Impact of Environmental Factors on the Spectral Characteristics of Lava Surfaces: Field Spectrometry of Basaltic Lava Flows on Tenerife, Canary Islands, Spain

Li, Long; Solana, Carmen; Canters, Frank; Chan, Jonathan C.-W.; Kervyn, Matthieu

doi:10.3390/rs71215864

开放式访问第条

环境因素对熔岩表面光谱特征的影响：西班牙加那利群岛特内里费岛玄武岩熔岩流现场光谱

¹

比利时布鲁塞尔1050普莱恩2号布鲁塞尔Vrije大学地球系统科学地理系

²

中国矿业大学环境科学与空间信息学院，徐州大学路1号，邮编：221116

^三

英国朴茨茅斯PO1 3QL伯纳比路伯纳比大厦朴茨茅思大学地球与环境科学学院

⁴

比利时布鲁塞尔1050普莱恩2号布鲁塞尔Vrije大学地理系制图和地理信息系统研究小组

⁵

比利时布鲁塞尔1050 Pleinlan 2布鲁塞尔Vrije大学电子与信息系

^*

信件应寄给的作者。

远程传感器。 2015,7(12), 16986-17012;https://doi.org/10.3390/rs71215864

收到的提交文件：2015年8月31日/修订日期：2015年12月1日/接受日期：2015年12月9日/发布日期：2015年12月16日

（本文属于特刊火山遥感)

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版本注释

摘要

:

我们报道了西班牙特内里费岛玄武岩熔岩流的光谱反射率测量。使用350-2500 nm范围内的现场光谱辐射计系统测量了不同年龄、表面粗糙度和海拔的熔岩流表面。记录每个测量点的表面粗糙度、氧化和苔藓覆盖率。光谱特性随熔岩的年龄和形态而变化。没有生物覆盖的史前熔岩在400–760 nm范围内的光谱反射率显著增加，在2140–2210 nm范围内有所下降。Pʻhoehoe表面的反射率值高于a᭗aʺn表面，并且在波长<760nm时达到最大反射率。地衣覆盖熔岩具有多种地衣相关吸收和反射特征。我们证明氧化和地衣生长是控制特内里费熔岩表面光谱的两个主要因素，因此，提出了氧化指数和地衣指数来量化熔岩流的表面变化：（1）氧化指数基于光谱剖面斜率从蓝色到红色的增加，因为现场观察到的氧化水平增强；地衣指数基于1660～1725nm范围内的光谱反射率，这与野外记录的地衣覆盖率高度相关。这两个光谱指数分别用于研究区域的Landsat ETM+和Hyperion图像，以绘制熔岩表面的氧化和地衣覆盖图。Hyperion被证明能够辨别不同的火山表面，即，特弗拉与。熔岩和氧化熔岩与。地衣覆盖的熔岩。我们的研究强调了现场光谱测量的价值，有助于使用卫星图像解释熔岩流特征，以及环境因素对熔岩表面随时间演变的影响，因此，有可能为熔岩表面的测绘和定年做出贡献。

关键词：

熔岩流表面;野外光谱测定法;风化;氧化;地衣;Hyperion公司;特内里费岛

图形摘要

1.简介

火山爆发对人类及其活动构成持续威胁。熔岩流是最常见的火山灾害之一，例如[1,2]. 熔岩侵位是一个重要的建设性地质过程，它创造和重新形成地壳，有助于重塑自然景观，但也对人类活动产生直接和持久的影响。为了评估熔岩流造成的危害和长期影响，至关重要的是要了解喷发重现期等方面，绘制过去喷发覆盖的区域，并描述熔岩流表面在侵位后的演变。

遥感技术在研究火山表面、其就位过程和环境影响方面发挥着重要作用。目前对熔岩的遥感研究主要侧重于监测和绘图，例如[三,4]. 热观测通常用于通过探测和表征热点来监测潜在的和正在进行的火山活动，例如[5,6,7,8,9,10]. 在可见光到近红外、热红外范围内获取的卫星数据以及雷达信号已被证明可用于绘制熔岩流图[11,12,13]. 其他研究强调了区分风化熔岩甚至确定其相对年代的可能性[14,15,16]. 所有这些应用都依赖于火山表面的特定物质光谱响应，这可能在空间和时间上都有所不同。提高对熔岩表面光谱的理解有助于更好地解释卫星图像上记录的火山区光谱，从而促进实现我们的长期目标，即绘制熔岩流的年代。鉴于一些研究已经调查了控制熔岩在热红外和雷达波长范围内对比特征的因素[14,17,18,19]，只有有限的注意力致力于揭示控制熔岩流场中可见到近红外范围内观察到的巨大光谱对比度的因素。因此，有必要建立熔岩表面的光谱库，了解它们的光谱行为，描述这种光谱行为在空间和时间上的变化，并研究哪些流动特征或环境因素影响这些变化。

卫星遥感地表光谱反射率的表征受到光谱范围和分辨率的限制(即以及图像的空间分辨率。然而，多光谱图像可以在非常高的空间分辨率下获得（例如昴宿星团，0.5–2米[20])，高光谱卫星数据的空间分辨率仍然很低（例如Hyperion，30 m[21,22])因此，光谱混合是一个主要问题。不同成分熔岩的光谱反射率也已用分米大小样品的实验室光谱法记录下来[15]. 对于可进入的火山地形，现场光谱法提供了一种有用的替代方法，用于表征对比熔岩表面的光谱反射率，并记录其在不同空间尺度上的空间变化[21].

熔岩流的高光谱分析，特别是在可见光和短波红外区域，是罕见的，并且仅限于少数火山。在实验室中收集了夏威夷熔岩的光谱反射率，并用于区分不同年龄组的熔岩流[15]. 埃特纳火山表面已根据现场光谱记录，包括年代测定、新鲜、蚀变和氧化熔岩表面的反射光谱[21,23,24]. 然而，所有之前的研究都是基于有限数量的光谱测量，并不能代表熔岩流表面内部和之间光谱反射率的空间变异性。早期的工作也没有系统地研究影响测量反射率光谱的环境因素和表面条件。

由于熔岩表面长期暴露在环境中，问题是熔岩流的光谱是否以及如何随时间变化。例如，对尼亚穆拉吉拉火山的研究表明，在潮湿的热带气候中，植被定居通过增加近红外波段的光谱响应，对老化熔岩流的光谱产生了重大影响[20,22]. 熔岩流的光谱反射率也受到地衣覆盖物的影响[25,26]和化学风化[26,27,28,29,30]. 与熔岩光谱相比，地衣具有较高的反射率，在特定波长下有几个最小值和最大值（例如[31,32,33]). 因此，熔岩上覆盖的地衣会改变熔岩光谱的模式[24,33]. 暴露在环境中也会促进熔岩的化学风化。这是一个由多种因素控制的复杂过程，如气候、地形、岩性、植被覆盖、熔岩年龄以及熔岩流侵位动力学导致的表面粗糙度（例如[28,30]). 尽管有报道称，随着时间的推移，氧化会增加光谱可见部分反射率曲线的斜率[15]熔岩光谱如何逐渐受到其他表面特征和环境条件的影响（例如，表面粗糙度[8,14,16])以及这种理解在多大程度上以及如何有助于改进熔岩流场的自动绘图和相对年代测定，这些都是有待研究的重要问题。

为了有助于实现利用熔岩表面时空光谱变化改进绘图和相对测年的总体目标，本研究评估了环境因素对熔岩表面光谱特征的控制。具体目标是：（1）使用现场光谱学收集熔岩表面光谱的大型数据集，代表熔岩流表面内部和之间光谱反射率的空间变异性；（2）调查就地影响测量反射率光谱的环境因素和表面条件，尤其是特定年龄的方面，如氧化程度和地衣覆盖率，以及与时间无关的表面粗糙度；比较和分析熔岩表面的野外和卫星反射率测量之间的相关性。

2.研究区域

特内里费岛是加那利群岛七个火山岛中最大的一个，位于大西洋中，远离非洲摩洛哥西海岸（插图图1a） ●●●●。特内里费岛属亚热带气候，全年日照量高，平均温度在19°C至25°C之间。由于信风和岛上地形的影响，海拔600–1800 m的北坡降雨量最多（年降雨量>500 mm），而南侧和西侧则更温暖、更干燥（<300 mm）[34]导致植被覆盖减少。此外，该岛中部有拉斯卡纳达斯火山口和泰德层火山（位于海拔2000米以上），这些海拔较低的温度阻碍了植被的生长[35].

