成像光谱相似矿物识别及其矿物填图的不确定性研究

论文摘要

成像光谱遥感技术利用超高的光谱分辨率能够对地物进行连续的光谱成像,近年来在大气科学、生态、地质、水文和海洋等领域发挥着巨大的作用,特别是在地质领域的矿物识别和矿物填图方面尤为成功。但是,对于一些物化属性和光谱特征都十分相近的矿物的区分结果一直不是很理想;另外,成像光谱矿物填图受多种因素影响存在不确定性。在成像光谱矿物填图工程化应用中,空间分辨率和光谱分辨率的变化极大地影响和制约着工程化的实施。本文利用澳大利亚HyMap成像光谱数据,就上述方面的内容做了一些尝试性的分析和讨论,具体的章节内容分布如下:第一章和第二章简述了论文的选题意义及工作方法路线等,综述了成像光谱矿物区分、光谱重建的研究现状和理论方法以及成像光谱矿物填图的不确定。第三章重点讨论了成像光谱遥感技术解决相似矿物的区分问题。相似矿物因其相近的物理化学属性和光谱特征而在光谱层面利用单一方法不能很好区分。本章首先利用新疆东天山研究区原有的矿物填图结果进行了精度评价,通过对研究区的几条剖面进行成像光谱数据分析、野外PIMA光谱分析和室内岩矿鉴定等综合评价后,选取合适的尺度标准,经验性地总结了成像光谱矿物填图的填绘强度和填绘矿物的丰度之间的线性关系,探索矿物填图精度与矿物的“检出限”之间的关系。同时结果发现虽然其它填绘矿物的精度较好,但在绿泥石与绿帘石、伊利石与白云母等相似矿物的区分上仍然存在不少混淆和误判的现象。然后通过分析相似矿物的几种表现形式,再根据成像光谱的数据特征,采用针对性的方法对相似矿物进行区分。具体内容包括:①分析了造成矿物填图结果混淆的几种矿物形式的影响,主要是矿物的类质同象、同质多象以及混合矿物等;②成像光谱数据具有数据复杂、波段间相关性高以及存储海量等特点,导致一些分析方法受到限制,甚至造成分析结果变坏。本文在总结前人研究的基础上提出利用“Separating”思想进行数据分析,对数据按照矿物光谱特征进行分块处理,以此来减少数据间的相关性,提高处理速度;对一种方法处理后的数据进行分离,掩膜结果以外的数据,明确处理的方向,消除周边数据可能带来的影响。③采用基于改进的独立组分分析(ICA)矿物分类方法(针对混合矿物和相似矿物)、比值分析方法(针对相似矿物)和相似度分析(针对相似矿物)等相结合的方法,利用适当的组合方式及应用次序,针对性地解决相似矿物区分的问题。第四章主要分析了成像光谱矿物填图的不确定和影响因素的敏感性。光谱重建是整个成像光谱矿物填图的关键环节。论文首先通过几种大气校正和光谱重建方法的结果分析讨论了它们给填图结果造成的影响。然后论文采用图像模拟的方法,重点讨论了空间分辨率变化、空间分辨率和光谱分辨率联合变化对成像光谱矿物填图的影响。最后,利用一组模拟的图像的填图结果,通过多元线性分析统计模型和判别分析模型定量地分析了空间分辨率和光谱分辨率对矿物填图的敏感性,得出它们对成像光谱矿物填图的影响程度。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 相似矿物识别的研究意义
• 1.2 工作方法路线
• 1.3 论文主要工作成果及可能的创新部分
• 1.4 小结
• 第二章 成像光谱相似矿物区别方法研究及其不确定性研究综述
• 2.1 成像光谱研究综述
• 2.1.1 辐射校正和光谱重建方法
• 2.1.2 相似矿物和混合矿物识别研究
• 2.1.2.1 岩石矿物物化属性与光谱特征相关性研究
• 2.1.2.2 相似矿物识别的光谱遥感应用理论模型研究
• 2.1.2.3 矿物识别方法和模型
• 2.1.2.4 矿物识别存在的问题及发展趋势
• 2.2 成像光谱遥感的不确定性研究综述
• 2.2.1 成像光谱数据的不确定性
• 2.2.2 形成机理探讨
• 2.2.3 成像光谱应用不确定性与工程决策
• 2.2.3.1 空间分辨率理论及研究概况
• 2.2.3.2 光谱分辨率理论及研究概况
• 2.2.3.3 信噪比理论及研究概况
• 2.2.4 分析理论和处理方法
• 2.3 小结
• 第三章 成像光谱相似矿物识别
• 3.1 基于成像光谱的矿物填图精度分析
• 3.1.1 研究区概况
• 3.1.2 成像光谱矿物填图
• 3.1.3 矿物填图精度评价
• 3.1.3.1 研究区矿物填绘精度
• 3.1.3.2 矿物填绘分布情况
• 3.1.4 几种矿物的检出限与填绘强度的关系
• 3.2 相似矿物和混合矿物
• 3.2.1 相似矿物和混合矿物分解的意义
• 3.2.2 矿物同质多象和类质同象光谱分析
• 3.2.2.1 同质多象矿物分析
• 3.2.2.2 类质同象光谱变异分析
• 3.2.3 其它相似矿物光谱分析
• 3.2.4 混合矿物光谱分析
• 3.3 成像光谱相似矿物识别
• 3.3.1 利用“SEPARATING”思想进行数据分析
• 3.3.2 比值分析
• 3.3.3 相似性测度
• 3.3.4 基于ICA 的成像光谱矿物填图
• 3.3.4.1 ICA 的基本理论和理论依据
• 3.3.4.2 ICA 数据数据处理
• 3.3.5 成像光谱相似矿物识别实验应用评价
• 3.3.5.1 黄山东铜镍矿区地质概况
• 3.3.5.2 数据处理与分析
• 3.4 小结
• 第四章 成像光谱矿物识别不确定性分析
• 4.1 成像光谱矿物识别的不确定分析
• 4.1.1 光谱重建的不确定性影响
• 4.1.2 空间分辨率不确定性分析
• 4.1.3 空间分辨率和光谱分辨率的混合不确定性分析
• 4.1.4 信噪比的不确定性
• 4.2 成像光谱矿物识别敏感性分析
• 4.2.1 多元线性回归分析
• 4.2.2 判别统计分析
• 4.3 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的科研实践及发表论文情况