走近光譜的最佳方法

A. 怎麼樣區分光譜的遠近

這個問題很簡單 簡單的說就是傳播的越遠的光的光譜越長 穿透力越強 紅色就是光譜最長 穿透力最強的光

B. 三種常用的光譜分析方法

三種常用的光譜分析方法如下：

光譜分析法指的是物質的一類分析方法，主要有原子發射光譜法、原子吸收光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外光譜法等。

其在飼料加工分爛睜析領域應用相當廣泛，特別是在測定飼料中的鉛、鐵、鉛、銅、鋅等離子的含量中的應用。熒光分析也是近年來發展迅速的痕量分析方法，該方法操作簡單、快速、靈敏度高、精密度和准確度好，並且線形范圍寬，檢出限低。

C. 光譜定性分析

由於各種元素原子結構的不同，在光源的激發作用下，都可以產生特徵的光譜，其波長是由每個元素的原子性質所決定的。如果某個樣品經過激發、攝譜，在譜片上有幾種元素的譜線出現，就證明該樣品中含有這幾種元素。這樣的分析方法，就稱為光譜定性分析。

試樣中所含元素只要達到一定的含量，都可以有其特徵譜線被攝譜記錄在感光板上。攝譜法操作簡單、耗費很低、快速，在幾小時內可以將含有數十種元素的多個樣品定性檢出，是目前進行元素定性分析的最好方法。

7.3.2.1 元素的光譜分析靈敏度

光譜分析的靈敏度，有絕對靈敏度與相對靈敏度兩種表示方法。所謂絕對靈敏度，就是能檢出某元素所需要的該元素的最少的質量；相對靈敏度則表示能檢出的某元素在樣品中最小的質量分數。

不同元素的光譜分析絕對靈敏度與相對靈敏度與下列因素有關:

1)分析元素是否易於激發，其輻射的光譜有沒有足夠的強度。

2)元素的電離電位的大小。一般來說，電離電位大的元素，其分析靈敏度低；而電離電位小的元素，其分析靈敏度高。

3)光譜定性分析方法、所用攝譜儀、光源、樣品引入分析間隙的方法及其他實驗條件等因素對分析靈敏度都有一定的影響。

光譜定性分析中必須注意的是，在某個樣品的光譜中沒有某種元素的譜線，並不表示在此樣品中該元素絕對不存在，而僅僅表示該元素的含量低於檢測方法的靈敏度。要確定某一元素在樣品中是否存在，必須在該樣品的光譜中辨認出其分析線，而譜線能被辨認出的前提是譜線加背景的總強度在一定程度上要超過背景的強度。

背景的來源主要是光學儀器內部的散射光、樣品或碳的顆粒在高溫下發射的連續光譜及分子光譜。背景太大，使譜線難以辨認；背景太小，甚至沒有背景，含量低的元素的譜線又不出現。所以，在光譜定性分析中應當保持足夠的曝光量，使背景剛剛出現為最好。

應用光譜方法，在理論上能對所有元素進行定性分析，但實際上應用直流電弧作為激發光源，一般只能分析 Ag、Al、As、Au、B、Ba、Be、Bi、C、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、F、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、Ho、In、Ir、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Os、P、Pb、Pd、Pr、Pt、Ra、Rb、Re、Rh、Ru、Sb、Sc、Si、Sm、Sn、Sr、Ta、Tb、Te、Tn、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Y、Yb、Zn、Zr等元素。

用交流電弧及高壓電火花也可進行以上元素的光譜定性分析。

7.3.2.2 攝譜前的准備

(1)電極

光譜分析金屬或合金樣品時，常以樣品本身作為電極，對於粉末或溶液狀態的樣品，經常用碳或石墨棒作為電極。進行光譜定性分析，最方便的就是使用石墨電極小孔法。

在光譜分析工作中經常使用光譜純石墨電極。在進行光譜定性工作以前，對於不同來源的石墨電極中殘存有哪些雜質，應先進行光譜定性檢查。

(2)攝譜儀的選擇

定性分析選用的攝譜儀，最理想的情況是樣品中所有需要分析元素的分析線都能在一張譜片上出現。當然還要求攝譜儀有足夠的解析度，使相鄰的譜線也能夠分開。如果樣品中含有元素較多，所攝光譜十分復雜，就要選用色散率足夠大的大型攝譜儀。但是，大型攝譜儀的主要缺點是一次攝譜只能攝取較小的波長范圍，一個樣品必須攝譜多次，方能包括分析所需的全部波長范圍。如果樣品成分很簡單，也可用較小色散率的儀器。

(3)光源的選擇

在光譜定性分析工作中，最常用的是直流電弧光源，採用陽極激發，可以激發約70種元素，且靈敏度高。

用石墨電極小孔法進行定性分析，直流電弧在燃燒時，每個元素都將從電極孔穴中按順序蒸發到弧焰中去，這種現象叫元素的選擇激發或分餾。雖然這種現象在其他激發光源中也存在，但在直流電弧的陽極激發中更為明顯。定性分析中恰好可以利用直流電弧這一特點，將易揮發元素和難揮發元素在燃弧的不同時間曝光而分別攝譜，避免互相干擾，以便於檢測。

為了降低背景、獲得最大的靈敏度，應注意在使用石墨電極小孔法進行定性分析時，電弧電流愈大，產生氰帶愈強烈，背景愈大；同時，如石墨電極直徑愈大，電極壁愈厚，以及樣品中混合石墨粉較多時，則在燃弧過程中消耗碳較多，從而引起背景值增大。

7.3.2.3 定性分析中的注意事項

光譜定性分析，要求能夠正確地確定被分析樣品中含有哪些元素，因此在操作中必須嚴加註意，應避免樣品被污染或由於噴濺而損失。

(1)必須嚴格防止樣品被污染

在定性分析過程中，必須特別仔細，避免將其他元素引入弧焰。因此，必須保持清潔的實驗室環境，每步操作都要非常小心(如稱樣、裝電極等)。在更換電極時，應先更換上電極，再更換下電極，以防止互相污染。已經使用過的電極，不宜重復使用。必須加入的石墨粉或其他試劑等，其純度需滿足一定的要求。

