CN108007891B - 一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，具体包括：一、岩石发射率光谱测量，获取岩石样本发射率曲线；二、岩石样品SiO2含量室内定量化学分析；三、表征岩石SiO2含量诊断波长选取和光谱指数构建；四、构建岩石样品SiO2含量定量反演模型；五、岩石样品SiO2含量定量反演模型精度评价。通过主观和客观评价得出该模型反演精度优于90％，可用于野外快速准确的识别岩石SiO2含量，大大降低了岩石SiO2含量室内化学分析的时间和经济成本，这对加快与硅化、石英脉相关的矿产勘查进度具有重要的推动意义。
Description
技术领域
本发明属于遥感信息提取及定量反演领域，具体涉及一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法。
背景技术
热红外波段(8.00μm～14.00μm)在岩矿识别中具有独到的优势，不仅可识别硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物等造岩矿物，更可识别常用的可见光(0.38μm～0.76μm)-短波红外波段(0.76μm-3.00μm)不能识别的石英(化学分子式为SiO2)等矿物。而在自然界中，许多矿体以石英脉的形式产出，矿石中常有石英脉石伴生，硅化岩和硅化带(热液蚀变作用形成的富二氧化硅类岩石)亦是铜、钼、铀等金属及萤石、明矾石等非金属矿产出的重要找矿标志。因此，自然界岩石SiO2含量的定量反演(识别)可以快速识别硅化、石英脉等富硅岩类，对矿产勘查具有重要的指导意义。
现今，国内外学者大多基于ASTER等卫星数据或标准光谱库对地表SiO2含量的反演开展了基础性研究。如Hunt和Salisbury研究发现岩浆岩的发射率光谱特征与SiO2含量具有显著的相关性；Ninomiya等和闫柏琨等基于ASTER卫星数据开展岩石SiO2含量定量反演，提出了可以定性表征SiO2含量的光谱指数。闫柏琨等和杨长保等以标准光谱库(实验室条件下获取的岩石光谱数据库)为数据源，对岩石中矿物的成分和含量与发射率光谱特征的相关性进行研究，并建立了回归模型，对特定地区或特定岩类进行SiO2含量定量反演。虽然上述研究取得了一定的应用效果，但卫星遥感影像较低的空间和光谱分辨率大大限制了SiO2含量的反演精度；而利用标准光谱库进行SiO2定量含量反演则比较理想化，不符合野外实际情况。
因此，为了提高岩石SiO2含量识别效果和降低室内化学分析成本，针对现有SiO2含量定量反演方法存在的各种缺陷，必须开发一种光谱分辨率高且为现场实测热红外光谱数据的岩石SiO2含量定量反演方法，并基于实测化学分析数据验证模型反演精度，保证反演模型的实用性，为基于航空/航天热红外遥感数据大范围快速识别富硅类岩石奠定基础，为指导野外矿产勘查提供支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于四元二次回归模型定量反演岩石 SiO2含量的方法，可大大降低地表岩石SiO2含量定量分析成本和分析时间。
为解决上述技术问题，本发明一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，包括如下步骤：
步骤一、岩石发射率光谱测量；选用野外采集的若干个岩石样本，对每一个岩石样本均进行热红外辐亮度测量，并进行发射率分离，获得所有岩石样本的发射率曲线；
步骤二、岩石样品SiO2含量室内定量化学分析；对岩石样本进行SiO2含量和烧失量百分比分析，用岩石样本SiO2含量百分比减去烧失量百分比即岩石样本的真实SiO2含量，剔除SiO2含量低的岩石样本，剩余岩石样本组成样本集；
步骤三、表征岩石SiO2含量诊断波长选取和光谱指数构建；在岩石样本集的发射率曲线中，从8.00～9.70μm波长区间选取2个特征发射谷和2个发射峰对应的波长分别为λ1、λ3、λ2、λ4，从12.25～13.2μm波长区间选取2个特征发射谷和2个发射率对应的波长分别为λ5、λ7、λ6、λ8，获取λ1～λ8波段对应的发射率εmi(i＝1,2，…，8)，计算每个岩石样本的4个SiO2光谱指数Xm1、Xm2、 Xm3、Xm4；
步骤四、岩石样品SiO2含量定量反演模型构建；基于二分之一岩石样本集岩石的4个SiO2光谱指数，及其岩石样本的真实SiO2含量，运用统计学原理，构建四元二次回归模型即SiO2含量定量反演模型；
步骤五、岩石样品SiO2含量定量反演模型精度评价；以剩余二分之一岩石样品集的岩石样本4个SiO2光谱指数Xm1、Xm2、Xm3、Xm4为变量，代入上述反演模型，得到样品集每一个岩石样本的SiO2反演含量。通过对每一个样本的SiO2反演含量与真实含量统计分析得出，四元二次回归模型的平均反演精度高于90％，为有效反演模型。
所述步骤二，剔除SiO2含量百分比低指百分比小于65％的岩石样本。
