ASD光譜儀測(cè)量地物光譜的數(shù)據(jù)處理方法及遇到的問題

一、利用ASD光譜儀測(cè)量地物光譜的數(shù)據(jù)處理方法

1．安裝ASD光譜儀配套的光譜數(shù)據(jù)處理軟件ViewSpecPro；

2．將ASD光譜儀配套筆記本電腦上面的光譜數(shù)據(jù)文件拷貝到本地硬盤；

3．打開ViewSpecPro軟件，單擊setup->input directory，光譜數(shù)據(jù)的目錄。

 設(shè)置好輸入目錄后，會(huì)彈出對(duì)話框，問是否將輸出目錄設(shè)置和輸入目錄一直，這里一般選擇是。

4. 打開輸入目錄下的全部光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄選擇若干條曲線，單擊view->graph，便可以顯示選中的光譜數(shù)據(jù)的曲線。

5. 根據(jù)曲線圖，刪除有問題的曲線，將其他曲線取平均值。即選中取要用來取平均值的曲線，單擊

process->statistics，然后點(diǎn)擊OK，程序便會(huì)輸出平均值光譜，并在程序界面中顯示。

6. 選中求好平均值的光譜，單擊process->Acsii export, 便可以將原來的二進(jìn)制文件輸入為文本文件，從而可以利用EXCEL或者其他程序進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

7. 地物反射率＝（地物DN值/白板DN值）×白板反射率。白板反射率是事先通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)定標(biāo)得到的。

 更為詳細(xì)的步驟如下：

1.準(zhǔn)備工作

a. 光譜儀、計(jì)算機(jī)充電：光譜儀電量不足時(shí)紅燈閃亮，充滿電后綠燈亮；如果黃燈閃亮則說明過熱，需要等待一段時(shí)間；

b. 安裝適當(dāng)?shù)溺R頭或其他附件（如GPS、余弦接受器等），并準(zhǔn)備好白板；

c. 依次打開光譜儀電源及計(jì)算機(jī)電源，并啟動(dòng)相應(yīng)RS3軟件；

-RS3 用于優(yōu)化FieldSpec儀器以及采集下列數(shù)據(jù): Raw DN、反射率、輻射亮度/輻射照度

-所有采集的數(shù)據(jù)均為ASD文件格式，并可以使用ViewSpec Pro軟件打開并進(jìn)行后處理

d. 在RS3軟件上選擇相應(yīng)的鏡頭并調(diào)整光譜平均、暗電流平均和白板采集平均次數(shù)（Control/adjust

configuration）

-光譜平均次數(shù)Spectrum average

-暗電流平均次數(shù)Dark current average

-白板平均次數(shù)White reference average

e. 在軟件中選擇或填寫需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的路徑、名稱和其他內(nèi)容（Control/spectrum save）

2 光譜測(cè)量過程

1）反射率測(cè)量過程

a. 鏡頭對(duì)準(zhǔn)白板，點(diǎn)擊OPT進(jìn)行優(yōu)化

 （注意：白板必須充滿鏡頭視場(chǎng)。工作過程中特別是開始工作的前半個(gè)小時(shí)內(nèi)每隔一定時(shí)間做一次優(yōu)化并且

 注意每隔3~5分鐘采集一次暗電流，測(cè)量暗電流按 DC）。

b. 鏡頭仍然對(duì)準(zhǔn)白板，點(diǎn)擊WR采集參比光譜。此時(shí)，軟件自動(dòng)進(jìn)入反射率測(cè)量狀態(tài)。

 間隔一定時(shí)間即采集白板參比.環(huán)境變化越頻繁,則采集白板次數(shù)越高

c. 鏡頭移向被測(cè)目標(biāo)，按空格鍵存儲(chǔ)采集到的目標(biāo)反射光譜。

2）輻射照度(Irradiance)測(cè)量過程

a. 鏡頭對(duì)準(zhǔn)天空或者地面，點(diǎn)擊OPT優(yōu)化儀器參數(shù)；

b. 點(diǎn)擊RAD直接進(jìn)入輻射亮度測(cè)量狀態(tài)；

c. 按空格鍵存儲(chǔ)目標(biāo)光譜（或者自動(dòng)存儲(chǔ)）

 綜上，在rs3軟件下，對(duì)于反射比和輻射度測(cè)量，只需要簡(jiǎn)單的進(jìn)行以下步驟即可

 反射率測(cè)量：

 在照明條件下，鏡頭對(duì)準(zhǔn)白板；優(yōu)化（OPT）；參比采集命令（WR）。將鏡頭移到測(cè)量目標(biāo)上，這時(shí)，按空格鍵即存儲(chǔ)測(cè)量得到的反射率光譜。