(2)注意避免樣品噴濺造成的損失

在攝譜過程中，往往由於樣品的噴濺，致使攝取的光譜中的譜線黑度大大降低，甚至使靈敏度不能滿足低含量元素的要求，從而獲得錯誤的分析結果。

1)當樣品潮濕或含有易揮發的有機物時，裝在電極小孔中雖經壓緊，但由於電極夾本身的熱傳導作用，有時粉末狀樣品仍會形成一圓柱體，高出電極孔。但只要將電極輕輕振動，使其恢復原狀，這時再燃弧，即可避免樣品的損失。

2)一般鐵礦石在燃弧後容易形成三氧化二鐵細小顆粒而如火星飛濺。這時應以低電流燃弧，在加大電流攝取第二條光譜時，電流不要升得太高，一般控制在7A左右為宜，並縮小電極間隙，可以減少飛濺損失。用石墨粉與樣品1∶1 稀釋，亦可防止飛濺現象發生。有的樣品在燃弧後不飛濺，但卻成為一個大熔珠暴露在電極孔上，並且急劇旋轉，這時應加大電流至15 A以上，使熔珠沾在電極上，避免其滾落下來造成損失。

3)當樣品中含有大量鋁或鈣的氧化物時，在燃弧過程中會形成柱狀白色固體，揮發很慢，當電極壁已燒光時，樣品仍成柱狀存在，很容易掉下來。發現這種情況，應及早加大電流，使兩個電極迅速靠近，幾乎接觸，使白色物熔融，促使樣品盡快蒸發，或在電極壁燒光前切斷電流，將白色物移至新電極上繼續攝譜，可以避免損失。

7.3.2.4 譜線和識譜

(1)元素的靈敏線、最後線和分析線

原子發射光譜是原子結構的反映，結構越復雜，光譜也越復雜，譜線就越多。即使是最簡單元素(如氫)，其原子譜線也不少；對於過渡元素、稀土元素，光譜就更復雜，可以有上千條譜線。同一元素的這些譜線，由於激發能、躍遷概率等各方面的原因，其強度也是不同的，即靈敏度也是不一樣的。在進行定性分析時，不可能也不需要對某一元素的所有譜線進行鑒別，而只需檢測出幾條合適的譜線就可以了。一般說來，若要確定試樣中某元素的存在，只需找出該元素兩條以上的靈敏線或最後線即可。元素的靈敏線一般是指一些激發電位低、強度大的譜線，多是共振線。元素譜線的強度隨其含量的降低而減弱，當樣品中元素的含量逐漸減少時，一些較不靈敏的譜線必然因靈敏度不夠而逐漸消失，當元素含量減至很小，最後仍然觀察到的少數幾條譜線，稱為元素的最後線。最後線一般是最靈敏線。光譜定性分析就是根據靈敏線或最後線來判斷元素的存在，所以它們還被稱為分析線。

在《光譜線波長表》和一些化學、物理手冊中，都可以查到各元素的最後線或靈敏線。在攝取的光譜中，逐條檢查最後線是光譜定性分析工作的基本方法。但當某一最後線在光譜中不能找到時，應考慮兩種可能，即：①樣品中無此元素；②此元素含量在所用光源激發條件及攝譜條件所能達到的靈敏度以下。

(2)識譜

識譜就是觀察攝取到的樣品的光譜，辨認譜線的波長，從而判斷樣品究竟由哪些元素組成。通常利用元素的最後線進行判斷。當樣品中元素含量較高時，也可以利用元素的特徵譜線組進行判斷。

定性分析的方法主要有標准試樣比較法和鐵光譜比較法。

A.標准試樣比較法

將欲檢出元素的物質或純化合物與未知試樣在相同條件下並列攝譜於同一塊感光板上。顯影、定影後在映譜儀上對照檢查兩列光譜，以確定未知試樣中某元素是否存在。此法多用於分析不常遇到的元素。

B.鐵光譜比較法

此法是以鐵的光譜為參比，通過比較光譜的方法檢測試樣的譜線(圖7.7)。由於鐵元素的光譜非常豐富，在210～660nm范圍內有幾千條譜線，譜線間相距很近、分布均勻，並且鐵元素的譜線波長均已准確測定，在各個波段都有一些易於記憶的特徵譜線，所以是很好的標准波長標尺。實際攝得的光譜圖放大20倍後，在不同波段的鐵光譜圖上方，准確標繪上67種元素的主要光譜線，即構成「標准光譜圖」。在實際分析時，將試樣與純鐵在完全相同條件下與攝譜並列。攝得的譜片置於映譜儀上，譜片也放大20倍，再與標准光譜圖比較。當兩個譜圖上的鐵光譜完全對准重疊後，檢查元素譜線，如果試樣中的某譜線也與標准譜圖中標繪的某元素譜線對准重疊，即為該元素的譜線。鐵光譜比較法可同時進行多元素的定性測定。

圖7.7 元素標准光譜圖

此外，定性分析的方法還有波長測量法，該法在比長儀中進行，分別測量未知波長譜線到兩條已知波長譜線(一般用鐵譜線)之間的距離，然後按線性比例內插法求出未知譜線的波長，再從波長表中查得該波長屬於何種元素的譜線。

D. 成像光譜方法技術

一方面，高光譜解析度的成像光譜遙感技術是對多光譜遙感技術的繼承、發展和創新，因此，絕大部分多光譜遙感數據處理分析方法，仍然可用於高光譜數據；另一方面，成像光譜技術具有與多光譜技術不一樣的技術特點，即高光譜解析度、超多波段（波段＜1000，通常為100～200個左右）和甚高光譜（Ultra Spectral）解析度（波段＞1000，主要用於探測大氣化學成分）的海量數據。因此，常規多光譜數據處理方法不適合於成像光譜數據的定量分析，於是成像光譜數據處理和分析技術應運而生。在成像光譜數據處理和分析方法中，關鍵性的技術問題是地物光譜重建，光譜特徵的量化及提取，混合像元的分解和定量分析及模型識別。