所述的步骤三的特征波段的波长λ1＝8.00764μm，λ2＝8.2247μm，λ3＝8.6315μm，λ4＝9.2125μm，λ5＝12.2933μm，λ6＝12.5134μm，λ7＝12.6265 μm，λ8＝12.8117μm。
所述的步骤三4个SiO2光谱指数计算公式为Xm1＝εm1/εm2，Xm1为编号为m的岩石样本第一个SiO2光谱指数，εm1为编号为m的岩石样本波长为λ1＝8.00764μm 处的发射率值，εm2为编号为m的岩石样本波长为λ2＝8.2247μm处的发射率值， Xm2＝εm3/εm4，Xm2为编号为m的岩石样本第二个SiO2光谱指数，εm3为编号为m的岩石样本波长为λ3＝8.6315μm处的发射率值，εm4为编号为m的岩石样本波长为λ4＝9.2125μm处的发射率值，Xm3＝εm5/εm6，Xm3为编号为m的岩石样本第三个SiO2光谱指数，εm5为编号为m的岩石样本波长为λ5＝12.2933μm处的发射率值，εm6为编号为m的岩石样本波长为λ6＝12.5134μm处的发射率值，Xm4＝εm7/εm8，Xm4为编号为m的岩石样本第四个SiO2光谱指数，εm7为编号为m的岩石样本波长为λ7＝12.6265μm处的发射率值，εm8为编号为m的岩石样本波长为λ8＝12.8117μm 处的发射率值。
所述步骤四的四元二次回归模型为 Ym＝＝-452.301+135.627Xm1+372.945Xm2-12.245Xm3+220.254Xm4-42.195Xm1 2-155.08 3Xm2 2，Ym为编号为m的岩石样本反演的SiO2含量值，Xm1为编号为m的岩石样本第一个SiO2光谱指数，Xm2为编号为m的岩石样本第二个SiO2光谱指数，Xm3为编号为m的岩石样本第三个SiO2光谱指数，Xm4为编号为m的岩石样本第四个SiO2光谱指数。本发明的有益技术效果在于：本发明的方法能够快速准确的识别岩石SiO2含量，大大降低了岩石SiO2含量实验室化学分析的时间和经济成本，这对加快与硅化、石英脉相关的矿产勘查进度具有重要的推动意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，包括如下步骤：
步骤一、岩石发射率光谱测量。选用野外采集的若干个岩石样本，岩石样本需大于20个，对每一个岩石样本均用热红外光谱仪对其进行热红外辐亮度测量，并进行发射率分离，获得所有岩石样本的发射率曲线；
步骤二、岩石样品SiO2含量室内化学分析。为了建立SiO2含量定量反演的已知样本和精度验证样本，在室内基于X射线荧光光谱仪和电子天平对岩石样本进行SiO2含量和烧失量百分比分析，利用岩石样本SiO2含量百分比减去烧失量百分比，获取岩石样本的真实SiO2含量，剔除SiO2含量低于65％的岩石样本，剩余岩石样本组成样本集；
步骤三、表征岩石SiO2含量诊断波长选取和光谱指数构建。在岩石样本集的发射率曲线中，从8.00～9.70μm波长区间选取2个特征发射谷和2个发射率对应的波长(λ1＝8.00764μm，λ2＝8.2247μm，λ3＝8.6315μm，λ4＝9.2125μm)，从12.25～13.2μm波长区间选取2个特征发射谷和2个发射率对应的波长 (λ5＝12.2933μm，λ6＝12.5134μm，λ7＝12.6265μm，λ8＝12.8117μm)，获取λ1～λ8波段对应的发射率(εmi，i＝1,2，…，8)，计算每个岩石样本的4个SiO2光谱指数Xm1＝εm1/εm2(Xm1为编号为m的岩石样本第一个SiO2光谱指数，εm1为编号为m的岩石样本波长为λ1＝8.00764μm处的发射率值，εm2为编号为m的岩石样本波长为λ2＝8.2247μm处的发射率值)，Xm2＝εm3/εm4(Xm2为编号为m的岩石样本第二个SiO2光谱指数，εm3为编号为m的岩石样本波长为λ3＝8.6315μm处的发射率值，εm4为编号为m的岩石样本波长为λ4＝9.2125μm处的发射率值)，Xm3＝εm5/εm6(Xm3为编号为m的岩石样本第三个SiO2光谱指数，εm5为编号为m的岩石样本波长为λ5＝12.2933μm处的发射率值，εm6为编号为m的岩石样本波长为λ6＝12.5134μm 处的发射率值)，Xm4＝εm7/εm8(Xm4为编号为m的岩石样本第四个SiO2光谱指数，εm7为编号为m的岩石样本波长为λ7＝12.6265μm处的发射率值，εm8为编号为m的岩石样本波长为λ8＝12.8117μm处的发射率值)。
步骤四、岩石样品SiO2含量定量反演模型构建。基于二分之一岩石样本集岩石的4个SiO2光谱指数X，及其岩石样本的真实SiO2含量，运用统计学原理，构建四元二次回归模型即SiO2含量定量反演模型： Ym＝＝-452.301+135.627Xm1+372.945Xm2-12.245Xm3+220.254Xm4-42.195Xm1 2- 155.083Xm2 2(Ym为编号为m的岩石样本反演的SiO2含量值，Xm1为编号为m的岩石样本第一个SiO2光谱指数，Xm2为编号为m的岩石样本第二个SiO2光谱指数， Xm3为编号为m的岩石样本第三个SiO2光谱指数，Xm4为编号为m的岩石样本第四个SiO2光谱指数)。通过对模型精度进行理论评价，得出其拟合优度R2＝0.876，客观评价为有效反演模型；