 輻射度測(cè)量：

 在照明條件下，鏡頭對(duì)準(zhǔn)白板（或者被測(cè)目標(biāo)）；優(yōu)化（OPT）；輻射度測(cè)量命令（RAD）。將鏡頭移到測(cè)量目標(biāo)上，這時(shí)，按空格鍵即存儲(chǔ)測(cè)量得到的輻射度光譜。

 二、測(cè)量操作中可能出現(xiàn)的問題及解決

 問題1，測(cè)量輻射亮度或者輻射照度時(shí)在光譜連接處出現(xiàn)臺(tái)階跳躍

ASD公司的所有儀器光度標(biāo)定都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，儀器經(jīng)過80-90分鐘預(yù)熱后作出的。

ASD公司經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，儀器所使用的三個(gè)傳感器在不同的環(huán)境功能溫度以及預(yù)熱時(shí)間下具有變化的響應(yīng)度。但是在SWIR1(1000-1800nm)波段傳感器的響應(yīng)度不受影響。并且，如果儀器經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱，則這個(gè)問題不會(huì)出現(xiàn)。但是野外測(cè)量時(shí)幾乎不可能使用如此長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間。

 于是，ASD公司開發(fā)出了利用SWIR1的穩(wěn)定特性，對(duì)問題數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的方法，即拋物線修正（ParabolicCorrection）。

 解決方法：

A. 儀器經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱；這是zui可靠的方法。

B. 或者在測(cè)量輻射度時(shí)點(diǎn)擊RS3軟件界面上的PC圖標(biāo)。

C. 回到實(shí)驗(yàn)室后，使用ViewSpec軟件中的拋物線修正功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

 問題2，測(cè)量反射率時(shí)在光譜連接處出現(xiàn)于上述類似的問題

 出現(xiàn)這樣的光譜連接點(diǎn)跳躍的原因是不同的光纖采集到不同位置的樣品光譜。

 由于光纖輸入端口是由57條光纖構(gòu)成的，在某些部位可能會(huì)出現(xiàn)上述問題，特別是測(cè)量距離比較小的時(shí)候。

 這個(gè)問題不會(huì)影響所采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

 解決方法：

A. 稍微旋轉(zhuǎn)光纖，能夠看到連接點(diǎn)的跳躍消失；或者

B. 回到實(shí)驗(yàn)室后，使用ViewSpec軟件中的Splice Correction修正功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

 問題3：不能通過OPT快捷鍵對(duì)儀器進(jìn)行優(yōu)化

 通常這是由于電池供電不足造成的。

 儀器優(yōu)化過程中需要啟動(dòng)電子快門。這是一個(gè)耗電相對(duì)較大的動(dòng)作。如果電池不足，比如，儀器界面的電量顯示已經(jīng)到達(dá)黃線。盡管仍然可以采集光譜，但是電子快門不動(dòng)作。因此，無法完成優(yōu)化。

 只需要更換電池即可解決此問題。

 問題4：近紫外到近紅外（350-1000nm）波段沒有信號(hào)或者信號(hào)很弱

 電子快門的設(shè)置有利于及時(shí)減除暗電流提高數(shù)據(jù)的信噪比。但是，此部件在動(dòng)作的時(shí)候耗電量相對(duì)較大。因此，即使在電池仍然有電（但是供電不足）的情況下會(huì)發(fā)現(xiàn)可以采集光譜數(shù)據(jù)但是卻不能進(jìn)行優(yōu)化或者采集暗電流。

 另外一個(gè)原因就是電子快門硬件損壞。

 解決方法：

A. 更換電池或者改用市電供電。若仍然不能解決，則

B. 與供貨商維修。

 三、使用中出現(xiàn)的問題和解決方法

 可能出現(xiàn)的問題包括：

 輻射度測(cè)量時(shí)

