走近光谱的最佳方法

A. 怎么样区分光谱的远近

这个问题很简单 简单的说就是传播的越远的光的光谱越长 穿透力越强 红色就是光谱最长 穿透力最强的光

B. 三种常用的光谱分析方法

三种常用的光谱分析方法如下：

光谱分析法指的是物质的一类分析方法，主要有原子发射光谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法等。

其在饲料加工分烂睁析领域应用相当广泛，特别是在测定饲料中的铅、铁、铅、铜、锌等离子的含量中的应用。荧光分析也是近年来发展迅速的痕量分析方法，该方法操作简单、快速、灵敏度高、精密度和准确度好，并且线形范围宽，检出限低。

C. 光谱定性分析

由于各种元素原子结构的不同，在光源的激发作用下，都可以产生特征的光谱，其波长是由每个元素的原子性质所决定的。如果某个样品经过激发、摄谱，在谱片上有几种元素的谱线出现，就证明该样品中含有这几种元素。这样的分析方法，就称为光谱定性分析。

试样中所含元素只要达到一定的含量，都可以有其特征谱线被摄谱记录在感光板上。摄谱法操作简单、耗费很低、快速，在几小时内可以将含有数十种元素的多个样品定性检出，是目前进行元素定性分析的最好方法。

7.3.2.1 元素的光谱分析灵敏度

光谱分析的灵敏度，有绝对灵敏度与相对灵敏度两种表示方法。所谓绝对灵敏度，就是能检出某元素所需要的该元素的最少的质量；相对灵敏度则表示能检出的某元素在样品中最小的质量分数。

不同元素的光谱分析绝对灵敏度与相对灵敏度与下列因素有关:

1)分析元素是否易于激发，其辐射的光谱有没有足够的强度。

2)元素的电离电位的大小。一般来说，电离电位大的元素，其分析灵敏度低；而电离电位小的元素，其分析灵敏度高。

3)光谱定性分析方法、所用摄谱仪、光源、样品引入分析间隙的方法及其他实验条件等因素对分析灵敏度都有一定的影响。

光谱定性分析中必须注意的是，在某个样品的光谱中没有某种元素的谱线，并不表示在此样品中该元素绝对不存在，而仅仅表示该元素的含量低于检测方法的灵敏度。要确定某一元素在样品中是否存在，必须在该样品的光谱中辨认出其分析线，而谱线能被辨认出的前提是谱线加背景的总强度在一定程度上要超过背景的强度。

背景的来源主要是光学仪器内部的散射光、样品或碳的颗粒在高温下发射的连续光谱及分子光谱。背景太大，使谱线难以辨认；背景太小，甚至没有背景，含量低的元素的谱线又不出现。所以，在光谱定性分析中应当保持足够的曝光量，使背景刚刚出现为最好。

应用光谱方法，在理论上能对所有元素进行定性分析，但实际上应用直流电弧作为激发光源，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。

用交流电弧及高压电火花也可进行以上元素的光谱定性分析。

7.3.2.2 摄谱前的准备

(1)电极

光谱分析金属或合金样品时，常以样品本身作为电极，对于粉末或溶液状态的样品，经常用碳或石墨棒作为电极。进行光谱定性分析，最方便的就是使用石墨电极小孔法。

在光谱分析工作中经常使用光谱纯石墨电极。在进行光谱定性工作以前，对于不同来源的石墨电极中残存有哪些杂质，应先进行光谱定性检查。

(2)摄谱仪的选择

定性分析选用的摄谱仪，最理想的情况是样品中所有需要分析元素的分析线都能在一张谱片上出现。当然还要求摄谱仪有足够的分辨率，使相邻的谱线也能够分开。如果样品中含有元素较多，所摄光谱十分复杂，就要选用色散率足够大的大型摄谱仪。但是，大型摄谱仪的主要缺点是一次摄谱只能摄取较小的波长范围，一个样品必须摄谱多次，方能包括分析所需的全部波长范围。如果样品成分很简单，也可用较小色散率的仪器。

(3)光源的选择

在光谱定性分析工作中，最常用的是直流电弧光源，采用阳极激发，可以激发约70种元素，且灵敏度高。

用石墨电极小孔法进行定性分析，直流电弧在燃烧时，每个元素都将从电极孔穴中按顺序蒸发到弧焰中去，这种现象叫元素的选择激发或分馏。虽然这种现象在其他激发光源中也存在，但在直流电弧的阳极激发中更为明显。定性分析中恰好可以利用直流电弧这一特点，将易挥发元素和难挥发元素在燃弧的不同时间曝光而分别摄谱，避免互相干扰，以便于检测。

为了降低背景、获得最大的灵敏度，应注意在使用石墨电极小孔法进行定性分析时，电弧电流愈大，产生氰带愈强烈，背景愈大；同时，如石墨电极直径愈大，电极壁愈厚，以及样品中混合石墨粉较多时，则在燃弧过程中消耗碳较多，从而引起背景值增大。

