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(duì)地物進(jìn)行測試？

對(duì)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(duì)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(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(duì)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(duì)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(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(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水體遙感的原理

水體的光學(xué)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(xué)性質(zhì)、表面粗糙度、日照角度與觀測角度、氣–水界面的相對(duì)折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等。對(duì)于清水，在藍(lán)—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(gè)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(qiáng)吸收，而植被在這一波段有一個(gè)反射峰，因而在紅外波段識(shí)別水體是較容易的。

2.2水體遙感的測試流程

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

圖2-1無人機(jī)高光譜水質(zhì)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(gè)深度及反映的光譜特性是隨時(shí)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(jī)物質(zhì)、鹽度指標(biāo)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(zhì)遙感定量監(jiān)測的基礎(chǔ)。

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(huì)影響我們野外地物光譜測量的結(jié)果，所以我們?cè)跍y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(duì)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(duì)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(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(duì)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(duì)著陽光，測量的時(shí)候也需要正對(duì)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(duì)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(duì)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。

3.2.3水樣采集流程

在研究區(qū)內(nèi)選取10~20個(gè)采樣點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)采樣器對(duì)水面至水下50cm的水柱進(jìn)行取樣，并測定水質(zhì)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(jìn)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(nèi)按照1 nm間隔采樣，水面光譜采用傾斜法進(jìn)行測量，每次測定前需對(duì)輻射儀進(jìn)行校正，單個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)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(shí)驗(yàn)儀器：本實(shí)驗(yàn)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(shí)間為50微秒，視場角為8°以及99%標(biāo)準(zhǔn)白板。

②實(shí)驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)人物：2022年12月21日，廣東省深圳市深圳大學(xué)，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(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)測試十次，將數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑后取平均值。

圖4-2 十個(gè)采樣點(diǎn)反射率對(duì)比圖

由圖4-2可看出，十個(gè)采樣點(diǎn)整體反射率趨勢相同，采樣點(diǎn)2的反射率最高，采樣點(diǎn)4的反射率最低，在490-570nm波長的綠光反射率范圍內(nèi)，可根據(jù)反射率高低初步判斷不同采樣點(diǎn)的浮游植物和有機(jī)物的含量，這是由于浮游植物吸收了光譜中的藍(lán)、綠光并進(jìn)行光合作用，導(dǎo)致綠色光反射率較高。同時(shí)，水中溶解有機(jī)物和懸浮物等也會(huì)對(duì)光的傳輸產(chǎn)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(jī)物和色素所引起的吸收作用導(dǎo)致的。這個(gè)吸收帶被稱為波長為峰值的被動(dòng)光學(xué)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(dāng)水體中葉綠素a濃度較高時(shí)，水體對(duì)綠色輻射的吸收作用會(huì)占據(jù)主要位置，而當(dāng)葉綠素濃度較低時(shí)，水體在650-700nm波段的反射率較高。

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

5.結(jié)論

水質(zhì)光譜測量是一種非常重要的水質(zhì)檢測技術(shù)，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(jī)質(zhì)、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(huì)引起富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水中藻類過多、COD增高等問題。水質(zhì)光譜測量可以探測出水體中營養(yǎng)鹽的濃度，從而評(píng)估水的污染狀況。

3.跟蹤和預(yù)警反應(yīng)某些污染：某些有害物質(zhì)，例如含銅、鐵、汞、鉛等重金屬離子、有機(jī)物和致病微生物等，會(huì)致使水體的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。水質(zhì)光譜技術(shù)可以精確和及時(shí)檢測這些有害物質(zhì)的存在，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的跟蹤監(jiān)測和預(yù)警反應(yīng)。

4．研究水文地理過程：水質(zhì)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(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供更有效的數(shù)據(jù)支持。

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

圖5-1 iSpecHyper-VM100無人機(jī)高光譜