楊 恩，王世博

1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 徐州 221116 2.中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116

引 言

煤炭是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的主要能源和重要原材料，利用先進的科技手段高效、綠色、安全地探測和開發(fā)煤炭具有重要的意義。高光譜遙感作為一種可見-近紅外波段光譜分辨率較高、地物探測更為精確的遙感技術(shù)，近年來已在煤礦區(qū)的煤炭資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了一定的研究和應(yīng)用[1-3]。由于地物的反射光譜特征具有方向性，即地物的反射光譜特征隨探測器探測角度的變化而變化，因此獲得地物的方向反射光譜特征是實現(xiàn)地物高光譜遙感精確識別結(jié)果的重要基礎(chǔ)[4-7]。獲得煤、矸石、植被、水體等地物的方向反射光譜特征對于煤礦區(qū)高光譜遙感更為精確的探測結(jié)果具有重要作用。

目前，為校準(zhǔn)機載和衛(wèi)星傳感器對地物的高光譜遙感數(shù)據(jù)，同時為提供地面尺度的地物反射光譜數(shù)據(jù)，已有多位學(xué)者測定了多種地物的方向反射光譜特征，并采用了不同的測量裝置。Knowles-Middleton等[4]最早采用了一個封閉的半圓形盒子，里面設(shè)有鏈傳動軌道，通過光電倍增管輸出電壓測定了雪面定向反射特征。Schopfer等[8]采用雙視角測角支架和兩臺ASD FieldSpec-3光纖光譜儀測定了人造地物的方向反射光譜特征。Cloutis等[5]采用ASD FieldSpec Pro HR光纖光譜儀、準(zhǔn)直光源、測角儀等裝置測定了碳質(zhì)球粒隕石的方向反射光譜特征。趙子傑等[6]采用ASD FieldSpec-3光纖光譜儀、NENULGS角度測量系統(tǒng)等測定了沙地表面的方向反射光譜特征。路鵬等[7]為研究月球表面主要礦物的方向反射特征，采用ASD FieldSpec-3 Hi-Res光譜儀測定了斜長石和單斜輝石的方向反射光譜特征。以上文獻報道了對于巖石、礦物、植被、水體、人造物等地物的方向反射光譜特征的研究，然而煤作為露天煤礦等煤礦區(qū)的主要地物，鮮有文獻報道相關(guān)煤的方向反射光譜特征。研究典型煤的方向反射光譜特征將為礦區(qū)煤炭高光譜遙感最優(yōu)探測幾何的選擇、煤炭資源精準(zhǔn)探測等提供參考。

選取了我國無煙煤、煙煤、褐煤三大類煤中的無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號4種典型煤樣，利用方向反射測量球坐標(biāo)實驗裝置測定了每種煤半球空間各個反射方向的近紅外波段(1 000～2 500 nm)反射光譜曲線，獲得了每種煤特征波長處反射率的空間分布特征，分析了每種煤前向反射(180°探測方位角)和后向反射(0°探測方位角)特征波長反射率的變化規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 煤樣處理

從寧夏汝其溝煤礦、山東東風(fēng)煤礦、山東興隆莊煤礦、吉林舒蘭煤礦分別收集了無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號4種典型煤樣各1塊。將每種煤樣切割成10 cm×10 cm×5 cm的方體試樣，并對其中一側(cè)10 cm×10 cm表面打磨平整，采集此表面反射光譜后，將此表面煤樣切割下來碾成粉末，取其中一部分粉末依次進行工業(yè)分析、煤灰X射線熒光(XRF)分析，其中XRF分析所用儀器為德國Bruker Spectrometer S8 Tiger。按煤階由高到低順序排列，4種煤的空氣干燥基固定碳、揮發(fā)分、灰分、水分工業(yè)分析結(jié)果及煤灰XRF分析結(jié)果如表1所示。

