利用高光譜成像尋找新礦床

地球上還有多少黃金有待開采?電腦和智能手機顯示屏所必需的不太為人所知的元素銦怎么樣?由于一些必需金屬的已知來源將在未來幾十年內面臨枯竭，因此尋求現有采礦勘探技術的替代品面臨著更大的壓力。我們如何才能更輕松地大規模找到所需的存礦?在地球上?那么在太空中呢?

來源：NASA / JPL - 先進星載熱發射和反射輻射計 (ASTER)

多光譜成像已經用于衛星、無人機和飛機系統，以尋找地球上新的有價值的礦藏，并且它也開始用于太空!

下一步可能是高光譜成像。礦產行業對現有高光譜系統的常規使用受到以下因素的阻礙：工業用系統不可用、高光譜數據(如果可用)與典型多光譜數據相比成本較高，以及需要對高光譜數據處理進行額外研究。

遠程成像在勘探中的應用由來已久。在最基本的層面上，地質學家和勘探者只需將相機從飛機(首先是氣球，然后是飛機，現在是無人機)上伸出來拍攝下面的地面照片，收集有關地形和土壤的信息，這些信息可能會揭示(?)礦物的位置。借助一些復雜的數學，可以從這些照片中得出詳細的地圖。如今，遙感已成為快速、直接獲取地球表面信息的最重要方法之一。

但可見光譜攝影本身就有局限性——天氣、日光，以及他們要尋找的大部分東西都隱藏在地下的簡單事實。很多事情都需要推斷。直到第二次世界大戰后，新的傳感方式才開始發揮作用，戰爭期間開發的技術隨后被應用于商業應用，這將成為現代航空礦物勘探的標志。紅外相機可以比傳統攝影更好地穿透惡劣的天氣條件，并且更容易識別土壤的礦物質含量。磁力計可以感知地球磁場的擾動，從而精確定位地下深處的金屬礦床。重力計通過測量地球引力來發揮作用，地球引力根據各種地下礦藏的位置而略有不同。機載伽馬射線光譜儀是在 20 世紀 60 年代開發的，當時冷戰的深化確保了對鈾等放射性礦物的大量需求。雷達具有許多與紅外膠片相同的優點，但可以透過有限的植被，揭示地下的地質特征，無論白天還是晚上，包括表面紋理和水分含量。

將成像系統從飛機轉移到衛星也帶來了全新的可能性。政府的支持對于這項技術的啟動至關重要。目前的技術包括美國的陸地衛星專題測繪儀和增強型專題測繪儀多光譜成像儀以及法國航天局開發的高分辨率全色成像技術(SPOT)。

2014 年，美國地質調查局在阿富汗開展了此類高科技礦物測繪工作

進入高光譜成像

雖然這些不同方法的數據非常有用，但它仍然沒有提供成像的細節。視覺范圍內的成像根本無法提供采礦業所需的細節和信息。進入高光譜成像，由 NASA 提供。該技術最初由噴氣推進實驗室于 20 世紀 70 年代末開發，使 NASA 能夠將高光譜成像設備安裝在發送到木星和土星的衛星中。雖然有一些私營公司建造了自己的高光譜相機，但當美國宇航局向研究人員和企業家提供這項技術時，它才真正起飛，甚至提供資助來測試該技術的現實世界有效性，其中包括向黃石生態系統研究提供資助。

“在這種類型的攝像機面前隱藏東西是很困難的?！迸c大多數遙感技術一樣，高光譜成像利用了這樣一個事實：所有物體都擁有基于它們吸收和反射的可見光和不可見光波長的獨特光譜指紋。這揭示了可見光譜中無法獲得的許多細節，例如代表天然植物的綠色與非天然植物(例如塑料和金屬)之間的差異。綠色塑料與可見光譜之外的天然植被具有不同的反射特性——即使是掉落或砍斷的樹枝也與生長的植被具有不同的指紋。