特内里费岛是一个复杂的火山岛，其特点是喷发和爆发[36]. 历史上的火山活动以火山侧翼的玄武岩熔岩流为特征，包括Boca Cangrejo（1492年）、Fasnia（1705年）、Garachico（1706年）和Chinyero（1909年）熔岩流，以及火山口南部的Chahorra（1798年）流([36];图1). 后者包括几个显示出较高风化程度的史前、未注明日期的玄武岩流单元(图1b） ●●●●。历史玄武岩熔岩具有碧玄岩或响岩碱玄岩成分，晶体含量有限[36,37].

2013年11月和2014年9月进行了两次野外活动，期间用野外光谱法记录了43个不同年龄的熔岩流遗址和三个火山灰表面遗址（主要是火山砾，炸弹含量<10%）(图1;表A1). 选择测量点是为了最佳地代表不同年龄熔岩表面的空间变异性，特别注意不同气候条件下的不同海拔。可以理解，只有在可以访问的情况下才选择站点。其他标准包括表面均匀性和距离道路或熔岩流边缘至少30m的距离。

图1。特内里费岛上研究熔岩流的位置和现场光谱测量地点的分布。由25 m分辨率DEM生成的阴影地形图像上覆盖有间隔50 m的等高线以及道路和市政边界的GIS数据（GIS数据可在以下网站免费获取：[38]). 这些地点的详细描述见表A1. (一)岛屿概况；(b条)Chahora流和未注明日期的流上的周围场地；(c（c）)Garachico流；(d日)Chinyero（顶部）和Boca Cangrejo（底部）流量；(e（电子）)Fasnia（顶部）和Siete Fuentes（底部）熔岩流和火山灰沉积（F03T和F04T位置）。有关这些喷发及其年代的更多信息，请参阅[36]以及其中的参考。

图1。特内里费岛上研究熔岩流的位置和现场光谱测量地点的分布。由25 m分辨率DEM生成的阴影地形图像上覆盖有间隔50 m的等高线以及道路和市政边界的GIS数据（GIS数据可在[38]). 这些地点的详细描述见表A1. (一)岛屿概况；(b条)Chahora流和未注明日期的流上的周围场地；(c（c）)Garachico流；(d日)Chinyero（顶部）和Boca Cangrejo（底部）流量；(e（电子）)Fasnia（顶部）和Siete Fuentes（底部）熔岩流和火山灰矿床（地点F03T和F04T）。有关这些喷发及其日期的更多信息，请参考读者[36]以及其中的参考。

3.方法

3.1. 场谱测量

用于收集野外高光谱数据的光谱辐射计是一种便携式FieldSpec 3，由美国分析光谱设备公司（ASD）制造。该仪器使用三个光谱仪测量350–2500 nm光谱范围内的目标，即350–1000 nm的VNIR（可见和近红外）检测器和两个SWIR（短波红外）检测器，约1000–1850 nm的SWIR1和1700–2500 nm的SWIR 2[39].

使用ASD光谱辐射计获得熔岩流表面反射率的程序如所示图2.在每个场地中心周围测量了20个点，这些点均匀分布在一个30米的方形内(图2b） ●●●●。站点区域的大小对应于常用卫星数据（如Landsat和Hyperion）的像素大小。手枪握把的高度为1.2米，前视神经裸露。利用固有的25度视野（FOV），扫描的表面积约为50×50 cm²。对每个点的反射率进行了四次测量（每次平均40次扫描），得出每个位置总共80条光谱曲线。在选定地点的中心，光谱板稳定在三脚架上，以便在开始和每五个点测量后进行校准。所有测量均在太阳正午前后2.5小时内进行，以避免阴影和低日照角影响。这种测量策略确保了我们获得了每个站点的代表性平均反射率光谱，同时也记录了站点内的局部变化。

图2。现场测量策略说明：(一)使用ASD现场光谱辐射计、IBM笔记本电脑、固定在三脚架上的光谱面板和放置在地面上的手持GPS进行光谱测量；(b条)熔岩流表面现场中心周围的斑点（绿色方块）分布；(c（c）)用塑料网法定量测定表面氧化和苔藓覆盖。这个例子表明，光谱辐射计手枪扫描的斑点表面40%被地衣覆盖。

3.2. 风化作用的量化

熔岩是高度多孔的火山岩。地表风化受气候条件和熔岩流结构的影响，熔岩流的结构在毛霍和阿毛霍之间会有所不同（例如[28,40]). 特内里费火山熔岩经历了不同形式的表面蚀变，包括化学风化（主要是氧化）、生物风化（主要为地衣定植）和植被生长(图3). 植被恢复（蕨类植物、松树和灌木物种，例如。，核上裂殖吸虫和赤藓)仅限于Teide国家公园内和Garachico熔岩流下部的未注明日期的流量（由于当地的重新造林计划），因此在我们的现场测量过程中未将其考虑在内。果状地衣（大多维苏威立体茎)主要生长在阿萨拉熔岩的阴暗面，尤其是在加拉奇科，偶尔也生长在博卡·坎雷乔和奇尼耶罗。地衣能够对熔岩岩石进行生物风化，因此，以前曾从不同角度进行过研究[25,41,42].

图3。特内里费岛不同熔岩表面的插图：(一)C05地点Chahorra流上的新鲜熔岩；(b条)C07现场Chahora熔岩流大观图；(c（c）)U10位置火山口中未注明日期的氧化ʻa \699]熔岩；(d日)U10现场未标注日期表面的大视图；(e（电子）)Chahora熔岩（背景为深色）与未注明日期的熔岩（前景）之间的比较；(（f）)Y07场地Chinyero上部分氧化的ʻa᭗la熔岩，带有少量地衣；(克)G06位置Garachico上的地衣覆盖熔岩；(小时)Chahora C03P现场的新鲜毛茛熔岩斑块；以及(我)U06P位置的火山口中未注明日期的氧化páhoehoe熔岩。一支15厘米长的铅笔(一), (c（c）), (（f）)和(小时)和人类(d日)和(我)放置用于比例尺的视觉比较。

图3。特内里费岛不同熔岩表面的插图：(一)C05现场Chahora流上的新鲜熔岩；(b条)C07现场Chahora熔岩流大观图；(c（c）)U10位置火山口中未注明日期的氧化ʻa \699]熔岩；(d日)U10现场未标注日期表面的大视图；(e（电子）)Chahora熔岩（背景为深色）与未注明日期的熔岩（前景）之间的比较；(（f）)Y07场地Chinyero上部分氧化的ʻa᭗la熔岩，带有少量地衣；(克)G06位置Garachico上的地衣覆盖熔岩；(小时)Chahora C03P现场的新鲜毛茛熔岩斑块；以及(我)U06P位置的火山口中未注明日期的氧化páhoehoe熔岩。一支15厘米长的铅笔(一), (c（c）), (（f）)和(小时)和人类(d日)和(我)放置用于比例尺的视觉比较。

熔岩表面蚀变程度通过放置50×50 cm²熔岩表面由25个等长网格组成的塑料网，计算氧化表面和地衣填充网格的百分比(图2c） ●●●●。塑料网的大小等于前视的视野，这使得熔岩光谱与氧化程度和地衣数量相关联。虽然地衣覆盖部分的识别是明确的，但氧化表面的比例应被视为一个定性指标，因为它是基于从新熔岩表面的灰色/黑色过渡到氧化表面的浅棕色或红色的视觉解释。尽管塑料网法评估的是氧化表面的比例，而不是强度，但岩石“红色”的视觉评估应与在红色波长中测量的反射率明显相关。这种独立的表征有助于评估表面风化现场检查和光谱测量的一致性。这也有助于了解表面氧化是否与其他光谱特征相关。

对每个测量点的地衣覆盖和氧化熔岩表面的分数进行了视觉估计，并在2014年9月活动期间测量的29个点的现场尺度上进行了平均。对于2013年11月测量的18个场址，根据现场观察和照片在场址尺度上估计地衣覆盖和氧化水平。

3.3. 表面粗糙度

由微观地形变化定义的表面粗糙度是熔岩表面的一个重要特征，由其侵位动力学控制（例如[18,19,43]). 粗糙度控制着熔岩表面的孔隙度，因此会影响表面风化的类型和速度[44,45]. 熔岩表面粗糙度以前与热红外范围内的发射相关[14]和雷达信号的后向散射[8,46]. 我们希望研究熔岩流表面粗糙度是否也影响VNIR和SWIR范围内的光谱反射率。为了表征每个场地尺度上的表面粗糙度，采用了链式方法[47]. 沿着熔岩表面沿东西和南北方向放置了一条30米长的链条，链条沿着表面的不规则性排列。测量的水平距离(表A1)被链条覆盖的部分随着表面粗糙度的增加而减少。链长与沿两个横断面的平均水平距离的比值用于表征每个场地的平均表面粗糙度：对于完全光滑的表面，该比值为1，并且随着表面粗糙度的增加而增加。

3.4. 场谱处理

从光谱辐射计获得的现场光谱通常有噪声，需要在进一步分析之前进行处理。典型的处理实践包括跳跃校正、噪声消除和平滑[48].