2.3.2.1 光譜重建技術

按照不同的模型及演算法，從成像光譜數據中把地物的光譜特性反演出來的過程就是地物光譜重建技術。根據不同的工作情況及條件，採取不同反演模型來重建地物光譜，是實現成像光譜數據遙感定量化分析的第一步。若對其不進行反演，則沒有一個統一物理量進行對比。目前，光譜反演模型大體可分為三大類型：基於大氣傳輸理論的大氣傳輸模型，基於統計分析的統計模型以及基於地面地物同步觀測的經驗回歸模型。

2.3.2.1.1 基於大氣傳輸理論的模型

該模型實質上就是用理論模型消除大氣中氣體分子、水蒸氣、氣溶膠及塵埃等分子顆粒對地反射輻射能量吸收與散射以及大氣程輻射效應，並將其還原成地物的反射輻射光譜。這是一種比較復雜的同時必須進行地物光譜及大氣參量測量的絕對反射率生成方法，也就是對成像光譜數據進行絕對輻射標定的再反演。在這一反演過程中，關鍵是建立大氣傳輸的模型。自1960年，Chndrasekhar提出了輻射傳輸理論以來，相繼發展了許多方法，如Ordinate方法和Variational方法等來解決輻射傳輸問題。目前，常見的大氣傳輸模型有5 S（the Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）、6S（the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）、LOWTRAN 7及MODTRAN（Teillet，P.M.，1989；Vermote，E.，Tanṙen，D.，Deuże，J.L.et al.，1994，1996；Bo⁃Cai Gao，K.B.Heidebrecht and A.F.H.Goetz，1997；Z.QIN，A.Karnieli and P.Berliner，2001）。其中，6S模型是由法國Tanré等人研究開發的，是目前世界上發展比較完善的大氣輻射校正模型演算法之一。該演算法既能合理地處理大氣散射、吸收，又能產生連續光譜，避免在光譜反演中較大的定量誤差。它還充分利用了分析表達式和預選大氣模式，使計算時間大大縮短。許多遙感專家使用此模式進行地物光譜反演後認為，該模型較其他模型計算精度高。不足之處是必須開展試驗區典型地物光譜反射率觀測以及大氣環境參量實測，如：大氣光學厚度、溫度、氣壓、水蒸氣含量、大氣分布狀況等。相對來說，盡管LOWT⁃RAN 7和MODTRAN模型計算精度低一些，但它不需要地面實測典型地物的反射率。這些模型一般用於對感測器選定標定場，開展數據絕對輻射標定。

2.3.2.1.2 基於統計分析的模型

該模型的建立是在分析不同地物光譜遙感信息在不同光譜波段的傳輸特點基礎上，利用計算機對典型地物的光譜特性進行統計分析後，得到的地物光譜特性反演模型。對成像光譜數據進行地物光譜反演常用模型有平滑域反射率模型 FFR（Flat Field Reflectance）（Goetz and Srivastava，1985；Conel，1985；Crowley at al.，1988；Rast et al.，1991），內在平均相對反射率模型IARR（Internal Average Relative Reflectance）（Kruse et al.，1985；Kruse，1988；Mackin and Munday，1988；Zamoudio and Atkinson 1990），對數剩餘模型LRC（Logarithm Resial Correction）（Green，R.O.etal.，1985；Gower，J.F.R.etal.，1992）。在這3種模型中，FFR模型是在圖像上選取光譜和地貌特徵都均勻平滑（平滑性是指地物無光譜吸收譜帶，光譜曲線平直）的地物平均值，來消除大氣輻射衰減和儀器的零響應；White模型是根據整幅圖像的平均光譜曲線平均值對圖像歸一化處理，然後計算每個像元光譜曲線與平均光譜曲線的比值，也就是地物光譜特性；LRC模型是經Lyon和Lanze修正後，對太陽輻射衰減、大氣效應及地形影響都有所消除。Green和Graige提出的對數剩餘糾正公式如下：

lg（R_ij）=lg（DN_ij）-lg（aveDN_i）+lg（DN_i）+lg（DN_g）（2-3-1）

這里R_ij是第i波段、第j個像元的剩餘值；DN_ij是第i波段、第j個像元的亮度值；DN_i是第i波段所有像元數據的平均值；DN_j是第j像元在所有波段上數據的均值；DN_g是所有波段及所有像元的均值。該方法完全基於圖像本身特徵，不需要野外地物光譜測量。在前兩種模型中，FFR模型優於IARR模型，它克服了IARR模型因受像福強吸收特徵的影響而出現的假反射峰的弱點，而且計算量較小。

2.3.2.1.3 經驗線性回歸模型

利用該方法重建地物光譜技術實質就是通過開展典型地物的同步反射率觀測，根據成像光譜數據DN值與地面實測地物反射率值，經最小二乘法求出回歸方程R_ij=A_j·DN_ij+B_j（這里A_j，B_j是感測器第j波段的線性回歸系數），然後，根據此方程反演地物的反射光譜。這種模型的數學和物理意義明確，方法簡便，運算量少，應用廣泛（Roberts et al.，1985；Conel et al.，1988；Elvidge，1988；Green et al.，1988；Kruse et al.，1990；Zamoudio and Atkinson 1990）。例如：美國JPL的Abrams利用該模型在美國Nevada州的Cuprite礦區進行礦物學填圖；美國科羅拉多大學的Zamudio等人，利用該模型在美國 Nevada 州東部進行礦物識別和岩相分析；日本Pasco公司的Mochizuki，利用該模型在美國Navada州進行蝕變礦物的反射光譜研究等。該模型的不足之處是要開展野外地物光譜觀測，成本比較高，回歸精度的高低依賴於對野外概實測的精度。

