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利用高光谱成像技术寻找新的矿床

来源:www.lustervision.com    日期:2018-06-13    点击次数:

地球上还有多少金矿能供我们开采?计算机和智能手机显示屏来说必备的原材料铟矿又有多少能供我们开采呢?未来几十年内,一些金属资源可能面临来源枯竭,现有地质勘探技术面临着巨大的升级压力。

就在这样的紧张时刻,谢天谢地高光谱来了。

光谱界的福尔摩斯

高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术,它将成像技术与光谱技术相结合,探测目标的二维几何空间及一维光谱信息,获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。

所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割,不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别,而是在光谱维度上也有N个通道。例如:我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此,通过高光谱设备获取到的是一个数据立方,不仅有图像的信息,并且在光谱维度上进行展开,结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据,还可以获得任一个谱段的影像信息。

▲以遥感测绘为例,经过光谱相机的拍摄,我们可以得到多张不同谱段的二维照片,将这些二维照片叠加,便可以得到一个数据立方体。由于每一张二维图像都对应一个特定的谱段范围。所以就可以准确的分辨像素对应的目标成分,而且光谱采样间隔越精细,可得到的物质信息也就越多。

高光谱成像技术可以让我们看到可见光、红外、紫外等波段在同一时刻下的同一物体图像,基于物质独特的光谱指纹,便可以分辨出物质成分等信息。

目前高光谱成像技术发展迅速,常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。

▲丹麦JAI公司出品的棱镜分光相机,拥有极高的色彩还原精度,已经广泛应用于色选、印刷、药物筛选、分选等领域。

实际上,多光谱、高光谱成像技术已经广泛的部署于卫星、无人机、飞机上,甚至已经诞生专门用于在地球上寻找更多更大价值矿藏的专用设备。

▲NASA/JPL提供的搭载于Terra卫星上的星载热量散发和反辐射仪(ASTER)高光谱图片。ASTER传感器分成三个独立的子系统,分别处于可见光/近红外、短波红外、热红外波段,能够提供14个通道覆盖0.52~11.65μm波段的图像。

从热气球到卫星

高光谱遥感成像经历过一段非常坎坷的历史。

最开始,地质学家和矿业公司的技术人员只能通过热气球或者飞机发回的可见光图像,根据经验判断地形和土壤,通过非常复杂的数学模型推导出可能存在矿物的大概位置。准确度非常低,非常不可靠。同时,受制于天气、日照角度所限,单纯通过可见光成像的方式已经逐渐不能满足生产力水平了。

直到二战开始后,大量的战争消耗促使各国纷纷开始探索新的勘探方法。于是人们发现,红外相机可以穿透恶劣天气,而且比传统可见光拍摄更容易识别土壤矿物。配合能够感知地下磁场从而定位地下深处的金属矿床的磁力计,测量重力加速度g推断地下金属矿藏的重力仪,可以相对准确地测量出大规模的矿藏。

冷战期间,为了保障有充足的的放射性矿物铀原料,美苏两国都大量使用了航空伽马能谱仪。专门用于测量地表岩石、土壤和大气中放射性核素钾、铀、钍的化学含量。配合可见光相机拍摄到的植被、露出地表的地质特征、地表纹理及含水量,综合判断出铀矿的准确埋藏位置及埋藏量。这一思想已经颇具现代高光谱遥感的模样。

21世纪后,航天技术的大规模发展,使得越来越多的小型移动高光谱设备能够经由卫星或无人机搭载。

▲由凌云与南京大学曹汛团队共同研发的高光谱视频相机,可提供无人机专用版本,轻巧便携,低功耗。

▲2014年,美国地质调查局在阿富汗的地质勘探中,运用高光谱遥感测绘技术发现的大矿藏,为阿富汗政府每年带来146万美元的税收。预计到2020年,该项收入将会上升至1千万美元。

天空上的火眼金睛

像大多数遥感技术一样,高光谱成像就是利用所有物体都会具有独特的光谱指纹。这些光谱指纹可能在可见光波段,也可能在不可见光波段。所以高光谱成像还能够揭示很多可见光谱中没有的细节,比如天然植物和非天然植物的区别、金属和塑料的区别

虽然目前黄金的数量过于稀少和分散,还无法用高光谱遥感的方式大规模探测。但是更多的常见矿物质都比较集中,如高岭石和砷,就非常适合了。又比如钻石行业,金伯利岩因富含金刚石和钻石闻名于世,而由火山盐城带到地表的金伯利岩管则非常容易的被空中的高光谱成像捕捉到,从而使得钻石开采成本更低。

▲科学家们在黄石公园拉玛尔山谷中收集了1999到2014年间的高光谱图像。通过对图像的一系列分析,我们可以非常直观的看到大自然是如何改变景观的。

与雷达不同,高光谱成像并不能穿透地面,也不能穿透植物或建筑物。但它可以与雷达相结合,使之更加有效率。

今天,高光谱成像遥感在矿产勘查方面已经应用的越来越多,许多矿物可以从航空影像中非常容易的鉴别出来,而它们中的一部分又与贵金属及贵重矿物有伴生关系,比如黄金和钻石。高光谱成像可以用来以极低的成本测绘大范围土地,缩小搜索范围,筛查有价值的矿藏。

高光谱成像这一多学科项目成果将有助于提高我们对于区域地质的认识,开发一个全新的预测性勘探模式,使得众多偏远地区也可以得到充分的勘察。精准的矿藏开发也可以帮助人类更好的保护地球资源以及周边生态环境。