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棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫

日期: 2020-05-28
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棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫

摘要:采礦后地區(qū)受到大規(guī)模和嚴(yán)重的干擾,會對周圍生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。原本的生態(tài)系統(tǒng)被破壞,而植樹造林可以恢復(fù)這些生態(tài)系統(tǒng)。但其成功和速度取決于所挖出棄土基質(zhì)的特性。熱紅外遙感為棄土基質(zhì)的標(biāo)測和分類帶來了優(yōu)勢,從而確定了其特性。棄土基質(zhì)庫包含光譜發(fā)射率(Designs?and?Prototypes?Model?102便攜式FTIR光譜儀)和化學(xué)性質(zhì),可以促進(jìn)遙感活動。該研究提供了從捷克共和國褐煤開采場提取的棄土基質(zhì)發(fā)射率的光譜庫。通過干燥和篩分將提取的樣品均質(zhì)化。每個樣品的光譜發(fā)射率通過光譜平滑算法來確定,該算法適用于傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀測得的數(shù)據(jù)。同時測量了每個樣品的化學(xué)參數(shù)(pH、電導(dǎo)率、Na、K、Al、Fe、灼燒損失和多酚含量)和毒性。本文中光譜基因庫以地理坐標(biāo)的形式提供了獲取位置的有價值的信息,呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)本質(zhì)上是唯一的,可以在長波紅外電磁頻波中為許多遙感活動提供服務(wù)。


1總結(jié)

露天采礦過程中,煤層上方大量的基質(zhì)被清除并重新堆放,覆蓋了廣闊的區(qū)域,這些從幾百米深處挖出的材料被稱為棄土基質(zhì)。其物理和化學(xué)特性會發(fā)生變化,異質(zhì)性很大程度上受地質(zhì)及采礦和堆放方法的影響,由于這個原因,基質(zhì)與最近的土壤有很大的不同。它們有極端的pH值,高濃度的重金屬、多酚(即煤分解產(chǎn)物)和鹽含量。這些性質(zhì)會影響采礦后地區(qū)植被發(fā)展的成功和速度。因此,在土地修復(fù)中,我們需要了解棄土基質(zhì)的性質(zhì)和分布。

熱紅外遙感是監(jiān)測采礦后地區(qū)的有利工具。地表發(fā)射率(LSE)可用于棄土基質(zhì)的分類。利用LSE的光譜分析可以估計其物理和化學(xué)特性。地表溫度(LST)與土壤水分密切相關(guān),對新生態(tài)系統(tǒng)的建立是重要的。在進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐恋亻_墾時,需要這些信息??赡馨ɑ|(zhì)機(jī)械處理,例如開溝以調(diào)節(jié)水分狀況、化學(xué)處理以及適宜樹種的選擇。

LST和LSE耦合,因此沒有LSE的知識,無法得到LST。這些量無法從輻射量測量中明確獲得。原因是通過觀察N個波段的輻射,可以得到N個未知的發(fā)射率加上一個未知的溫度,這樣的方程組是不確定的(未知變量>已知變量)。幾個算法可以解決這個問題,這些算法或需要事先了解LSE,或?qū)SE估算作為其輸出的一部分??梢岳霉庾V發(fā)射率庫:①確定LST;②材料的分類;③LSE驗證機(jī)載和衛(wèi)星熱遙感數(shù)據(jù)。

該項工作描述了捷克共和國Sokolov,Chodov,Bílina和Ustí nad Labem鎮(zhèn)附近的褐煤開采場(圖1)的棄土基質(zhì)發(fā)射率光譜庫。光譜庫包括發(fā)射率,水中KCl,土壤pH,土壤電導(dǎo)率,KCl中可溶性Na和K,Al和Fe含量,灼燒損失和多酚含量。所有樣品的物理、化學(xué)參數(shù),經(jīng)度和緯度,共24個樣品。樣品分析前,通過混合和篩分使其均質(zhì)化。使用傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀在室外培養(yǎng)皿中進(jìn)行發(fā)射率檢索數(shù)據(jù)收集。樣品發(fā)射率通過光譜平滑算法來估計。

棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫

本文還使用可見光、近紅外、短波紅外和長波紅外區(qū)域的機(jī)載高光譜掃描儀(AHS)映射了采礦現(xiàn)場,以進(jìn)行礦物分類。從AHS獲得的光譜發(fā)射率和基因庫中提取的光譜如圖2所示。使用加權(quán)平均值針對AHS響應(yīng)函數(shù)對庫中的樣品光譜進(jìn)行重采樣。樣品11和19光譜形狀上表現(xiàn)出一致性。樣品12在樣帶3和4之間表現(xiàn)出偏差。AHS像素大小5×5 px,像素不是純凈的。因此,礦物成分比采集的樣品復(fù)雜。幅度上的差異可以解決,以防止不正確的大氣校正或飛行期間不同土壤狀態(tài)。

棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫

2 使用說明

所有樣品均包含不同數(shù)量和類型的黏土礦物,由其光譜發(fā)射率特征證明。圖3顯示了來自光譜庫棄土樣品的3個例子??梢詫⑦@些光譜與從亞利桑那州立大學(xué)光譜庫和ASTER光譜庫相似材料的光譜進(jìn)行比較。樣品02是主要由高嶺石組成的黏土,在8.90,9.44,9.90和11.00μm處有明顯下降。樣品06是沙子和粘土結(jié)合的煤。該樣品的發(fā)射率光譜包含8.47和8.83μm處高嶺石特征和石英特征的混合。樣品33是富含蒙脫石的膨潤土。蒙脫石的光譜發(fā)射率在9.43μm有典型的下降。棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫也包括圖像。該圖像提供了庫中所有樣品的預(yù)覽,類似于圖3所示的圖像。

棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫

3 Model 102傅立葉變換熱紅外光譜輻射儀

特點:

1)?重量輕,獨立外形設(shè)計;

2)?具熱穩(wěn)定干涉儀;

3)?單機(jī)操作、內(nèi)置PC計算機(jī);

4)?校準(zhǔn)的輻亮度、溫度和發(fā)射率野外現(xiàn)場測量;

5)?USB,以太網(wǎng)和VGA接口;

6)?帶有熱穩(wěn)定黑體的輸出標(biāo)定(可選項);

7)?通過透鏡鏡頭直接觀測目標(biāo);

8)?高靈敏度、高通量;

9)?全日光可讀LCD顯示屏;

10)屏幕上實時顯示光譜和數(shù)學(xué)處理結(jié)果;

11)供電:野外便攜電池、點煙器或通過AC供電電源;

技術(shù)參數(shù):

1)光譜范圍:2-16 μm

2)光譜分辨率(FWHM):4 cm-1;

3)尺寸(LxWxH):36×20×23 cm;

4)重量:7 kg

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棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫

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