7.3.2.3 定性分析中的注意事项

光谱定性分析，要求能够正确地确定被分析样品中含有哪些元素，因此在操作中必须严加注意，应避免样品被污染或由于喷溅而损失。

(1)必须严格防止样品被污染

在定性分析过程中，必须特别仔细，避免将其他元素引入弧焰。因此，必须保持清洁的实验室环境，每步操作都要非常小心(如称样、装电极等)。在更换电极时，应先更换上电极，再更换下电极，以防止互相污染。已经使用过的电极，不宜重复使用。必须加入的石墨粉或其他试剂等，其纯度需满足一定的要求。

(2)注意避免样品喷溅造成的损失

在摄谱过程中，往往由于样品的喷溅，致使摄取的光谱中的谱线黑度大大降低，甚至使灵敏度不能满足低含量元素的要求，从而获得错误的分析结果。

1)当样品潮湿或含有易挥发的有机物时，装在电极小孔中虽经压紧，但由于电极夹本身的热传导作用，有时粉末状样品仍会形成一圆柱体，高出电极孔。但只要将电极轻轻振动，使其恢复原状，这时再燃弧，即可避免样品的损失。

2)一般铁矿石在燃弧后容易形成三氧化二铁细小颗粒而如火星飞溅。这时应以低电流燃弧，在加大电流摄取第二条光谱时，电流不要升得太高，一般控制在7A左右为宜，并缩小电极间隙，可以减少飞溅损失。用石墨粉与样品1∶1 稀释，亦可防止飞溅现象发生。有的样品在燃弧后不飞溅，但却成为一个大熔珠暴露在电极孔上，并且急剧旋转，这时应加大电流至15 A以上，使熔珠沾在电极上，避免其滚落下来造成损失。

3)当样品中含有大量铝或钙的氧化物时，在燃弧过程中会形成柱状白色固体，挥发很慢，当电极壁已烧光时，样品仍成柱状存在，很容易掉下来。发现这种情况，应及早加大电流，使两个电极迅速靠近，几乎接触，使白色物熔融，促使样品尽快蒸发，或在电极壁烧光前切断电流，将白色物移至新电极上继续摄谱，可以避免损失。

7.3.2.4 谱线和识谱

(1)元素的灵敏线、最后线和分析线

原子发射光谱是原子结构的反映，结构越复杂，光谱也越复杂，谱线就越多。即使是最简单元素(如氢)，其原子谱线也不少；对于过渡元素、稀土元素，光谱就更复杂，可以有上千条谱线。同一元素的这些谱线，由于激发能、跃迁概率等各方面的原因，其强度也是不同的，即灵敏度也是不一样的。在进行定性分析时，不可能也不需要对某一元素的所有谱线进行鉴别，而只需检测出几条合适的谱线就可以了。一般说来，若要确定试样中某元素的存在，只需找出该元素两条以上的灵敏线或最后线即可。元素的灵敏线一般是指一些激发电位低、强度大的谱线，多是共振线。元素谱线的强度随其含量的降低而减弱，当样品中元素的含量逐渐减少时，一些较不灵敏的谱线必然因灵敏度不够而逐渐消失，当元素含量减至很小，最后仍然观察到的少数几条谱线，称为元素的最后线。最后线一般是最灵敏线。光谱定性分析就是根据灵敏线或最后线来判断元素的存在，所以它们还被称为分析线。

在《光谱线波长表》和一些化学、物理手册中，都可以查到各元素的最后线或灵敏线。在摄取的光谱中，逐条检查最后线是光谱定性分析工作的基本方法。但当某一最后线在光谱中不能找到时，应考虑两种可能，即：①样品中无此元素；②此元素含量在所用光源激发条件及摄谱条件所能达到的灵敏度以下。

(2)识谱

识谱就是观察摄取到的样品的光谱，辨认谱线的波长，从而判断样品究竟由哪些元素组成。通常利用元素的最后线进行判断。当样品中元素含量较高时，也可以利用元素的特征谱线组进行判断。

定性分析的方法主要有标准试样比较法和铁光谱比较法。

A.标准试样比较法

将欲检出元素的物质或纯化合物与未知试样在相同条件下并列摄谱于同一块感光板上。显影、定影后在映谱仪上对照检查两列光谱，以确定未知试样中某元素是否存在。此法多用于分析不常遇到的元素。

B.铁光谱比较法

此法是以铁的光谱为参比，通过比较光谱的方法检测试样的谱线(图7.7)。由于铁元素的光谱非常丰富，在210～660nm范围内有几千条谱线，谱线间相距很近、分布均匀，并且铁元素的谱线波长均已准确测定，在各个波段都有一些易于记忆的特征谱线，所以是很好的标准波长标尺。实际摄得的光谱图放大20倍后，在不同波段的铁光谱图上方，准确标绘上67种元素的主要光谱线，即构成“标准光谱图”。在实际分析时，将试样与纯铁在完全相同条件下与摄谱并列。摄得的谱片置于映谱仪上，谱片也放大20倍，再与标准光谱图比较。当两个谱图上的铁光谱完全对准重叠后，检查元素谱线，如果试样中的某谱线也与标准谱图中标绘的某元素谱线对准重叠，即为该元素的谱线。铁光谱比较法可同时进行多元素的定性测定。

图7.7 元素标准光谱图

此外，定性分析的方法还有波长测量法，该法在比长仪中进行，分别测量未知波长谱线到两条已知波长谱线(一般用铁谱线)之间的距离，然后按线性比例内插法求出未知谱线的波长，再从波长表中查得该波长属于何种元素的谱线。

