探析地物光谱仪在野外光谱测量中的使用

探析地物光谱仪在野外光谱测量中的使用

摘要: 在遥感技术中，为了更精确地判读多光谱图像，掌握地面上各种地物的光谱辐射特性是十分重要的。介绍FieldSpec?誖 HandHeld 手持便携式光谱分析仪的测量原理方法、工作规范及注意事项，概要地说明了影响光谱测量的因素。


关键词: 地物光谱仪；野外测量；工作规范
　　
　　　　
　　在遥感领域中，为了研究各种不同地物或环境在野外自然条件下的可见和近红外波段反射光谱，需要适用于野外测量的光谱仪器。对野外地物光谱进行测量，我们使用的是美国ASD公司FieldSpec?誖HandHeld 手持便携式光谱分析仪。其主要技术指标为：波长范围为300~1 100nm，光谱采样间隔为1.6nm，灵敏度线性：±1%。FieldSpec?誖HandHeld手持便携式光谱分析仪可用于户外目标可见—近红外波段的光谱辐射测量。该光谱仪在户外主要利用太阳辐射作为照明光源，利用响应度定标数据，可测量并获得地物目标的光谱辐亮度；利用漫反射参考板对比测量，可获得目标的反射率光谱信息；通过对经过标定的漫反射参考板的测量，可获得地面的总照度以及直射、漫射照度光谱信息；利用特定的辅助测量机械装置，可获得地面目标的BRDF（方向反射因子）光谱信息参数。
　　为了使地物光谱数据可靠和高的质量，使数据便于对比和应用，有必要提出地物光谱测试规范和测量要求。
　　
　　1仪器的标准和标定
　　
　　1.1光谱分辨率
　　实用分辨宽度对0.04~1.10μｍ小于5nm，1.1~2.5μm小于15nm。对于FieldSpec?誖HandHeld 手持便携式光谱分析仪，起始波长为325nm，终止波长为1 075nm，波长步长为1nm，则光谱分辨率取3nm。
　　1.2线性标定
　　线性动态范围有3个量级，最大信号对应为0.8~1.0，太阳常数照明的白板（＜90％）峰值响应输出。线性误差小于3％（回归误差）。
　　1.3光谱响应度的标定
　　反射率小于、等于15％（大于1％）的目标，信噪比应大于10。反射率大于15％的目标，信噪比应大于20。
　　
　　2野外测定方法与工作规范
　　
　　2.1目标选取
　　选取测量目标要具有代表性，应能真实反映被测目标的平均自然性。对于植被冠层及用物的测量应考虑目标和背景的综合效应。
　　2.2能见度的要求
　　对一般无严重大气污染地区，测量时的水平能见度要求不小10km。
　　2.3云量限定
　　太阳周围９０°立体角，淡积云量，无卷云、浓积云等，光照稳定。
　　2.4风力要求
　　测量时间内风力小于５级，对植物，测量时风力小于３级。
　　2.5测量方法
　　在11时30分至14时30分进行测量，每种地物光谱测量前，对准标准参考板进行定标校准，得到接近100％的基线，然后对着目标地物测量；为使所测数据能与卫星传感器所获得的数据进行比较，测量仪器均垂直向下进行测量。
　　
　　3野外光谱测量注意事项
　　
　　野外光谱测试的基本要求是在晴天中午前后进行，风力不超过5级，如果测试土壤光谱，必须在雨过3d以后进行。为了使数据具有代表性，要仔细比较选择被测地物，对同一种地物测量多次，保证测试结果准确可比。
3.1仪器的位置
　　仪器向下正对着被测物体，至少保持与水平面的法线夹角在±10°之内，保持一定的距离，探头距离地面高度通常在1.3m，以便获取平均光谱。视域范围可以根据相对高度和视场角计算。如果有多个探头可选，则在野外尽量选择宽视域探头。测量植物冠层光谱时，注意测量最具代表性的物种。
　　3.2传感器探头的选择
　　当野外地物范围比较大，物种纯度比较高、观测距离比较近时，选用较大视场角的探头；当地物分布面积较小时，或者物种在近距离内比较混杂，或需要测量远处地物时，则选用小视场角的探头。
　　3.3避免阴影
　　探头定位时必须避免阴影，人应该面向阳光，这样可以得到一致的测量结果。野外大范围测试光谱数据时，需要沿着阴影的反方向布置测点。
　　3.4白板反射校正
　　天气较好时每隔几分钟就要用白板校正1次，防止传感器响应系统的漂移和太阳入射角的变化影响，如果天气较差，校正应更频繁。校正时白板应放置水平。
　　3.5防止光污染
　　不要穿带浅色、特色衣帽，如果穿戴白色、亮红色、黄色、绿色、蓝色的衣帽，就会改变反射物体的反射光谱特征。
　　要注意避免自身阴影落在目标物上。当使用翻斗卡车或其他平台从高处测量地物目标时，要注意避免金属反光，如果有，则需要用黑布包住反光部位。
　　3.6观测时间和频度
　　光谱测试应在10～14时之间完成，并在无云晴朗的天空下进行，尽量避免过早或过晚。在时间许可时，尽量多测一些光谱。每个测点测试5个数据，以求平均值，降低噪声和随机性。
　　3.7采集辅助数据
　　在所有的测试地点必须采集GPS数据，详细记录测点的位置、植被覆盖度、类型以及异常条件、探头的高度，配以野外照相记录，便于后续的解译分析。
　　野外地物光谱测量是一个需要综合考虑各种光谱影响因素的复杂过程，我们所获取的光谱数据是太阳高度角、太阳方位角、云、风、相对湿度、入射角、探测角、仪器扫描速度、仪器视场角、仪器的采样间隔、光谱分辨率、坡向、坡度及目标本身光谱特性等各种因素共同作用的结果。光谱测定前要根据测定的目标与任务制定相对应的试验方案，排除各种干扰因素对所测结果的影响，使所得的光谱数据尽量反映目标本身的光谱特性，并在观测时详细记录环境参数、仪器参数以及观测目标（如土壤、植被、人工目标）的辅助信息。只有这样，所测结果才是可靠的并具有可比性，为以后的图像解译和光谱重建提供依据。
　　
　　参考文献
　　
　　[1] 中国农业工程学会，中国农业工程研究设计院.国外农业工程第（9辑）[M].上海：上海科学技术文献出版社，1983.
　　[2] 万余庆，谭克龙，周日平.高光谱遥感应用研究[M].北京：科学出版社，2006.
　　

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