除上述這些典型光譜重建模型之外，還有 UA RT Code，JPL Code，連續內插波段比演算法（CIBR），背景法等模型（De Jong，1998）。

2.3.2.2 岩礦光譜特徵的量化、提取，定量分析及識別模型

成像光譜數據經過光譜重建模型處理後，獲得了地物的光譜特徵譜線。不同地物光譜具有不同的診斷特徵譜帶，如吸收譜帶，特徵譜線的微積分變化，波形變化等等。如何有效地開展地物特徵定量分析和識別地物，首先要弄清楚如何去量化及提取地物的光譜特徵。因此，開展基於地物特徵譜的量化提取是十分必要的。

2.3.2.2.1 地物光譜特徵度量、提取與匹配識別模型

（1）就地物光譜特徵（這里指地物反射輻射光譜）而言，不外乎兩大類型：吸收譜帶（或反射谷）和光譜曲線的斜率變化（含波形變化）。針對這兩類光譜特徵的形態、結構，分別採取不同的度量方式。目前，對吸收譜帶的分析度量方法是外殼系數法，它通過把光譜曲線歸一化後去測量吸收譜帶的波長位置（position）、吸收深度（depth）、吸收寬度（FWHM）和對稱性（sym⁃metry）（Lyon et al.，1985；F.A.Kruse，A.B.Lefkoff，1993）。這種外殼系數法可以由外殼凸形曲線與光譜之比來表示，也可以由外殼值去減相應波長上的光譜反射率值來求得。由於吸收峰的非對稱性，採用RBD方法難以准確描述其特徵。連續插值小組段演算法（CIBR，Continuun interpolated band algorithm）（De Jong，1998）和光譜吸收指數圖像（SAI，spectral absorption index image）（王晉年等，1996）與相對吸收深度圖方法類似，但引入了對稱度因子，使其對吸收特徵的描述更為合理。除了這些測量參數外，對植被光譜有多種度量參量，如植被、綠度指數等等。對於光譜曲線斜率變化的特徵，表徵和提取的方法有基於地物光譜的總體波形特徵度量，如傅里葉變換的波形分析方法是利用有限級次的諧波振幅和初位相度量地物波譜特徵；基於切比雪夫多項函數的波形分析是利用多項式函數對地物光譜曲線進行擬合，提取有限項的系數來表示或組合特徵，或用其比值來表示地物光譜波形特徵的參量；基於波形相似性（總體或分段）分析的光譜角度量；還有光譜曲線特徵的微分度量、積分度量及二值度量等等。當然，對吸收譜帶及斜率特徵度量還可以用統計特徵量去表徵度量，如均值、方差、協方差矩陣、特徵值、特徵向量、特徵因子及組內離差等。

（2）光譜匹配識別模型不同於多光譜的模式識別，它是根據光譜特徵度量參數來進行匹配識別的，是成像光譜數據處理分析的特色之一。這種特色模型在處理過程中往往是採用可視化的互動式的圖像與光譜、光譜與標准光譜形式進行的。目前，光譜匹配識別模型有：編碼匹配識別法（均值編碼匹配法，坡向編碼匹配法，比值編碼匹配法L吸收峰編碼匹配法、波形匹配法和光譜角匹配法等等。在這些匹配識別模型中，編碼匹配基本上都是按二值（0和1）進行編碼、匹配與識別的；吸收特徵編碼匹配是根據外殼系數法歸一化後，對每個特徵的吸收深度與波長位置進行編碼；波形匹配包括相似度、傅里葉變換參量，切比雪夫等方法。近幾年發展起來的小波變換分析在成像光譜數據分析處理中應用相當多，尤其是對原始信號按不同小波尺度，分解成不同的小波進行波形分析，突出低頻弱信息，有利於信息增強，比如用小波變換進行圖形圖像插值、融合及混合像元分解等。

2.3.2.2.2 成像光譜數據的定量分析及識別模型

定量化分析及識別模型化是當今遙感技術的發展方向之一，應用於成像光譜數據處理。定量化分析與識別模型，除了不斷完善和改進已有基於統計分析的定量化及識別模型（如：改進的主成分分析、最佳波段組合、改模型最大似然法、基於決策邊界特徵矩陣的變換和正交子空間投影），其他學科的新思想、新方法也在不斷地引人遙感數據分析和理解之中，如人工智慧的專家系統，模糊邏輯映射，證據推理、神經網路、分形和分維等。

人工智慧專家系統技術是目前比較流行的信息處理技術，尤其對比較復雜問題的解決有獨到之處，Gotting和Lyon在1986年就已建立的光譜信息專家識別系統用於分析實驗室和野外光譜，它是結合已有的地物光譜特徵知識，由專家確定判別規則決策樹（Decision Tree）以達到識別地物或地物類別目的。決策樹這一基於知識的判別准則層次是建立專家系統成敗的關鍵。通過這個系統進行編碼匹配，他們成功地從大量的實驗室光譜中識別出11種礦物。1993年，美國地球空間研究中心（CSES）和美國環境科學研究所的F.A.Kruse和A.B.Lefkoff研製了基於知識的成像光譜地質制圖專家系統。選定各種特徵在識別過程中的作用並賦予相應的權值，或根據專家對判別知識和經驗建立判別准則進行識別。

目前，神經網路模型在遙感地物分析和識別方面備受青睞，有著廣泛的應用（Golen Giser，1996；Giles，M.F.et al.，1995；郭小方，1998；王潤生等，2000）。由於神經網路分類規則對訓練樣本的數量及分布特徵沒有特定要求，因而可以在特徵空間形成非線性判別邊界，並且還有一定的抗雜訊、抗干擾和自適應能力，適用於大數據量的分類研究，最為常用的分類准則是後向傳播（BP）網路模型。