D. 成像光谱方法技术

一方面，高光谱分辨率的成像光谱遥感技术是对多光谱遥感技术的继承、发展和创新，因此，绝大部分多光谱遥感数据处理分析方法，仍然可用于高光谱数据；另一方面，成像光谱技术具有与多光谱技术不一样的技术特点，即高光谱分辨率、超多波段（波段＜1000，通常为100～200个左右）和甚高光谱（Ultra Spectral）分辨率（波段＞1000，主要用于探测大气化学成分）的海量数据。因此，常规多光谱数据处理方法不适合于成像光谱数据的定量分析，于是成像光谱数据处理和分析技术应运而生。在成像光谱数据处理和分析方法中，关键性的技术问题是地物光谱重建，光谱特征的量化及提取，混合像元的分解和定量分析及模型识别。

2.3.2.1 光谱重建技术

按照不同的模型及算法，从成像光谱数据中把地物的光谱特性反演出来的过程就是地物光谱重建技术。根据不同的工作情况及条件，采取不同反演模型来重建地物光谱，是实现成像光谱数据遥感定量化分析的第一步。若对其不进行反演，则没有一个统一物理量进行对比。目前，光谱反演模型大体可分为三大类型：基于大气传输理论的大气传输模型，基于统计分析的统计模型以及基于地面地物同步观测的经验回归模型。

2.3.2.1.1 基于大气传输理论的模型

该模型实质上就是用理论模型消除大气中气体分子、水蒸气、气溶胶及尘埃等分子颗粒对地反射辐射能量吸收与散射以及大气程辐射效应，并将其还原成地物的反射辐射光谱。这是一种比较复杂的同时必须进行地物光谱及大气参量测量的绝对反射率生成方法，也就是对成像光谱数据进行绝对辐射标定的再反演。在这一反演过程中，关键是建立大气传输的模型。自1960年，Chndrasekhar提出了辐射传输理论以来，相继发展了许多方法，如Ordinate方法和Variational方法等来解决辐射传输问题。目前，常见的大气传输模型有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模型是由法国Tanré等人研究开发的，是目前世界上发展比较完善的大气辐射校正模型算法之一。该算法既能合理地处理大气散射、吸收，又能产生连续光谱，避免在光谱反演中较大的定量误差。它还充分利用了分析表达式和预选大气模式，使计算时间大大缩短。许多遥感专家使用此模式进行地物光谱反演后认为，该模型较其他模型计算精度高。不足之处是必须开展试验区典型地物光谱反射率观测以及大气环境参量实测，如：大气光学厚度、温度、气压、水蒸气含量、大气分布状况等。相对来说，尽管LOWT⁃RAN 7和MODTRAN模型计算精度低一些，但它不需要地面实测典型地物的反射率。这些模型一般用于对传感器选定标定场，开展数据绝对辐射标定。

2.3.2.1.2 基于统计分析的模型

该模型的建立是在分析不同地物光谱遥感信息在不同光谱波段的传输特点基础上，利用计算机对典型地物的光谱特性进行统计分析后，得到的地物光谱特性反演模型。对成像光谱数据进行地物光谱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），内在平均相对反射率模型IARR（Internal Average Relative Reflectance）（Kruse et al.，1985；Kruse，1988；Mackin and Munday，1988；Zamoudio and Atkinson 1990），对数剩余模型LRC（Logarithm Resial Correction）（Green，R.O.etal.，1985；Gower，J.F.R.etal.，1992）。在这3种模型中，FFR模型是在图像上选取光谱和地貌特征都均匀平滑（平滑性是指地物无光谱吸收谱带，光谱曲线平直）的地物平均值，来消除大气辐射衰减和仪器的零响应；White模型是根据整幅图像的平均光谱曲线平均值对图像归一化处理，然后计算每个像元光谱曲线与平均光谱曲线的比值，也就是地物光谱特性；LRC模型是经Lyon和Lanze修正后，对太阳辐射衰减、大气效应及地形影响都有所消除。Green和Graige提出的对数剩余纠正公式如下：

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

这里R_ij是第i波段、第j个像元的剩余值；DN_ij是第i波段、第j个像元的亮度值；DN_i是第i波段所有像元数据的平均值；DN_j是第j像元在所有波段上数据的均值；DN_g是所有波段及所有像元的均值。该方法完全基于图像本身特征，不需要野外地物光谱测量。在前两种模型中，FFR模型优于IARR模型，它克服了IARR模型因受像福强吸收特征的影响而出现的假反射峰的弱点，而且计算量较小。