在现场采集的光谱数据中，在1000 nm处观察到VNIR到SWIR1光谱仪转换的微小跳跃。这种光谱不连续性主要归因于每个光谱仪光纤FOV的轻微偏移，以及连接波长处的信噪比（SNR）最低的事实[38]. 为了纠正跳跃，我们将反射率在350–1000 nm范围内和超过1000 nm范围时的一半差异向彼此移动[49].

对于所有采集的场谱，~1400 nm、~1900 nm和>2350 nm范围都受到高噪声的影响，这是由于大气水汽强烈吸收入射下涌辐射所致[50]. 在我们的案例中，受影响范围1351–1459 nm、1771–2029 nm和2351–2500 nm被排除在光谱分析之外。然后，通过平均七个相邻点来平滑数据，以构建熔岩光谱库。

3.5. 光谱指数

为了将地面反射光谱与现场观测到的熔岩表面氧化和地衣覆盖联系起来，我们测试了三种不同类型的光谱指数：减法（ref2−ref1）、比值（ref2/ref1）和归一化差值（ref2–ref1）/（ref2+ref1）。公式中的ref1和ref2都是特定波长的反射率或波长范围内的平均反射率，在5 nm的间隔内重新取样。感兴趣的波长或波长范围可以从野外光谱数据中观察到，也可以从文献中获得（见结果）。

通过根据现场观察到的熔岩表面蚀变绘制拟议光谱指数，可以确定最能表征观察到的蚀变的波长和光谱指数类型。

3.6. 卫星遥感数据

本研究中使用的特内里费岛卫星遥感数据包括2001年1月23日获得的陆地卫星ETM+图像和2003年9月20日获得的Hyperion图像，这两张图像都是通过美国地质调查局地球探测器网站免费获得的。陆地卫星ETM+图像覆盖了除最南端以外的几乎整个岛屿，而Hyperion图像仅覆盖了特内里费岛的西侧，包括加拉奇科、博卡·坎雷乔和奇尼耶罗熔岩流。ETM+是安装在第七次陆地卫星任务上的多光谱辐射计，能够以30米的空间分辨率提供八个波段的地球表面成像信息（VNIR和SWIR波段b1–b5和b7）[51]. Hyperion是一种安装在地球观测1号卫星上的高光谱成像传感器，在400–2500 nm范围内的220个独特光谱带中以30 m的空间分辨率扫描地球表面[52]. 该星载仪器的光谱范围与野外光谱辐射计的光谱范围几乎相同。

这两个图像数据集的空间分辨率等于现场测量的场地大小，从而能够比较现场光谱数据和卫星图像数据。图像和现场数据之间的间隔时间超过10年，这并不是比较的障碍，因为熔岩表面已经有100多年的历史，预计其演化速度较慢。

这两幅图像都进行了大气校正，并根据Tenerife（2009）基于WebGIS的1:5000地形图进行了地理参考[53]平面误差<10 m。地形校正（C方法）[54,55]也使用Landsat ETM+图像进行了测试，但阴影区的暗表面显示的光谱对比度太小，无法返回有用的信息，因此必须屏蔽。以ETM+和Hyperion的波长间隔对场光谱进行重新采样(即，10 nm），并对Hyperion光谱进行平滑处理以减少噪声。

4.结果

4.1. 火山表面的光谱反射

4.1.1. 熔岩流

其反射光谱的共同特征如所示图4根据光谱曲线的形状，岛上的熔岩遗址可以分为三组。

图4。在特内里费岛不同火山点测得的现场反射光谱（垂直偏移以清晰显示）。每条曲线是30×30 m范围内20个点约80次测量的平均值²正方形。(一)Chahora（C）、Fasnia（F）和Boca Cangrejo（B）熔岩流上的熔岩遗址；(b条)火山口史前熔岩流上的熔岩遗址（U）；(c（c）)Garachico（G）熔岩流上的熔岩遗址；(d日)Boca Cangrejo（B）和Chinyero（Y）熔岩流上的熔岩遗址；(e（电子）)Garachico和Fasnia锥上的火山灰沉积位置；(（f）)选定场地的绝对反射率。光谱曲线后面的灰色背景是C11、F03T和G04站点每个波长反射率的标准偏差，是根据每个站点20个点测量的标准偏差测量的。与重要光谱特征相对应的波长用虚线表示。名称以“P”或“T”结尾的遗址分别在帕霍霍熔岩表面和特弗拉地区进行测量。所有其他地点都是在熔岩表面测量的。由于高噪声，中心在1400、1900 nm和2350 nm以上的光谱范围被消除。

图4。在特内里费岛不同火山点测得的现场反射光谱（垂直偏移以清晰显示）。每条曲线是30×30 m范围内20个点约80次测量的平均值²正方形。(一)Chahora（C）、Fasnia（F）和Boca Cangrejo（B）熔岩流上的熔岩遗址；(b条)破火山口中史前熔岩流上的熔岩遗址（U）；(c（c）)Garachico（G）熔岩流上的熔岩遗址；(d日)Boca Cangrejo（B）和Chinyero（Y）熔岩流上的熔岩遗址；(e（电子）)Garachico和Fasnia锥上的火山灰沉积位置；(（f）)选定场地的绝对反射率。光谱曲线后面的灰色背景是C11、F03T和G04站点每个波长反射率的标准偏差，是根据每个站点20个点测量的标准偏差测量的。与重要光谱特征相对应的波长用虚线表示。名称以“P”或“T”结尾的遗址分别在帕霍霍熔岩表面和特弗拉地区进行测量。所有其他地点都是在熔岩表面测量的。由于高噪声，中心在1400、1900 nm和2350 nm以上的光谱范围被消除。

第一组包括Chahora、Fasnia和未注明日期的熔岩流上测量的所有地点，以及Boca Cangrejo的B01P(图4a、 b）。所有这些场地的特点是海拔>1470 m a.s.l.（称为高海拔场地）。在750–770 nm左右观察到一个明显的反射率最大值，而在pāhoehoe表面（C03P和B01P），这个最大值向更短的波长移动。光谱可见范围内反射率曲线最陡峭的部分位于500–550 nm。在NIR中，除少数史前熔岩遗址（U01P、U04和U10）外，大多数熔岩表面的光谱都有所下降。对于超过1500 nm的波长，反射率曲线非常平坦，除了所有熔岩地点的反射率从2130–2150 nm明显下降到2200–2220 nm。后一个特征在史前熔岩流中最为明显。

第二组包括在Garachico熔岩流上测量的所有地点(图4c）其特点是海拔低（<1200 m a.s.l.，称为低海拔地区），地衣覆盖率高。在反射率从约390 nm急剧增加到约680 nm后，地衣覆盖熔岩的反射率光谱在VNIR范围内显示出持续增加，在1300–1340 nm处达到最大值，在1180–1200 nm处出现斜率不连续。在所有Garachico站点中观察到一个明确的光谱特征，其最大值为1650–1670 nm，最小值为1720–1730 nm。第二个光谱特征在波长>2000 nm时观察到，最大值在2220–2235 nm，最小值在2085–2105 nm和2300–2315 nm。

第三组包括在Boca Cangrejo（B01P除外）和Chinyero熔岩流上测量的地点(图4d），其特点是中等海拔（1200–1470 m a.s.l.，称为中等海拔位置），地衣覆盖和化学风化有限。两个熔岩流表面上所有位置的反射率增加到800 nm左右是相似的。剖面向长波方向倾斜。站点B02、Y01和Y02在1125–1150 nm附近出现显著峰值，SWIR2范围内出现明显峰值，特别是超过2000 nm，这很可能是由于不利天气条件造成的噪音造成的。

4.1.2. 特弗拉

如方法论所述，火山碎屑主要指火山砾大小的火山碎屑（直径2-64 mm）。火山灰的反射光谱不同于熔岩的反射光谱(图4e） ●●●●。Tephra显示出约700–750 nm的局部最大值，但其反射率通常较低，小于5%(图4f），变化有限。它们的平坦光谱在可见范围内增加，在近红外范围（750–1000 nm）内减少，随后SWIR范围逐渐增加。

