有一定的理论意义。

基于实测高光谱数据的矿物含量提取方法研究

针对利用线性模型提取矿物含量精度较低的问题,以波长范围为350-2 500nm的岩石光谱为数据源,基于光谱匹配方法进行矿物识别,应用简化的Hapke模型将岩石样品反射率转换为单次反照率,利用线性模型分解单次反照率进行含量提取,并通过分段滤波及建立区域光谱库的方法提高识别精度,建立了一种基于实测光谱数据的矿物含量提取方法。通过对包古图V号岩体光谱数据的分析,与X射线衍射结果相比,该方法对长石类矿物的识别精度为100%,含量提取精度为80.5%;对粘土类蚀变矿物的识别精度为92.2%,含量提取的精度为92.36%。该方法将矿物学共生关系加入到矿物识别方法中,保证了结果的可靠性;提出了分段滤波的预处理思路,避免了滤波算法对光谱波形及吸收特征的影响,并且据有较好的去噪效果;应用Hapke模型进行实测的岩石光谱解混,能避免复杂的光谱非线性分解计算,从理论上提高矿物含量提取的精度和计算的效率。该方法对快速分析蚀变信息等工作具有一定的指导意义。

基于非线性混合模型研究太空风化对月壤光谱的影响

月表太空风化会改变月壤光谱特征,影响月壤元素遥感反演精度.研究太空风化对月壤光谱的影响有助于开发月壤成熟度光谱解耦算法,提高月壤成分遥感反演精度.直接对比月壤风化前后光谱的变化能最真实反映太空风化对光谱的影响,但无法获取未风化的月壤样品,利用实验室模拟方法开展研究也存在缺陷.本文提出了一种简便的方法来研究太空风化对月壤光谱的影响,并以月海样品为例进行探讨.利用Hapke模型对月海样品组成矿物光谱按照实测含量进行非线性混合,并通过对比混合后的光谱与实测的月壤光谱,研究太空风化过程对月壤光谱的影响.研究结果表明,月壤在遭受太空风化后反射率降低,波长越短降低越显著;月壤背景吸收斜率增大,月壤变得更红,月壤矿物特征吸收峰深度降低,光谱对比度变弱,长波吸收峰(2.0μm附近)深度降低程度超过短波吸收峰(1.0μm附近)深度.未来在利用遥感技术反演月壤元素含量时,必须考虑这些因素.

基于辐射传输模型的月表铁镁质矿物定量反演:以嫦娥三号着陆区为例

我国嫦娥三号着陆于雨海北部的年轻玄武岩熔岩平原上,该区域的物质成分和矿物组成对于理解月球年轻的火山活动具有重要研究价值。月球全球勘探者(Lunar Prospector,LP)探测的元素数据揭示着陆区附近岩石类型主要为高铁中钛玄武岩(19.5%FeO;5.2%TiO_2)。本研究利用月球矿物绘图仪(Moon Mineralogy Mapper,M^3)获取的嫦娥三号着陆区附近的新鲜撞击坑高光谱数据,采用Hapke辐射传输模型和修正高斯模型(MGM)联合分析,对其年轻月海玄武岩铁镁质矿物进行了定量反演。研究表明该区域玄武岩中矿物组成以单斜辉石矿物为主,存在较高比例的橄榄石。基于光谱库匹配方法和MGM优化分析,我们反演出单斜辉石,斜方辉石,橄榄石和钛铁矿四种矿物的相对体积比为57.6:18.0:15.3:9.1,这一研究结果有待于与嫦娥三号玉兔号月球车上搭栽的红外成像光谱仪数据进行比对,以期从遥感和就位探测两个角度获得对于该地区矿物和岩石类型的全面认识。

基于微观图像的加工表面3维形貌重建算法研究

切削加工表面由于微观不平度及镜面效应的存在,使得照射其上的光线具有多次散射及后向散射的特性,从而影响了以工件表面图像3维重建形貌的精度。提出了一种基于二向反射分布函数的表面重建算法,构造了以Hapke模型表达的金属切削表面重建方程。该算法以重建方程离散化为手段,计算出光源和物体的倾角和偏角,得到光源和物体的梯度值,最后采用全微分方程对物体表面高度进行恢复。通过对实际切削加工表面图像3维形貌重建结果与触针式测量结果的对比表明,重建形貌粗糙度轮廓贴近实测粗糙度轮廓,证明了本文算法的准确、有效性,为加工表面3维形貌的重建提供了新的思路和方法。

基于太空风化的尖晶石二向性反射特性研究

简要介绍了不同太空风化条件下尖晶石的光谱特性,特别是利用Hapke模型计算了不同太空风化条件下尖晶石的二向性反射率分布特征。模拟的结果显示,对M3数据,可比较0.6μm和1.9μm附近的吸收特征;对IIM数据,则需要先分析太空风化程度,然后比较0.6μm和0.9μm附近的吸收特征来判断是否为尖晶石。该结论为选择探月传感器的波段组合识别尖晶石提供了依据,也为应用M3数据和"嫦娥1号"IIM数据的尖晶石判别奠定了基础。

全约束线性分解的月表虹湾地区矿物含量反演

月表主要矿物含量的定量反演是月球科学领域的重要课题之一,对未来月表矿物信息解译有重要指导意义,因此提出一种对月表高光谱遥感数据线性分解获取矿物含量的方法。首先,利用Hapke辐射传输模型将Relab光谱库中的5种矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿)非线性混合的反射光谱转换为线性混合的单次反照率;然后,按照比例随机生成混合像元;最后基于全约束线性光谱分解方法建立上述5种矿物分解含量与真实含量的统计关系模型。利用Apollo登陆采样点实测数据对该模型进行验证的结果表明,辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿的反演结果与实测结果的相关系数分别为0.83,0.86,0.72和0.77。采用上述方法,利用印度探月卫星Chandrayaan-1搭载的月球矿物制图仪(moon mineralogy mapper,M3)高光谱数据得到月表虹湾地区矿物的含量分布图,表明利用全约束线性分解对高光谱矿物识别和含量反演是一种行之有效的方法。

基于月面单幅图像的软着陆障碍识别与安全区选取方法

针对月球软着陆自主避障的需求,提出了一种适合月球灰尘表面的改进优化Hapke模型,给出了相对高程的求解、障碍识别与安全区选取方法,解决了已有纹理法无法识别坡度的问题,实现了利用单幅图像的月面着陆障碍识别与安全区域选取。利用月球软着陆下降段仿真图像,进行了模型解算和三维高程恢复并计算安全区域,结果表明,利用月面单幅图像能够实现障碍的识别与安全区的选取。