2.3.2.1.3 经验线性回归模型

利用该方法重建地物光谱技术实质就是通过开展典型地物的同步反射率观测，根据成像光谱数据DN值与地面实测地物反射率值，经最小二乘法求出回归方程R_ij=A_j·DN_ij+B_j（这里A_j，B_j是传感器第j波段的线性回归系数），然后，根据此方程反演地物的反射光谱。这种模型的数学和物理意义明确，方法简便，运算量少，应用广泛（Roberts et al.，1985；Conel et al.，1988；Elvidge，1988；Green et al.，1988；Kruse et al.，1990；Zamoudio and Atkinson 1990）。例如：美国JPL的Abrams利用该模型在美国Nevada州的Cuprite矿区进行矿物学填图；美国科罗拉多大学的Zamudio等人，利用该模型在美国 Nevada 州东部进行矿物识别和岩相分析；日本Pasco公司的Mochizuki，利用该模型在美国Navada州进行蚀变矿物的反射光谱研究等。该模型的不足之处是要开展野外地物光谱观测，成本比较高，回归精度的高低依赖于对野外概实测的精度。

除上述这些典型光谱重建模型之外，还有 UA RT Code，JPL Code，连续内插波段比算法（CIBR），背景法等模型（De Jong，1998）。

2.3.2.2 岩矿光谱特征的量化、提取，定量分析及识别模型

成像光谱数据经过光谱重建模型处理后，获得了地物的光谱特征谱线。不同地物光谱具有不同的诊断特征谱带，如吸收谱带，特征谱线的微积分变化，波形变化等等。如何有效地开展地物特征定量分析和识别地物，首先要弄清楚如何去量化及提取地物的光谱特征。因此，开展基于地物特征谱的量化提取是十分必要的。

2.3.2.2.1 地物光谱特征度量、提取与匹配识别模型

（1）就地物光谱特征（这里指地物反射辐射光谱）而言，不外乎两大类型：吸收谱带（或反射谷）和光谱曲线的斜率变化（含波形变化）。针对这两类光谱特征的形态、结构，分别采取不同的度量方式。目前，对吸收谱带的分析度量方法是外壳系数法，它通过把光谱曲线归一化后去测量吸收谱带的波长位置（position）、吸收深度（depth）、吸收宽度（FWHM）和对称性（sym⁃metry）（Lyon et al.，1985；F.A.Kruse，A.B.Lefkoff，1993）。这种外壳系数法可以由外壳凸形曲线与光谱之比来表示，也可以由外壳值去减相应波长上的光谱反射率值来求得。由于吸收峰的非对称性，采用RBD方法难以准确描述其特征。连续插值小组段算法（CIBR，Continuun interpolated band algorithm）（De Jong，1998）和光谱吸收指数图像（SAI，spectral absorption index image）（王晋年等，1996）与相对吸收深度图方法类似，但引入了对称度因子，使其对吸收特征的描述更为合理。除了这些测量参数外，对植被光谱有多种度量参量，如植被、绿度指数等等。对于光谱曲线斜率变化的特征，表征和提取的方法有基于地物光谱的总体波形特征度量，如傅里叶变换的波形分析方法是利用有限级次的谐波振幅和初位相度量地物波谱特征；基于切比雪夫多项函数的波形分析是利用多项式函数对地物光谱曲线进行拟合，提取有限项的系数来表示或组合特征，或用其比值来表示地物光谱波形特征的参量；基于波形相似性（总体或分段）分析的光谱角度量；还有光谱曲线特征的微分度量、积分度量及二值度量等等。当然，对吸收谱带及斜率特征度量还可以用统计特征量去表征度量，如均值、方差、协方差矩阵、特征值、特征向量、特征因子及组内离差等。

（2）光谱匹配识别模型不同于多光谱的模式识别，它是根据光谱特征度量参数来进行匹配识别的，是成像光谱数据处理分析的特色之一。这种特色模型在处理过程中往往是采用可视化的交互式的图像与光谱、光谱与标准光谱形式进行的。目前，光谱匹配识别模型有：编码匹配识别法（均值编码匹配法，坡向编码匹配法，比值编码匹配法L吸收峰编码匹配法、波形匹配法和光谱角匹配法等等。在这些匹配识别模型中，编码匹配基本上都是按二值（0和1）进行编码、匹配与识别的；吸收特征编码匹配是根据外壳系数法归一化后，对每个特征的吸收深度与波长位置进行编码；波形匹配包括相似度、傅里叶变换参量，切比雪夫等方法。近几年发展起来的小波变换分析在成像光谱数据分析处理中应用相当多，尤其是对原始信号按不同小波尺度，分解成不同的小波进行波形分析，突出低频弱信息，有利于信息增强，比如用小波变换进行图形图像插值、融合及混合像元分解等。

2.3.2.2.2 成像光谱数据的定量分析及识别模型

定量化分析及识别模型化是当今遥感技术的发展方向之一，应用于成像光谱数据处理。定量化分析与识别模型，除了不断完善和改进已有基于统计分析的定量化及识别模型（如：改进的主成分分析、最佳波段组合、改模型最大似然法、基于决策边界特征矩阵的变换和正交子空间投影），其他学科的新思想、新方法也在不断地引人遥感数据分析和理解之中，如人工智能的专家系统，模糊逻辑映射，证据推理、神经网络、分形和分维等。

