ASDFieldSpec波谱仪使用过程中的问题与解答

FieldSpec 波谱仪使用过程中的问题与解答

2007年10月

美国ASD公司设计制造的FieldSpec?系列波谱仪在中国的遥感应用已经相对普及。应用范围已经扩展到包括精准农业、林业、海洋与内陆水体、冰雪、环境污染监控、气象、地质与矿产、地面定标、教学等等领域。所使用的仪器型号包括了FieldSpec HandHeld, FieldSpec VNIR, FieldSpec Dual VNIR, FieldSpec Pro FR, FieldSpec Pro JR和FieldSpec 3等等。

随着FieldSpec仪器的普及应用，通过我们与客户的交流沟通，发现在仪器的使用上出现了各种各样的问题，造成了测量数据精度不够，甚至耽误了工作时间。

总结归纳曾经出现的问题，并考虑到不同的应用。我们认为，波谱仪的使用技巧，在关乎测量成败上，起到了比较关键的作用。

此文从仪器的原理为出发点，讨论了仪器型号和配件的选择原则以及操作使用技巧，希望不同的用户可以从中借鉴。但是，本文未涉及国内外可能的测量规范。因此，在使用此仪器进行不同的测量时，需要参考各种测量规范或者规程。也未涉及光谱数据的前期和后期处理方法。

一、ASD fieldSpec波谱仪结构介绍

ASD公司从成立之初就一直专注于可见-近红外遥感光谱测量。因此，在仪器硬件设计中充分考虑了遥感专业队仪器的要求，例如：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以及测量视场、轻便性等等，也充分吸收了不同的用户在使用过程中所反馈的意见和建议。这里仅仅以FieldSpec 3为例作出介绍。

图1，ASD FieldSpec 3波谱仪

采用三个光谱仪构成的全光谱光谱仪称为Goetz光谱仪。这是以著名遥感学家、ASD 公司的发起人之一Goetz博士的名字命名的。

其中，近紫外到近红外短波（350-1000nm）光谱仪，使用如图1所示的固定光栅结构。近红外短波第一波段（SWIR1,1000-1700nm）和第二波段(SWIR2,1700-2500nm)采用

如图2所示的旋转光栅结构。

这样的结构保证了能够测量到全光谱范围内的目标反射光谱。所谓全光谱是指能够到达地球表面的绝大部分太阳辐射能量（如图3所示）。

图2. 固定光栅结构 图3. 旋转光栅结构

图4.

地球表

面测量得到的太阳辐射光谱

不同光谱仪所采集的光谱数据，通过软件连接起来，构成所测量目标的完整光

谱曲线。一般来讲，可以通过察看ASD.INI 文件确定连接点的波长。 二，测量操作中可能出现的问题及解决

问题1，测量绝对辐射亮度或者辐射照度时在光谱连接处出现台阶跳跃，如图1红色曲线部分。

0.00

0.05

0.100.15

0.20

0.25

0.30

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

S o l a r R a d i a n c e W /m 2

/s t e r a d i a n /n m

Wavelength (nm)

H 2

O absorption

H 2

O absorption

O

2

absorption

Chappius O 3

absorption band H 2

O doublet

absorption

Fraunhofer lines

O 3

absorption

CO 2

absorption

图5.测量辐射度时可能出现的跳跃

（图中蓝色曲线是经过80分钟预热后测得的，红色曲线是经过10分钟预热后测得的）

解答：

ASD公司的所有仪器光度标定都是在实验室内，仪器经过80-90分钟预热后作出的。

ASD公司经过大量实验发现，仪器所使用的三个传感器在不同的环境功能温度以及预热时间下具有变化的响应度。但是在SWIR1(1000-1800nm)波段传感器的响应度不受影响。并且，如果仪器经过足够长时间的预热，则这个问题不会出现。