步骤五、岩石样品SiO2含量定量反演模型精度评价。以剩余二分之一岩石样品集的岩石样本4个SiO2光谱指数(Xm1、Xm2、Xm3、Xm4)为变量，代入上述反演模型，得到样品集每一个岩石样本的SiO2反演含量。通过对每一个样本的SiO2反演含量与真实含量统计分析得出，四元二次回归模型的平均反演精度为 94.85％，主观评价亦为有效反演模型(表1)。
表1岩石样品SiO2含量化学分析值与模型反演精度对比表
综合上述分析，SiO2含量高于65％的岩石样品，均可以通过本方法进行快速反演，大大降低了野外样品的化学分析成本，提高了识别效率。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、岩石发射率光谱测量；选用野外采集的若干个岩石样本，对每一个岩石样本均进行热红外辐亮度测量，并进行发射率分离，获得所有岩石样本的发射率曲线；步骤二、岩石样品SiO2含量室内定量化学分析；对岩石样本进行SiO2含量和烧失量百分比分析，用岩石样本SiO2含量百分比减去烧失量百分比即岩石样本的真实SiO2含量，剔除SiO2含量低的岩石样本，剩余岩石样本组成样本集；步骤三、表征岩石SiO2含量诊断波长选取和光谱指数构建；在岩石样本集的发射率曲线中，从8.00～9.70μm波长区间选取2个特征发射谷和2个发射峰对应的波长分别为λ1、λ3、λ2、λ4，从12.25～13.2μm波长区间选取2个特征发射谷和2个发射率对应的波长分别为λ5、λ7、λ6、λ8，获取λ1～λ8波段对应的发射率εmi，其中i＝1,2，…，8，计算每个岩石样本的4个SiO2光谱指数Xm1、Xm2、Xm3、Xm4；步骤四、岩石样品SiO2含量定量反演模型构建；基于二分之一岩石样本集岩石的4个SiO2光谱指数，及其岩石样本的真实SiO2含量，运用统计学原理，构建四元二次回归模型即SiO2含量定量反演模型；步骤五、岩石样品SiO2含量定量反演模型精度评价；以剩余二分之一岩石样品集的岩石样本4个SiO2光谱指数Xm1、Xm2、Xm3、Xm4为变量，代入上述反演模型，得到样品集每一个岩石样本的SiO2反演含量；通过对每一个样本的SiO2反演含量与真实含量统计分析得出，四元二次回归模型的平均反演精度高于90％，为有效反演模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，其特征在于：所述步骤二，剔除SiO2含量百分比低指百分比小于65％的岩石样本。
3.根据权利要求1所述的一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，其特征在于：所述的步骤三的特征波段的波长λ1＝8.00764μm，λ2＝8.2247μm，λ3＝8.6315μm，λ4＝9.2125μm，λ5＝12.2933μm，λ6＝12.5134μm，λ7＝12.6265μm，λ8＝12.8117μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，其特征在于：所述的步骤三4个SiO2光谱指数计算公式为Xm1＝εm1/εm2，Xm1为编号为m的岩石样本第一个SiO2光谱指数，εm1为编号为m的岩石样本波长为λ1＝8.00764μm处的发射率值，εm2为编号为m的岩石样本波长为λ2＝8.2247μm处的发射率值，Xm2＝εm3/εm4，Xm2为编号为m的岩石样本第二个SiO2光谱指数，εm3为编号为m的岩石样本波长为λ3＝8.6315μm处的发射率值，εm4为编号为m的岩石样本波长为λ4＝9.2125μm处的发射率值，Xm3＝εm5/εm6，Xm3为编号为m的岩石样本第三个SiO2光谱指数，εm5为编号为m的岩石样本波长为λ5＝12.2933μm处的发射率值，εm6为编号为m的岩石样本波长为λ6＝12.5134μm处的发射率值，Xm4＝εm7/εm8，Xm4为编号为m的岩石样本第四个SiO2光谱指数，εm7为编号为m的岩石样本波长为λ7＝12.6265μm处的发射率值，εm8为编号为m的岩石样本波长为λ8＝12.8117μm处的发射率值。
5.根据权利要求1所述的一种基于四元二次回归模型定量反演岩石SiO2含量的方法，其特征在于：所述步骤四的四元二次回归模型为Ym＝-452.301+135.627Xm1+372.945Xm2-12.245Xm3+220.254Xm4-42.195Xm1 2-155.083Xm2 2，Ym为编号为m的岩石样本反演的SiO2含量值，Xm1为编号为m的岩石样本第一个SiO2光谱指数，Xm2为编号为m的岩石样本第二个SiO2光谱指数，Xm3为编号为m的岩石样本第三个SiO2光谱指数，Xm4为编号为m的岩石样本第四个SiO2光谱指数。
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