人工智能专家系统技术是目前比较流行的信息处理技术，尤其对比较复杂问题的解决有独到之处，Gotting和Lyon在1986年就已建立的光谱信息专家识别系统用于分析实验室和野外光谱，它是结合已有的地物光谱特征知识，由专家确定判别规则决策树（Decision Tree）以达到识别地物或地物类别目的。决策树这一基于知识的判别准则层次是建立专家系统成败的关键。通过这个系统进行编码匹配，他们成功地从大量的实验室光谱中识别出11种矿物。1993年，美国地球空间研究中心（CSES）和美国环境科学研究所的F.A.Kruse和A.B.Lefkoff研制了基于知识的成像光谱地质制图专家系统。选定各种特征在识别过程中的作用并赋予相应的权值，或根据专家对判别知识和经验建立判别准则进行识别。

目前，神经网络模型在遥感地物分析和识别方面备受青睐，有着广泛的应用（Golen Giser，1996；Giles，M.F.et al.，1995；郭小方，1998；王润生等，2000）。由于神经网络分类规则对训练样本的数量及分布特征没有特定要求，因而可以在特征空间形成非线性判别边界，并且还有一定的抗噪声、抗干扰和自适应能力，适用于大数据量的分类研究，最为常用的分类准则是后向传播（BP）网络模型。

目前，从成像光谱遥感数据分析与识别的各种新理论、新方法的引入来看，大多数模型的研究和应用还是一种尝试，在如何将模型与成像光谱数据相结合的研究方面，分析不够深入。

2.3.2.3 混合像元分解模型

由于空间分辨率不高的原因，在图像像元内会出现不同成分（end member）的地物，即混合像元。不同的地物具有不同光谱特征，因此需要通过混合光谱分解技术来提高识别精度。混合像元问题是遥感技术的研究难点和热点。由于成像光谱技术的光谱分辨率已从微米（μm）提高到纳米级（nm），因此，其混合像元分析、分解及其模型研究就显得更为重要。

目前，开展高光谱遥感混合像元研究的方法技术，首先从实验着手，进行地物混合光谱的测试、分析、数字模拟、分解模型开发研究，然后将其外推到遥感图像上，进行典型地物混合像元分析，主要包括空-地同步观测获取典型地物（或可通过人工布标）数据，经模型分析后，对混合像元的地物进行分解，或混合光谱模拟合成。在实验室里，通过对不同矿物光谱混合含量测试发现，不透明矿物或暗色矿物，其光谱按比例混合到其他矿物中，混合的反射率急剧下降，而不是逐渐下降，说明其混合光谱与其混合的端员矿物光谱是非线性关系（磁铁矿和橄榄石）。当两种矿物的色调相近时，实验测试的混合光谱与线性模型合成的混合光谱都呈线性逐渐变化，说明混合光谱可以按线性模型分解端员矿物光谱，如橄榄石和紫苏辉石，且吸收谱带的波长位置也是逐渐从一个波长位置逐渐过渡到另一波长位置。不仅如此，还发现在可见光、近红外这一波长上，低成分端员混合时呈线性趋势，当成分增加时，线性关系剧烈变成非线性关系。在这三种情况中，第一种非线性关系是由于组合混合光谱的端员成分之间互相作用、互相影响后光谱被光谱仪检测到；第二种线性关系是由于各端员成分之间无互相影响作用，各自独立地反射电磁波能量贡献于混合光谱；第三种情况是两种关系都存在，二者之间存在临界条件（边界条件）。目前，有关此方面的研究极少。根据这些分析，混合像元分解模型大体分为线性模型和非线性模型。在遥感混合像元中，绝大多数反射率相似的地物，可以用线性模型来分解端员成分，如：土壤与植被、不同含水量的耕地、岩石露头与草地、荒地等等。在一幅图像中，事先知道有N种端员（地物种类），并且也知道各种端员的光谱反射率，那么就可以用线性模型：

成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析

这里DN_c是波段C上混合像元的DN值或反射率；F_i是第i种端员在混合像元中所占比例（或权系数）；DN_i，c是C波段上第i种端员的DN值（或反射率）；E_c是C波段上拟合误差。对每个像元都按照最小二乘法解方程，进行分解。在图像中，端员的DN值（或反射率值）要么可以从训练区取值，要么在地面实测。端员成分的确定过程实质上是一个迭代过程，迭代结果使M个波段上总误差ε最小（且N≤M）。

成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析

求得版中各种端员成分之后，就可以定量或半定量地对端员丰度制作丰度等专题图件。

用非线性模型开展混合像元分解不多见，但已有这方面的研究，如模糊分割模型（Jin Ⅱkim，1996），概率鹏模型，几何光学模型（Charles Ichoku，1996）及基于神经网络模型的混合像元分解（王喜鹏，张养贞等，1998）等等。

目前开发的模型有：

——光谱吸收指数模型SAI（王晋年，童庆禧等，1996）：

SAI=∑f_iSAI_i，∑f_i=1，f_i＞0 （2-3-4）

——高斯模型法MGM：该模型是基于矿物和岩石的反射、吸收光谱性质模拟反射光谱的各种模拟方法。它是一种确定性的而不是统计性的方法。高斯改进模型MGM 是近几年在分析反射光谱的基础上发展起来的分析技术（Cloutis，1989，Veverka，J.et al.，2000）。

m（x）=S*exp（-（xⁿ-μⁿ）²/2σ²）， （2-3-5）

通常取n=-1。

光谱识别与分类技术（Spectral Classification）：主要是利用地物高光谱特征的量化参数，结合其在图像空间上分布进行提取有利的信息，达到分类的目的。主要的分类方法有：

