便攜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(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(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(nèi)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(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(dāng)信噪比高時，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，因為不同類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)植物光譜反射率會有一個極大值和一個最小值，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)有一個小的反射峰,兩側(cè)有兩個吸收帶,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有一個小的吸收段外，在1400nm，1900nm和2700nm處有三個顯而易見的低反射谷。(4)此外在1600nm和2200nm處也有兩個反射峰。

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)能夠真實體現(xiàn)出地物本身的光譜特性，并且記錄當(dāng)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(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(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(qiáng)度發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

④風(fēng)力要求：一般情況下測量時風(fēng)力不大于5級，若測量植物，測量時風(fēng)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(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)行實物拍照。

④開始測量。

⑤測量結(jié)束后，記錄結(jié)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(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，若測量地物為植被，則風(fēng)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(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(shè)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(biāo)準(zhǔn)板。由于太陽光角度、強(qiáng)弱時刻發(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，使用參考白板校正時應(yīng)注意遮蔭。

防止光背景污染：野外測量時，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，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，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。

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-NIR便攜式地物光譜儀（圖4-1），其光譜范圍250-1700nm，通道數(shù)2200，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1.5nm@250-1100nm；3nm@1100-1700nm，最短積分時間為30微秒，視場角為8°以及99%標(biāo)準(zhǔn)白板。

②實驗時間地點(diǎn)人物：2021年3月24日，湖南省湘潭縣，李卓釗，陳煜豪等。圖4-2為現(xiàn)場測試圖。

圖4-1 便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR

圖4-2 現(xiàn)場測試圖

③測試地物：油菜花（黃花白花），蒜苗，韭菜，生菜。

4.2數(shù)據(jù)處理

下面將通過幾種植物系數(shù)計算來分析被測地物：

被測地物：黃油菜花；時間2021年3月24日；GPS：N27°47′19.188″，E112°59′18.024″。圖4-3為測試的黃油菜花圖，圖4-4為黃油菜花的反射率曲線圖，表4-1為黃油菜花的植物系數(shù)計算結(jié)果。

圖4-3 黃油菜花

圖4-4 黃油菜花反射率圖

表4-1 黃油菜花植被系數(shù)計算結(jié)果

被測地物：白油菜花；時間2021年3月24日；GPS：N27°47′18.696″，E112°59′18.300″；圖4-5為測試的白油菜花圖；圖4-6為白油菜花光譜反射率圖；表4-2為白油菜花植被系數(shù)計算結(jié)果。

圖4-5 測試的白油菜花圖

圖4-6 白油菜花光譜反射率圖

表4-2 白油菜花植被系數(shù)計算結(jié)果

被測地物：韭菜；時間2021年3月24日12:21:29； GPS：N27°47′21.736″，E112°59′14.568″；圖4-7為測試的韭菜圖；圖4-8為韭菜光譜反射率圖；表4-3為韭菜植被系數(shù)計算結(jié)果。

圖4-7測試的韭菜圖

圖 4-8 韭菜光譜反射率圖

表4-3 韭菜的植被系數(shù)計算結(jié)果

被測地物：蒜苗；時間2021年3月24日12:22:03； GPS：N27°47′21.516″，E112°59′16.648″；圖4-9為測試的蒜苗圖；圖4-10為蒜苗光譜反射率圖；表4-4為蒜苗植被系數(shù)計算結(jié)果。

圖4-9 測試的蒜苗圖

圖4-10 蒜苗的光譜反射率圖

表4-4 蒜苗的植被系數(shù)計算結(jié)果

被測地物：生菜；時間2021年3月24日13:33:44； GPS：N27°46′45.942″，E112°53′6.474″；圖4-11為測試的生菜圖；圖4-12為生菜光譜反射率圖；表4-5為生菜植被系數(shù)計算結(jié)果。

圖4-11 測試的生菜圖

圖4-12 生菜的光譜反射率圖

表4-5 生菜的植被系數(shù)計算結(jié)果

圖4-13是將五種測試地物光譜反射率圖進(jìn)行整合對比，能夠發(fā)現(xiàn)白油菜花整體反射率最高，黃油菜花、生菜、蒜苗反射率差不多，整體反射率最低的是韭菜。由于葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光，而葉綠素a主要吸收紅光，葉綠素b主要吸收藍(lán)紫光。從圖可看出白油菜花在450nm吸收很少，可以定性分析出該測試白油菜花葉綠素b含量較低，黃油菜花在680nm的紅光部分吸收較少，可以定性分析出該測試黃油菜花的葉綠素a含量較低。其余三種地物在450nm和680nm都有相應(yīng)吸收，都含有一定的葉綠素a和葉綠素b。

圖4-13 五種地物反射率對比圖

表4-6為五種測試地物的植被系數(shù)對比圖。NDVI指數(shù)越接近1植被生長越是茂盛，通過數(shù)據(jù)對比能得出測試地物中最茂盛的是生菜，其次是蒜苗、韭菜、黃油菜花、白油菜花；RVI指數(shù)能一定條件下反映植被生長狀況，RVI指數(shù)越大植被生長狀況越好，通過數(shù)據(jù)對比得出測試地物中生長狀況最好的是生菜，其次是蒜苗、韭菜、黃油菜花、白油菜花；DVI指數(shù)在一定條件下反映生物量的變化，他們的生物量最多的是白油菜花，其次是蒜苗、生菜、黃油菜花、韭菜；WI指數(shù)能反映葉面水含量，幾種地物水含量最大的是白油菜花，其次是蒜苗、生菜、韭菜、黃油菜花。

表4-6 五種測試地物的植被系數(shù)統(tǒng)計

5.結(jié)論

通過本次測試，可得出測試的地物中，白油菜花的葉綠素b含量較低，黃油菜花的葉綠素a含量較低，其余三種植被都含有一定量的葉綠素a和葉綠素b。通過植被指數(shù)的直觀反饋，測試地物中最茂盛以及生長狀況最好的是生菜，其次是蒜苗、韭菜、黃油菜花、白油菜花；生物量最多的是白油菜花，其次是蒜苗、生菜、黃油菜花、韭菜；幾種地物水含量最大的是白油菜花，其次是蒜苗、生菜、韭菜、黃油菜花。本測試是區(qū)域高光譜遙感的前期采樣工作，若需要獲取區(qū)域內(nèi)的地物光譜特征，則需要用無人機(jī)高光譜（圖5-1為無人機(jī)高光譜iSpecHyper-VM100）去獲取該區(qū)域的地物光譜特征，再通過便攜式地物光譜儀采樣的光譜數(shù)據(jù)做對比、建模，完成區(qū)域高光譜遙感工作。

圖5-1 iSpecHyper-VM100無人機(jī)高光譜