4.2. 与高光谱图像数据的比较

图5显示了Hyperion图像覆盖的18个站点中的8个站点的场衍生和Hyperion光谱曲线。由于传感器在这些波长下的SNR较低，紫到蓝范围内的Hyperion反射率在大气校正后通常为负值，因此在比较前被删除。对比表明：（1）除火山灰面（G01T）外，场光谱反射率普遍高于Hyperion光谱反射率；（2） Garachico熔岩遗址的SWIR区域反射率差异较大；（3）这两条光谱曲线具有相似的形状，特别是对于Garachico熔岩遗址；（4） Hyperion和场导出的光谱曲线始终显示相关性>90%，但火山灰面非常平坦的光谱曲线除外；（5）Hyperion光谱的NIR和SWIR中的噪声往往会削弱光谱特征或产生虚假特征，这可能意味着光谱指数的推导不太可靠。更重要的是，Hyperion数据显示了不同表面之间的明显差异：火山灰表面的反射率高达5%，低于熔岩表面；氧化熔岩表面的光谱往往比苔藓覆盖的熔岩表面平坦，在近红外光谱中反射率高于10%，并且具有明显的苔藓相关特征，例如反射率在1660 nm到1725 nm之间下降。

图5。(一)2003年9月10日拍摄的特内里费岛的Hyperion图像，显示了熔岩流的范围以及由其名称指示的测量地点；(b条)将重新采样的场光谱与Hyperion传感器的波长进行比较的图（红色曲线）和选定地点的平滑Hyperion光谱（绿色曲线），包括Garachico锥体上的一个tephra地点（G01T）、三个以地衣覆盖为特征的Garachico熔岩地点（G05–G07）、一个Boca Cangrejo熔岩地点（B03）以及以中等程度的表面氧化为主要特征的三个Chinyero熔岩点（Y04、Y05和Y07）。两条光谱曲线之间的相关性在站点标签下方提供。

图5。(一)2003年9月10日拍摄的特内里费岛的Hyperion图像，显示了熔岩流的范围以及由其名称指示的测量地点；(b条)将重新采样的野外光谱与选定地点的Hyperion传感器波长（红色曲线）和平滑Hyperion光谱（绿色曲线以及三个主要以中等水平的表面氧化为特征的钦耶罗熔岩遗址（Y04、Y05和Y07）。两条光谱曲线之间的相关性在站点标签下方提供。

4.3. 风化的影响

4.3.1. 氧化

根据氧化熔岩表面的光谱特征和现有文献，以下波长和波长范围用于定义氧化指数：

据报道，反射率曲线的斜率在400~~800nm之间，表明随着熔岩流的相对年龄以及铁含量的增加，反射率有系统地增加[15].
据报道，陆地卫星红带与蓝带的比值对于测量岩石的红色着色很有用[56]. 因此，我们考虑了波长范围450–520 nm和630–690 nm，分别对应于陆地卫星波段1（蓝色）和波段3（红色）。还测试了两个范围的中心波长（485 nm和660 nm）。
我们还考虑了450–495 nm和620–750 nm范围，分别对应于电磁光谱的整个蓝色和红色范围，以及它们的中心波长（475 nm和680 nm）。

分析了上述每个波长定义的不同类型指数与观测到的熔岩氧化之间的线性关系。加拉奇科熔岩流的位置不在本分析范围内，因为有显著的地衣覆盖。对于不同的波长定义，除了400 nm和800 nm波长外，在现场和现场尺度上获得的不同指数的回归模型证明是相似的(图6和表A2). 在现场范围内，减法氧化指数明显调整得更高R（右）²值大于比率和归一化差异指数。对于450–520 nm和630–690 nm范围（相当于Landsat波段1和3），是使用整个范围还是使用中心波长来定义氧化指数没有区别。然而，使用450–495 nm和620–750 nm范围的中心波长，即电磁光谱的整个红色和蓝色范围，会略微提高调整后的波长R（右）²现场范围内所有氧化指数的值。结果表明，使用450–520 nm和630–690 nm范围（Landsat ETM+）的减影氧化指数以及整个红色和蓝色光谱的中心波长最能表征熔岩表面光谱特征与其表面氧化之间的关系。近期（Chahora和Chinyero）和旧流（Boca Cangrejo和未注明日期的）之间的对比趋势表明，基于现场的氧化表面估算可能会因熔岩表面的整体颜色而产生偏差，从而导致对新流氧化作用的过高估计和对旧流的低估。

图6。现场估计的熔岩表面氧化与不同氧化指数之间的关系（参见表A2)现场和现场规模。(一)（参考₈₀₀−参考₄₀₀)与。现场氧化；(b条)（参考₈₀₀−参考₄₀₀)与。斑点氧化；(c（c）)（（参考_630–690−参考_450–520)/（参考_630–690+参考_450–520))与。现场氧化；(d日)（（参考_630–690−参考_450–520)/（参考_630–690+参考_450–520))与。斑点氧化；(e（电子）)（参考_630–690−参考_450–520)与。现场氧化；(（f）)（参考_630–690−参考_450–520)与。斑点氧化；(克)（参考₆₈₅−参考₄₇₅)与。现场氧化；(小时)（参考₆₈₅−参考₄₇₅)与。现场氧化。现场规模(一,c（c）,e（电子）和克)，绘制了35个地点的数据，包括2013年和2014年在Boca Cangrejo、Chahora、Chinyero、Fasnia和未注明日期的熔岩流上测量的熔岩地点；现场比例尺(b条,d日,（f）和小时)2014年，在Boca Cangrejo、Chahora、Chinyero和未注明日期的熔岩流上测量的现场共有415个点。只有没有地衣覆盖或地衣覆盖有限的地点和斑点被用来限制这种关系。计算了现场氧化观测值和每个现场光谱指数的标准偏差。不同坡度处的实线和虚线分别代表年轻和古老熔岩遗址的趋势线。

图6。现场估计的熔岩表面氧化与不同氧化指数之间的关系（参见表A2)现场和现场比例尺。(一)（参考₈₀₀−参考₄₀₀)与。现场氧化；(b条)（参考₈₀₀−参考₄₀₀)与。斑点氧化；(c（c）)（（参考_630–690−参考_450–520)/（参考_630–690+参考_450–520))与。现场氧化；(d日)（参考_630–690−参考_450–520)/（参考_630–690+参考_450–520))与。斑点氧化；(e（电子）)（参考_630–690−参考_450–520)与。现场氧化；(（f）)（参考_630–690−参考_450–520)与。斑点氧化；(克)（参考₆₈₅−参考₄₇₅)与。现场氧化；(小时)（参考₆₈₅−参考₄₇₅)与。斑点氧化。现场规模(一,c（c）,e（电子）和克)，绘制了35个地点的数据，包括2013年和2014年在Boca Cangrejo、Chahora、Chinyero、Fasnia和未注明日期的熔岩流上测量的熔岩地点；现场比例尺(b条,d日,（f）和小时)2014年，在Boca Cangrejo、Chahora、Chinyero和未注明日期的熔岩流上测量的现场共有415个点。仅使用没有或有限地衣覆盖的地点和斑点来限制关系。计算了现场氧化观测值和每个现场光谱指数的标准偏差。不同坡度处的实线和虚线分别代表年轻和古老熔岩遗址的趋势线。

4.3.2. 地衣覆盖物

根据观察到地衣的Garachico、Boca Cangrejo和Chinyero熔岩遗址的数据，测试了几种光谱指数，以估计遗址和现场规模的地衣覆盖率。重点是上述苔藓覆盖表面的光谱特征，特别是从680 nm增加到1320 nm，从1660 nm减少到1725 nm，从2230 nm减少到2300 nm。使用特定波长的减法、比率和归一化差异指数与测量的苔藓覆盖率之间的关系大多为线性关系，但使用680 nm和1320 nm的比率和归一化差异指数除外(图7和表A3). 结果表明，1660 nm和1725 nm的折射率总体上优于其他波长的折射率。虽然使用2230 nm和2300 nm的指数与地衣覆盖率有很强的相关性，但由于SWIR区域的波长使用很容易受到大气条件的影响，其容量被掩盖了。更有趣的是，使用1660 nm和1725 nm的比值和归一化差值指数之间没有差异。归一化有助于最小化可变辐照度（照明）水平的影响，并将指数值限制在-1到1之间[57,58]，我们认为使用1660nm和1725nm的归一化差异指数更好地表征熔岩表面的光谱特征与其表面地衣覆盖率之间的关系。

