摘 要

高光谱技术经过了四十年的不断发展，目前已经广泛应用于各个行业，尤其是在地质勘测方面。由于岩心高光谱技术起步较晚，国内外学者对此研究也较少，其主要方法都是使用的一般高光谱矿物填图方法。本论文收集整理已有的的主要矿物填图方法，并挑选其中三种比较经典且常用的算法，即波谱角匹配（SAM）、波谱特征拟合（SFF）以及混合调制匹配滤波（MTMF），将所选方法应用到钻孔岩心高光谱数据中，并结合参考矿物的分布使用混淆矩阵计算Kappa系数等指标来评价每个算法的矿物填图结果的精度，通过比较分析发现混合调制匹配滤波即不会像光谱角匹配一样在不同类型矿物填图有较大差异，整体精度也比波谱特征拟合高，比较适合岩心高光谱图像数据。

关键词：钻孔岩心，高光谱，矿物填图，精度评价

Abstract

after decades of development, hyperspectral technology has been widely used in the various walks of life, especially in geological survey. Because the core hyperspectral technology started late, the domestic and foreign scholars have less research on it. The main method is the general hyperspectral mineral mapping method. This paper collects and sorts out the main mineral mapping methods at present, and selects the more common and classic mineral mapping methods, Spectral Angel Mapper (SAM), Spectral Feature Fitting (SFF) and Mixture Tuned Matched Filtering (MTMF), which are applied to core hyperspectral data, and uses the confusion matrix to calculate kappa coefficient and other indicators to evaluate the mineral mapping effect of each algorithm. Through comparative analysis, it is found that the MTMF is not the same as the SAM which has a great change in mapping different types of minerals, and the overall accuracy is also better than the SFF, which is more suitable for core hyperspectral.

Key Words：drilling core, hyperspectral, mineral mapping, accuracy evaluation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2目的及意义 1

1.3国内外研究现状 1

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 2

1.4研究内容和技术路线 2

1.4.1研究内容 2

1.4.2技术路线 3

第2章矿物填图算法 4

2.1波谱角填图算法 4

2.2波谱特征拟合算法 5

2.3混合调制匹配滤波算法 6

2.4波谱谱信息散度 6

2.5光谱特征参数组合 6

2.6.本章小结 7

第3章岩心高光谱矿物填图 8

3.1数据预处理 8

3.2高光谱影像裁剪 9

3.3建立端元波谱库 10

3.4矿物填图处理 11

3.4.1波谱角匹配 12

3.4.2波谱特征拟合 12

3.4.3混合调制匹配滤波 13

3.5精度评价 13

3.5.1参考矿物分布图 13

3.5.2精度评价 15

3.6本章小结 20

第四章结果分析 21

第五章总结和展望 22

5.1结论 22

5.2研究不足与改进 22

5.3展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1研究背景

高光谱遥感技术自上世纪80年代产生以来，逐渐成为了对地观测遥感技术的发展前沿，不仅在空间分辨率、辐射分辨率、波谱分辨率方面都有着比较大的优势，而且具有无损、快速、多平台探测（航天、航空、地面）等技术优势^[1]。也正是因为这些特点，高光谱遥感技术目前在许多行业都有着比较广泛的应用，其中应用最早也是目前应用最成功的领域就是在地质找矿勘查方面。与此同时，钻探技术是目前地质勘查的重要技术方法之一，其采集的岩心数据蕴含着大量的地学信息，不过传统的人工方法识别岩心的数据不仅费时费力，并且容易出现人为失误的情况，因此将高光谱遥感技术应用到钻孔岩心上也就成为了目前研究的重点^[2]。利用地面高光谱技术获得钻孔岩心高光谱影像数据，并对得到的高光谱信息进行采集、处理、分析，不仅高效而且低成本，因此岩心高光谱技术已经成为目前地质勘查的新技术和新方向^[3]。本次研究就是对于岩心高光谱的矿物填图方法进行研究，探索适合于钻孔岩心高光谱技术的矿物填图方法。

