光谱测量实践教程

1) ASD光谱仪简介

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 包括了FieldSpec HandHeld，FieldSpec VNIR，FieldSpec Dual VNIR，FieldSpec Pro FR，FieldSpec Pro JR和FieldSpec 3等等。

分光辐射光谱仪适用于从遥感测量，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。易操作如望远镜，并且可以左手或右手操作。此仪器可用做测量辐射，辐照度，CIE颜色，反射和透射。 波长范围：350 – 1050 nm。对于某些应用，比如某些应用目的的植被和水体测量，1050nm已经足够用，使用FieldSpec HandHeld更加方便携带，而且测量精度也不会低。FieldSpec HandHeld(300~1000nm)光谱仪在国内比较常见，其各种参数如表2，仪器如图1。

探测器 512像素阵列PDA
波长范围 350 – 1050 nm
采样速率 10次/秒
积分时间 用户可选，2n×17 毫秒
平均次数 最多可达31,800次
波长精度 +/-1nm
波长重复性 优于+/-0.3nm @ +/-10°C温度变化
光谱采样间隔 1.4 nm @ 350-1050 nm
光谱分辨率 3 nm @ 700 nm
测量方式 适用于手持或安装在三脚架上
软件 RS3标准软件包；可实时测量原始数据
外形尺寸 12 x 36 x 29 cm
探头视角 25度锥角**

? 将光谱仪（安装或者未安装镜头）对准白板，并使得白班已经被最佳照明并且在镜头视场内只有白板。
? 点击OPT图标优化光谱仪的积分时间。注意每间隔15-20分钟或者照明条件以及环境条件（比如云层覆盖、湿度变化、太阳移动等）改变时，重新优化对数据质量是有益处的。事实上，推荐在每次更换目标采集光谱数据之前都要重新优化。
? 把光谱仪放到被测物上方（注意：光谱仪的方位应当与采集白板参比光谱时相同），此时界面上显示的就是相对反射光谱。
? 按空格键存储当前的光谱曲线。按下空格键后能够听到提示音。

(3) 野外测量工作流程

? 在光照条件可控制的暗室内，先打开光谱仪电源，再打开电脑电源。
? 建一个记录光谱数据的文件夹。
? 把光谱仪主机连接的裸光纤探头固定在三角支架上。
? 启动 RS3 软件。
? 仪器预热15 min～30 min后进行以下操作。
? 探头垂直对准标准白板优化，先点击图标OPT，当曲线稳定且最大高度的raw DN值约为界面高度的一半时，再点击图标WR，当得到的光谱反射曲线比较稳定，且基本上是一条位于反射率值为1.0的直线时，完成优化，否则，重新进行优化，或当左边出现红色的saturature（饱和状态）时, 则重新优化，直至优化成功。
? 点击ALT+S，选择需要存储数据的路径、文件名称。
? 探头垂直对准被测地物的中部，距样品表面0.10 m。
? 测定时，待光谱稳定后，点击电脑空格键，开始采集地物的反射光谱信息。采集完成后，探头移到下一个目标测定。
? 测定结束后，先关闭电脑，再关闭光谱仪的电源，并进行必要的整理和清洁工作。

(4) ViewSpecPro后期数据处理

? 双击图标打开软件，点击File?open 打开文件，默认路径为ViewSpecPro文件夹。为了使打开和存储路径是储存数据的文件夹，需要对打开路径进行修改。
? 点击Setup,修改Input Directory路径，同时默认修改Output Directory路径为存储光谱数据的文件夹。
? 打开一个文件，点击View-?Graph Data, 则出现一个窗口，窗口菜单中最主要的是Format和Export两项，点击Format, 可以在将光谱在DN，reflectance(No Derivatite, 1st Derivatite, 2nd Derivatite), Transmittance等之间直接转化。用的最多的是reflectance(No Derivatite, 1st Derivatite这两项。点击Export, 可以输出图片或者文本的格式，输出图片格式，首先选择好储存哪一种格式，一般为JPG格式，然后点File?Browse选择好存储的路径，点击Export。输出TEXT文件，选择Text-?Browse, 选好存储路径，点击EXPORT即可。中间可以选择list 或者Table 形式输出。
? ASCII码输出，选中要导出的数据，点击主菜单中Process?ASCII Export，在对话框中选择数据的格式（DN，Reflectance，Radiance/Irradiance），点击OK即可，保存文件可以为.txt文件。
? 点击主菜单中的View?header info, 则显示的是此数据的一些具体信息，比如仪器的序列 ，采集数据的时间，当时的积分时间integration time , 以及操作软件和数据分析软件的版本等等信息。
? 点击主菜单的Process, 可以进行数据的统计，变换等分析。常用到的是statistics, 最多可以同时对14个数据进行分析，作取平均数，取种植以及标准差的计算。所生成的文件会议不同的文件后缀名命名。例如取平均数后的后缀为.mn。

(5) 野外测量需要注意的问题

? 目标选取：选取测量目标要具有代表性，应能真实反映被测目标的平均自然性。对于植被冠层及用物的测量应考虑目标和背景的综合效应。
? 能见度的要求：对一般无严重大气污染地区，测量时的水平能见度要求不小于10 km。
? 云量限定：太阳周围90°立体角，淡积云量，无卷云、浓积云等，光照稳定。
? 风力要求：测量时间内风力小于5级，对植物，测量时风力小于3级。
? 测试方法：在上午11：30～14：30进行测量，也可以提前到10:00。每种地物光谱测量前，对准标准参考板进行定标校准，得到接近100％的基线，然后对着目标地物测量；为使所测数据能与卫星传感器所获得的数据进行比较，测量仪器均垂直向下进行测量。
? 仪器的位置：仪器向下正对着被测物体，至少保持与水平面的法线夹角在±10°之内，测量植物冠层光谱时，注意测量最具代表性的物种。
? 传感器探头的选择：当野外地物范围比较大，物种纯度比较高、观测距离比较近时，选用较大视场角的探头；当地物分布面积较小时，或者物种在近距离内比较混杂，或需要测量远处地物时，则选用小视场角的探头。
? 避免阴影：探头定位时必须避免阴影，人应该面向阳光，这样可以得到一致的测量结果。野外大范围测试光谱数据时，需要沿着阴影的反方向布置测点。
? 白板反射校正：天气较好时每隔10分钟就要用白板校正一次，防止传感器响应系统的漂移和太阳入射角的变化影响，如果天气较差，校正应更频繁。校正时白板应放置水平。
? 防止光污染：不要穿带浅色、特色衣帽。因穿戴白色、亮红色、黄色、绿色、蓝色的衣帽，会改变反射物体的反射光谱特征。要注意避免自身阴影落在目标物上。