手持式地物光譜儀植物測量

1.為什么用地物光譜儀對地物進(jìn)行測試？

對于地物的測試，傳統(tǒng)的方法有化學(xué)法等。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在可以運(yùn)用光譜法去對地物進(jìn)行測試，獲取地物自身的信息。無論是植被、土壤、水體還是人工地物都具有其自身特征的光譜反射率，我們可以通過地物光譜儀去測試地物的光譜反射率，有些地物信息是可以直接通過地物光譜測量去獲取，除此之外地物光譜測量也能輔助一些化學(xué)法或者其他方法去對地物做研究。

2.地物光譜特征

每種地物的自身特性都不一樣，有些地物會(huì)吸收掉大部分的太陽光，而有些會(huì)將大部分太陽光反射出去，這種地物的反射率比較高，有一些能被部分太陽光透過，這些地物都具有不一樣的反射光譜。所謂光譜學(xué)，就是研究一定波長的電磁波在液體，固體和氣體這三種介質(zhì)中經(jīng)過反射，輻射，散射以及吸收作用的學(xué)科。研究地物光譜特征主要就是研究其反射光譜，知道地物的光譜吸收段并通過吸收段的光譜響應(yīng)來獲取反演地物的材料，狀態(tài)等等。光譜范圍能否包括我們測試地物需要提取的特征點(diǎn)獲取信息的光譜吸收段，是我們能否順利研究獲取地物信息的關(guān)鍵，所以我們首先需要知道光譜范圍，還需要看其光譜分辨率，光譜帶寬以及信噪比。相鄰的兩個(gè)通道的中心波長的波長間隔就是光譜分辨率，這個(gè)波長間距對被測地物的局部特征反映有影響，采樣間隔越小，就越能反映被測地物的局部吸收。光譜帶寬是指光譜儀內(nèi)一個(gè)光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測量的精確性，帶寬太寬，就會(huì)導(dǎo)致我們需要提取的特征點(diǎn)丟失，測量精度低，帶寬越窄，就不容易損失有用的信息，在鄰近的譜段能測到的波譜樣本越多，對地物的測量就越精確，有利于數(shù)據(jù)處理

。信噪比是傳感器的信號(hào)功率（SP）和噪聲功率（NP）之比，它取決于探測器的敏感度、光譜寬度、被測量物表面反射和發(fā)射光的強(qiáng)度，當(dāng)信噪比低的時(shí)候，噪聲功率的占比就會(huì)比較高，對地物的信號(hào)探索反演有很大的干擾；當(dāng)信噪比高時(shí)，就能更準(zhǔn)確的去獲取地物的光譜信息。

除了植被、土壤等典型的地物光譜，人們還開始研究一些人工地物的光譜特征，比如迷彩服的綠色與植被的綠色的區(qū)別。而且根據(jù)這些需要，也建立起越來越精確且多樣的地物光譜庫，為高光譜影像分類和匹配做準(zhǔn)備。

2.1典型地物光譜特征

大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類型，獲取地物性質(zhì)的最基本也是最有效的方法，因?yàn)椴煌愋偷牡匚锞哂胁煌卣鞯奈兆V線。表2-1列出了波段范圍內(nèi)的一些顯著的地物光譜特征。

表2-1 不同波段區(qū)間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內(nèi)響應(yīng)都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見光范圍內(nèi)的光譜反射率隨著波長增加而增加；各種類型的植被光譜反射率曲線在不同波段都有以下幾種特點(diǎn)：在可見光區(qū)內(nèi)植物光譜反射率會(huì)有一個(gè)極大值和一個(gè)最小值，分別在550到560nm之間和650到680nm之間，而且在近紅外（730-1000nm）光譜區(qū)有一段較平緩和比較高的反射率；本次測量將會(huì)測量幾種不同的植被，并且根據(jù)獲取的光譜信息對植被進(jìn)行不同的分析。

2.2植被光譜特征

用地物光譜儀獲取的光譜反射率可以表現(xiàn)出不同植物類型的光譜特征，又能通過光譜特征去研究反演出植被的組織結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、元素含量。一般來說，健康的綠色植物的光譜曲線總是會(huì)呈現(xiàn)很明顯的“高反射峰”和“低反射谷”。如圖2-1植被的反射光譜特征和其他地光譜特征不一樣。

圖2-1植被反射光譜特征

經(jīng)過對圖2.1的分析，可以得知健康綠色植被光譜曲線主要有以下的特點(diǎn):(1)在可見光波段(400-760nm)有一個(gè)小的反射峰,兩側(cè)有兩個(gè)吸收帶,即在450nm和670nm 波段為反射低谷，這是由于葉綠素對藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對綠光反射作用強(qiáng)的原因。(2)植被的最獨(dú)特的特征就是在700-800nm有一個(gè)斜率很大、變化很大的反射曲線，在1100nm處到達(dá)峰值。(3)由于葉子內(nèi)部的含水量的強(qiáng)烈吸收作用，除了在970nm有一個(gè)小的吸收段外，在1400nm，1900nm和2700nm處有三個(gè)顯而易見的低反射谷。(4)此外在1600nm和2200nm處也有兩個(gè)反射峰。

2.3 植被光譜的特征參數(shù)

為了更好地研究植被的反射率光譜，人們提出了一系列的植被系數(shù)來研究植被的光譜特征，這些參數(shù)能夠更好地反映植被本身的生長情況、葉綠素含量等參數(shù)，可以更好地幫助人們研究植被本身生長狀況、生長趨勢等等。表2-2列出了常用的植被光譜特征參數(shù)。

表2-2 常用植被光譜特征參數(shù)