1.2目的及意义

虽然高光谱遥感技术已经产生近四十年时间，在地质勘查应用方面也较为成功，但是高光谱技术在钻孔岩心数据获取方面的应用起步较晚，20世纪末才有学者进行尝试，本世纪初真正开始发展形成一个完整的体系。与此同时，由于钻孔岩心高光谱数据较难获取，研究人员相对来说较少，这使得钻孔岩心高光谱技术虽然已经形成了较为成熟的流程体系，但是岩心高光谱技术的大多数方法都是采用的航空、航天高光谱技术的方法。虽然都是高光谱技术，但是由于地物目标的不同，信息采集方法不同，两种高光谱技术存在着一定的区别，原本在航空、航天高光谱影像应用较好的方法不一定完全适用于岩心高光谱影像。例如高光谱矿物填图方法，目前国内外已经产生多种矿物填图方法，并已有部分学者对其进行对比分析，但是大多不是专门处理岩心高光谱数据的，并不知道哪种方法更加适合岩心高光谱数据。

本次论文将现有的高光谱矿物填图方法进行整理归纳，从中挑选三种具有代表性的矿物填图方法，将其应用于岩心高光谱影像中，并对其矿物填图结果进行分析评价，比较其中的优缺点，得到更加适合于岩心高光谱数据的矿物填图方法，补充岩心高光谱数据在矿物填图方面的相关知识，为之后进行岩心高光谱矿物填图方法的选择提供较为有力的依据。与此同时，在研究矿物填图方法的过程中也对岩心高光谱技术有了全面而深刻的了解，有利于之后对于岩心高光谱的学习与研究。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

高光谱技术自诞生以来就凭借其高光谱分辨率、高辐射分辨率等有优势被各个国家广泛应用，美国、澳大利亚等国外矿业较为发达的国家率先使用成像光谱仪进行地物探测，推动高光谱技术在各个领域的使用。而高光谱技术在钻孔岩心数据的应用相对较晚，在上世纪九十年代仅有少数学者将高光谱技术应用于岩心矿物的识别和光谱的编录中，并没有得到广泛应用。直到本世纪初国外一些矿业发达的国家开始陆续研制岩心高光谱编录系统，高光谱技术才开始真正应用于岩心矿物勘察工作之中。其中发展最早也是目前发展最成熟的就是澳大利亚联合科工(CSIRO)在20世纪初开始研发的的HyLogger系列岩心扫描仪，目前已经在南澳、西澳等多个州已经得到了广泛应用。紧接着英国、德国、芬兰等矿业发达的国家也都开始建立自己的钻孔岩心高光谱编录系统，如芬兰Specim公司就紧接着研制了SisuROCK成像岩心光谱仪等。之后的公司陆陆续续研制了一些自己的仪器，直到2010年之后加拿大的Photonic Knowledge自主研发研发的岩心高光谱成像扫描仪有突破性进展。与之前的成像扫描仪不同的是，这款扫描仪使用的是成像光谱仪推扫，虽然增加了数据量并且降低了信噪比，但是可以直接得到整个岩心面上的高光谱数据，有利于更加直观有效地岩石的纹理构造^[4]。虽然目前在基于面扫式成像光谱仪的岩心高光谱影像研究较少，但是相信未来的发展方向还是会沿着推扫及其改进发展。

1.3.2国内研究现状

相比于国外上世纪末就有学者进行钻孔岩心高光谱技术的研究，我国在岩心高光谱技术的研究晚了近10年。直到2006年才有学者利用美国ASD地面波谱仪对岩心高光谱数据的编录进行初步探索。在2012年核工业北京地质研究院重点实验室才利用国外的Hyspex的传感器自主研制了属于我国的岩心高光谱扫描平台，并且在2013年利用光谱角矿物填图技术进行了矿物填图，得到了与铀矿成形相关的绿泥石、伊利石、赤铁矿等矿物信息^[5]。与此同时，南京地质调查中心也研制出了国内最早的CMS350A型高光谱扫描仪，之后在多个矿产勘查中得到了有效验证，目前已经应用于国内多个地方。除此之外，目前我国还建立了移动箱式岩心光谱扫描实验室等。目前我国已经逐渐在越来越多的地方利用成像光谱仪进行钻孔岩心高光谱数据的编录，解决相应的实际问题。但是总体来说，我国在岩心高光谱领域发展较晚，应用较少，与国外相比还存在着一定的差距，但是有着较大的发展潜力。