野外光谱仪操作规范修改版

野外光谱仪操作规范

1 地物光谱测量原理

反射率（Reflectance ）定义为物体反射能量与入射能量的比值。光谱反射率（Spectral Reflectance ）为某个特定波长间隔下测定的物体反射率，连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱（Reflectance Spectrum ）。由于测定方式的差异，反射率波谱可以根据入射能量的照明方式及反射能量测定方式给定如下4种定义：

(1) 方向－方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。地物双向反射特性主要就是研究方向－方向反射率波谱。晴天条件下，以太阳光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为方向－方向反射率波谱。方向－方向反射率的定义与二向反射率（Bidirectional Reflectance Distribution Function ，BRDF ）基本一致，其定义如下：

(,)(,,,)(,)r r i i r r i i L E πθφρθφθφθφ= (1)

,,,i i r r θφθφ分别为入射方向的天顶角和方位角及观测方向的天顶角和方位角，(,)i i E θφ为(,)i i θφ方向直射辐射的辐照度值，(,)r r L θφ为传感器在观测方向(,)r r θφ测定的物体表面的辐亮度值。暗含假设目标物为朗伯体。

需要注意的是，公式(1)定义的方向－方向反射率测定要求其它入射方向没有任何散射光。

(2) 半球－方向反射率波谱：入射能量在2π半球空间内均匀分布，波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。全阴天条件下，以太阳散射光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为半球－方向反射率波谱。半球－方向反射率的定义如下，

2200(,)

(,)(,)(,)cos sin r r r r r r d i i i i i i

L L E E d πππθφπθφρθφθφθφθφ==?? (2) 式中d E 为2π半球空间内到达物体表面所有辐照度值的总和。

(3) 方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定2π半球空间的平均反射能量。利用积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。方向－半球反射率的定义如下，

220

0(,)cos sin (,)(,)2*(,)r r r r i i

u i i i i i i L d L E E ππθφθφθφπρθφθφθφ==?? (3)

式中u L 为2π半球空间内表面反射的平均辐亮度值。

(4) 半球－半球反射率波谱：入射能量在2π半球空间内均匀分布，波谱测定仪器测定的是2π半球空间的平均反射能量。若将不严格要求入射能量在2π半球空间内均匀分布，半球－半球反射率波谱就是地物反照率波谱。半球－半球反射率的定义如下，

u

d L E πρ= (4)

式中定义的半球－半球反射率就是反照率（albedo ）。

上述4种反射率定义是从反射率波谱测量角度考虑的，尽管其定义不一定完善，但各种定义的反射率波谱有各自的特定遥感用途。

2 野外地物方向反射率波谱数据测定原理和处理方法

由于诸多客观条件限制，很难测定4种定义的理想反射率波谱。航空和卫星光学遥感技术获取的是地物某些特定观测方向的反射太阳光能量，可以近似为方向－方向反射率数据，因此目前国内外遥感应用研究采用的主要数据源还是方向－方向反射率数据。

(1) 野外地物方向反射率波谱测定和计算原理

野外条件下的太阳辐照度光谱d E 或*d E 的测定可以借助一个标定好的朗伯体作为反射

参考板，利用便携式地物光谱仪测定参考板的辐亮度光谱，从而计算太阳光源到达地表的辐照度光谱。太阳辐照度光谱计算如下：

*

()()()Ref d Ref L E πλλρλ= (10)

式中Ref L 为光谱仪测定的朗伯参考板反射的辐亮度，Ref ρ为朗伯参考板的反射率。

根据方向反射率定义和公式，太阳辐照度光谱测定后，只要同步测定目标反射的辐亮度光谱，就可以计算目标的光谱反射率，即

*(,,)

(,,)(,,)()(,,)t r r t r r t r r Ref d Ref r r L L E L πθφλθφλρθφλρλθφλ== （11)

式中为(,,)t r r L θφλ光谱仪在(,)r r θφ方向观测到的目标辐亮度光谱，(,,)t r r ρθφλ为计算的

野外地物方向反射率波谱。

(2) 野外地物方向反射率波谱测定注意事项：

方向反射率波谱数据依赖于波谱测定条件，如直射/散射光比例、直射光方向、观测方向、地物尺度效应及观测对象个体和群体特点等，因此野外地物波谱测定时不仅需要准确记录和获取这些属性数据，还要尽量不破坏现场条件，包括成像条件和观测对象。为了确保野外地物方向反射率波谱数据的准确、客观、可靠，在波谱测定时需要考虑：

