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。所使用的仪器型号包括了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。

        **FieldSpec HandHeld地物光谱仪

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**

光谱测量实践教程_第1张图片
2) RS3软件

(1) RS3软件的配置
• 仪器预热 15 – 30 分钟 (仪器开始工作的第一个小时内要每隔5 – 10分钟点击DC图标或者重复优化) 。
• 预热之后连接计算机电缆。连接电脑里面那个插口。
• 启动计算机进入操作系统。
• 双击 HH 图标启动ASD操作程序。启动High Contrast RS³,适合在野外使用。
• 打开“Spectrum Save”选项(Alt S或者Control/Spectrum Save),如图2。

光谱测量实践教程_第2张图片
光谱测量实践教程_第3张图片
• 输入下列信息(图3):

  1. Path name(存储路径名称) – 输入希望将数据存储到那个文件夹。比较好的办法是用当前日期命名一个新文件夹比如C:\160907。
  2. Base name(基本文件名称)–存储数据文件的基本名称。文件的扩展名自动按数字顺序完成。例如:第一个文件命名为C:\160907 \SPECTRUM.000, 下一个存储的文件就是C:\160907 \SPECTRUM.001。
  3. Starting spectrumNum(开始存储的光谱文件号)–同一个文件名称下面可以最多存储1000个光谱数据文件。
  4. Number of files to save 需要存储的文件数量,是一次观测保存多少条曲线,一般设置成15条,不得少于10条(保证至少有一条光谱曲线受太阳直射、白帽及波浪影响较小)。
  5. Interval Between Saves每次存储之间的时间间隔,为在保存光谱曲线时的采样间隔,一般设置成1秒(一个波浪周期)。
  6. Comment提示–添加必要的提示内容。
    • 所有存储文件的信息填写完成后点击OK,关闭此窗口。
    • 下一步,使用Alt C\C或者Control\Adjust Configuration输入下列信息(图4):

光谱测量实践教程_第4张图片
(2) RS3软件的操作

• 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,比如仪器的序列号,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。

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