手持式地物光譜儀的地物測試案例

1.為什么用地物光譜儀對地物進行測試？

對于地物的測試，傳統(tǒng)的方法有化學法等。隨著光譜學的發(fā)展，現(xiàn)在可以運用光譜法去對地物進行測試，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，有些地物會吸收掉大部分的太陽光，而有些會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，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中經過反射，輻射，散射以及吸收作用的學科。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。相鄰的兩個通道的中心波長的波長間隔就是光譜分辨率，這個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一個光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測量的精確性，帶寬太寬，就會導致我們需要提取的特征點丟失，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)處理分析。信噪比是傳感器的信號功率（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)射光的強度，當信噪比低的時候，噪聲功率的占比就會比較高，對地物的信號探索反演有很大的干擾；當信噪比高時，就能更準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備。

2.1水體遙感的原理

水體的光學特征集中表現(xiàn)在可見光在水體中的輻射傳輸過程，包括水面的入射輻射、水的光學性質、表面粗糙度、日照角度與觀測角度、氣–水界面的相對折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等。對于清水，在藍—綠光波段反射率為4%~5%。0.5um以下的紅光部分反射率降到2%~3%，在近紅外、短波紅外部分幾乎吸收全部的入射能量。因此水體在這兩個波段的反射能量很小。這一特征與植物形成十分明顯的差異，水在紅外波段(NIR, SWIR)的強吸收，而植被在這一波段有一個反射峰，因而在紅外波段識別水體是較容易的。

2.2水體遙感的測試流程

無人機高光譜成像系統(tǒng)要實現(xiàn)水質定性定量從宏觀空間和時間上污染分布變化，不簡單是高光譜數(shù)據(jù)采集，要實現(xiàn)空間分布及定量測量，還需同時用地物光譜儀去進行水面采樣，將采樣數(shù)據(jù)進行水質化學參數(shù)分析后，再與高光譜數(shù)據(jù)進行比對、匹配，完成模型。圖2-1為無人機高光譜水質檢測流程圖；圖2-2為萊森光學地物光譜儀。

圖2-1無人機高光譜水質檢測流程圖

圖2-2萊森手持式地物光譜儀iSpecField-HH

2.3 水體光譜特性

水體的光譜特性不僅是通過表面特征確定的，它包含了一定深度水體的信息，且這個深度及反映的光譜特性是隨時空而變化的。水色(即水體的光譜特性)主要決定于水體中浮游生物含量(葉綠素濃度)、懸浮固體含量(混濁度大小)、營養(yǎng)鹽含量、有機物質、鹽度指標以及其他污染物、底部形態(tài)(水下地形)、水深等因素。因此，通過遙感系統(tǒng)測量并分析水體吸收和散射太陽輻射而形成的光譜特征，是水質遙感定量監(jiān)測的基礎。

圖2-3不同渾度的水體光譜反射率

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影響我們野外地物光譜測量的結果，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的測試方案，盡可能規(guī)避所有對所測結果產生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數(shù)據(jù)能夠真實體現(xiàn)出地物本身的光譜特性，并且記錄當時使用的儀器參數(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

3.2.1地物光譜測量條件

①目標選?。哼x取的被測地物要具有象征性，需要能準確反映出該地物的平均生態(tài)情況。（根據(jù)實際需求）。在測量植被冠層等地物時，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，不能夠時而陰天時而晴天，云量也需要穩(wěn)定，若在測量過程中光照強度發(fā)生變化，則需要重新進行標定。

④風力要求：一般情況下測量時風力不大于5級，若測量植物，測量時風力不大于3級。

⑤測量時間：上午10時至下午2時是最好的地物光譜測試時間段。

測量步驟：

①記錄測量儀器及附件名稱、編號。

②記錄測量時間、地點(地理位置和經緯度)、環(huán)境(天氣，能見度，風力等)。

③記錄測量目標，可使用照相機進行實物拍照。

④開始測量。

⑤測量結束后，記錄結束時間,測量人員。

3.2.2地物光譜測量注意事項

野外光譜測試的時間要求是在上午十點至下午二點進行，若下午三四點太陽光依舊充足且穩(wěn)定，則可以進行測量。風力小于5級，若測量地物為植被，則風力小于3級，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，對同一種地物進行多次測量，排除隨機性，保證測試結果準確可比，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：校準標定標準板時需要正對著陽光，測量的時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，需要根據(jù)太陽光的方向設計測試方案。

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準板。由于太陽光角度、強弱時刻發(fā)生變化，儀器需要經常用白板校準，天氣較好的情況下幾分鐘需要標定一次。若天氣較差，標定的頻率則需要更高。當陰影不可避免時，使用參考白板校正時應注意遮蔭。