1)尽可能避免试验人员和仪器对太阳入射光的影响：测量者应面向太阳垂直方向（垂

直主平面方向），不能阻挡太阳直射光；尽量减小测量人员或仪器相对于观测对象

在上半空间的立体角，即减少测量人员和仪器设备阻挡的天空散射光；测量人员着

深色装，测量仪器要涂黑或用深色物，降低测量人员/仪器与观察对象的交叉辐射

影响。

2)观测范围选取时要观测对象的尺度效益：避免瞎子摸象现象，以行播作物的冠层波

谱测定为例，观测范围要覆盖3～5个行距。

3)室内分析的取样对象要与观测对象保持一致：特别是植被地物，一是要保证取样范

围与波谱测定范围一致，另外要考虑植被的呼吸和光合作用对生理生化指标的影

响，尽可能地保证室内分析时植物样品的生理生化状态与波谱测定时一致。

4)测定天空散射光信息：明确直射光和散射光对入射能量的贡献。

5)参考板和观测对象的反射波谱测定要同步：由于野外条件的气象条件的瞬变特性，

特别是风、云对太阳入射能量的影响，要尽可能保证参考板和观测对象的波谱测定

的同步，避免天气变化造成的反射率波谱数据误差。

6)记录现场天气条件和观测对象的详细描述，并辅以现场照片。

3 光谱测量规范

一套科学、严格、有效的光谱测量规范，是所获光谱数据质量的根本保证。为此，针对ASD （ASD FieldSpec Pro VNIR, Analytical Spectral Devices, Inc. Boulder, CO, USA)，地物光谱仪和小麦冠层光谱测量，制定了如下操作规程与技术规范（主要内容）。