——最大似然法MLC：

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

——人工神经网络技术ANN：一般采用前馈网络模型，即第一隐层的节点输入等于输入层诸节点输出的加权和。迭代的次数以系统的平均误差为最小时为准。

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——光谱角制图法SAM（Spectral Angle Mapper）：该方法是通过计算测试样本光谱矢量（像元光谱）与参考光谱矢量（训练的端员样品光谱，或标准光谱库的光谱），在n维空间（n波段）上的角度来确定它们两者的相似度。一般两矢量之间的角度越小，两光谱向量越相似，进而可识别两种地物为同类，否则视为异类。数学模型是：

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这里i=1，2，3，……，n，n为波段数。

——光谱维特征提取法（Spectral Dimension Feature Extraction）：在高光谱遥感分类中，使用该方法对多波段、高相关、数据冗余度高的数据进行降维处理。相关的有统计方法，如主成分、典型变量及改进的PCA法等。

——光学模型（Optical Modeling）：除了前述的数据分析及模型外，植被因其特有反射性质，还有独特分析模型（光学模型）。该模型主要利用高光谱遥感数据预测或估计植被的多种生物物理、化学参量，如叶面指数LAI、总生物量、覆盖度等；叶绿素、水分、N、P、K含量等。该模型也属于经验性的统计模型方法。一般性通用模型为：

S=f（λ；θs，Φs；θv，Φv；С）， （2-3-9）

这里S为预测的生物物理、化学参数；λ是波长；θs，Φs，θv，Φv是入射光和传感器探测几何位置参数，C是描述植被冠层为特性参数。依靠法的模型有叶子光学性质光谱模型PROSPECT，叶子的任意斜散射模型SAIL，即生化参量反演的LIBERTY模型等。

高光谱在植被应用中除了生物、化学参量的反演分析外，还注重利用植被光谱特性谱线的蓝边、反射峰、黄边、红光吸收谷、红边、近红外反射高原区等变化及数据的归一化、对数、微分等变换，来监测植被的长势及病虫害，进行森林识别、分类、制图（Clark，R.N.，Roush.T.L.，1984）。

2.3.2.4 光谱数据应用处理分析软件

通过开展岩矿高光谱特性测试分析和成像光谱方法技术及应用分析研究，已发展并开发了如下数据处与分析软件：

2.3.2.4.1 光谱数据库及分析软件（400～2500φ）

国外：美国地质调查所USGS和JPL的标准矿物光谱库（含机载光谱）及光谱分析管理软件SPAM，IRIS，日本地调所的岩石矿物光谱库等（http://speclib.jpl.nasa.gov；http://speclab.cr.usgs.gov；Kruse F A et al.1993）。

国内：中国科学院安徽光学研究所、中国科学院遥感应用研究所、原地质矿产部航空物探遥感中心等科研单位都已建自己的光谱库（王润生等，2000）。

2.3.2.4.2 图像处理分析软件

目前国内外常用的光谱图像处理分析软件有：Erdas、PCI、ENVI等。其中PCI和ENVI都有高光谱分析处理功能（ENVI User’s Guide.，2000）。此外，还有像Tetricorder（Clark，R.N.，G.A.Swayze，K.E.Livo，2003）。国内通过高光谱遥感方法技术及示范应用研究，中国科学院遥感应用研究所、国土资源部航空物探遥感中心相继建立了成像光谱数据分析处理系统，如：HIPAS，ISDPS等。

E. 光谱仪基本测试操作

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光谱仪 操作方法
光谱仪操作方法
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光谱仪操作方法

1、 首先打开氩气瓶阀门，再把压力表调压阀调至压力大约为0.5pa；

2、 打开仪器电源开关，此时会显示“3.5EO”，只要是后边位数显示“0”都可以，证明真空已抽完，否则要抽真空一会；

3、 待确认显示“0”后，按下绿色电源按钮，一个是“检测”、一个是“光源”。（关机时与上述相反）；

4、 打开电脑桌面“光谱仪分析程序”，点选“合金钢”后按确认；

5、 选用一个没用的样品放入仪器火花口，点选电脑光谱分析程序里面的“测量”菜单选项；

6、 然后点光谱分析程序中的“显示选择”点选“强度”，如：出现60000（6万）左右数值代表样品已激发；（注：按“测量”菜单看FeR，FeR（铁）一般接近80000（8万）强度值）；

7、 待确认试样已激发后，关闭退出“光谱仪分析程序”软件；

8、 然后，打开电脑桌面中的“光谱仪描迹”程序软件，点击“条件设置”、再点击“读电机位置”，此时会显示“4460”位置，在对话框中设置起始位置数减去150的值输入到起始位置中;

9、 按“复位到原点”选确认，把样品T10放入仪器火花口，按“开始”选项，待激发完成后方可选通道6；（刚开始预定电机的起始点4500，终止点4800（直接输入）；

10、 对照软件屏幕显示出的波形图，看最高点数值，比如：4600话，再从新选择“条件设置”选项，然后再选“复位到原点选项（4600）”再点选“指定的起始位置”，再点选“读电机位置”选项；此时，看弹出的显示值是否一致，一致后点“OK”退出，关闭“描迹软件”；

