高光谱暑期实习报告

实习1 地物光谱数据采集

1、实习目的

1.1 了解ASD光谱仪的使用方法以及光谱仪的工作原理；

1.2 巩固《遥感原理与应用》课程中关于光谱采集的相关知识；

1.3 掌握不同地物光谱的采集原理、方法与操作流程，并且正确的采集到所测地物的光谱信息；

1.4 能够对几种典型的地物光谱进行区分和辨别。

2、实习任务

2.1熟悉光谱仪的基本原理和操作方法，能熟练操作光谱仪对地物进行光谱采集；

2.2做好采集记录(学号、姓名、采集时间、地点、天气情况、文件保存路径、文件名等)；

2.3 每组每位同学分别记录7个典型地物光谱；描述所采集地物光谱特征；对所采集的7个地物光谱进行NDVI，NDWI和NDBI指数的计算和分析；

2.4 利用相关的遥感数据处理软件对所采集的数据进行处理，并且利用所学的知识对各种地物进行区分。

3、实习基础知识

3.1 地物的光谱特征

自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外界的紫外线，可见光，红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线，微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物的光谱特性。不同的地物类型有着不同的光谱特征，因此在利用遥感图像提取信息时必须首先要了解地物的光谱特征。

不同的地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率来表示。反射率不仅是波长的函数，同时也是入射角、物体的电学性质（电导、介电、磁学性质等）以及表面粗糙度、质地等的函数。一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。

由于受到太阳位置、角度条件、大气条件、地形影响及传感器本身的性能的影响，传感器所记录的数据与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度值并不一致。因

此，将传感器记录的原始辐射值（DN 值）转化为地物反射率，恢复地物光谱数据本来的面目，称为地物光谱数据重建。

3.2 地物的反射率以及反射光谱曲线

不同的地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率来表示。反射率ρ是地物的反射能量与入射总能量的比，即：

%100/⨯=ορρP P

反射率是可以测定的，反射率不仅是波长的函数，同时也是入射角、物体的电学性质（电导、介电、磁学性质等）以及表面粗糙度、质地等的函数。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。地物在不同波段的反射率是不同的。地物的反射光谱曲线是研究地面物体反射率随波长的变化规律的曲线。利用反射率随波长变化的差别可以区分物体。通常用二维几何空间内的曲线表示。横坐标表示波长，纵坐标表示反射率以画出地物的反射光谱曲线。

3.3 归一化指数计算与分析

归一化差异型指数计算简单,容易使用.其基本原理就是在多光谱波段内，寻找出所要研究地类的最强反射波段和最弱反射波段。将强者置于分子，弱者置于分母。通过比值运算，进一步扩大二者的差距。使感兴趣的地物在所生成的指数影像上得到最大的亮度增强．而其他背景地物则受到普遍的抑制。

1)NDVI （Normalized Difference Vegetation Index ）归一化植被指数

归一化植被指数又称标准化植被指数，在使用遥感图像进行植被研究以及植物物候研究中得到广泛应用，它是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关。NDVI 和植物的蒸腾作用、太阳光的截取、光合作用以及地表净初级生产力等密切相关。归一化植被指数(NDVI)是近红外与红色通道反射率比值(SR=NIR/RED)的一种变换形式。

其中 NDVI=(B(TM4)- B(TM3))/( B(TM4)+ B(TM3))。

NDVI 能反映出植物冠层的背景影响，如土壤、潮湿地面、枯叶、粗超度等，且与植被覆盖有关，-1≤NDVI ≤1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR 和R 近似相等；正值，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。植物叶绿素发生光合作用而吸收红光，所以长势越好的植物吸收红光越多，反射近红外光也越多。所以NDVI 能反应植物生物量的多少，NDVI 越大，植物长势越好。

2)NDWI(Normal Differential Water Index ，归一化水指数)

植被水分指数NDWI 是基于绿波段与近红外波段的归一化比值指数。与NDVI 相比，它能有效地提取植被冠层的水分含量；在植被冠层受水分胁迫时，NDWI 指数能及时地响应，这对于旱情监测具有重要意义。

其中 NDWI=(B(TM2)-p(TM4))/(B(TM2)+B(TM4))

3)NDBI(Normal Differential Building Index ，归一化建筑指数)

其中 NDWI=(B(TM5)-B(TM4))/(B(TM5)+B(TM4))

TM4、TM5分别是TM 图像的第4、第5波段，很显然NDBI 取值在-1与l 之间，理论上只要NDBI 取值大于0的就为城镇用地，小于0的为非城镇用地。

3.4 所用仪器及配套软件

本次实习所采用的仪器是美国ASD公司设计制造的FieldSpec 3系列便携式地物波谱仪，它是ASD公司的最新旗舰产品，适用于遥感测量，农作物监测，森林研究到工业照明测量，海洋学研究和矿物勘察的各方面应用。此仪器具有非常好的便携性，而且充分考虑了遥感专业对仪器的高光谱分辨率、快速、足够的信噪比、供电时间和方便性、工作现场对光谱数据的初步判别等要求。其参数如下：基本技术参数：

线性度：+/-1%

波长精度：+/- 1nm@700nm

波长重复性：在校准温度的+/- 10°C范围内优于+/- 0.3nm.

光谱分辨率：3nm @700nm, 10nm @ 1400nm and 2100nm.

采样间隔：在350-1000nm范围内为1.4nm，在1000-2500nm范围内为2nm

扫描时间：固定的扫描时间为0.1秒, 光谱平均最多可达31,800次

等效辐射噪声)：UV/VNIR(紫外到近红外) 1.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr@700nm

NIR(近红外) ：2.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr@1400nm

NIR (近红外) ：8.8 x 10-9 W/cm2/nm/sr@2100nm

使用的软件是RS3软件，是一款基于Windows的程序软件，兼容Windows 95，98，2000，ME，NT，XP 以及Vista。RS3用于优化FieldSpec仪器以及采集下列数据：Raw DN、反射率、辐射亮度/辐射照度，所有采集的数据均为ASD文件格式，并可以使用View Spec Pro软件打开并进行后处理。

4、数据采集及其过程中的注意事项

4.1 数据采集

(1)首先打开光谱仪，判断光谱仪是否打开的依据是光谱仪顶端排风口是否有风。打开后预热十五分钟，打开电脑运行RS软件，电脑会进行自动搜索并且连接光谱仪，当spectrum Avg下的进度条不停地走动时，说明此时光谱仪与电脑已经连接成功。在界面中选择好各种设置后，即可进行下一步操作了。

(2)当一切准备好后，进行光谱数据的采集。首先，将枪头对准白板，距离白板20cm左右，并且尽量垂直白板，同时不要遮挡太阳光，在太阳下进行校准。当校准完后就可以对相应的地物进行采集。每次换一个地点进行采集的时候，都要进行白板的校准。校准成功的标志是RS界面上出现在三处没有特定规律，其余则是稳定的直线。

(3)采集员对自己所要采集的地物进行采集；记录员则对采集的数据进行编号记录，以及当时的环境条件，时间，地点等相关信息，并且拍照以作参照；操作员则操作软件，对每种地物进行存储，每种地物存储五次，以求其平均值来减小误差。

(4)每个小组成员轮流进行各项操作，以此来对光谱数据采集更深的了解。

(5)当数据采集结束后，小组成员将数据拷贝到自己的U盘内，到机房进行数据的处理；并且把仪器收好，送还到老师的办公室。

4.2注意事项

野外光谱测试的基本要求是在晴天中午前后进行，风力不超过5级，如果测