談地物光譜儀在野外光譜測量中的使用

談地物光譜儀在野外光譜測量中的使用

摘要： 在遙感技術中，為了更精確地判讀多光譜圖像，掌握地面上各種地物的光譜輻射特性是十分重要的。介紹FieldSpec?誖 HandHeld 手持便攜式光譜分析儀的測量原理方法、工作規范及注意事項，概要地說明了影響光譜測量的因素。

關鍵詞： 地物光譜儀；野外測量；工作規范
　　
　　　　
　　在遙感領域中，為了研究各種不同地物或環境在野外自然條件下的可見和近紅外波段反射光譜，需要適用于野外測量的光譜儀器。對野外地物光譜進行測量，我們使用的是美國ASD公司FieldSpec?誖HandHeld 手持便攜式光譜分析儀。其主要技術指標為：波長范圍為300~1 100nm，光譜采樣間隔為1.6nm，靈敏度線性：±1%。FieldSpec?誖HandHeld手持便攜式光譜分析儀可用于戶外目標可見—近紅外波段的光譜輻射測量。該光譜儀在戶外主要利用太陽輻射作為照明光源，利用響應度定標數據，可測量并獲得地物目標的光譜輻亮度；利用漫反射參考板對比測量，可獲得目標的反射率光譜信息；通過對經過標定的漫反射參考板的測量，可獲得地面的總照度以及直射、漫射照度光譜信息；利用特定的輔助測量機械裝置，可獲得地面目標的BRDF（方向反射因子）光譜信息參數。
　　為了使地物光譜數據可靠和高的質量，使數據便于對比和應用，有必要提出地物光譜測試規范和測量要求。
　　
　　1儀器的標準和標定
　　
　　1.1光譜分辨率
　　實用分辨寬度對0.04~1.10μｍ小于5nm，1.1~2.5μm小于15nm。對于FieldSpec?誖HandHeld 手持便攜式光譜分析儀，起始波長為325nm，終止波長為1 075nm，波長步長為1nm，則光譜分辨率取3nm。
　　1.2線性標定
　　線性動態范圍有3個量級，最大信號對應為0.8~1.0，太陽常數照明的白板（＜90％）峰值響應輸出。線性誤差小于3％（回歸誤差）。
　　1.3光譜響應度的標定
　　反射率小于、等于15％（大于1％）的目標，信噪比應大于10。反射率大于15％的目標，信噪比應大于20。
　　
　　2野外測定方法與工作規范
　　
　　2.1目標選取
　　選取測量目標要具有代表性，應能真實反映被測目標的平均自然性。對于植被冠層及用物的測量應考慮目標和背景的綜合效應。
　　2.2能見度的要求
　　對一般無嚴重大氣污染地區，測量時的水平能見度要求不小10km。
　　2.3云量限定
　　太陽周圍９０°立體角，淡積云量，無卷云、濃積云等，光照穩定。
　　2.4風力要求
　　測量時間內風力小于５級，對植物，測量時風力小于３級。
　　2.5測量方法
　　在11時30分至14時30分進行測量，每種地物光譜測量前，對準標準參考板進行定標校準，得到接近100％的基線，然后對著目標地物測量；為使所測數據能與衛星傳感器所獲得的數據進行比較，測量儀器均垂直向下進行測量。
　　
　　3野外光譜測量注意事項
　　
　　野外光譜測試的基本要求是在晴天中午前后進行，風力不超過5級，如果測試土壤光譜，必須在雨過3d以后進行。為了使數據具有代表性，要仔細比較選擇被測地物，對同一種地物測量多次，保證測試結果準確可比。
　3.1儀器的位置
　　儀器向下正對著被測物體，至少保持與水平面的法線夾角在±10°之內，保持一定的距離，探頭距離地面高度通常在1.3m，以便獲取平均光譜。視域范圍可以根據相對高度和視場角計算。如果有多個探頭可選，則在野外盡量選擇寬視域探頭。測量植物冠層光譜時，注意測量最具代表性的物種。
　　3.2傳感器探頭的選擇
　　當野外地物范圍比較大，物種純度比較高、觀測距離比較近時，選用較大視場角的探頭；當地物分布面積較小時，或者物種在近距離內比較混雜，或需要測量遠處地物時，則選用小視場角的探頭。
　　3.3避免陰影
　　探頭定位時必須避免陰影，人應該面向陽光，這樣可以得到一致的測量結果。野外大范圍測試光譜數據時，需要沿著陰影的反方向布置測點。
　　3.4白板反射校正
　　天氣較好時每隔幾分鐘就要用白板校正1次，防止傳感器響應系統的漂移和太陽入射角的變化影響，如果天氣較差，校正應更頻繁。校正時白板應放置水平。
　　3.5防止光污染
　　不要穿帶淺色、特色衣帽，如果穿戴白色、亮紅色、黃色、綠色、藍色的衣帽，就會改變反射物體的反射光譜特征。
　　要注意避免自身陰影落在目標物上。當使用翻斗卡車或其他平臺從高處測量地物目標時，要注意避免金屬反光，如果有，則需要用黑布包住反光部位。
　　3.6觀測時間和頻度
　　光譜測試應在10～14時之間完成，并在無云晴朗的天空下進行，盡量避免過早或過晚。在時間許可時，盡量多測一些光譜。每個測點測試5個數據，以求平均值，降低噪聲和隨機性。
　　3.7采集輔助數據
　　在所有的測試地點必須采集GPS數據，詳細記錄測點的位置、植被覆蓋度、類型以及異常條件、探頭的高度，配以野外照相記錄，便于后續的解譯分析。
　　野外地物光譜測量是一個需要綜合考慮各種光譜影響因素的復雜過程，我們所獲取的光譜數據是太陽高度角、太陽方位角、云、風、相對濕度、入射角、探測角、儀器掃描速度、儀器視場角、儀器的采樣間隔、光譜分辨率、坡向、坡度及目標本身光譜特性等各種因素共同作用的結果。光譜測定前要根據測定的目標與任務制定相對應的試驗方案，排除各種干擾因素對所測結果的影響，使所得的光譜數據盡量反映目標本身的光譜特性，并在觀測時詳細記錄環境參數、儀器參數以及觀測目標（如土壤、植被、人工目標）的輔助信息。只有這樣，所測結果才是可靠的并具有可比性，為以后的圖像解譯和光譜重建提供依據。
　　
　　參考文獻
　　
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　　[2] 萬余慶，譚克龍，周日平.高光譜遙感應用研究[M].北京：科學出版社，2006.
　　[3]

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