手持式地物光譜儀植物測量

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(zhì)中經(jīng)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(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

。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：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構、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:(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光和紅光吸收作用強，而對綠光反射作用強的原因。(2)植被的最獨特的特征就是在700-800nm有一個斜率很大、變化很大的反射曲線，在1100nm處到達峰值。(3)由于葉子內(nèi)部的含水量的強烈吸收作用，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(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目標選取：選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(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(jīng)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(jīng)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。

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)場測試圖

4.2數(shù)據(jù)處理

下面為被測試植物的反射率曲線，

圖4-3 被測植物1

圖4-4 被測植物1的反射率

圖4-5 被測植物2

圖4-6 被測植物2的反射率