四川西昌學(xué)院地物光譜儀土壤反射測(cè)量

1.為什么用地物光譜儀對(duì)地物進(jìn)行測(cè)試？

對(duì)于地物的測(cè)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(duì)地物進(jìn)行測(cè)試，獲取地物自身的信息。無(wú)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(guò)地物光譜儀去測(cè)試地物的光譜反射率，有些地物信息是可以直接通過(guò)地物光譜測(cè)量去獲取，除此之外地物光譜測(cè)量也能輔助一些化學(xué)法或者其他方法去對(duì)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(yáng)光，而有些會(huì)將大部分太陽(yáng)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(yáng)光透過(guò)，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(zhǎng)的電磁波在液體，固體和氣體這三種介質(zhì)中經(jīng)過(guò)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(guò)吸收段的光譜響應(yīng)來(lái)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(cè)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(zhǎng)的波長(zhǎng)間隔就是光譜分辨率，這個(gè)波長(zhǎng)間距對(duì)被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到的波譜樣本越多，對(duì)地物的測(cè)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(hào)功率（SP）和噪聲功率（NP）之比，它取決于探測(cè)器的敏感度、光譜寬度、被測(cè)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(duì)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(kāi)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(lái)越精確且多樣的地物光譜庫(kù)，為高光譜影像分類(lèi)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(lèi)型，獲取地物性質(zhì)的最基本也是最有效的方法，因?yàn)椴煌?lèi)型的地物具有不同特征的吸收譜線。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(jiàn)光范圍內(nèi)的光譜反射率隨著波長(zhǎng)增加而增加；各種類(lèi)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(jiàn)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(cè)量將會(huì)測(cè)量幾種不同的植被，并且根據(jù)獲取的光譜信息對(duì)植被進(jìn)行不同的分析。

2.2土壤光譜特征

土壤礦物主要包括石英、云母、長(zhǎng)石、氧化物等。影響土壤光譜特性變化的因素包括礦物（原生礦物和次生礦物），土壤含水量，土壤有機(jī)物（胡敏酸和富里酸的腐殖質(zhì)類(lèi)型是主要的有機(jī)質(zhì)），土壤的質(zhì)地和顆粒度等。

在自然狀態(tài)下，土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸收谷。

在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。

土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4μm、1.9μm、2.7μm處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。

圖2-1土壤反射光譜特征

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(cè)量的結(jié)果，所以我們?cè)跍y(cè)量前需要根據(jù)被測(cè)的地物和人物指定相應(yīng)的測(cè)試方案，盡可能規(guī)避所有對(duì)所測(cè)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(cè)量條件以及被測(cè)地物的信息。這樣測(cè)量出來(lái)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(kù)建立提供依據(jù)成。

4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1. 利用萊森光學(xué)的iSpecField-WNIR-HRs地物光譜儀測(cè)試同一份編號(hào)為PTY03的土壤樣品；

2. 利用萊森公司的iSpecField-WNIR-HRs便攜式地物光譜儀和配套的礦物探頭測(cè)試西昌學(xué)院提供的二十二份土壤樣品反射率。

圖4-1 iSpecField-WNIR-HRs便攜式地物光譜儀

圖4-2 便攜地物設(shè)備測(cè)量示意圖

圖4-3 土壤樣品實(shí)物圖

4.1 土壤樣品反射率和部分原始數(shù)據(jù)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 所測(cè)土壤樣品在400nm波長(zhǎng)之后反射率逐漸增大；

2. 所測(cè)的22個(gè)土壤樣品反射率曲線中，大多數(shù)在1400nm處有一個(gè)小反射率波谷，在1900nm波長(zhǎng)處均有反射率波谷出現(xiàn)，在2200nm處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小反射谷；

3. 所測(cè)的22個(gè)土壤樣品反射率曲線中，大多數(shù)在2150nm左右會(huì)出現(xiàn)較小反射率波峰。