但是野外测量时几乎不可能使用如此长的预热时间。

于是，ASD公司开发出了利用SWIR1的稳定特性，对问题数据进行修正的方法，即抛物线修正（Parabolic Correction）。

详细物理原理及必要计算等见附件I。

这个问题的解决方法就是：

A,仪器经过足够长时间的预热；这是最可靠的方法。

B，或者在测量辐射度时点击RS3软件界面上的PC图标。如图6所示。

C，回到实验室后，使用ViewSpec软件中的抛物线修正功能对数据进行修正。

抛物线修正图标

图6，PC图标

问题2，测量反射率时在光谱连接处出现于上述类似的问题。如图7所示。

连接点跳跃

图7.反射率测量时出现的光谱连接点跳跃

解答：

出现这样的光谱连接点跳跃的原因是不同的光纤采集到不同位置的样品光谱。

由于光纤输入端口是由57条光纤构成的，在某些部位可能会出现上述问题，特别是测量距离比较小的时候。

这个问题不会影响所采集到的数据质量。

这个问题的解决方法是：

A, 稍微旋转光纤，能够看到连接点的跳跃消失；或者

B，回到实验室后，使用ViewSpec软件中的Splice Correction修正功能对数据进行修正。

问题3：不能通过OPT快捷键对仪器进行优化

解答：

通常这是由于电池供电不足造成的。

仪器优化过程中需要启动电子快门。这是一个耗电相对较大的动作。如果电池不足，比如，仪器界面的电量显示已经到达黄线。尽管仍然可以采集光谱，但是电子快门不动作。因此，无法完成优化。

只需要更换电池即可解决此问题。

问题4：近紫外到近红外（350-1000nm）波段没有信号或者信号很弱。如图8。

图8. 短波段异常

解答：

电子快门的设置有利于及时减除暗电流提高数据的信噪比。但是，此部件在动作的时候耗电量相对较大。因此，即使在电池仍然有电（但是供电不足）的情况下会发现可以采集光谱数据但是却不能进行优化或者采集暗电流。

另外一个原因就是电子快门硬件损坏。

解决方法：

A, 更换电池或者改用市电供电。若仍然不能解决，则

B, 与供货商联系维修。

二，软件特点和操作中可能出现的问题

操作软件设计上不仅仅考虑了针对仪器技术特点的要求，还考虑了现场测量要求的快速性和对测量数据的要求。因此，软件功能上设计为无人为干涉的参数优化、直接采集需要的反射率或者绝对反射比，通过相应的光度标定和必要的附加和可以直接测量辐射亮度和辐射照度。

使用FieldSpec波谱仪，最直接地可以测量辐射度（配合必要的附件和定标）和光谱反射率。

为了方便用户的测量工作，RS3软件已经将以上测量操作模块化，只需要按照下面的步骤就可以直接完成并存储。

辐射度测量：在照明条件下，镜头对准白板（或者被测目标）；优化（OPT）；辐射度测量命令（RAD）。将镜头移到测量目标上，这时，按空格键即存储测量得到的辐射度光谱。

反射率测量：在照明条件下，镜头对准白板；优化（OPT）；参比采集命令（WR）。将镜头移到测量目标上，这时，按空格键即存储测量得到的反射率光谱。

可能出现的问题包括：

辐射度测量时

●没有选择经过定标的镜头；

●优化时，白板或者目标没有完全覆盖镜头的视场；

●照明条件极大改变后没有重新优化；

●预热时间短，没有比较频繁地采集暗电流。

反射率测量时

●优化和采集白板参比时，白板没有完全覆盖镜头的视场；

●照明条件极大改变后没有重新优化；

经过较长时间后没有重新采集白板参比。

以上所有问题的解决方法，已经包含在问题自身当中了。

三，其它使用中出现的问题和解决方法

1，测量前的准备工作

这项工作包括：白板清洁、需要的镜头、电池寿命甚至包括了对光谱仪电池和电脑电池的充电。

充满电的电池工作时间最长为9小时，充电时间大约为4小时。影响野外测量时间的因素主要来源于控制电脑的电池工作时间。可能的话，尽可能多备几块电脑的电池。

2，预热时间

对于光谱反射率测量，仪器预热10分钟就足够了。需要注意的是，如果是辐射度测量，那么预热的时间应尽可能长一些，推荐的预热60分钟左右。

3，附件的选取与安装

根据不同的测量目的选取必要的附件。下面几个问题需要特别引起注意：

A，选择附件后，需要在RS3软件的相应为位置指明所选取的附件，以便于RS3软件自动调用存储的定标数据并将附件信息记录在光谱数据中；

B，附件的安装不需要十分用力，仅仅需要确认已经安装牢固即可；

4，镜头视场大小的计算

所有技术指标中给出的视场角都是全角。

垂直测量（图6）

近场测量（距离短于1米）:

Y = D + 2 * X * Tan(A/2)

远场测量（距离大于1米）:

Y = 2 * X * Tan(A/2)

图6，垂直测量视场大小计算倾斜测量（图7）

arctan(y/x) = α = (全视场角)/2

y/x = tan α，y = x tan α

z + w = h tan (β + α)，w = [h tan (β + α)] – z，w = h tan β得到：

z = h [tan(β)+ tan(β + α)]

w = (x2 + h2 - 2xh cosβ)1/2

5，测量时间

如果所采集的光谱数据将要用于搞光谱图像的数据定标或者解疑，那么光谱数据的采集时间就非常重要了。在此条件下，应当使用与得到遥感图像时的照明条件近似的照明采集反射光谱数据。建议在卫星过境或者机载传感器采集数据的同时采集反射光谱数据。