11、 从新打开“光谱仪分析程序”点“标准化”菜单，此时，系统默认“C25”按“是”确认；

12、 然后放入“C25”试样到仪器火花口，点选软件中的“测量”菜单，待测量完成后，从新拿出试样换一个点位放好做第2次的“测量”（因一个试样至少测2个点位）注：进行第2次测量不需要设置，直接按“测量”完成；

13、 当完成第2次测量后，点“平均+偏差”菜单选项，此时，电脑屏幕会弹出一系列数据表，查看“RSD”一行中的测量值看是否＜3，＜3以下方可，否则需从测；

14、 如出现某一元素＞3时，应从新放入刚才试样，按软件中“测量”选项，此时，会显示3次的测量数据，挑选一个相差大的一组删除，保留2组（次）数据即可；注：删除是光标放入某一组中，按下键盘“Dele”键删除；

15、 此时，再次从新点“平均+偏差”看RSD一行数据是否＜3；

16、 待确认＜3后，点“下一个试样”，电脑屏幕下方会显示“T10”，此时，应放入T10试样到火花口；

17、 重复上述步骤打2个点，再按“平均+偏差”菜单完成后点“下一个试样”确认、接受，标准化完成；

18、 点菜单中的“类型标准化”然后选“410”或“Q345任一选项，再根据所选的选项对应放入试样到仪器火花口打点、激发，（也是要打2个点）；

19、 然后用我司购置的标准样“测量”一次，然后看测出的数据与样品盒贴的标准值偏差，当接近时证明OK！

20、 删除刚才预测的数据，把客户样品打磨进行真正的送检样品测试分析了；

F. 光谱分析仪的使用方法

使用方法：开机步骤

1、开光谱仪电源

2、开计算机电源

3、在文件管理器中用鼠标指按UV WinLab图标，此时出现UV WinLab的应用窗口，仪器已准备好，可选用适当方法进行分析操作。

一、方法：在分析中必须对分光光度计设定一些必要的参数，这些参数的组合就形成一个“方法”。Lambda系列UV WinLab软件预设四类常用方法。

1）扫描（SCAN），用以进行光谱扫描。

2）时间驱动（TIME DRIVER），用以观察一定时间内某种特定波长处纵坐标值的变化，如酶动力学。

3）波长编程（WP）用以在多个波长下测定样品在一定时间内的纵坐标值变化，并可以计算这些纵坐标值的差或比值。

4）浓度（CONC）用以建立标准曲线并测定浓度。

2.1 进入所需方法，在方法窗口中选择所需方法的文件名。

二、方法的设定

扫描、波长编程及时间驱动各项方法可根据显示的参数表，逐项按需要选用或填入，并可参考提示。

浓度

浓度方法窗口下方标签较多，说明做浓度测定时需要参数较多。用鼠标指按每一标签，可翻出下页，其上有一些需要测定的参数。必须逐页设定。

三、工具条

1）SETUP

当所需的各项参数都已在参数中设好后，必须用鼠标指按SETUP，才能将仪器调整到所设状态。

2）AUTOZERO 用鼠标指按此键，分光光度计即进行调零（在光谱扫描中则进行基线校正）。

3）START 用鼠标指按此键，光度计即开始运行所设定的方法。

四、方法运行

1）扫描，时间驱动，波长编程方法选好后，先放入参比溶液，按AUTOZERO键，进行自自动校零或背景校正结束后再放入样品，按START，分光光度计即开始进行，同时屏幕上出现图形窗口，将结果显示出来。

2）浓度

3）制订标准曲线

（1）方法选好后，确认各项数据正确，特别是REFS页中第一行要选中右上角的“edit mode”。再放入参比溶液，按AUTOZERO键自动校零或背景校正。

（2）按setup，待该图标消失后，再按“start”，按提示依次放入标准色列的各管溶液，每次都按提示进行操作。

（3）标准色列测定完毕后，屏幕上出现calibgraphwindow，显示拟合的标准线，并标出各项标准管的位置，屏幕下方还有一条ConcentraTIon mode的对话框，可以用来修改拟合的曲线类型（按 change calbraTIon），或修改标准溶液的任何一管（replace），或取消某一管（delete），或增加标准溶液管数（add）。如过已经满意，则按analyse sample键，进入样品测定窗口。

（4）标准曲线有关的各项数据，均在calibresultwindow中，可用鼠标将其调出观察。其中包括每个标准溶液的具体数据，标准曲线的回程方程式，相关系数，残差。

五、样品浓度测定

刚制定好的标准曲线接着进行样品浓度测定时

1）只需在concentraTIon mode对话框按analyse sample键，进入样品测定窗口。

2 ）按设定的样品顺序放入各样品管，每次按提示进行操作。

3 ）屏幕上出现结果窗口，结果数据将依次显示在样品表中的相应位置。

（1）利用原有的标准曲线接着进行样品浓度测定时

（2）调出所测定样品的浓度方法文件，首先调出refs页，将原设edit mode选项取消，改设左上角的using exiting calibration。重新将方法存盘，则今后再调用时即不需再作修改。