图7。实地观察到的地衣覆盖率与拟定的地衣指数和点尺度地衣指数之间的关系。(一)（参考₁₆₆₀/参考₁₇₂₅)与。立地规模的地衣覆盖率；(b条)（参考₁₆₆₀/参考₁₇₂₅)与。点尺度地衣覆盖率；(c（c）)（（参考₁₆₆₀−参考₁₇₂₅)/（参考₁₆₆₀+参考₁₇₂₅))与。立地规模的地衣覆盖率；(d日)（（参考₁₆₆₀−参考₁₇₂₅)/（参考₁₆₆₀+参考₁₇₂₅))与。斑点规模的地衣覆盖率。现场比例尺图包括2013年和2014年在Garachico、Boca Cangrejo和Chinyero熔岩流上测量的19个熔岩现场，而现场图仅包括属于2014年测量现场的260个现场。地衣覆盖率和光谱指数的标准偏差是根据每个地点的点比例尺测量值计算的。为了提高能见度，光谱指数显示了十分之一的标准偏差。光谱指数的巨大变化是因为1660 nm和1725 nm位于SWIR范围内，很容易受到大气条件的影响，并且误差通过多次数学运算传播。

4.4. 表面粗糙度的影响

为了理解表面粗糙度如何与反射率相关，我们重点研究了粗糙度指数与反射率以及每个波长反射率的一阶导数之间的相关性(图8). 本分析仅考虑了以有限的表面氧化和无地衣为特征的Chahora熔岩流遗址。对于所有波长，粗糙度和反射率之间的相关性通常较低，尤其是在NIR和SWIR区域，对于波长<500 nm的波长，观察到较高的负相关性（<−0.5），即可见区域的紫色和蓝色。当考虑粗糙度和反射率的一阶导数时，我们发现相关系数随波长变化很大(图8b）然而，对于谱的某些部分，获得了高相关性。最大负相关为−0.806，出现在1244 nm处，这意味着1244 nm的反射率曲线更平坦，表明表面更光滑，而此光谱范围内反射率的急剧下降与更粗糙的熔岩表面有关。然而，SWIR中的相关值变化很大，表明该估计的可靠性较低。另一方面，粗糙度指数与红色到近红外跃迁（~720 nm）处光谱的一阶导数之间获得了较低但一致的正相关。

图8。(一)表面粗糙度与各波长反射率的相关性；(b条)表面粗糙度与各波长反射率一阶导数之间的相关性。

图8。(一)表面粗糙度和每个波长的反射率之间的相关性；(b条)表面粗糙度与各波长反射率一阶导数之间的相关性。

5.解释和讨论

了解不同火山地形的光谱特性有助于使用卫星图像对比和绘制不同火山产品的地图[21,24]. 通过熔岩和植被端元的光谱，光谱分解以前被用于绘制不同年龄的熔岩表面和植被定殖[20]. 结合土卫五光谱和火山灰的野外光谱，绘制了埃特纳火山火山灰分布专题图[21]. 光谱数据的另一个潜在应用是相对定年熔岩流，这需要在建模中考虑更多因素（例如氧化、植被、地衣覆盖）。尽管这些应用超出了我们目前的贡献范围，但突出这些不同火山表面的对比光谱特征是改进火山地形测绘的第一步。

5.1. 熔岩光谱曲线解释

总的来说，特内里费岛的熔岩显示了玄武岩的典型光谱（见C11和U03与。玄武岩图9). 熔岩流没有苔藓，但受到不同程度的表面氧化（高海拔组），显示出以760 nm为中心的光谱反射特征，之前在夏威夷熔岩流中确定为800 nm[15]. 可见范围的普遍增加可归因于铁离子（Fe）中的电荷转移效应³⁺) ([15,59];图9). 赤铁矿VNIR范围内的三个吸收特征集中在530 nm、630 nm和880 nm[60,61,62]，在特内里费熔岩中弱表达(图9). 超过760 nm范围内的反射率下降是由亚铁（Fe²⁺)电子效应。2210 nm左右的弱吸收特征也与观察到的表面氧化有关，这可能是由于粘土的形成[15].

图9。特内里费熔岩的现场衍生光谱与玄武岩、赤铁矿和地衣样品的实验室测量之间的比较。玄武岩（火成-熔碱2）和赤铁矿（氧化-非砷-o01a）光谱是从ASTER光谱库中获得的[63]. 地衣光谱显示了地衣的典型光谱特征立体花科植物[33]. 地衣和熔岩以及赤铁矿的光谱特征分别用虚线和箭头表示。

当比较不同年龄的熔岩流时，我们观察到，对于较老的无日期熔岩流，760 nm处的反射率较高，并且从400 nm到760 nm的上升梯度更陡(图1a和图4a、 b、f）。这与对不同年龄组的七个夏威夷熔岩流的观察结果很吻合[15]. 此外，未注明日期的熔岩流从2130–2150 nm减少到2200–2220 nm的幅度要比Chahora流（1798年爆发）大得多，这可能是由于随着时间的推移，熔岩表面上的粘土堆积所致。

以大量地衣覆盖为特征的熔岩表面（低海拔地区，图4c）光谱反射率受到地衣的强烈影响(图9). 已发布的地衣反射率数据集突出显示了660–675 nm处的最小值（与642 nm和662 nm处的叶绿素吸收最大值一致）、1160–1200 nm（可能是因为水的吸收）和2065–2110 nm（可能因为纤维素的吸收），以及1265–1385 nm、1655–1675 nm和2230–2250 nm处的最大值（例如[33];图9)如Garachico熔岩所观察到的。此外，我们的地衣覆盖熔岩光谱中1720-1730 nm的吸收（可能是因为存在纤维素）与地衣影响岩石光谱中1720 nm的最小值一致[32]在1730–1790 nm处测量地衣光谱[33]尽管后者略微向左移动(图9). 2300–2315 nm的吸收是某些地衣物种的特征[33]或者可以用含有氢氧化镁（Mg（OH））的粘土矿物的存在来解释₂) [64].

中海拔地区的熔岩(图4d）似乎以在高海拔和低海拔熔岩遗址发现的光谱特征为特征。它们在约760 nm处显示出最大反射率，并从2140 nm降至2210 nm，就像在高海拔地区记录到的反射率一样，在低海拔地区也观察到NIR范围增加。因此，我们可以得出以下结论：（1）高海拔熔岩光谱主要受化学风化作用的影响；（2）低海拔熔岩光谱主要受地衣及其生物风化作用控制；中海拔熔岩谱受这两种效应的共同影响。

Tephra公司(图4e）在特内里费岛上测量的直径范围为3毫米至10毫米，颜色从深灰色至黑色。火山熔岩表面的反射率较低，记录的光谱平坦，这与埃特纳火山火山熔岩的反射率相似[21]. 这些无特征的光谱与在特内里费岛测得的熔岩表面明显不同。

5.2. 与星载传感器数据的比较

Tenerife场和Hyperion谱的比较表明，火山熔岩谱的差异比熔岩谱更为显著，这与埃特纳山研究的结果一致[21]. 我们的结果表明，SWIR区域的反射率间隙大于光谱可见部分的反射率差距，证实了Hyperion SWIR范围与可见范围相比误差更大的报告[24]. 这是因为波长较长的光子比波长较短的光子携带的能量更少，因此更有可能受到大气扰动的影响。此外，Hyperion传感器具有低信噪比（VNIR SNR<200和SWIR SNR<100）：因此，获取低反射率材料的光谱信息更加困难[24,65]比如火山地形中的熔岩。此外，大气校正后波长小于500 nm的负反射率值的出现也降低了某些拟议光谱指数的适用性。尽管存在这些缺点，Hyperion光谱仍然呈现出显著的光谱特征，与野外光谱数据中观察到的相似。这样可以区分火山表面，例如火山砾和熔岩，氧化熔岩和苔藓覆盖熔岩。

5.3. 风化的影响

与铁氧化或地衣覆盖有关的熔岩流表面的光谱演化通过不同波长熔岩光谱的对比特征反映出来(图3和表A1). 这些光谱特征不仅取决于时间，还取决于控制变化类型和速度的气候因素。对遥感和地面数据进行了定量分析，以建立实地观察到的表面变化与光谱特征之间的联系，光谱特征可用于表征熔岩表面。

