典型地物反射波谱测量与特征分析

典型地物反射波谱测量与特征分析

一、实验目的与要求

1.实验意义：

（1）对光谱测量仪器的认识：ASD野外光谱分析仪FieldSpecPro是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具，它能够快速扫描地物，光线探头在毫秒内得到地物的单一光谱。FieldSpec分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光线光学探头以及连接数据线组成。通过连接电脑，可实时持续显示测量光谱，使得测量者可以即时获取需要的测量数据。

（2）对课堂内容的认识：地物反射光谱是指某种物体的反射率或反射辐射能随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得到的曲线即为反射波谱特性曲线。影响地物波谱变化的因素：太阳位置（太阳高度角和方位角）。不同的地理位置，海拔高度不同。时间、季节的变化。地物本身差异、土壤含水量、植被病虫害。

2.实验目的：

（1）地物波谱数据获取需要使用地面光谱仪，通过该实验学会地面光谱仪的原理与使用方法。

（2）通过对地物光谱曲线分析，比较相异与相似地物反射光谱特征。认识并掌握典型地物反射光谱特征。

二、实验内容与方法

1.实验内容

（1）典型地物反射波谱测量

选择典型地物类型，使用地物光谱仪，开展地物光谱测量，获得典型地物可见光近红外

波段（0.4-2.5微米）的反射光谱曲线。

地物类型：植被（草地、灌丛），水体（不同水深，有无植被），土壤（裸土、有少量植

被覆盖土壤），不透水地面（水泥地面、沥青路面、大理石地面）。

（2）地物波谱特征分析

a)标准波谱库浏览

b)波谱库创建

c)高光谱地物识别

●从标准波谱库选择端元进行地物识别

●自定义端元进行地物识别

2.实验方法

（1）ASD光谱仪简介

FieldSpec Pro型光谱仪是美国分析光谱设备(ASD)公司主要的野外用高光谱测量设备。整台仪器重量7.2公斤，可以获取350~2500nm 波长范围内地物的光谱曲线，探测器包括一个用于350-1000nm的512像元NMOS硅光电二极管阵列, 以及两个用于1000-2500nm的单独的热电制冷的铟-镓-砷光电探测器。便携式光谱仪是“我国典型地物标准波谱数据库”获取光谱数据的主要设备。

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

图1 FieldSpec Pro型光谱仪

（2）光谱分析方法

分波段分析典型地物光谱差异。描述在可见光波段、近红外波段的各种地物波普特征。

三、实验设备与材料

1.实验设备

（1）硬件：ASD光谱仪；手提电脑；白板；GPS；数码相机。

（2）软件：ENVI Classic，ASD光谱仪配套软件（RS3和View SpecPro Graph）

2.实验材料

（1）在学校校园内选择各种典型地物类型进行测量即可。

（2）实验前已测量好的各类数据（在野外实验无法安排时，可以直接给学生提供提前测量好的各类地物光谱数据，用于地物光谱特征分析。）

3.工作要求

（1）天气情况：

地面能见度：晴朗，地面能见度不小于10km，

云量要求：太阳周围90°立体角范围内淡积云量小于2%，无卷云或浓积云等，

风力要求：无风或微风（测量时间风力小于4级，对植物测量时风力最好小于3级）测量时间：为保持太阳高度角大于45度，且由于北京地区处于中纬度地区，所以测量时间应在北京时间10:00~14:00之间，冬季对于测量时间应该更加严格一些。

另外，测量速度应该满足<=1min/组。

（2）测量情况：

为减少反射光对观测目标的影响，观测人员应着深色服装，观测时面对太阳站立与目标区后方，观测时保持探头垂直向下，使得机载成像光谱仪观测方向保持一致，注意观测目标的二项反射影响。记录人员应站在观测人员身后，并避免在目标区周围走动。对于记录人员，在输出光谱数据设置项中，每条光谱的平均采样次数应不少于10，测定暗电流的平均采样次数不少于20次。每隔20分钟要重新对标准白板进行测量校正，以持测量数据的准确性。此次实验能够测得波谱范围为：350~1050nm之间（可见光和近红外波段）

四、实验步骤

1．地物波谱测定

1)光谱仪、计算机充电：

光谱仪电量不足时红灯闪亮，表现为和计算机的测量软件链接中断，但不会立马断电；

充满电后绿灯闪亮；

如果黄灯闪亮则说明过热，测量中若起初曲线噪声小，使用段时间后近红外波段波动很大，若测量环境未有大的变化，可以关掉软件，休息片刻再测。

2)安装好适当的镜头（视场角有25°裸光纤，10°和25°）或其他附件（如GPS、余弦

接收器等），准备好白板（Baco3白板25*25cm）。

两盏卤素灯位于探头两侧，且与探头在一条直线上，关灯，保证聚焦状态光斑在探头下。

白板若不干净，则影响定标，用蒸馏水泡，600*600及其以上的砂纸擦洗阴干；

使用高密度反射探头时注意不要让尖锐物体表面划伤，磕破镜面；

打开光谱仪电源，预热。反射率采集预热10分钟足够。

3)再打开计算机，并启动RS3软件（室外采光条件好用黑白的，室内用彩色的）。

开始自动链接，连接好了会显示connected.

4)在软件上选择相应的视场角角度，并调整光谱平均，暗电流平均和白板采集平均次

数。Control/ adjust configuration

5)在软件中选择需要储存数据的路径、名称、起始条数、采集条数和采样时间间隔。

Control/spectrum save