1)仪器的检验与标定

◆按地物光谱仪的标称精度对光谱分辨率、中心波长位置、信噪比等主要参数进行定

期检验（交国家授权的检测机构进行）；

◆对漫反射标准参考板，每半年需重新标定一次，以确保反射比参数的客观准确；

◆观测过程中，每半小时左右进行一次光谱仪暗电流测定，及时校正仪器噪声对观测

结果的影响。

2)观测时间与气象条件

◆观测时段规定为地方时（北京地区即为北京时间）9:30~15:30，以确保足够的太阳

高度角；

◆观测时段内的气象要求为：地面能见度不小于10km；太阳周围90o立体角范围内

淡积云量应小于2 %，无卷云和浓积云等；风力应小于3级。

3)光谱测量注意事项

◆为减少测量人员自然反射光对观测目标的影响，观测人员应身着深色服装；

◆观测过程中，观测员应面向太阳垂直方向（垂直主平面方向），尽量减小测量人员

对被测物的影响。记录员等其他成员均应站立在观测员身后，避免在目标区两侧走

动；

◆转向新的观测目标区时，观测组全体成员应面向太阳接近目标区，杜绝践踏观测区。

测试结束后应沿进场路线退出目标区；

◆观测时探测头应保持垂直向下，即与机载成像光谱仪观测方向保持一致，注意观测

目标的二向反射性影响；

◆在地物光谱仪的输出光谱数据设置项中，每条光谱的平均采样次数应不小于10；

测定暗电流（ASD- VNIR型）的平均采样次数不小于20；

◆对同一目标的观测次数（记录的光谱曲线条数）应不小于5，每组观测均应以测定

参考板开始，最后以测定参考板结束。特殊情况下，当太阳周围90o立体角范围内

有微量漂移的淡积云，光照亮度不够稳定时，应适当增加参考板测定密度。

4具体操作程序

4.1仪器操作

①观测人员着深色服装，装上光谱仪与笔记本电脑的电池，连接上光谱仪与笔

记本电脑，准备好参考板，取出测试枪头。

②打开光谱仪（侧面有一黑色内陷按纽，按一下，此时黑色按纽上方有一指示

灯变绿，同时可听到机器内风扇的响动，说明机器已经启动。通常野外测试

受测试条件的限制对仪器不用预热，如在室内测试用室内光源，应对仪器预

热半小时以上。对仪器进行校正时，应预热15分钟。）

③打开笔记本电脑。

④打开操作软件（开机过程不可颠倒）。（FR.exe BW（浅色操作系统）—用于室

外，FR.exe（彩色）—用于室内）

⑤进行数据保存设置：打开菜单栏上Spectrum Save菜单，键入所测光谱数据要

保存的路径、文件夹名称（path name默认值C:\FR）、光谱文件名称(base name

默认值spectrum)即可。（Starting Spectrum Number(d)）是设置开始保存光谱文

件的“后缀名”（默认从spectrum.000开始保存））（Number of Files to save(d) 是

（interval between saves 设置每一次保存的光谱条数默认001每一次保存一条。）

是设置仪器自动保存光谱之间的时间间隔。）（comment是对当前测试数据的注

解说明，可在后处理中输出。）通常情况下，后四项可以不设置，但是，记录

员必须记录清楚测试当时的条件。设置完全后按“ok”即可。

⑥ 进入操作主画面，首先测试员用一只手握住测试枪头垂直对准参考板（参考

板水平放置，视场角此仪器配置三个25、3、8裸露时视场角为25，通常状况

测试时用25）距离20-30cm ，另一只手操作计算机，先优化按（Opt ）即仪器

对当时的太阳光照条件、增益和积分时间进行配置，再按DC 消除暗电流。结

束后，即可开始测试（测试项目一般为Raw DN(digital number)值，（Ref ）相

对反射率值，（Rad ）辐射率值。Ref 很少测试，通常测试项目为Raw DN n ，

测rad 时优化（Opt ）结束后还要对rad 进行优化即点击Rad 图标进行优化）。

测试枪头在参考板上轻微移动（视场范围不可超出参考板范围，参考板表面

应比较均匀一致。）计算机屏幕曲线比较平滑稳定时即可保存（按空格键，有

两声清脆响声即表示已保存。）先测参考板2次。

⑦ （保持太阳光照条件的一致性）迅速移动测试枪头垂直对准观测目标（针对

作物冠层综合视场的光谱测量，探头高度保持在1.3m 附近，视场范围为直径

50厘米的一个圆）操作同参考板，测试保存数目不小于5次。测量的作物目

标如果没封行，应该分别测定行间和垄间。

⑧ 测试完目标后，重复测参考板2次。（通常一次完整测试包括先测参考板2次：

光照参考板和阴影参考板，再测目标5次，再测参考板2次。）

⑨ 记录员要同时做好记录，记录的内容包括测定的日期、地块编号、观测目标、

光谱仪的型号、文件名、观测时间、观测目标描述、天气情况（温度、云量、

风速）、相片编号和GPS 定点号等。

⑩ 数据后处理：用软件ASD ViewSpecPro 进行处理。

4.2玉米的光谱测量

1对每个目标区有代表性地进行定点，选择具有群体特性的植株作为观测目标，光谱观测过程中，每点按植株、株间和行间分别进行观测（株间即为与所观测植株相邻植株间的中心位置；行间即为与所观测植株所在行的邻行中最近植株间的中心位置）。

2 观测高度确定：以覆盖一个行距为原则，计算光谱仪探头离冠层的高度H ，即 )

2tan(*2θL H = 设行距为L ＝70cm ，探头视场角25?，所以探头离冠层的高度为160cm 。

3 植株光谱测定：光谱仪探头距植冠顶部中心处160cm 高度，并垂直向下观测，重复测定10次，取其平均值作为植株光谱。

a) 行间光谱测定：以两行相对应的玉米植株冠层顶部的中心为端点，光谱仪探头距

两端点的中点160cm 高度，并垂直向下观测，重复测定10次，取其平均值作为行间光谱。

b) 株间光谱测定：以同一行两个相邻的玉米植株冠层顶部的中心为端点，光谱仪探

头距两端点的中点160cm 高度，并垂直向下观测，重复测定10次，取其平均值作为株间光谱。

4 具体操作规程同上，在生长前、中期，田间作物对地覆盖度小于90%，应加测观测目标区纯土壤背景光谱，传感器探头距土壤上部50cm 垂直观测，以正确估计土壤背景对冠层综

合视场的光谱响应；于生长后期，此覆盖度大于90%，则可省略土壤光谱的观测。

4.3飞行定标测量

1 在进行飞行定标测量时，在飞机过顶时，要同步测量两种目标，高反射率目标如水泥地和低反射率目标如水体。

2 在不确定飞机过顶时间时，要采取定点观测，选定一个地物目标，用三脚架把光谱仪探头固定住，在不同的时间段里连续测定选定的那个目标，以得到不同时间的地物反射率。 5 地物光谱仪数据处理