5.3.1. 氧化指数及其在陆地卫星ETM+图像中的应用

虽然我们使用网法对氧化作用的现场观察只是半定量的，但基于表面颜色变化的观察，从新鲜的深黑色到风化的红棕色，似乎是熔岩表面铁含量的合理代表[15,66]. 从中获得的近期和早期流量的对比关系图5然而，这表明基于现场的氧化估算可能受到了当地环境的影响，并在比较不同的流量时产生了偏差。使用对应于Landsat ETM+红色和蓝色波段的波长范围的减影氧化指数被证明有助于估计熔岩表面的氧化水平。

绘制整个流场的氧化水平对于区分不同年龄的流动单元或识别与不同风化速率侵位期间的初级氧化相关的风化对比是很有意义的。使用Landsat ETM+的红色（630-690 nm）和蓝色（450–520 nm）波段的减影氧化指数与从场光谱中提取的相同氧化指数高度相关(图10). 这表明，陆地卫星图像像素产生的光谱特征已通过实地测量得到适当验证。图10突出了Chahora和位于火山口的未注明日期的水流之间氧化水平的巨大对比。然而，年龄变化并不是系统的：位于较低海拔的Chinyero和Boca Cangrejo熔岩流，无论其年龄如何，其氧化程度都高于Chahora熔岩流。

图10。减影氧化指数之间的相关性(

{裁判}_{630 - 690} - {裁判}_{450 - 520}

)根据Landsat ETM+图像波段1和3以及现场光谱数据，对博卡·坎雷乔（Boca Cangrejo）、查霍拉（Chahora）、奇尼耶罗（Chinyero）和史前熔岩流上测量的33个熔岩遗址进行了分析。灰色虚线为1:1线。

图10。减影氧化指数之间的相关性(

{裁判}_{630 - 690} - {裁判}_{450 - 520}

)根据陆地卫星ETM+图像波段1和3以及现场光谱数据，在Boca Cangrejo、Chahorra、Chinyero和史前熔岩流上测量了33个熔岩点。灰色虚线为1:1线。

野外和卫星衍生氧化指数的对应性表明，可以从多光谱图像中绘制熔岩表面氧化的地图(图11)尽管氧化指数尚未通过独立的化学分析进行验证，但仅通过表面的视觉描述进行验证。根据Landsat ETM+数据得出的氧化指数图显示了Chahorra熔岩流与周围未注明日期的熔岩表面之间的清晰边界，以及史前熔岩流中具有不同氧化水平的区域。尽管Chahora及其周围的熔岩表面是同一环境的一部分，但它们显示出明显不同的氧化水平，在这种情况下，氧化水平与这些熔岩的年龄正相关。氧化指数对斜坡方向也很敏感，尤其是在阴影区(图11b） ●●●●。为了尽量减少地形影响，使用Landsat ETM+波段测试了比率和归一化氧化指数，但未能成功减少阴影的影响。需要进一步研究，以研究这种影响的一部分是否与坡度和方向的实际氧化变化有关，或者如何在这些低反射率表面内建立与坡度无关的氧化指数。

5.3.2. 地衣指数及其在Hyperion图像中的应用

通过实地测量确定的地衣指数已计算出Hyperion图像覆盖的17个熔岩遗址。图12说明了由场谱和平滑Hyperion谱得出的地衣覆盖率估计值之间的线性关系。只有四个地衣覆盖率极低的地点（B04、Y03、Y04和Y07）没有遵循这一趋势。这四个异常值不能归因于场地异质性，因为它们的场地都位于均质熔岩表面上，但很可能是由于Hyperion传感器的低信噪比，尤其是SWIR波长。因此，用于定义地衣指数的1660–1725 nm范围内的光谱特征在光谱剖面中可能不太清晰，尤其是在地衣覆盖率较低的情况下。

图11。(一)陆地卫星ETM+图像上显示的Chahora熔岩流（1798年）以真彩色显示（R:G:B=b3:b2:b1）；(b条)使用氧化表面和氧化指数之间的关系，从Landsat ETM+图像绘制氧化图，如图7c、根据ETM+和现场光谱衍生指数之间的关系进行校准，如图10由于氧化水平的对比，Chahora熔岩流与其周围未注明日期的熔岩表面不同。图中屏蔽了受陡峭地形和可变坡度方向影响的区域（以灰色显示）。

图12。高离子地衣指数与田间地衣指数的比较(

({裁判}_{1660} - {裁判}_{1725}) / ({裁判}_{1660} + {裁判}_{1725})

). 线性回归模型的定义没有黑色圆圈表示的四个异常值。灰色虚线为1:1线。

图12。高离子地衣指数与田间地衣指数的比较(

({裁判}_{1660} - {裁判}_{1725}) / ({裁判}_{1660} + {裁判}_{1725})

). 线性回归模型的定义没有黑色圆圈表示的四个异常值。灰色虚线为1:1线。

由于Boca Cangrejo和Chinyero熔岩流的地衣存在非常有限，因为它们的年龄较年轻，或海拔较高，和/或气候比Chahora干燥，因此使用Hyperion绘制的地衣覆盖图仅适用于Garachico流。

为了尽量减少非地衣影响，Garachico熔岩流上的植被覆盖和城市化区域被排除在外。为了进行比较，使用校准的地衣指数从Hyperion图像中对地衣覆盖进行建模和映射(图13d）基于场谱和Hyperion导出指数之间的关系，如图12.地衣覆盖率也可以估算(图13e）利用田间估计的地衣覆盖率与海拔高度之间的高度正相关(图13a） ●●●●。当仅考虑Garachico遗址时，可获得强线性关系，因为在这种情况下，年龄差异和不同的坡向等交互因素被排除在外。

图13。地衣在熔岩表面定居。(一)Boca Cangrejo、Chinyero和Garachico熔岩流上地衣覆盖熔岩点的现场衍生光谱与其海拔之间的关系。地衣往往在海拔<1200 m a.s.l的地方生长得更多。黑色实心拟合线仅用于Garachico场地，灰色虚线适用于所有显示的场地；(b条)高程散点图与。Garachico熔岩流区的温度和降雨量。温度和降雨量图来自西班牙气象局（AEMET）[34]; (c（c）)现场观察到的地衣覆盖率显示，其点大小和颜色代表熔岩表面地衣覆盖的值；(d日)根据校准的Hyperion地衣指数得出的地衣覆盖率(图12); (e（电子）)基于地衣覆盖率和海拔之间关系的地衣覆盖度图13a（线性回归模型仅适用于Garachico现场）。

用校准的Hyperion地衣指数估算地衣(图13d）结果表明：（1）地衣覆盖率随着海拔从550m增加到1200m而降低；（2）海拔550m以下陡坡上的地衣覆盖率较低。；（3）靠近喷发锥的熔岩表面，熔岩流部分被terphra覆盖，地衣覆盖率较低；（4）索引图中的倾斜线性图案表明Hyperion图像中存在伪影。图13e还表明，纯粹基于海拔高度的地衣覆盖率外推过于简单，因为海拔与地衣之间的关系图13a可能仅适用于1000–1200 m海拔范围，在该范围内进行了现场测量。

地衣覆盖的空间对比可以用地表条件和气候差异来解释(图13b） ●●●●。尽管降雨量很大，但火山锥附近的熔岩区（>1200 m a.s.l.）地衣覆盖率较低，这主要是因为熔岩表面覆盖着火山灰。中等海拔（550–1200米a.s.l.）的大量地衣可能是由于有利的温度和降水条件，这些条件尚未使植被完全恢复。对于海拔<550 m的低地衣覆盖率而言，这主要归因于陡峭的解剖地形以及特内里费岛西北海岸的潜在人类影响。如本研究所示，地衣的这种空间显式估计为表征新侵位熔岩流生物定殖的时空模式创造了新的机会。

5.4. 表面粗糙度的影响

在图4a、结果表明，与α流相比，仅受氧化作用影响的熔岩表面光谱可见部分反射峰对应的波长被转移到了较短的波长（B01P和C03P）。对于640–730 nm的波长，反射率曲线的斜率与现场测量的粗糙度指数之间的适度正相关性证实了这一点(图8b） ●●●●。

此外，在可见区域，毛和浩站点的绝对反射率高于毛和浩尔站点，尤其是在最短波长下(图4f） ●●●●。可见区域（尤其是紫罗兰色到蓝色（350-500 nm）范围内）的绝对反射率与熔岩表面粗糙度之间的负相关性证实了这一点(图8a） ●●●●。新鲜的帕霍霍熔岩表面（B01P和C03P位置）非常光滑，在一定程度上呈蓝色，有光泽，因此在整个光谱范围内反射更多能量，但更具体地说，在紫色到蓝色范围内反射能量(图2a和图3h） ●●●●。据报道，结晶会改变玄武岩的VNIR和中红外光谱范围（例如[67])但特内里费熔岩的晶体含量普遍较低[36,37]因此效果有限。通过蚀变失去淬火光泽表面可能会降低毛坯表面和毛坯表面之间的对比度，但在不同的流动中找不到足够的毛坯表面来进行系统测试。最后，反射率的一阶导数与粗糙度之间存在大于0.8的高度负相关(图8b）但对这一结果的解释尚不清楚。

