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專注光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)
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手持式地物光譜儀植物測(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
。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
波段號(hào) | 波長(zhǎng)范圍（nm） | 光譜吸收特征 |
1 | 450-520 | 藍(lán)綠光區(qū)，水體最大透過(guò)率的位置 |
2 | 520-600 | 綠光區(qū)，匹配植被的綠光反射峰 |
3 | 630-690 | 紅光區(qū)、用于判定植物類型的葉綠素吸收帶 |
4 | 760-900 | 近紅外反射區(qū)、可用于確定生物量參數(shù)和海岸帶制圖 |
5 | 1550-1750 | 紅外反射區(qū)、用于分析土壤含水量和植被覆蓋 |
6 | 2080-2350 | 近紅外反射區(qū)、熱液蝕變引起的礦物吸收譜帶 |
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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)對(duì)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(jiàn)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(duì)藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對(duì)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(jiàn)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)狀況、生長(zhǎng)趨勢(shì)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)
植被光譜特征參數(shù) | 參數(shù)對(duì)應(yīng)的植物特征 |
紅邊(RE) | 紅邊是植被在670～740nm之間反射率增高最快的點(diǎn)，也是一階導(dǎo)數(shù)光譜在該區(qū)間的拐點(diǎn),是綠色植被最顯著的標(biāo)志。 |
藍(lán)邊(BE) | 藍(lán)邊是指藍(lán)色光在490~530nm之間反射率一階導(dǎo)數(shù)的最大值位置。 |
黃邊(YE) | 黃邊是指黃色光在550~582nm之間反射率一階導(dǎo)數(shù)的最小值位置。 |
歸一化差異植被指數(shù)(NDVI) | NDVI一般指近紅外波段反射率和可見(jiàn)光波段反射率的差值與其和值的比值。NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) NDVI可以很好的反映植被本身的生長(zhǎng)狀況、植被覆蓋率等；當(dāng)-1<=NDVI |
差值植被指數(shù)(DVI) | DVI能很好地反映植被覆蓋度的變化，但對(duì)土壤背景的變化較敏感，當(dāng)植被覆蓋度在15%~25% 時(shí)，DVI隨生物量的增加而增加，植被覆蓋度大于80% 時(shí)，DVI對(duì)植被的靈敏度有所下降。DVI=NIR-R |
植被葉面積指數(shù)(LAI) | 是指單位面積內(nèi)植被所有葉面積的總和除以單位面積。葉面積指數(shù)是植被冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指數(shù)，它反映植被的許多生物物理過(guò)程。遙感方法計(jì)算葉面積的指數(shù)的方法，通常是利用植被在近紅外波段有較高的反射率，間接計(jì)算葉面積指數(shù)。 |
紅邊一階導(dǎo)數(shù)最大值(DRE) | 它對(duì)植被的植物量（葉面指數(shù)LAI)反映極為敏感，其他如一階導(dǎo)數(shù)積分、二階導(dǎo)數(shù)積分與綠色植被的覆蓋度有非常緊密的線性關(guān)系。 |
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。
3.2地物光譜測(cè)量條件和注意事項(xiàng)
3.2.1地物光譜測(cè)量條件
①目標(biāo)選取：選取的被測(cè)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(cè)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(jiàn)度的要求：除了測(cè)量?jī)?nèi)容包括對(duì)大氣污染程度的研究，測(cè)量的能見(jiàn)范圍要不小于10千米。
③云量限定：太陽(yáng)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(cè)量過(guò)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(cè)量時(shí)風(fēng)力不大于5級(jí)，若測(cè)量植物，測(cè)量時(shí)風(fēng)力不大于3級(jí)。
⑤測(cè)量時(shí)間：上午10時(shí)至下午2時(shí)是最好的地物光譜測(cè)試時(shí)間段。
測(cè)量步驟：
①記錄測(cè)量?jī)x器及附件名稱、編號(hào)。
②記錄測(cè)量時(shí)間、地點(diǎn)(地理位置和經(jīng)緯度)、環(huán)境(天氣，能見(jiàn)度，風(fēng)力等)。
③記錄測(cè)量目標(biāo)，可使用照相機(jī)進(jìn)行實(shí)物拍照。
④開(kāi)始測(cè)量。
⑤測(cè)量結(jié)束后，記錄結(jié)束時(shí)間,測(cè)量人員。
3.2.2地物光譜測(cè)量注意事項(xiàng)
野外光譜測(cè)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(yáng)光依舊充足且穩(wěn)定，則可以進(jìn)行測(cè)量。風(fēng)力小于5級(jí)，若測(cè)量地物為植被，則風(fēng)力小于3級(jí)，如果被測(cè)地物為土壤，要避免雨后的濕氣對(duì)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(duì)同一種地物進(jìn)行多次測(cè)量，排除隨機(jī)性，保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可比，使數(shù)據(jù)具有代表性。
儀器測(cè)試要求：儀器的探頭需要正對(duì)著地物，使探測(cè)面與水平面持平。
傳感器鏡頭的選擇：根據(jù)測(cè)量地物的面積、地物覆蓋率去選擇不同視場(chǎng)角的鏡頭，視場(chǎng)角較大的鏡頭適合測(cè)量距離較近、地物覆蓋率高的地物。若測(cè)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(chǎng)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(duì)著陽(yáng)光，測(cè)量的時(shí)候也需要正對(duì)著陽(yáng)光，避免陰影。野外大面積測(cè)試光譜數(shù)據(jù)時(shí)，需要根據(jù)太陽(yáng)光的方向設(shè)計(jì)測(cè)試方案。
白板反射校正：根據(jù)被測(cè)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(yáng)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(cè)量時(shí)，應(yīng)該注意到被測(cè)地物周圍的環(huán)境是否對(duì)地物本身的反射光譜特征有影響，若有則需要記錄下來(lái)或者規(guī)避該影響。測(cè)量植被時(shí)，土壤覆蓋率較高的話，則需要更換視場(chǎng)角鏡頭以及記錄土壤的光譜數(shù)據(jù)，后期對(duì)植被光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。除此之外，測(cè)試人員需要穿深色顏色的衣服，避免改變被測(cè)物體的反射光譜特征。
測(cè)量時(shí)間和校準(zhǔn)頻率：光譜測(cè)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(cè)幾組數(shù)據(jù)，以求平均值，降低儀器等因素帶來(lái)的影響。進(jìn)行水體測(cè)量時(shí)，需要換低反射率的標(biāo)準(zhǔn)板重新標(biāo)定，測(cè)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(cè)試地物的GPS信息，并且記錄測(cè)試時(shí)每種被測(cè)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(chǎng)測(cè)試圖
4.2數(shù)據(jù)處理
下面為被測(cè)試植物的反射率曲線，
圖4-3 被測(cè)植物1
圖4-4 被測(cè)植物1的反射率
圖4-5 被測(cè)植物2
圖4-6 被測(cè)植物2的反射率
推薦：
地物光譜儀iSpecField-HH/NIR/WNIR
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