3.地物光譜特征的數(shù)據(jù)獲取

3.1野外光譜數(shù)據(jù)采集

環(huán)境因素、儀器參數(shù)靈敏度、采集的方法、地物本身特性等各種因素都會(huì)影響我們野外地物光譜測量的結(jié)果，所以我們在測量前需要根據(jù)被測的地物和人物指定相應(yīng)的測試方案，盡可能規(guī)避所有對所測結(jié)果產(chǎn)生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數(shù)據(jù)能夠真實(shí)體現(xiàn)出地物本身的光譜特性，并且記錄當(dāng)時(shí)使用的儀器參數(shù)，測量條件以及被測地物的信息。這樣測量出來的數(shù)據(jù)才具有可靠性，為之后的數(shù)據(jù)反演和光譜庫建立提供依據(jù)成。

3.2地物光譜測量條件和注意事項(xiàng)

3.2.1地物光譜測量條件

①目標(biāo)選?。哼x取的被測地物要具有象征性，需要能準(zhǔn)確反映出該地物的平均生態(tài)情況。（根據(jù)實(shí)際需求）。在測量植被冠層等地物時(shí)，需要考慮土壤覆蓋率等背景因素。

②能見度的要求：除了測量內(nèi)容包括對大氣污染程度的研究，測量的能見范圍要不小于10千米。

③云量限定：太陽光源需穩(wěn)定，不能夠時(shí)而陰天時(shí)而晴天，云量也需要穩(wěn)定，若在測量過程中光照強(qiáng)度發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

④風(fēng)力要求：一般情況下測量時(shí)風(fēng)力不大于5級(jí)，若測量植物，測量時(shí)風(fēng)力不大于3級(jí)。

⑤測量時(shí)間：上午10時(shí)至下午2時(shí)是最好的地物光譜測試時(shí)間段。

測量步驟：

①記錄測量儀器及附件名稱、編號(hào)。

②記錄測量時(shí)間、地點(diǎn)(地理位置和經(jīng)緯度)、環(huán)境(天氣，能見度，風(fēng)力等)。

③記錄測量目標(biāo)，可使用照相機(jī)進(jìn)行實(shí)物拍照。

④開始測量。

⑤測量結(jié)束后，記錄結(jié)束時(shí)間,測量人員。

3.2.2地物光譜測量注意事項(xiàng)

野外光譜測試的時(shí)間要求是在上午十點(diǎn)至下午二點(diǎn)進(jìn)行，若下午三四點(diǎn)太陽光依舊充足且穩(wěn)定，則可以進(jìn)行測量。風(fēng)力小于5級(jí)，若測量地物為植被，則風(fēng)力小于3級(jí)，如果被測地物為土壤，要避免雨后的濕氣對土壤反射率的影響。要選擇能反映出地物平均自然性的地物，對同一種地物進(jìn)行多次測量，排除隨機(jī)性，保證測試結(jié)果準(zhǔn)確可比，使數(shù)據(jù)具有代表性。

儀器測試要求：儀器的探頭需要正對著地物，使探測面與水平面持平。

傳感器鏡頭的選擇：根據(jù)測量地物的面積、地物覆蓋率去選擇不同視場角的鏡頭，視場角較大的鏡頭適合測量距離較近、地物覆蓋率高的地物。若測量地物較遠(yuǎn)或者該地物覆蓋率不高的情況下，則需要用到視場角較小的鏡頭。

避免陰影：校準(zhǔn)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)需要正對著陽光，測量的時(shí)候也需要正對著陽光，避免陰影。野外大面積測試光譜數(shù)據(jù)時(shí)，需要根據(jù)太陽光的方向設(shè)計(jì)測試方案。

白板反射校正：根據(jù)被測地物自身反射率高低，選擇合適反射率的標(biāo)準(zhǔn)板。由于太陽光角度、強(qiáng)弱時(shí)刻發(fā)生變化，儀器需要經(jīng)常用白板校準(zhǔn)，天氣較好的情況下幾分鐘需要標(biāo)定一次。若天氣較差，標(biāo)定的頻率則需要更高。當(dāng)陰影不可避免時(shí)，使用參考白板校正時(shí)應(yīng)注意遮蔭。

防止光背景污染：野外測量時(shí)，應(yīng)該注意到被測地物周圍的環(huán)境是否對地物本身的反射光譜特征有影響，若有則需要記錄下來或者規(guī)避該影響。測量植被時(shí)，土壤覆蓋率較高的話，則需要更換視場角鏡頭以及記錄土壤的光譜數(shù)據(jù)，后期對植被光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。除此之外，測試人員需要穿深色顏色的衣服，避免改變被測物體的反射光譜特征。

測量時(shí)間和校準(zhǔn)頻率：光譜測試應(yīng)在上午十點(diǎn)至下午兩點(diǎn)之間完成，并在光照穩(wěn)定的條件下進(jìn)行。在時(shí)間充裕的情況下，盡可能多測幾組數(shù)據(jù)，以求平均值，降低儀器等因素帶來的影響。進(jìn)行水體測量時(shí)，需要換低反射率的標(biāo)準(zhǔn)板重新標(biāo)定，測量數(shù)據(jù)應(yīng)至少跨越一個(gè)波浪周期。

采集輔助數(shù)據(jù)：記錄所有測試地物的GPS信息，并且記錄測試時(shí)每種被測地物的周圍環(huán)境，并且拍照記錄，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

圖4-1 手持式地物光譜儀iSpecField-HH-PRO

圖4-2 現(xiàn)場測試圖

4.2數(shù)據(jù)處理

下面為被測試植物的反射率曲線，

圖4-3 被測植物1

圖4-4 被測植物1的反射率

圖4-5 被測植物2

圖4-6 被測植物2的反射率