目前，從成像光譜遙感數據分析與識別的各種新理論、新方法的引入來看，大多數模型的研究和應用還是一種嘗試，在如何將模型與成像光譜數據相結合的研究方面，分析不夠深入。

2.3.2.3 混合像元分解模型

由於空間解析度不高的原因，在圖像像元內會出現不同成分（end member）的地物，即混合像元。不同的地物具有不同光譜特徵，因此需要通過混合光譜分解技術來提高識別精度。混合像元問題是遙感技術的研究難點和熱點。由於成像光譜技術的光譜解析度已從微米（μm）提高到納米級（nm），因此，其混合像元分析、分解及其模型研究就顯得更為重要。

目前，開展高光譜遙感混合像元研究的方法技術，首先從實驗著手，進行地物混合光譜的測試、分析、數字模擬、分解模型開發研究，然後將其外推到遙感圖像上，進行典型地物混合像元分析，主要包括空-地同步觀測獲取典型地物（或可通過人工布標）數據，經模型分析後，對混合像元的地物進行分解，或混合光譜模擬合成。在實驗室里，通過對不同礦物光譜混合含量測試發現，不透明礦物或暗色礦物，其光譜按比例混合到其他礦物中，混合的反射率急劇下降，而不是逐漸下降，說明其混合光譜與其混合的端員礦物光譜是非線性關系（磁鐵礦和橄欖石）。當兩種礦物的色調相近時，實驗測試的混合光譜與線性模型合成的混合光譜都呈線性逐漸變化，說明混合光譜可以按線性模型分解端員礦物光譜，如橄欖石和紫蘇輝石，且吸收譜帶的波長位置也是逐漸從一個波長位置逐漸過渡到另一波長位置。不僅如此，還發現在可見光、近紅外這一波長上，低成分端員混合時呈線性趨勢，當成分增加時，線性關系劇烈變成非線性關系。在這三種情況中，第一種非線性關系是由於組合混合光譜的端員成分之間互相作用、互相影響後光譜被光譜儀檢測到；第二種線性關系是由於各端員成分之間無互相影響作用，各自獨立地反射電磁波能量貢獻於混合光譜；第三種情況是兩種關系都存在，二者之間存在臨界條件（邊界條件）。目前，有關此方面的研究極少。根據這些分析，混合像元分解模型大體分為線性模型和非線性模型。在遙感混合像元中，絕大多數反射率相似的地物，可以用線性模型來分解端員成分，如：土壤與植被、不同含水量的耕地、岩石露頭與草地、荒地等等。在一幅圖像中，事先知道有N種端員（地物種類），並且也知道各種端員的光譜反射率，那麼就可以用線性模型：

成像光譜岩礦識別方法技術研究和影響因素分析

這里DN_c是波段C上混合像元的DN值或反射率；F_i是第i種端員在混合像元中所佔比例（或權系數）；DN_i，c是C波段上第i種端員的DN值（或反射率）；E_c是C波段上擬合誤差。對每個像元都按照最小二乘法解方程，進行分解。在圖像中，端員的DN值（或反射率值）要麼可以從訓練區取值，要麼在地面實測。端員成分的確定過程實質上是一個迭代過程，迭代結果使M個波段上總誤差ε最小（且N≤M）。

成像光譜岩礦識別方法技術研究和影響因素分析

求得版中各種端員成分之後，就可以定量或半定量地對端員豐度製作豐度等專題圖件。

用非線性模型開展混合像元分解不多見，但已有這方面的研究，如模糊分割模型（Jin Ⅱkim，1996），概率鵬模型，幾何光學模型（Charles Ichoku，1996）及基於神經網路模型的混合像元分解（王喜鵬，張養貞等，1998）等等。

目前開發的模型有：

——光譜吸收指數模型SAI（王晉年，童慶禧等，1996）：

SAI=∑f_iSAI_i，∑f_i=1，f_i＞0 （2-3-4）

——高斯模型法MGM：該模型是基於礦物和岩石的反射、吸收光譜性質模擬反射光譜的各種模擬方法。它是一種確定性的而不是統計性的方法。高斯改進模型MGM 是近幾年在分析反射光譜的基礎上發展起來的分析技術（Cloutis，1989，Veverka，J.et al.，2000）。

m（x）=S*exp（-（xⁿ-μⁿ）²/2σ²）， （2-3-5）

通常取n=-1。

光譜識別與分類技術（Spectral Classification）：主要是利用地物高光譜特徵的量化參數，結合其在圖像空間上分布進行提取有利的信息，達到分類的目的。主要的分類方法有：

——最大似然法MLC：

g（x）=-ln｜∑_i｜+（x-m_i）t∑_i-1（x-m_i），（2-3-6）

——人工神經網路技術ANN：一般採用前饋網路模型，即第一隱層的節點輸入等於輸入層諸節點輸出的加權和。迭代的次數以系統的平均誤差為最小時為准。

成像光譜岩礦識別方法技術研究和影響因素分析

——光譜角制圖法SAM（Spectral Angle Mapper）：該方法是通過計算測試樣本光譜矢量（像元光譜）與參考光譜矢量（訓練的端員樣品光譜，或標准光譜庫的光譜），在n維空間（n波段）上的角度來確定它們兩者的相似度。一般兩矢量之間的角度越小，兩光譜向量越相似，進而可識別兩種地物為同類，否則視為異類。數學模型是：

成像光譜岩礦識別方法技術研究和影響因素分析

這里i=1，2，3，……，n，n為波段數。

——光譜維特徵提取法（Spectral Dimension Feature Extraction）：在高光譜遙感分類中，使用該方法對多波段、高相關、數據冗餘度高的數據進行降維處理。相關的有統計方法，如主成分、典型變數及改進的PCA法等。

——光學模型（Optical Modeling）：除了前述的數據分析及模型外，植被因其特有反射性質，還有獨特分析模型（光學模型）。該模型主要利用高光譜遙感數據預測或估計植被的多種生物物理、化學參量，如葉面指數LAI、總生物量、覆蓋度等；葉綠素、水分、N、P、K含量等。該模型也屬於經驗性的統計模型方法。一般性通用模型為：