人们可能会质疑用链式法测量的粗糙度的可靠性。与土壤不同，熔岩表面（尤其是熔岩表面）相当粗糙，有大小不等的分散块体，高达一米，这使得不同地点的表面粗糙度差异很大，方向变化也很大，规模差异很大（从毫米到米）。然而，这种测量策略是在这样一个具有物理挑战性的环境中唯一可行的方法：它的一致应用使我们的结果彼此具有可比性。

6.结论

本研究给出了就地特内里费岛玄武岩熔岩表面的光谱数据。我们的主要结论如下：

地衣生长导致的氧化和生物风化形式的化学风化会对熔岩光谱产生重大影响。
没有地衣的裸露熔岩表面反射光谱低而平坦，可见光增加，红外部分减少。这一趋势在受显著表面氧化影响的较老熔岩流中更为明显。特别是，随着氧化作用的增强，光谱从蓝色到红色范围的反射率曲线斜率增加，这是一种光谱特征，有助于定义氧化指数，该指数能够相对量化熔岩表面的氧化程度。
受地衣影响的熔岩具有与地衣相似的光谱特征。已经鉴定出对地衣定殖敏感的波长（1660nm和1725nm），并用于开发NDVI样地衣指数。该指数与野外记录的地衣覆盖率之间存在很强的线性关系，可以用于地衣覆盖发展的时空分析。
表面粗糙度对熔岩光谱有有限但重要的影响。平滑的熔岩表面比粗糙的熔岩具有更高的反射率，尤其是在短波长下，其最大反射率值出现在较短波长处。因此，粗糙度与720 nm处反射率的一阶导数呈正相关。需要进一步探索，以确定多光谱和高光谱图像的可见和近红外波段是否允许区分毛茛和熔岩表面。

我们的研究首次对熔岩流进行了系统的光谱测量，并对表面氧化、地衣覆盖和粗糙度进行了现场表征。定量分析了熔岩表面的光谱特性，确定了重要的光谱控制因素，有助于了解熔岩的光谱演化。

我们还说明了使用Landsat ETM+和Hyperion图像生成的氧化指数和地衣指数绘制熔岩表面氧化和地衣覆盖图。这些方法可能有助于未来绘制复杂的熔岩流场。利用实验室分析进一步量化氧化或其他过程的化学蚀变程度，可能有助于更好地了解这些过程如何影响熔岩表面的光谱特征。使用卫星图像对熔岩流的化学和生物风化进行空间量化，有助于对比熔岩光谱演化的环境和时间控制。因此，它可能有助于使用熔岩流谱作为相对熔岩流年龄的可靠指标。

致谢

李龙感谢中国奖学金委员会（CSC）为他在VUB的研究提供的资金支持，VUB自然科学博士学院为第二次实地考察提供了旅费补助，Teide国家公园批准了实地考察。我们感谢JoséMauricio Méndez Febles的协助，Lien Bakelants和Annelies Verstraelen在现场。Audray Delcamp就她在特内里费岛的实地工作经验提供建议，Boud Verbeiren就光谱法提供建议，Weiwei Ma就数据处理提供建议。在解释岩石和矿物的光谱行为时，与Philippe Trefois的讨论非常受欢迎。我们感谢加雷思·里斯（Gareth Rees）分享地衣的光谱数据，并感谢哈维尔·波托尔斯（Javier Pórtoles）在AEMET的许可下分享特内里费岛的气象数据。我们还要感谢三位匿名审稿人的建设性意见，这些意见大大提高了原稿的质量。手稿中提供的野外光谱数据集可以通过向作者提出的个人请求获得。

作者贡献

李龙领导了研究设计、数据处理和分析，并起草了手稿。特内里费岛的实地考察由龙利、卡门·索拉纳和马蒂厄·科尔文计划和实施，弗兰克·坎特斯提供光谱辐射计和远程咨询。马蒂厄·科尔文（Matthieu Kervyn）负责监督研究，审查和编辑手稿。卡门·索拉纳（Carmen Solana）、弗兰克·坎特斯（Frank Canters）和乔纳森·昌威·陈（Jonathan Cheung-Wai Chan）审阅并编辑了手稿，后两人还就数据处理和分析提供了建议。所有作者都同意手稿的最终版本。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

附录

特内里费岛测量场地说明

火山表面上所有测量位置的列表。这些地点的名称由3~4个字符组成：第一个字母是测量地点熔岩流或火山锥的缩写（B-Boca Cangrejo；C-Chahora；F-Fasnia；G-Garachico；U-Undated；Y-Chinyero）；这些数字显示了熔岩流上的位置顺序。名称以“P”和“T”结尾的遗址分别在帕霍霍熔岩表面和火山熔岩表面进行测量。2013年9月，共有14个地点在熔岩表面测量，3个地点在火山灰场测量，2014年11月29个地点在岩浆表面测量。请注意，后面带星号（*）的数字表示通过实地观察和不使用塑料网方法从照片中估计氧化和地衣覆盖的位置。