表1 4種典型煤樣的主要成分Table 1 Main compositions of the four typical coal samples

1.2 煤近紅外方向反射光譜測定

如圖1所示，搭建方向反射測量球坐標(biāo)實驗裝置，該裝置主要由球坐標(biāo)支架、100 W鹵鎢燈光源、準(zhǔn)直鏡、Y型石英光纖、650 nm激光器、PTFE參照白板、荷蘭Avantes AvaSpec近紅外光纖光譜儀、采集計算機組成，其中近紅外光纖光譜儀波長范圍為1 000～2 500 nm，Y型光纖合并端連接準(zhǔn)直鏡，一個分支端連接光譜儀用于光譜數(shù)據(jù)采集，另一個分支端連接激光器用于指示探測位置，準(zhǔn)直鏡固定于球坐標(biāo)支架反射角滑軌用于收集反射光。

圖1 煤方向反射實驗臺及光譜采集示意圖(a)：方向反射測量球坐標(biāo)實驗裝置；(b)：煤方向反射光譜采集示意圖Fig.1 Directional reflection platform and spectra acquisition diagram for coal(a)：Spherical coordinate device for directional reflection measurment; (b):Directional reflectance spectra acquisition diagram for coal

對于每種煤塊樣，方向反射測量球坐標(biāo)實驗裝置采用鹵鎢聚光燈模擬太陽照射試樣被測表面，鹵鎢燈光束入射方向固定，其方位角為0°，入射角為45°，準(zhǔn)直鏡探頭模擬試樣反射光譜探測接收器，其接收方位角(φ)設(shè)定0°，45°，90°，135°和180° 5個位置，每個方位角下設(shè)定0°，15°，30°，45°，60°和75° 6個接收反射角(θo)，光源照射距離和準(zhǔn)直鏡探測距離均為0.5 m，即對于每種試樣共采集30個探測方位的反射光譜數(shù)據(jù)。在任一探測方向，測定試樣被測表面內(nèi)不同區(qū)域反射光譜數(shù)據(jù)，取其均值作為試樣在該探測方向的反射光譜數(shù)據(jù)。按對稱取試樣在180°～360°方位角相應(yīng)探測方位的光譜數(shù)據(jù)[6-7]，以此獲得每種煤樣近似半球空間各反射方向的近紅外波段反射光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤近紅外方向反射光譜曲線特征

實驗所得無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號4種典型煤樣表面各探測方位角(φ)下各反射角(θo)方向的近紅外波段(1 000～2 500 nm)光譜反射率曲線分別如圖2、圖3、圖4、圖5所示(兩端邊緣波段1 000～1 049和2 450～2 500 nm光譜曲線受光譜儀暗電流影響，噪聲較大，圖中已去除)。對于同一種煤，不同探測方向的近紅外光譜曲線表現(xiàn)出了基本相似的波形，但整體反射率大小和局部波形特征有一定的差異性。受反射能量越多，接收信噪比越高的影響，所得反射光譜曲線具有隨整體反射率升高，光譜吸收谷特征更加明顯的規(guī)律。同時，4種煤樣按煤階由高到低順序，各探測方向近紅外反射光譜波形整體上符合吸收谷特征增多、反射率增大的趨勢[9-10]。

圖3 貧煤各位角(φ)下的近紅外反射光譜曲線(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°Fig.3 Near-infrared spectral reflectance curves of meager coal under different azimuth angles (φ)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°

如圖2(e)、圖3(e)、圖4(e)、圖5(e)所示，在180°探測方位角，即前向反射方向時，4種煤樣均表現(xiàn)出隨探測反射角變化，反射光譜曲線變化較為明顯、強度差異較大的特征，整體規(guī)律為隨反射角增大，反射光譜曲線上升。而在0°探測方位角，即后向反射方向，如圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)、圖5(a)所示，4種煤樣均表現(xiàn)出隨探測反射角變化，反射光譜曲線變化相對不明顯、強度差異較小的特征，無煙煤一號后向反射光譜曲線整體最大反射率出現(xiàn)在15°反射角附近，貧煤、氣煤、褐煤二號后向反射光譜曲線整體最大反射率均出現(xiàn)在45°～60°反射角附近。

如圖2(b—d)、圖3(b—d)、圖4(b—d)、圖5(b—d)所示，45°，90°，135° 3個方位角下，4種煤樣反射光譜曲線強度無明顯的隨反射角變化規(guī)律。