S=f（λ；θs，Φs；θv，Φv；С）， （2-3-9）

這里S為預測的生物物理、化學參數；λ是波長；θs，Φs，θv，Φv是入射光和感測器探測幾何位置參數，C是描述植被冠層為特性參數。依靠法的模型有葉子光學性質光譜模型PROSPECT，葉子的任意斜散射模型SAIL，即生化參量反演的LIBERTY模型等。

高光譜在植被應用中除了生物、化學參量的反演分析外，還注重利用植被光譜特性譜線的藍邊、反射峰、黃邊、紅光吸收谷、紅邊、近紅外反射高原區等變化及數據的歸一化、對數、微分等變換，來監測植被的長勢及病蟲害，進行森林識別、分類、制圖（Clark，R.N.，Roush.T.L.，1984）。

2.3.2.4 光譜數據應用處理分析軟體

通過開展岩礦高光譜特性測試分析和成像光譜方法技術及應用分析研究，已發展並開發了如下數據處與分析軟體：

2.3.2.4.1 光譜資料庫及分析軟體（400～2500φ）

國外：美國地質調查所USGS和JPL的標准礦物光譜庫（含機載光譜）及光譜分析管理軟體SPAM，IRIS，日本地調所的岩石礦物光譜庫等（http://speclib.jpl.nasa.gov；http://speclab.cr.usgs.gov；Kruse F A et al.1993）。

國內：中國科學院安徽光學研究所、中國科學院遙感應用研究所、原地質礦產部航空物探遙感中心等科研單位都已建自己的光譜庫（王潤生等，2000）。

2.3.2.4.2 圖像處理分析軟體

目前國內外常用的光譜圖像處理分析軟體有：Erdas、PCI、ENVI等。其中PCI和ENVI都有高光譜分析處理功能（ENVI User』s Guide.，2000）。此外，還有像Tetricorder（Clark，R.N.，G.A.Swayze，K.E.Livo，2003）。國內通過高光譜遙感方法技術及示範應用研究，中國科學院遙感應用研究所、國土資源部航空物探遙感中心相繼建立了成像光譜數據分析處理系統，如：HIPAS，ISDPS等。

E. 光譜儀基本測試操作

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光譜儀 操作方法
光譜儀操作方法
共享文檔 2018-01-26 2頁
光譜儀操作方法

1、 首先打開氬氣瓶閥門，再把壓力表調壓閥調至壓力大約為0.5pa；

2、 打開儀器電源開關，此時會顯示「3.5EO」，只要是後邊位數顯示「0」都可以，證明真空已抽完，否則要抽真空一會；

3、 待確認顯示「0」後，按下綠色電源按鈕，一個是「檢測」、一個是「光源」。（關機時與上述相反）；

4、 打開電腦桌面「光譜儀分析程序」，點選「合金鋼」後按確認；

5、 選用一個沒用的樣品放入儀器火花口，點選電腦光譜分析程序裡面的「測量」菜單選項；

6、 然後點光譜分析程序中的「顯示選擇」點選「強度」，如：出現60000（6萬）左右數值代表樣品已激發；（註：按「測量」菜單看FeR，FeR（鐵）一般接近80000（8萬）強度值）；

7、 待確認試樣已激發後，關閉退出「光譜儀分析程序」軟體；

8、 然後，打開電腦桌面中的「光譜儀描跡」程序軟體，點擊「條件設置」、再點擊「讀電機位置」，此時會顯示「4460」位置，在對話框中設置起始位置數減去150的值輸入到起始位置中;

9、 按「復位到原點」選確認，把樣品T10放入儀器火花口，按「開始」選項，待激發完成後方可選通道6；（剛開始預定電機的起始點4500，終止點4800（直接輸入）；

10、 對照軟體屏幕顯示出的波形圖，看最高點數值，比如：4600話，再從新選擇「條件設置」選項，然後再選「復位到原點選項（4600）」再點選「指定的起始位置」，再點選「讀電機位置」選項；此時，看彈出的顯示值是否一致，一致後點「OK」退出，關閉「描跡軟體」；

11、 從新打開「光譜儀分析程序」點「標准化」菜單，此時，系統默認「C25」按「是」確認；

12、 然後放入「C25」試樣到儀器火花口，點選軟體中的「測量」菜單，待測量完成後，從新拿出試樣換一個點位放好做第2次的「測量」（因一個試樣至少測2個點位）註：進行第2次測量不需要設置，直接按「測量」完成；

13、 當完成第2次測量後，點「平均+偏差」菜單選項，此時，電腦屏幕會彈出一系列數據表，查看「RSD」一行中的測量值看是否＜3，＜3以下方可，否則需從測；

14、 如出現某一元素＞3時，應從新放入剛才試樣，按軟體中「測量」選項，此時，會顯示3次的測量數據，挑選一個相差大的一組刪除，保留2組（次）數據即可；註：刪除是游標放入某一組中，按下鍵盤「Dele」鍵刪除；