（3） 在sample页中按要求重设各种样品名称机样品信息。

（4）按工具条中setup键，将主机设到该方法所设定的条件。

（5）将参比溶液放入比色室，按autozero键做背景校零。

（6） 按start键，按设定的样品顺序放入各样品管，每次按提示进行操作。

（7） 屏幕上出现结果窗口，结果数据将依次显示在样品表中相应位置。

六、关机

1）将方法及数据存盘

2）关闭方法窗

3）退出UV WinLab

4） 取出样品及参比溶液

5）清洁光谱仪，特别是样品室

6）关闭光谱电源

7）关闭计算机电源
根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器：新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道OMA(Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集，处理，存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理，测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件，提高了工作效率：使用OMA分析光谱，测盆准确迅速，方便，且灵敏度高，响应时间快，光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出.目前,它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量，分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测。
光谱分析仪的分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合郎珀-比尔定律 A= -lg I/I o= -LgT = KCL 式中I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC。

物理原理

任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。

能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。

如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。

电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10^-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。

G. 光谱化学分析的技术原理

发射光谱化学分析是利用各物质的特征发射光谱以确定其化学成分及含量，分为原子发射光谱分析和分子发射光谱分析。原子发射光谱法是利用原子（或离子）发射的特征光谱来研究物质化学组成的分析方法。原子荧光光谱法、X射线荧光光谱分析和火焰光度法也属于原子的发射光谱法。火焰光度法是以化学火焰作为激发光源的原子发射光谱法。一些易激发的元素如碱金属、碱土金属在火焰中被激发而发射出特定波长的光谱，其谱线强度与各物质的含量成正比。
分子发射光谱是物质分子受到激发而发射的光谱。分光荧光光谱法和分子磷光光谱法、化学发光分析法、分子发射腔分析法等都是基于分子发射光谱的分析方法。
吸收光谱化学分析是利用各种物质的特征吸收光谱以确定其结构和化学成分。包括原子吸收光谱分析和分子吸收光谱分析。属于分子吸收光谱分析法的有比色法、紫外-可见分光光度法、红外光谱法和光声吸收光谱法。光声吸收光谱法简称光声光谱法，被测定物质分子吸收了光能被激发到高能态，激发态分子在10-8秒或更短的时间内通过非辐射去活化方式，将所吸收的光能转变为热能，后者为封闭于系统内的填充气体所吸收并将热能转变为气体分子的动能，在系统内产生周期性的压力波动，用灵敏的微音检测器或压电陶瓷传声器检测，得到声信号，经放大后作为入射光波长的函数记录下来，使得到光声光谱。特征吸收峰可用于定性。信号强度与被测物质含量成正比，因此可进行定量分析。其灵敏度比普通光度法高二到三个数量级。

H. 光谱仪器用于定性分析的几种方法

资料介绍光谱仪器的定性分析是指：由于各种元素的原子结构不同，在光源的作用下都可以产生自己特征的光谱。如果一个样品经过激发摄谱在感光板上有几种元素的谱线出现，就证明该样品中有这几种元素。这样的分析方法就叫做光谱定性分析方法。光谱仪器用于定性分析方法有以下几种：1.比较光谱分析法：这种方法应用比较广泛，它包括标准试样比较法和铁谱比较法。标准样品比较法一般适用于单项定性分析及有限分析。铁谱比较法它不但可以做单项测定还便于做全分析。2.谱线波长测量法：光谱分析仪器利用谱线波长测量法进行定性分析是先测出某一谱线的波长，再查表确定存在的元素，这种方法在日常分析中很少使用，一般只是在编制谱图或者做仲裁分析时才用。
一般来讲光谱分析仪器定性分析可以分析元素周期表上的70几个元素，但由于受到仪器和光源条件的限制有些元素如非金属及卤族元素等则需要在特殊的条件下才能测定。光谱仪器定性分析的样品可以是多种多样的，所以光谱定性采用的方法各不相同，对于易导电的金属试样可以将试样本身作为电极直接用直流电孤或交流电孤光源分析。有时为了不损坏试样也可以采用火花和激光显微光源分析。对于有机物一般先进行化学处理，使之转化成溶液用溶液残渣法测定，也可以灼烧、灰化将试样处理成均匀的粉末装在碳电极孔中用直流电孤或交流电孤光源分析测定。光谱仪器定性分析的特点是方法简单、速度快、需要样品量少并且任何形式的样品都可以分析。对于大部份元素都有比较高的灵敏度。光谱定性分析可以分析试样中一个或几个指定元素，也可以全分析试样中所有可能存在的元素。根据灵敏线的强弱来判断它们在试样中的大致含量。光谱定性分析只能给出试样中存在元素、的粗略含量范围，如大量、少量，还是微量。要想得到元素的正确含量就必须做光谱定量分析。

I. 什么是光谱检测

光谱检测就是根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量。

光谱检测其优点是灵敏，迅速。历史上曾通过光谱分析发现了许多新元素，如铷，铯，氦等。根据分析原理光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种；

根据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。光谱检测的被测成分是原子的称为原子光谱，被测成分是分子的则称为分子光谱。

(9)走近光谱的最佳方法扩展阅读：

介绍

由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。

这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10^-10(10的负10次方)克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用。

例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到光谱分析．在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素。例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的。光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。

十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。

仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。