圖4 氣煤各方位角(φ)下的近紅外反射光譜曲線(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°Fig.4 Near-infrared spectral reflectance curves of gas coal under different azimuth angles (φ)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°

圖5 褐煤二號各方位角(φ)下的近紅外反射光譜曲線(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°Fig.5 Near-infrared spectral reflectance curves of No.2 lignite under different azimuth angles (φ)(a)：φ=0°；(b)：φ=45°；(c)：φ=90°；(d)：φ=135°；(e)：φ=180°

2.2 煤近紅外特征波長反射率空間分布特征

煤在近紅外波段的反射光譜吸收谷特征主要受其所含的水分、礦物、有機成分的影響。煤中的水分在1 400和1 900 nm波長附近有吸收谷特征[10-13]。煤中的主要礦物成分最為常見的有黏土礦物、石英，黏土礦物中—OH、石英結(jié)合H2O也對煤1 400和1 900 nm波長附近的吸收谷特征產(chǎn)生影響，同時黏土礦物中的Al—OH對煤2 200 nm波長附近的吸收谷特征產(chǎn)生主要影響[10-12]。煤有機成分中脂肪側(cè)鏈CH3、CH2、芳香結(jié)構(gòu)C—H等彎曲、伸縮振動的合頻、倍頻，所產(chǎn)生的近紅外波段反射光譜吸收谷特征主要出現(xiàn)在1 700和2 300 nm波長附近[11,14]。基于以上主要成分對煤近紅外波段反射光譜吸收谷特征的影響，選取每種煤樣在半球空間各方向近紅外反射光譜的1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個特征波長處的反射率進行分析，得到無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號特征波長處的反射率空間分布極坐標(biāo)云圖，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6、圖7、圖8、圖9中各特征波長處反射率空間分布極坐標(biāo)云圖表明4種典型煤在近紅外波段各特征波長處均表現(xiàn)出了一定的雙向反射特征。180°探測方位角前向反射時，在各特征波長處4種典型煤均表現(xiàn)出了較明顯的反射熱點特征，即在某個方向反射能量較大，在反射率空間分布極坐標(biāo)云圖中，這個方向的顏色相對于周圍其他方向的顏色更趨向于暖色(紅色)，故此，稱其為熱點。整體上反射角越大，反射熱點特征越明顯。而0°探測方位角后向反射時，在各特征波長處4種典型煤均表現(xiàn)出了相對較弱的反射熱點特征，整體表現(xiàn)為無煙煤一號后向反射熱點相對于貧煤、氣煤、褐煤二號更為明顯，貧煤、氣煤、褐煤二號按煤階降低的順序，后向反射熱點特征整體上逐漸變明顯。

如圖6、圖7、圖8所示，無煙煤一號、貧煤、氣煤3種煤中，同一種煤在各特征波長間表現(xiàn)出了相似的反射率分布特征，其中無煙煤一號在后向反射方向15°反射角附近出現(xiàn)局部熱點；貧煤在后向反射方向45°反射角附近出現(xiàn)局部熱點，前向反射方向40°反射角附近出現(xiàn)局部熱點；氣煤在前向反射方向50°反射角附近出現(xiàn)局部熱點。如圖9所示，褐煤二號在1 400，1 700和1 900 nm 3個特征波長處表現(xiàn)出相對較明顯的后向反射特征，后向反射方向45°～60°反射角附近出現(xiàn)局部熱點，2 200和2 300 nm 2個特征波長處的后向反射特征相對不明顯。此外，褐煤二號還在1 400，1 700和1 900 nm 3個特征波長處，90°和270°方位角的45°反射角方向附近出現(xiàn)局部熱點。

圖6 無煙煤一號特征波長(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.6 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of No.1 anthracite(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

圖7 貧煤特征波長(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.7 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of meager coal(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

圖8 氣煤特征波長(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.8 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of gas coal(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

圖9 褐煤二號特征波長(λ)反射率極坐標(biāo)云圖(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nmFig.9 Polar nephograms of reflectance at characteristic wavelengths (λ)of No.2 lignite(a)：λ=1 400 nm；(b)：λ=1 700 nm；(c)：λ=1 900 nm；(d)：λ=2 200 nm；(e)：λ=2 300 nm