15、 此時，再次從新點「平均+偏差」看RSD一行數據是否＜3；

16、 待確認＜3後，點「下一個試樣」，電腦屏幕下方會顯示「T10」，此時，應放入T10試樣到火花口；

17、 重復上述步驟打2個點，再按「平均+偏差」菜單完成後點「下一個試樣」確認、接受，標准化完成；

18、 點菜單中的「類型標准化」然後選「410」或「Q345任一選項，再根據所選的選項對應放入試樣到儀器火花口打點、激發，（也是要打2個點）；

19、 然後用我司購置的標准樣「測量」一次，然後看測出的數據與樣品盒貼的標准值偏差，當接近時證明OK！

20、 刪除剛才預測的數據，把客戶樣品打磨進行真正的送檢樣品測試分析了；

F. 光譜分析儀的使用方法

使用方法：開機步驟

1、開光譜儀電源

2、開計算機電源

3、在文件管理器中用滑鼠指按UV WinLab圖標，此時出現UV WinLab的應用窗口，儀器已准備好，可選用適當方法進行分析操作。

一、方法：在分析中必須對分光光度計設定一些必要的參數，這些參數的組合就形成一個「方法」。Lambda系列UV WinLab軟體預設四類常用方法。

1）掃描（SCAN），用以進行光譜掃描。

2）時間驅動（TIME DRIVER），用以觀察一定時間內某種特定波長處縱坐標值的變化，如酶動力學。

3）波長編程（WP）用以在多個波長下測定樣品在一定時間內的縱坐標值變化，並可以計算這些縱坐標值的差或比值。

4）濃度（CONC）用以建立標准曲線並測定濃度。

2.1 進入所需方法，在方法窗口中選擇所需方法的文件名。

二、方法的設定

掃描、波長編程及時間驅動各項方法可根據顯示的參數表，逐項按需要選用或填入，並可參考提示。

濃度

濃度方法窗口下方標簽較多，說明做濃度測定時需要參數較多。用滑鼠指按每一標簽，可翻出下頁，其上有一些需要測定的參數。必須逐頁設定。

三、工具條

1）SETUP

當所需的各項參數都已在參數中設好後，必須用滑鼠指按SETUP，才能將儀器調整到所設狀態。

2）AUTOZERO 用滑鼠指按此鍵，分光光度計即進行調零（在光譜掃描中則進行基線校正）。

3）START 用滑鼠指按此鍵，光度計即開始運行所設定的方法。

四、方法運行

1）掃描，時間驅動，波長編程方法選好後，先放入參比溶液，按AUTOZERO鍵，進行自自動校零或背景校正結束後再放入樣品，按START，分光光度計即開始進行，同時屏幕上出現圖形窗口，將結果顯示出來。

2）濃度

3）制訂標准曲線

（1）方法選好後，確認各項數據正確，特別是REFS頁中第一行要選中右上角的「edit mode」。再放入參比溶液，按AUTOZERO鍵自動校零或背景校正。

（2）按setup，待該圖標消失後，再按「start」，按提示依次放入標准色列的各管溶液，每次都按提示進行操作。

（3）標准色列測定完畢後，屏幕上出現calibgraphwindow，顯示擬合的標准線，並標出各項標准管的位置，屏幕下方還有一條ConcentraTIon mode的對話框，可以用來修改擬合的曲線類型（按 change calbraTIon），或修改標准溶液的任何一管（replace），或取消某一管（delete），或增加標准溶液管數（add）。如過已經滿意，則按analyse sample鍵，進入樣品測定窗口。

（4）標准曲線有關的各項數據，均在calibresultwindow中，可用滑鼠將其調出觀察。其中包括每個標准溶液的具體數據，標准曲線的回程方程式，相關系數，殘差。

五、樣品濃度測定

剛制定好的標准曲線接著進行樣品濃度測定時

1）只需在concentraTIon mode對話框按analyse sample鍵，進入樣品測定窗口。

2 ）按設定的樣品順序放入各樣品管，每次按提示進行操作。

3 ）屏幕上出現結果窗口，結果數據將依次顯示在樣品表中的相應位置。

（1）利用原有的標准曲線接著進行樣品濃度測定時

（2）調出所測定樣品的濃度方法文件，首先調出refs頁，將原設edit mode選項取消，改設左上角的using exiting calibration。重新將方法存檔，則今後再調用時即不需再作修改。

（3） 在sample頁中按要求重設各種樣品名稱機樣品信息。

（4）按工具條中setup鍵，將主機設到該方法所設定的條件。

（5）將參比溶液放入比色室，按autozero鍵做背景校零。

（6） 按start鍵，按設定的樣品順序放入各樣品管，每次按提示進行操作。

（7） 屏幕上出現結果窗口，結果數據將依次顯示在樣品表中相應位置。

六、關機

1）將方法及數據存檔

2）關閉方法窗

3）退出UV WinLab

4） 取出樣品及參比溶液

5）清潔光譜儀，特別是樣品室

6）關閉光譜電源

7）關閉計算機電源
根據現代光譜儀器的工作原理,光譜儀可以分為兩大類:經典光譜儀和新型光譜儀。經典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器：新型光譜儀器是建立在調制原理上的儀器.經典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調制光譜儀是非空間分光的，它採用圓孔進光根據色散組件的分光原理,光譜儀器可分為:棱鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀.光學多道OMA(Optical Multi-channel Analyzer)是近十幾年出現的採用光子探測器(CCD)和計算機控制的新型光譜分析儀器,它集信息採集，處理，存儲諸功能於一體。由於OMA不再使用感光乳膠,避免和省去了暗室處理以及之後的一系列繁瑣處理，測量工作，使傳統的光譜技術發生了根本的改變,大大改善了工作條件，提高了工作效率：使用OMA分析光譜，測盆准確迅速，方便，且靈敏度高，響應時間快，光譜解析度高，測量結果可立即從顯示屏上讀出或由列印機，繪圖儀輸出.目前,它己被廣泛使用於幾乎所有的光譜測量，分析及研究工作中,特別適應於對微弱信號，瞬變信號的檢測。
光譜分析儀的分析原理是將光源輻射出的待測元素的特徵光譜通過樣品的蒸汽中待測元素的基態原子所吸收，由發射光譜被減弱的程度，進而求得樣品中待測元素的含量，它符合郎珀-比爾定律 A= -lg I/I o= -LgT = KCL 式中I為透射光強度，I0為發射光強度，T為透射比，L為光通過原子化器光程由於L是不變值所以A=KC。

物理原理

任何元素的原子都是由原子核和繞核運動的電子組成的，原子核外電子按其能量的高低分層分布而形成不同的能級，因此，一個原子核可以具有多種能級狀態。

能量最低的能級狀態稱為基態能級（E0=0），其餘能級稱為激發態能級，而能最低的激發態則稱為第一激發態。正常情況下，原子處於基態，核外電子在各自能量最低的軌道上運動。

如果將一定外界能量如光能提供給該基態原子，當外界光能量E恰好等於該基態原子中基態和某一較高能級之間的能級差E時，該原子將吸收這一特徵波長的光，外層電子由基態躍遷到相應的激發態，而產生原子吸收光譜。

