地物光譜儀在野外測(cè)量中的使用

論文摘要 在遙感技術(shù)中，為了更地判讀多光譜圖像，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(cè)量原理方法、工作規(guī)范及注意事項(xiàng)，概要地說明了影響光譜測(cè)量的因素。 
　　 
　　　　 
　　在遙感領(lǐng)域中，為了研究各種不同地物或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(cè)量的光譜儀器。對(duì)野外地物光譜進(jìn)行測(cè)量，我們使用的是美國(guó)ASD公司FieldSpec?誖HandHeld 手持便攜式光譜分析儀。其主要技術(shù)指標(biāo)為：波長(zhǎng)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(biāo)可見—近紅外波段的光譜輻射測(cè)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(yīng)度定標(biāo)數(shù)據(jù)，可測(cè)量并獲得地物目標(biāo)的光譜輻亮度；利用漫反射參考板對(duì)比測(cè)量，可獲得目標(biāo)的反射率光譜信息；通過對(duì)經(jīng)過標(biāo)定的漫反射參考板的測(cè)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(cè)量裝置，可獲得地面目標(biāo)的BRDF（方向反射因子）光譜信息參數(shù)。 
　　為了使地物光譜數(shù)據(jù)可靠和高的質(zhì)量，使數(shù)據(jù)便于對(duì)比和應(yīng)用，有必要提出地物光譜測(cè)試規(guī)范和測(cè)量要求。 
　　 
　　1儀器的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)定 
　　 
　　1.1光譜分辨率 
　　實(shí)用分辨寬度對(duì)0.04~1.10μｍ小于5nm，1.1~2.5μm小于15nm。對(duì)于FieldSpec?誖HandHeld 手持便攜式光譜分析儀，起始波長(zhǎng)為325nm，終止波長(zhǎng)為1 075nm，波長(zhǎng)步長(zhǎng)為1nm，則光譜分辨率取3nm。 
　　1.2線性標(biāo)定 
　　線性動(dòng)態(tài)范圍有3個(gè)量級(jí)，zui大信號(hào)對(duì)應(yīng)為0.8~1.0，太陽常數(shù)照明的白板（＜90％）峰值響應(yīng)輸出。線性誤差小于3％（回歸誤差）。 
　　1.3光譜響應(yīng)度的標(biāo)定 
　　反射率小于、等于15％（大于1％）的目標(biāo)，信噪比應(yīng)大于10。反射率大于15％的目標(biāo)，信噪比應(yīng)大于20。 
　　 
　　2野外測(cè)定方法與工作規(guī)范 
　　 
　　2.1目標(biāo)選取 
　　選取測(cè)量目標(biāo)要具有代表性，應(yīng)能真實(shí)反映被測(cè)目標(biāo)的平均自然性。對(duì)于植被冠層及用物的測(cè)量應(yīng)考慮目標(biāo)和背景的綜合效應(yīng)。 
　　2.2能見度的要求 
　　對(duì)一般無嚴(yán)重大氣污染地區(qū)，測(cè)量時(shí)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(wěn)定。 
　　2.4風(fēng)力要求 
　　測(cè)量時(shí)間內(nèi)風(fēng)力小于５級(jí)，對(duì)植物，測(cè)量時(shí)風(fēng)力小于３級(jí)。 
　　2.5測(cè)量方法 
　　在11時(shí)30分至14時(shí)30分進(jìn)行測(cè)量，每種地物光譜測(cè)量前，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)參考板進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)，得到接近100％的基線，然后對(duì)著目標(biāo)地物測(cè)量；為使所測(cè)數(shù)據(jù)能與衛(wèi)星傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，測(cè)量?jī)x器均垂直向下進(jìn)行測(cè)量。 
　　 
　　3野外光譜測(cè)量注意事項(xiàng) 
　　 
　　野外光譜測(cè)試的基本要求是在晴天中午前后進(jìn)行，風(fēng)力不超過5級(jí)，如果測(cè)試土壤光譜，必須在雨過3d以后進(jìn)行。為了使數(shù)據(jù)具有代表性，要仔細(xì)比較選擇被測(cè)地物，對(duì)同一種地物測(cè)量多次，保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可比。

3.1儀器的位置 
　　儀器向下正對(duì)著被測(cè)物體，至少保持與水平面的法線夾角在±10°之內(nèi)，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(jù)相對(duì)高度和視場(chǎng)角計(jì)算。如果有多個(gè)探頭可選，則在野外盡量選擇寬視域探頭。測(cè)量植物冠層光譜時(shí)，注意測(cè)量代表性的物種。 
　　3.2傳感器探頭的選擇 
　　當(dāng)野外地物范圍比較大，物種純度比較高、觀測(cè)距離比較近時(shí)，選用較大視場(chǎng)角的探頭；當(dāng)?shù)匚锓植济娣e較小時(shí)，或者物種在近距離內(nèi)比較混雜，或需要測(cè)量遠(yuǎn)處地物時(shí)，則選用小視場(chǎng)角的探頭。 
　　3.3避免陰影 
　　探頭定位時(shí)必須避免陰影，人應(yīng)該面向陽光，這樣可以得到一致的測(cè)量結(jié)果。野外大范圍測(cè)試光譜數(shù)據(jù)時(shí)，需要沿著陰影的反方向布置測(cè)點(diǎn)。 
　　3.4白板反射校正 
　　天氣較好時(shí)每隔幾分鐘就要用白板校正1次，防止傳感器響應(yīng)系統(tǒng)的漂移和太陽入射角的變化影響，如果天氣較差，校正應(yīng)更頻繁。校正時(shí)白板應(yīng)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(lán)色的衣帽，就會(huì)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(biāo)物上。當(dāng)使用翻斗卡車或其他平臺(tái)從高處測(cè)量地物目標(biāo)時(shí)，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(cè)時(shí)間和頻度 
　　光譜測(cè)試應(yīng)在10～14時(shí)之間完成，并在無云晴朗的天空下進(jìn)行，盡量避免過早或過晚。在時(shí)間許可時(shí)，盡量多測(cè)一些光譜。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試5個(gè)數(shù)據(jù)，以求平均值，降低噪聲和隨機(jī)性。 
　　3.7采集輔助數(shù)據(jù) 
　　在所有的測(cè)試地點(diǎn)必須采集GPS數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄測(cè)點(diǎn)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(xù)的解譯分析。 
　　野外地物光譜測(cè)量是一個(gè)需要綜合考慮各種光譜影響因素的復(fù)雜過程，我們所獲取的光譜數(shù)據(jù)是太陽高度角、太陽方位角、云、風(fēng)、相對(duì)濕度、入射角、探測(cè)角、儀器掃描速度、儀器視場(chǎng)角、儀器的采樣間隔、光譜分辨率、坡向、坡度及目標(biāo)本身光譜特性等各種因素共同作用的結(jié)果。光譜測(cè)定前要根據(jù)測(cè)定的目標(biāo)與任務(wù)制定相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案，排除各種干擾因素對(duì)所測(cè)結(jié)果的影響，使所得的光譜數(shù)據(jù)盡量反映目標(biāo)本身的光譜特性，并在觀測(cè)時(shí)詳細(xì)記錄參數(shù)、儀器參數(shù)以及觀測(cè)目標(biāo)（如土壤、植被、人工目標(biāo)）的輔助信息。只有這樣，所測(cè)結(jié)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(jù)。 
　　 
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