根據(jù)前述4種典型煤樣近紅外反射光譜曲線隨整體反射率升高，光譜吸收谷特征更加明顯的規(guī)律，優(yōu)先選擇煤特征波長反射率空間分布極坐標(biāo)云圖局部熱點所處的探測方向作為高光譜遙感傳感器對礦區(qū)煤炭的最佳探測方向。

2.3 煤近紅外特征波長反射率-反射角相關(guān)性

由煤近紅外特征波長反射率空間分布特征可知，在180°探測方位角前向反射方向和0°探測方位角后向反射方向，隨反射角變化煤有較復(fù)雜的反射強度分布，然而這兩個探測方向同時又是地物反射光譜探測中主要使用的探測方向[5-7]。據(jù)此，進一步研究4種典型煤前、后向反射光譜探測中特征波長處反射率與反射角的關(guān)系。在前向反射方向和后向反射方向，對每種煤在1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個特征波長處進行反射率與反射角的相關(guān)性分析，如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

從圖10、圖11、圖12、圖13中4種煤特征波長反射率-反射角分布點可知，在前向反射時，4種煤均呈現(xiàn)隨反射角增大，特征波長反射率整體上增大的趨勢；在后向反射時，4種煤均呈現(xiàn)隨反射角增大，特征波長反射率整體上先增大后減小的趨勢。在前向反射時，如圖10(a)、圖11(a)、圖12(a)、圖13(a)所示，采用線性函數(shù)擬合每種煤特征波長反射率與反射角關(guān)系；在后向反射時，如圖10(b)、圖11(b)、圖12(b)、圖13(b)所示，采用高斯函數(shù)擬合每種煤特征波長反射率與反射角關(guān)系。4種煤前向反射和后向反射所用兩種擬合方法的擬合方程決定系數(shù)均大于0.75。

圖10 無煙煤一號特征波長反射率-反射角(θo)回歸曲線(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.10 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of No.1 anthracite(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

圖11 貧煤特征波長反射率-反射角(θo)回歸曲線(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.11 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of meager coal(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

圖12 氣煤特征波長反射率-反射角(θo)回歸曲線(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.12 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of gas coal(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

圖13 褐煤二號特征波長反射率-反射角(θo)回歸曲線(a)：前向反射；(b)：后向反射Fig.13 Regression curves of reflectance-reflection angle at characteristic wavelengths of No.2 lignite(a)：Forward direction;(b)：Backward direction

此外，4種煤后向反射高斯函數(shù)擬合曲線波峰所對應(yīng)反射角與特征波長反射率空間分布云圖中后向反射熱點所在反射角范圍基本一致，并且高斯函數(shù)曲線波峰呈現(xiàn)出隨煤階降低向較大角度移動的規(guī)律。

3 結(jié) 論

針對露天煤礦、堆煤場等煤礦區(qū)地表的高光譜遙感精準(zhǔn)煤炭資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等問題，獲得了典型煤的近紅外方向反射光譜特征，所得結(jié)論如下：

(1)無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號4種典型煤，每種煤各方向近紅外波段反射光譜曲線波形相似，但整體反射率大小和局部波形特征具有差異性，表現(xiàn)為反射率越大，吸收谷越明顯。隨反射角增大，4種煤在前向反射方向各波段反射率均增大，在后向反射方向各波段反射率變化較小。

(2)在近紅外波段1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個特征波長處反射率空間分布中，無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號均具有雙向反射特征，在前向反射方向，均表現(xiàn)出明顯的反射熱點；在后向反射方向，反射熱點均較弱，其中無煙煤一號相對最明顯，貧煤、氣煤、褐煤二號按煤階降低順序，逐漸變明顯。

(3)無煙煤一號、貧煤、氣煤、褐煤二號在近紅外波段1 400，1 700，1 900，2 200和2 300 nm 5個特征波長處的方向反射率，前向反射時，均隨反射角增大而增大，近似為反射角的線性函數(shù)；后向反射時，均隨反射角增大而先增大后減小，近似為反射角的高斯函數(shù)。