表A1。特内里费岛测量场地说明。

**表A1。**特内里费岛测量场地说明。
现场	收购	标高（m）	粗糙度（m）	表面说明	地衣（%）	氧化（%）
B01P型	2013	1473	27.83	帕霍霍熔岩，无植被，不易察觉的地衣，灰色带黄色灰尘，表面非常光滑	0	10*
B02公司	2013	1235	27.8	熔岩、零散的松树、白色地衣（5%）、红色蚀变、片状块体=0.1-1 m	5 *	25 *
B03型	2014	1350	26.69	熔岩，无植被，红色蚀变，块体=0.1–0.5 m	0	23.6 *
B04型	2014	1344	26.85	ÅAā熔岩，未风化，红色蚀变，板状块体，直径约为0.5–1.5米	0	27.2 *
二氧化碳	2013	2061	25.26	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色，风化层为棕橙色，大小不一	0	20 *
二氧化碳	2013	2077	26.25	ʻá熔岩，无植被，距火山口墙30 m，新鲜，弱风化，块度=0.05–0.5 m	0	20 *
二氧化碳	2013	2102	28.98	帕霍霍熔岩，未被植物覆盖，新鲜，深色，几乎没有风化，表面非常光滑，有碎片	0	10 *
二氧化碳	2013	2102	26.91	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色，带橙色蚀变，块度=0.05–0.5 m	0	20 *
二氧化碳	2014	2066	26.93	ïAïā熔岩，未风化，新鲜，深色，风化程度有限，块体直径约为0.5米	0	35
二氧化碳	2014	2104	24.97	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色，风化有限，块度=0.1–0.5 m	0	28.8
二氧化碳	2014	2054	23.85	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色风化，块度=0.1–0.5 m	0	47
二氧化碳	2014	2106	23.79	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色，风化有限，块度=0.1–0.5 m	0	12
二氧化碳	2014	2040	25.65	ÅAïā熔岩，未风化，新鲜，深色，风化程度有限，块体直径约为0.1-0.5 m	0	15
C10号机组	2014	2032	25.29	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色风化，块度=0.1–0.5 m	0	22.2
C11号机组	2014	2016	26.24	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色风化，块体=0.02–0.5 m	0	21.4
第12项	2014	1062	24.55	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色风化，块度=0.5-1m	0	25.6
第01页	2013	2294	28*	ʻá熔岩，无植被，新鲜，黑色，风化有限，块度=0.1–0.3 m	0	10 *
第02页	2013	2191	28*	ʻá熔岩，无植被，新鲜，深色风化，块度=0.1–0.3 m	0	20 *
F03T型	2013	2198	29*	火山灰，零星灌木，深色，Ø=0.003–0.008 m	0	0
F04T型	2013	2194	29*	拉皮利，散布的灌木丛，深色，直径为0.002–0.003米，散布的炸弹直径为0.1米	0	0
G01T公司	2013	1304	29*	拉皮利，黑暗，Ø=0.005–0.01米，分散炸弹	0	0
G02公司	2013	1207	26*	熔岩、地衣、0.2–0.3 m高的小灌木，填充着火山砾=0.002–0.008 m	20 *	0
G03公司	2013	1084	25.55	熔岩、大量地衣、零散的松树、石块=0.002-0.5 m	40 *	0
G04公司	2014	1036	25.27	高0.15–0.3米的熔岩、大量地衣、蕨类植物和0.5–0.75米的灌木，块体直径为0.2–0.5米	54.8	11.4
G05公司	2014	1114	27.87	熔岩、大量地衣、少量蕨类植物、石块=0.1–0.8 m	34.6	0
G06公司	2014	1068	27.11	熔岩、大量地衣、无植被、块石=0.1–0.8 m	52.4	0
G07公司	2014	1101	27.17	熔岩、大量地衣、零散的绿色蕨类和棕色灌木、块石=0.1–0.8 m	50	0
G08公司	2014	1118	27.32	熔岩、大量地衣、零星的绿色蕨类和棕色灌木、石块=0.1–0.5 m	38.8	0
G09号	2014	1150	26.05	熔岩、大量地衣、零星的绿色蕨类和棕色灌木、石块=0.1–0.5 m	25.8	0
U01P型	2013	2071	29.23	帕霍霍熔岩、零散的干灌木、丘状表面、棕色蚀变	0	70 *
U02型	2013	2087	26.85	ÅAā熔岩，无植被，深灰色，橙色蚀变，块体直径=0.05–0.4 m	0	25 *
U03型	2014	2082	28.53	熔岩、零星植物、棕色蚀变、块体=0.05–0.3 m	0	17.6
U04型	2014	2078	28.13	熔岩、棕色灌木、棕色蚀变、块体=0.05–0.3 m	0	61.1
05岁以下	2014	2081	27.87	ÖAā熔岩，无植被，棕色蚀变，块体直径=0.05–0.3 m	0	59.6
U06P型	2014	2072	28.36	帕霍霍熔岩、绿色灌木、丘状表面、棕色蚀变	0	70 *
u07便士	2014	2068	28.36 *	帕霍霍熔岩、绿色灌木、丘状表面、棕色蚀变	0	70 *
08年秋	2014	2074	27	熔岩，无植被，棕色蚀变，块度=0.05–1 m	0	62
U09系列	2014	2054	27.92	熔岩，无植被，棕色蚀变，块度=0.05–1 m	0	56.2
10岁以下	2014	2040	27.2	熔岩，无植被，黄色和棕色蚀变，块度=0.05–1 m	0	72.2
Y01年	2013	1279	25.1	ʻá熔岩、不易察觉的苔藓、黄色蚀变的平板	0	10 *
Y02年	2013	1271	25.1	熔岩、少量地衣和苔藓、大块上的黄色蚀变	5 *	15 *
03年	2013	1460	24.18	ʻá熔岩，无植被，深色混合，风化严重，块度=0.02–1 m	0	42.4
04年	2014	1419	26.35	熔岩，无植被，灰暗，混合颜色变化，块度=0.03-0.2 m，最大尺寸=3 m	2.9	41.8
05年	2014	1299	25.84	熔岩，无植被，灰暗，混合颜色变化，块度=0.2-1 m	1.8	39.6
06年	2014	1227	26.59	熔岩，无植被，灰黑色，棕色蚀变，块体=0.2–0.8 m	6.6	29.4
2007年	2014	1449	27.14	熔岩，无植被，混合颜色变化，块度=0.1–1 m	6	44.4

氧化指数的回归模型

线性回归模型(

年 = 一 x个 + b条

，其中

x个

是氧化指数

年

是现场观察到的氧化熔岩表面），用于测试氧化指数，使用现场和现场尺度的不同波长或波长范围。450–520 nm和630–690 nm的范围分别对应于Landsat ETM+的蓝色和红色波段；450–495nm和620–750nm的范围分别覆盖电磁光谱的整个蓝色和红色范围。讨论中，用粗体突出显示的模型用于从Landsat ETM+图像绘制氧化图。

表A2。氧化指数的回归模型。

**表A2。**氧化指数的回归模型。
索引	比例	模型	参考文献1（400）；参考2（800）	参考文献1（450–520）；参考2（630-690）	参考文献1（485）；参考2（660）	参考文献1（450–495）；参考2（620-750）	参考文献1（475）；参考2（685）
减法 $第页 e（电子）（f） 2 - 第页 e（电子）（f） 1$	网站	一	9.104	13.151	12.940	12.149	12.089
		b条	−0.008	0.012	0.011	0.003	0.006
		形容词。R（右）²	0.740	0.759	0.759	0.760	0.768
	地点	一	9.124	13.422	13.239	12.374	12.32
		b条	0.003	0.023	0.021	0.013	0.016
		形容词。R（右）²	0.563	0.543	0.543	0.554	0.551
比率 $第页 e（电子）（f） 2 / 第页 e（电子）（f） 1$	网站	一	0.304	0.731	0.712	0.622	0.638
		b条	−0.334	−0.842	−0.825	−0.726	−0.749
		形容词。R（右）²	0.485	0.590	0.592	0.565	0.590
	地点	一	0.362	0.791	0.768	0.690	0.691
		b条	−0.474	−0.948	−0.925	−0.853	−0.85
		形容词。R（右）²	0.551	0.527	0.527	0.541	0.539
归一化差值 $\frac{第页 e（电子）（f） 2 - 第页 e（电子）（f） 1}{第页 e（电子）（f） 2 + 第页 e（电子）（f） 1}$	网站	一	1.511	2.558	2.528	2.303	2.368
		b条	−0.212	−0.251	−0.257	−0.252	−0.265
		形容词。R（右）²	0.459	0.584	0.585	0.552	0.580
	地点	一	2.074	2.926	2.885	2.761	2.753
		b条	−0.427	−0.342	−0.348	−0.378	−0.372
		形容词。R（右）²	0.538	0.526	0.527	0.540	0.537

地衣指数的回归模型

地衣指数的回归模型测试，使用不同波长或波长范围的现场和现场尺度。之所以选择这些波长，是因为它们是地衣覆盖熔岩表面的特征光谱特征。在讨论中，粗体突出显示的模型用于绘制Hyperion图像中的地衣覆盖率。

表A3。地衣指数的回归模型。

**表A3。**地衣指数的回归模型。
索引	比例	参考文献1（680）；参考2（1320）	参考文献1（1725）；参考文献2（1660）	参考文献1（2300）；参考2（2230）
减法 $第页 e（电子）（f） 2 - 第页 e（电子）（f） 1$	网站	y=4.112x−0.030；形容词。R（右）²= 0.928	y=39.818x+0.029；形容词。R（右）²= 0.917	y=21.716x+0.0001；形容词。R（右）²= 0.924
减法 $第页 e（电子）（f） 2 - 第页 e（电子）（f） 1$	地点	y=3.637x−0.007；形容词。R（右）²= 0.615	y=35.826x+0.038；形容词。R（右）²= 0.762	y=19.902x+0.017；形容词。R（右）²= 0.727
比率 $第页 e（电子）（f） 2 / 第页 e（电子）（f） 1$	网站	y=0.232倍²-0.490倍+0.266；形容词。R（右）²= 0.877	y=7.256x−7.249；形容词。R（右）²= 0.942	y=2.568x−2.586；形容词。R（右）²= 0.849
比率 $第页 e（电子）（f） 2 / 第页 e（电子）（f） 1$	地点	y=0.024x²+0.211x−0.253；形容词。R（右）²= 0.576	y=6.747x−6.738；形容词。R（右）²= 0.785	y=2.584x−2.590；形容词。R（右）²= 0.781
归一化差值 $\frac{第页 e（电子）（f） 2 - 第页 e（电子）（f） 1}{第页 e（电子）（f） 2 + 第页 e（电子）（f） 1}$	网站	y=2.672倍²−0.064x−0.014；形容词。R（右）²= 0.859	y=14.983x+0.006；形容词。R（右）²= 0.942	y=5.553x−0.021；形容词。R（右）²= 0.838
	地点	y=2.498倍²-0.026x-0.010；形容词。R（右）²= 0.602	y=14.014x+0.008；形容词。R（右）²= 0.784	y=5.690x−0.010；形容词。R（右）²= 0.778

工具书类

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芝加哥/图拉宾风格

李、龙、卡门·索拉纳、弗兰克·坎特斯、乔纳森·陈和马蒂厄·科尔文。2015.“环境因素对熔岩表面光谱特征的影响：西班牙加那利群岛特内里费岛玄武岩熔岩流现场光谱”遥感7，编号12:16986-17012。https://doi.org/10.3390/rs71215864

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