商業影響將是巨大的，特別是在礦產勘探領域。雖然黃金的含量太少，無法用任何現有技術檢測到，但更常見的礦物，如高嶺石和砷，它們是一些相同地質過程的產物，在開闊的景觀中清晰可見，就像美國西部大部分地區的情況一樣或澳大利亞沙漠。對于鉆石行業來說，金伯利巖管(將鉆石帶到地表的火山巖層)很容易通過高光譜成像從空中識別。

科學家們在 1999 年至 2014 年間收集了黃石國家公園拉馬爾谷的高光譜圖像

與雷達不同，高光譜技術無法穿透地下、植被或建筑物。但它可以與雷達結合使用，使其更加有效。進一步的整合可以更準確地了解地球表面及其下面的秘密。LIDAR是一種更加精確的地形測繪系統，所有系統都集成了 GPS 數據，從而無需進行昂貴的地面測量或圖像關聯。

數據需求量大，給每個組織的計算能力帶來很大壓力。例如，當 NASA 使用高光譜成像來調查科羅拉多州萊德維爾16 平方英里的超級基金站點時，它節省了多年的地面工作時間，僅用了 45 秒的衛星成像時間。盡管如此，我們又花了 10 個月的時間來處理這些數字。只有隨著更強大的計算機的發展，這種成像才被帶出實驗室。廣泛使用的計算平臺中計算能力和存儲容量的快速增長使得能夠在礦產勘探作業所需的時間范圍內處理來自機載儀器的非常大的數據集、太字節和艾字節的信息。

高光譜遙感數據和用于表征阿拉斯加礦產資源調查

該項目的目標是使用成像光譜學來定義選定礦床的地質足跡，并將這些知識區域性地推斷到尚未充分表征的區域。預計這個多學科項目的結果綜合將增強我們對區域地質學的理解，并用于開發預測勘探模型，用于識別阿拉斯加和世界類似偏遠地區的賤金屬和貴金屬礦床。

如今，高光譜成像在礦物勘探方面已經非常發達。許多礦物可以從空中圖像中識別出來，并且它們與黃金和鉆石等有價值礦物的存在之間的關系是眾所周知的。高光譜成像可用于繪制大片土地地圖并縮小有價值礦藏的搜索范圍。在某些情況下，高光譜成像可用于查明感興趣的特定礦物，但也可以定位指示有價值礦床附近位置的指示礦物。

看得更深入、更期待

這些新數據需要對地球上流體的運動有新的認識。特定的有價值礦物的位置之間有什么關系?增強的水文模型對于未來的礦產勘探至關重要。這也與有效關閉已完成生命周期的地雷有關。開采時對環境影響最小的礦床模型(例如沒有產酸能力的礦床)以及可用于創新原位提取的礦床模型對于未來非常重要。

技術已經發展到現在可以通過某些礦物系統的二維分析來預測三維圖像。這項技術的改進可以確定礦石中的釋放情況，從而消除過度研磨并減少能源消耗和細粒顆粒的過度損失。

目前，高光譜技術，特別是星載系統，正在解決許多研究挑戰。其中包括開發具有足夠信噪比光譜分辨率的焦平面來解析重要的礦物種類，以及以 10 米空間分辨率獲取數據同時保持 10 公里最小測繪帶寬度的能力。焦平面還必須結構緊湊、重量輕、具有精確的指向能力，并且足夠堅固以維持長時間太空飛行的校準。

礦產行業對現有高光譜系統的常規使用受到以下因素的阻礙：工業用系統不可用、高光譜數據(如果可用)與典型多光譜數據相比成本較高，以及需要對高光譜數據處理進行額外研究。還有很多工作要做。在許多國家，國家政府正在資助、公司正在投資系統開發和部署以及高光譜數據分析的基礎研究，以確保這些新技術對礦產勘探行業以及采礦業有用。廣泛的其他用戶，包括土地利用規劃者和環境科學家。