1 观测对象

为获取正确的目标光谱，需要测定的三类光谱目标：

a) 暗光谱（DC(dark current)）没有光线进入光谱仪时，仪器本身的噪声；

b) 参考板光谱（RP(reference pan)）计算和校正目标光谱所用参考光谱；

c) 目标光谱：从感兴趣目标观测所得光谱。

2数据处理原理

参考板目标R R =参考板

目标DN DN ≥R 目标=参考板目标DN DN ×R 参考板 式中，R 目标指所测目标物的反射率（reflectance ），R 参考板指所测参考板的反射率

（reflectance ），DN 目标指所测目标物的DN(digital number)值，DN 参考板指所测参考板的DN 值。

3 数据处理最好用另一台计算机。首先把原始数据传输到处理光谱数据的计算机中，此原始数据是以二进制形式保存的。

6 ASDFieldSpec Pro VNIR1050的使用

光谱仪的波长范围为350～1050nm ，在350～1050nm 范围内光谱采样间隔为1.4nm ，记录通道数为512（间隔1.438nm ），测试方法基本同2500，不同之处在于它的优化需要人为控制 ，即人为进行暗电流测试（DC ）人为设置积分时间（原则测参考板时，光谱图象占坐标轴的1/2—2/3）其他测试同2500。

6.1 观测对象、目标选定、影像记录、标记和定位

1） 依据高光谱遥感作物营养诊断这一主目标，田间光谱测量的主要观测对象为包含土

壤背景在内的作物冠层。除此以外，为研究土壤背景对冠层综合视场的光谱贡献和纯植冠或叶片光谱对不同生化组分含量的光谱响应，裸露土壤和无背景干扰的植冠或叶片（田间活体）也被列为专题观测对象。

2） 观测目标的选定应能准确反映观测对象所处状态的自然特性，如避免在肥水处理水

平低的区域选定长势好得反常的目标作为观测对象。

3） 为确保观测对象与采样对象的严格一致性，完成对当前目标的光谱测量后，应及时

在观测区域中心做易识别标记，并注明编号。

4） 对所有田间观测目标，均要拍摄照片（数码或胶片），以真实记录目标状态。拍摄

要求为：投影姿态与光谱仪探头一致，照片边框短边长度略大于光谱仪观测视场直径，并在照片的短边视场边缘放置刻度清晰的长度标尺，以便准确估计光谱测量视

场范围。

5） 与航空成像光谱仪同步进行地面光谱测量时，应对当天所有观测区的中心位置用亚

米级的动态差分GPS 定位，保证地面光谱观测点在高光谱遥感图像上精确配准。

6） 用于高光谱遥感图像辐射校正的飞行同步场地定标光谱测量，应与飞行过顶时间保

持高度的一致性，最大滞后时差不得超过10分钟。

6.2光谱测量与同步采样

光谱测量与同步采样的操作程序定义为：光谱测量组完成某观测点光谱测量，并拍摄照片后，将带有点位编号的标志旗插在观测视场中心；农学采样组在光谱测量组离开20分钟内，按既定采样科目完成农学采样，按标志旗给定编号记录。

与机载成像光谱数据获取同步进行（简称飞行同步）的光谱测量与同步采样，必须精确测定观测点的位置，定位精度与成像光谱数据的空间分辨率有关。为确保地面非成像光谱观测点及农学采样点在成像光谱图像上精确配准，一般要求地面观测点定位误差小于成像光谱图像空间分辨率的一半，即

2S

I p m 2-1

式中P m 为差分GPS 田间定位误差，S I 为机载成像光谱数据图像机下点空间分辨率。 依据高光谱遥感田间作物信息获取综合试验的目标和特点，作为基础数据的田间光谱测量与同步采样，总体要求和原则是：非飞行同步的光谱测量与同步采样，必须保证光谱测量目标与采样目标的高度一致性，以确保田间作物光谱属性描述（相应的理化参数）的真实性。

飞行同步的光谱测量与同步采样，必须在保证光谱测量目标、采样目标高度一致的基础上，准确测定光谱测量与同步采样点的空间位置，以确保地面非成像光谱采集点在成像光谱图像上精确配准。