如果采集时间差别很大，则建议使用大气辐射订正。

通常情况下，在10:00 – 14:00之间总是会得到相对较好的照明条件。

当然，根据研究或者工程目标选择光谱采集时间也是考虑的重点之一。

6，相对几何位置

根据采集光谱的目的选择适当的观测几何位置。

图像解译: 选择与卫星或者机载传感器采集图像时相似的几何观测条件。

可行性研究：通过固定观测角度和照明条件去取可能的干扰。

对于植被光谱采集来讲，可以在叶片、树干或者冠层这样的空间尺度采集光谱数据。冠层尺度下采集到的光谱数据更适用于图像解译。粗略地可以用叶片或者树干尺度的光谱数据直接解译图像。当然，使用叶片和树干尺度下采集的光谱数据对于理解叶片和树干如何影响冠层尺度的光谱是非常有用的。

7，光谱平均次数的选择

野外测量时，使用10-30次光谱平均就足够了。因为白板参比并不是总要采集，白板参比的平均次数可以增加到两倍的光谱平均次数。注意，信噪比是与光谱平均次数的平方根成正比。

注意：实际使用的光谱平均次数还取决于测量要求。如果在室内测量，建议使用更大的光谱平均次数，这样得到的数据信噪比更好。

如果在野外很大的区域测量，则照明情况良好时，可以使用较少的光谱平均次数。

8，优化次数和时间间隔

如果测量数据没有出现饱和现象，则不强制要求重新优化。

通常来讲，每间隔10-15分钟重新优化一次对于避免照明条件的改变造成的干扰是有好处的。

9，暗电流的处理

并不强制要求频繁地采集按电流。但是在仪器启动的初期（10-15分钟内），间断性地采集按电流对于提高数据质量是有好处的。

10，白板参比采集时间间隔

室内测量：如果照明条件是基本恒定的，在仪器预热阶段每隔10-15分钟采集一次白板参比，之后每隔30分钟采集一次白板参比就可以了。

野外测量：应当尽可能频繁地采集白板参比，因为:

?太阳照明条件在不断变化,建议使分钟采集一次;

?大气状况在不断变化，例如云、湿度或者水气等等；

?温度在不断变化。

重要的是，采集参比和测量数据时的环境条件尽可能相同。

11，测量点的尺寸大于白板尺寸如何处理

最好的办法是购买一块大尺寸的白板。或者将探头靠近白板。

室内测量条件下，需要保证测量角度和距离保持不变。

野外采用太阳照明测量条件下，靠近白板测量参比，然后以较大的距离测量目标没有任何问题。

12，何时采用绝对反射比测量

取决于如何分析数据。绝对反射比和反射率之间的差别，在400-2000nm波段非常小；而在350-400nm和2000-2500nm波段才能够看出明显的偏差。

13，数据后处理

ViewSpec软件是众多数据后处理软件之一。

ENVI是图像处理软件，也可以直接倒入ASD的光谱数据进行处理。

14，什么造成了光谱数据上带有规律性的正弦振荡？

照明光源可能采用的是交流电。

15，反射率光谱数据带有台阶

光纤束导光的、使用前端镜头的仪器在近距离测量时可能产生这个现象。

稍微移动或者转动光纤或者测量角度，就可以避免这个干扰。

16，如何清洁白板

使用白板是一定要戴手套，以免油污。精确的清洁方法请参考随白板一起提供的指导书。

被浮土轻度污染的白板：用压缩氮气或者空气吹干净，或者用毛刷清理。

注意，不要使用氟利昂。

重度污染的白板：在流水下或者离子化蒸馏水内用220-240目的水砂纸轻轻打磨污染的表面，直到表面不沾水为止。阴干至少24小时。

注意，不要使用有或者肥皂。

17，室内照明光源

如果认为一个ASD提供的Pro Lamp照明光源不是足够的，建议使用两个或者三个同样的

光源。还可以使用灰板作为参考板。

白板和灰板之间的差别，可以使用ViewSpec软件做对比。

照明范围可以通过旋转光源上的聚焦旋钮得到。

更换灯泡时一定要戴手套，以免烫伤，也避免手上的油污污染灯泡上表面。

18，光纤与手枪式手柄连接松紧度

光纤出口端头位置的上下两端有两颗螺钉。下面的一颗螺钉头上有弹簧滚珠。调整此螺钉即可调整光纤固定松紧度。

19，