防止光背景污染：野外測量時，應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，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。

測量時間和校準頻率：光譜測試應在上午十點至下午兩點之間完成，并在光照穩(wěn)定的條件下進行。在時間充裕的情況下，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。進行水體測量時，需要換低反射率的標準板重新標定，測量數(shù)據(jù)應至少跨越一個波浪周期。

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。

3.2.3水樣采集流程

在研究區(qū)內選取10~20個采樣點，使用標準采樣器對水面至水下50cm的水柱進行取樣，并測定水質參數(shù)。懸浮物濃度(mg/L)、濁度(度)分別按照GB11901—89(1990年)、GB 13200—91(1990年)進行測定，同步開展水面高光譜數(shù)據(jù)測量。

使用iSpecField-HH地物光譜儀（圖1-2）在350-1100 nm波譜段內按照1 nm間隔采樣，水面光譜采用傾斜法進行測量，每次測定前需對輻射儀進行校正，單個樣點重復采集5次，以均值為光譜反射值。圖3-1為水面采樣圖。

圖3-1水面采樣圖

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

①實驗儀器：本實驗使用iSpecField-HH手持式地物光譜儀（圖4-1），其光譜范圍250-1100nm，通道數(shù)1600，探測器為2048像素CCD/512像素InGaAs-TEC致冷：固定全息光柵分光，光譜分辨率為1nm@250-1100nm；最短積分時間為50微秒，視場角為8°以及99%標準白板。

②實驗時間地點人物：2022年12月21日，廣東省深圳市深圳大學，王海東，譚文祥等。

③測試地物：河道。

圖4-1 手持式地物光譜儀iSpecField-HH

4.2數(shù)據(jù)處理

總共測試了十個采樣點，每個采樣點測試十次，將數(shù)據(jù)進行平滑后取平均值。

圖4-2 十個采樣點反射率對比圖

由圖4-2可看出，十個采樣點整體反射率趨勢相同，采樣點2的反射率最高，采樣點4的反射率最低，在490-570nm波長的綠光反射率范圍內，可根據(jù)反射率高低初步判斷不同采樣點的浮游植物和有機物的含量，這是由于浮游植物吸收了光譜中的藍、綠光并進行光合作用，導致綠色光反射率較高。同時，水中溶解有機物和懸浮物等也會對光的傳輸產生影響。水體反射光譜在650到700nm波段出現(xiàn)的吸收帶是由于水體中溶解有機物和色素所引起的吸收作用導致的。這個吸收帶被稱為波長為峰值的被動光學水體色素濃度指數(shù)（PEI）。PEI可以用來估算水體中的葉綠素a含量。當水體中葉綠素a濃度較高時，水體對綠色輻射的吸收作用會占據(jù)主要位置，而當葉綠素濃度較低時，水體在650-700nm波段的反射率較高。

需要注意的是，PEI受到水質和環(huán)境因素的干擾較大，其估算結果僅供參考。對于精確測量葉綠素含量，還需要進行采樣分析等操作。

5.結論

水質光譜測量是一種非常重要的水質檢測技術，具有以下幾方面的意義：

1.檢測水體的透明度和顏色：通過測量水體的透明度和顏色，可以判斷水體中懸浮物、有機質、營養(yǎng)鹽和微生物等污染物的含量和分布情況。

2.監(jiān)測水體中的營養(yǎng)鹽：水體中過多的營養(yǎng)鹽（如氮、磷等）會引起富營養(yǎng)化，導致水中藻類過多、COD增高等問題。水質光譜測量可以探測出水體中營養(yǎng)鹽的濃度，從而評估水的污染狀況。

3.跟蹤和預警反應某些污染：某些有害物質，例如含銅、鐵、汞、鉛等重金屬離子、有機物和致病微生物等，會致使水體的物理化學性質發(fā)生改變。水質光譜技術可以精確和及時檢測這些有害物質的存在，從而實現(xiàn)對水體的跟蹤監(jiān)測和預警反應。

4．研究水文地理過程：水質光譜測量可以研究水文地理過程，如河流、湖泊和海洋等自然水體的流速、流向、流量、水深、沉積物等過程。這有助于深入了解環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，從而為環(huán)境保護和生態(tài)恢復提供更有效的數(shù)據(jù)支持。

地面水樣采集后再用無人機高光譜（圖5-1）取進行區(qū)域光譜反射率測量，就能進行進一步反演，可實現(xiàn)大范圍水質檢測，也可以反映水質在空間、時間上的分布和變化情況以及預測未來水質變化趨勢。

圖5-1 iSpecHyper-VM100無人機高光譜