 沒有選擇經(jīng)過定標(biāo)的鏡頭；

 優(yōu)化時(shí)，白板或者目標(biāo)沒有*覆蓋鏡頭的視場(chǎng)；

 照明條件極大改變后沒有重新優(yōu)化；

 預(yù)熱時(shí)間短，沒有比較頻繁地采集暗電流。

 反射率測(cè)量時(shí)

 優(yōu)化和采集白板參比時(shí)，白板沒有*覆蓋鏡頭的視場(chǎng)；

 照明條件極大改變后沒有重新優(yōu)化；

 經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間后沒有重新采集白板參比。

1. 預(yù)熱時(shí)間

 對(duì)于光譜反射率測(cè)量，儀器預(yù)熱10分鐘就足夠了。需要注意的是，如果是輻射度測(cè)量，那么預(yù)熱的時(shí)間應(yīng)盡可能長(zhǎng)一些，推薦的預(yù)熱60分鐘左右。

2. 附件的選取與安裝

 根據(jù)不同的測(cè)量目的選取必要的附件。下面幾個(gè)問題需要特別引起注意：

A. 選擇附件后，需要在RS3軟件的相應(yīng)為位置指明所選取的附件，以便于RS3軟件自動(dòng)調(diào)用存儲(chǔ)的定標(biāo)數(shù)據(jù)并將附件信息記錄在光譜數(shù)據(jù)中；

B. 附件的安裝不需要十分用力，僅僅需要確認(rèn)已經(jīng)安裝牢固即可；

3. 鏡頭視場(chǎng)大小的計(jì)算 (PS:具體示意圖見原文鏈接)

 所有技術(shù)指標(biāo)中給出的視場(chǎng)角都是全角。

a.垂直測(cè)量

 近場(chǎng)測(cè)量（距離短于1米）: Y = D + 2 * X * Tan(A/2)

 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量（距離大于1米）: Y = 2 * X * Tan(A/2)

b.傾斜測(cè)量

arctan(y/x) = a = (全視場(chǎng)角)/2

y/x = tan a ， y = x tan a

z + w = h tan (b + a)， w = [h tan (b + a)] – z， w = h tan b

 得到：

z = h [tan(b)+ tan(b + a)]

w = (x2 + h2 - 2xh cosb)1/2

 其他經(jīng)驗(yàn)設(shè)置及注意事項(xiàng)（供參考）：

1，測(cè)量時(shí)間

 如果所采集的光譜數(shù)據(jù)將要用于搞光譜圖像的數(shù)據(jù)定標(biāo)或者解疑，那么光譜數(shù)據(jù)的采集時(shí)間就非常重要了。在此條件下，應(yīng)當(dāng)使用與得到遙感圖像時(shí)的照明條件近似的照明采集反射光譜數(shù)據(jù)。建議在衛(wèi)星過境或者機(jī)載傳感器采集數(shù)據(jù)的同時(shí)采集反射光譜數(shù)據(jù)。

如果采集時(shí)間差別很大，則建議使用大氣輻射訂正。

通常情況下，在10:00 – 14:00之間總是會(huì)得到相對(duì)較好的照明條件。

當(dāng)然，根據(jù)研究或者工程目標(biāo)選擇光譜采集時(shí)間也是考慮的重點(diǎn)之一。

2，相對(duì)幾何位置

根據(jù)采集光譜的目的選擇適當(dāng)?shù)挠^測(cè)幾何位置。

圖像解譯: 選擇與衛(wèi)星或者機(jī)載傳感器采集圖像時(shí)相似的幾何觀測(cè)條件。

可行性研究：通過固定觀測(cè)角度和照明條件去取可能的干擾。

對(duì)于植被光譜采集來講，可以在葉片、樹干或者冠層這樣的空間尺度采集光譜數(shù)據(jù)。冠層尺度下采集到的光譜數(shù)據(jù)更適用于圖像解譯。粗略地可以用葉片或者樹干尺度的光譜數(shù)據(jù)直接解譯圖像。當(dāng)然，使用葉片和樹干尺度下采集的光譜數(shù)據(jù)對(duì)于理解葉片和樹干如何影響冠層尺度的光譜是非常有用的。

3，光譜平均次數(shù)的選擇

野外測(cè)量時(shí)，使用10-30次光譜平均就足夠了。因?yàn)榘装鍏⒈炔⒉皇强傄杉?，白板參比的平均次?shù)可以增加到兩倍的光譜平均次數(shù)。注意，信噪比是與光譜平均次數(shù)的平方根成正比。