電子躍遷到較高能級以後處於激發態，但激發態電子是不穩定的，大約經過10^-8秒以後，激發態電子將返回基態或其它較低能級，並將電子躍遷時所吸收的能量以光的形式釋放出去，這個過程稱原子發射光譜。可見原子吸收光譜過程吸收輻射能量，而原子發射光譜過程則釋放輻射能量。

G. 光譜化學分析的技術原理

發射光譜化學分析是利用各物質的特徵發射光譜以確定其化學成分及含量，分為原子發射光譜分析和分子發射光譜分析。原子發射光譜法是利用原子（或離子）發射的特徵光譜來研究物質化學組成的分析方法。原子熒光光譜法、X射線熒光光譜分析和火焰光度法也屬於原子的發射光譜法。火焰光度法是以化學火焰作為激發光源的原子發射光譜法。一些易激發的元素如鹼金屬、鹼土金屬在火焰中被激發而發射出特定波長的光譜，其譜線強度與各物質的含量成正比。
分子發射光譜是物質分子受到激發而發射的光譜。分光熒光光譜法和分子磷光光譜法、化學發光分析法、分子發射腔分析法等都是基於分子發射光譜的分析方法。
吸收光譜化學分析是利用各種物質的特徵吸收光譜以確定其結構和化學成分。包括原子吸收光譜分析和分子吸收光譜分析。屬於分子吸收光譜分析法的有比色法、紫外-可見分光光度法、紅外光譜法和光聲吸收光譜法。光聲吸收光譜法簡稱光聲光譜法，被測定物質分子吸收了光能被激發到高能態，激發態分子在10-8秒或更短的時間內通過非輻射去活化方式，將所吸收的光能轉變為熱能，後者為封閉於系統內的填充氣體所吸收並將熱能轉變為氣體分子的動能，在系統內產生周期性的壓力波動，用靈敏的微音檢測器或壓電陶瓷傳聲器檢測，得到聲信號，經放大後作為入射光波長的函數記錄下來，使得到光聲光譜。特徵吸收峰可用於定性。信號強度與被測物質含量成正比，因此可進行定量分析。其靈敏度比普通光度法高二到三個數量級。

H. 光譜儀器用於定性分析的幾種方法

資料介紹光譜儀器的定性分析是指：由於各種元素的原子結構不同，在光源的作用下都可以產生自己特徵的光譜。如果一個樣品經過激發攝譜在感光板上有幾種元素的譜線出現，就證明該樣品中有這幾種元素。這樣的分析方法就叫做光譜定性分析方法。光譜儀器用於定性分析方法有以下幾種：1.比較光譜分析法：這種方法應用比較廣泛，它包括標准試樣比較法和鐵譜比較法。標准樣品比較法一般適用於單項定性分析及有限分析。鐵譜比較法它不但可以做單項測定還便於做全分析。2.譜線波長測量法：光譜分析儀器利用譜線波長測量法進行定性分析是先測出某一譜線的波長，再查表確定存在的元素，這種方法在日常分析中很少使用，一般只是在編制譜圖或者做仲裁分析時才用。
一般來講光譜分析儀器定性分析可以分析元素周期表上的70幾個元素，但由於受到儀器和光源條件的限制有些元素如非金屬及鹵族元素等則需要在特殊的條件下才能測定。光譜儀器定性分析的樣品可以是多種多樣的，所以光譜定性採用的方法各不相同，對於易導電的金屬試樣可以將試樣本身作為電極直接用直流電孤或交流電孤光源分析。有時為了不損壞試樣也可以採用火花和激光顯微光源分析。對於有機物一般先進行化學處理，使之轉化成溶液用溶液殘渣法測定，也可以灼燒、灰化將試樣處理成均勻的粉末裝在碳電極孔中用直流電孤或交流電孤光源分析測定。光譜儀器定性分析的特點是方法簡單、速度快、需要樣品量少並且任何形式的樣品都可以分析。對於大部份元素都有比較高的靈敏度。光譜定性分析可以分析試樣中一個或幾個指定元素，也可以全分析試樣中所有可能存在的元素。根據靈敏線的強弱來判斷它們在試樣中的大致含量。光譜定性分析只能給出試樣中存在元素、的粗略含量范圍，如大量、少量，還是微量。要想得到元素的正確含量就必須做光譜定量分析。

I. 什麼是光譜檢測

光譜檢測就是根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成和相對含量。

光譜檢測其優點是靈敏，迅速。歷史上曾通過光譜分析發現了許多新元素，如銣，銫，氦等。根據分析原理光譜分析可分為發射光譜分析與吸收光譜分析二種；

根據被測成分的形態可分為原子光譜分析與分子光譜分析。光譜檢測的被測成分是原子的稱為原子光譜，被測成分是分子的則稱為分子光譜。

(9)走近光譜的最佳方法擴展閱讀：

介紹

由於每種原子都有自己的特徵譜線，因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成。這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時，可以利用發射光譜，也可以利用吸收光譜。

這種方法的優點是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質中的含量達10^-10(10的負10次方)克，就可以從光譜中發現它的特徵譜線，因而能夠把它檢查出來。光譜分析在科學技術中有廣泛的應用。

例如，在檢查半導體材料硅和鍺是不是達到了高純度的要求時，就要用到光譜分析．在歷史上，光譜分析還幫助人們發現了許多新元素。例如，銣和銫就是從光譜中看到了以前所不知道的特徵譜線而被發現的。光譜分析對於研究天體的化學組成也很有用。

十九世紀初，在研究太陽光譜時，發現它的連續光譜中有許多暗線。最初不知道這些暗線是怎樣形成的，後來人們了解了吸收光譜的成因，才知道這是太陽內部發出的強光經過溫度比較低的太陽大氣層時產生的吸收光譜。

仔細分析這些暗線，把它跟各種原子的特徵譜線對照，人們就知道了太陽大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、硅、鈣、鈉等幾十種元素。