注意：實(shí)際使用的光譜平均次數(shù)還取決于測(cè)量要求。如果在室內(nèi)測(cè)量，建議使用更大的光譜平均次數(shù)，這樣得到的數(shù)據(jù)信噪比更好。

如果在野外很大的區(qū)域測(cè)量，則照明情況良好時(shí)，可以使用較少的光譜平均次數(shù)。

4，優(yōu)化次數(shù)和時(shí)間間隔

 如果測(cè)量數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，則不強(qiáng)制要求重新優(yōu)化。

 通常來講，每間隔10-15分鐘重新優(yōu)化一次對(duì)于避免照明條件的改變?cè)斐傻母蓴_是有好處的。

5，暗電流的處理

 并不強(qiáng)制要求頻繁地采集按電流。但是在儀器啟動(dòng)的初期（10-15分鐘內(nèi)），間斷性地采集按電流對(duì)于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量是有好處的。

6，白板參比采集時(shí)間間隔

 室內(nèi)測(cè)量：如果照明條件是基本恒定的，在儀器預(yù)熱階段每隔10-15分鐘采集一次白板參比，之后每隔30分鐘采集一次白板參比就可以了。

 野外測(cè)量：應(yīng)當(dāng)盡可能頻繁地采集白板參比，因?yàn)?/span>:

太陽照明條件在不斷變化,建議使分鐘采集一次;

大氣狀況在不斷變化，例如云、濕度或者水氣等等；

溫度在不斷變化。

重要的是，采集參比和測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)的環(huán)境條件盡可能相同。

7，測(cè)量點(diǎn)的尺寸大于白板尺寸如何處理

的辦法是購買一塊大尺寸的白板?；蛘邔⑻筋^靠近白板。

室內(nèi)測(cè)量條件下，需要保證測(cè)量角度和距離保持不變。

野外采用太陽照明測(cè)量條件下，靠近白板測(cè)量參比，然后以較大的距離測(cè)量目標(biāo)沒有任何問題。

8，何時(shí)采用反射比測(cè)量

取決于如何分析數(shù)據(jù)。反射比和反射率之間的差別，在400-2000nm波段非常小；而在350-400nm和2000-2500nm波段才能夠看出明顯的偏差。

9，數(shù)據(jù)后處理

ViewSpec軟件是眾多數(shù)據(jù)后處理軟件之一。

ENVI是圖像處理軟件，也可以直接倒入ASD的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

10，什么造成了光譜數(shù)據(jù)上帶有規(guī)律性的正弦振蕩？

照明光源可能采用的是交流電。

11，反射率光譜數(shù)據(jù)帶有臺(tái)階

光纖束導(dǎo)光的、使用前端鏡頭的儀器在近距離測(cè)量時(shí)可能產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象。

稍微移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)光纖或者測(cè)量角度，就可以避免這個(gè)干擾。

12，如何清潔白板

使用白板是一定要戴手套，以免油污。的清潔方法請(qǐng)參考隨白板一起提供的指導(dǎo)書。

被浮土輕度污染的白板：用壓縮氮?dú)饣蛘呖諝獯蹈蓛?，或者用毛刷清理?/span>

注意，不要使用氟利昂。

重度污染的白板：在流水下或者離子化蒸餾水內(nèi)用220-240目的水砂紙輕輕打磨污染的表面，直到表面不沾水為止。陰干至少24小時(shí)。

注意，不要使用有或者肥皂。

13，室內(nèi)照明光源

如果認(rèn)為一個(gè)ASD提供的Pro Lamp照明光源不是足夠的，建議使用兩個(gè)或者三個(gè)同樣的光源。還可以使用灰板作為參考板。

白板和灰板之間的差別，可以使用ViewSpec軟件做對(duì)比。

照明范圍可以通過旋轉(zhuǎn)光源上的聚焦旋鈕得到。

更換燈泡時(shí)一定要戴手套，以免燙傷，也避免手上的油污污染燈泡上表面。

14，光纖與手柄連接松緊度

光纖出口端頭位置的上下兩端有兩顆螺釘。下面的一顆螺釘頭上有彈簧滾珠。調(diào)整此螺釘即可調(diào)整光纖固定松緊度。