实验1——地物光谱的测试

实验1 可见光与近红外波谱测试

1.1实习概述

按照国家光谱数据库数据测试参考标准选择典型进行地物反射、发射光谱测试。根据所测的光谱曲线特征选择最佳遥感波段和最佳遥感时间。

1.2实习目的

①掌握地物反射、发射光谱特性的基本概念，特点；

②掌握典型地物光谱的测试方法和实验数据分析处理的基本流程和方法；

③分析影响地物波谱特性测定的因素；了解地物表面不同几何状况、含水状况、

风化状况、粗糙程度对反射、发射光谱的影响；了解多种地物光谱随时间变化的特征与规律；了解入射和观测角度变化对地物光谱的影响。

④培养学生理论联系实际及知识的综合运用能力，为后续专业课程学习创造条

件。

1.3实习任务

测量试验区的植被、水、土壤、道路的光谱特性。要求测定不同植被、水、土壤、道路的波谱特性曲线，即每类地物至少选择5个小类（或样本）。

①清水、营养化水、污染水反射光谱、发射光谱测试与特征分析；

②不同覆盖度、不同长势植被覆盖反射光谱、发射光谱测试与特征分析；

③城乡非自然目标反射光谱、发射光谱测试与特征分析；

④土壤反射光谱、发射光谱测试与特征分析；

⑤岩石反射光谱、发射光谱测试与特征分析。

要求：上述5个实验根据具体情况必作2个，选作1个。

1.4设备（软件）及资料准备

1.4.1 实习设备及软件

测定地物反射光谱特性的仪器是可见光、近红外光谱仪。仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。测定地物发射光谱特性的仪器是热红外波谱仪、热红外辐射计。

1.4.2 实习前准备工作

1.4.

2.1 光谱测试仪器的标定

测量仪器在采集数据前必须通过指定的定标实验室的定标检测，检验仪器的工作性能。仪器的定标在室定标和实验场地现场定标，并在提交数据时附上相应测量仪器的定标报告。若对同一种典型地物（农作物、岩矿、水体等）的相同观测项目采用不同型号的测量仪器，则必须在观测实验前到指定的实验室或实验场进行统一校准和比对：即在相同的条件下，同时测量同一目标，进行归一化处理，分析各仪器的误差，以精度高的仪器为准，进行误差订正，并在提交数据时应附上相应测量仪器的比对报告。其中波谱仪与辐射计的性能要求为：

⑴可见光、近红外波段波谱仪

①波谱仪读数时间漂移最大值，在0.38－1.1μm 围平均不得超过3％；

②波谱仪的读数的线性度误差不得超过1％；

③波谱仪在0.38－1.1μm 围波长绝对误差平均不得超过0.8nm。

⑵短波红外波段波谱仪

①在1.1－2.5μm 围波谱仪读数时间漂移最大值，平均不得超过5％；

②波谱仪读数的线性度误差不得超过3％；

③波谱仪在1.1－2.5μm 围波长绝对误差平均不得超过2.0nm。

⑶热红外波谱仪

①在4－20μm 围波谱仪读数的时间漂移最大值，平均不得超过10％；

②波谱仪读数的线性度误差不得超过5％。

⑷热红外辐射计（8－12.5μm 和8－14μm）

①热红外辐射计读数的时间漂移最大值，平均不得超过0.2K；

②热红外辐射计读数的4次方－线性之间的修正平均误差不得超过5％；

③热红外辐射计读数的波长绝对误差平均不得超过0.2μm。

1.4.

2.2 数据采集辅助设备的状态检查

野外数据采集辅助设备（数码相机，手持GPS定位设备，数据采集终端）采用开机使用模式进行状态检查。选择、联系合适的测试目标与地点。

1.4.

2.3 实习方式

建议每组4-6人，可见光-近红外反射光谱测试2-3人，热红外辐射亮温测试2-3人。

①野外分组测试，指导教师巡回检查和集中检查相结合；

②水体测试选择不同特征的河流段；

③热红外辐射光谱的测试时间为24小时。

1.5实验步骤

1.5.1 反射、发射光谱测试的基本步骤与方法

⑴准备阶段

①学习仪器与设备使用说明书，严禁违规操作；

②领取仪器，认定责任人；

③预置光谱仪器参数、白板参数。

注意事项：保护白板的表面不被污染。

⑵实测阶段

①进入选择好的测试点；

②架设光谱仪；

③用罗盘测量光谱仪观测方位角、俯角并记录；

④用罗盘测量太阳方位角、高度角并记录；

⑤采集数据；

⑥非光谱记录容包括气象、水文、物理、化学和生物学等项，如：风速、风向、目标物名称、温度、时间、地点、参加人员及具体的分工、天气状况、下垫面情况、仪器运转状况、特殊情况说明等。

注意事项

①目标物的波谱与其质地密切相关，因此在记录辅助参数时必须严格、详细地对该目标进行描述，包括类型、成分、形状、颜色等；

②每一份记录均需责任人签名。

⑶数据处理阶段

①回放下载光谱数据；

②计算光谱反射率；

③绘制不同目标、不同时间的光谱反射率曲线。

⑷综合分析阶段

①利用已有典型地物的标准反射率曲线、较为成熟的模型、先验知识并结合统计学方法检验波谱数据；

②将初步检验结果与相应的非波谱参数结合进行非自然目标的类型分析。

1.5.2 Avantes光谱仪测试地物波谱操作方法及实例

1.5.

2.1 Avantes光谱仪相关参数及使用说明

⑴探测面阵：2048x14；

⑵光纤探头角度25度；

⑶准直透镜0-30度可调；

⑷ Average表示间隔扫描时间；

⑸照标准白板时，反射率值需调整到100%；

⑹ Scope模式下，调整积分时间，获取并保存暗光谱和参考光谱；

⑺ T模式下，再测暗光谱和参考光谱；

⑻如果调整了积分时间和平均次数的情况下，重新获取并保存暗光谱和参考光谱。

1.5.

2.2 实验步骤

⑴仪器连接/软件安装及参数设置

①软件的安装

将软件光盘插入CD-ROM中，点击AvaSoft 7.2 for USB2进行安装。

②仪器的连接及软件启动

将光谱仪、扫描探头与电脑连接好后，第一次使用时会有一个硬件的安装向导，安装完成后运行AvaSoft 7.2 for USB2。软件的界面如下图所示：

图1 AvaSoft 7.2 for USB2软件界面图

首先使用File/Start New Experiment创建一个工程，根据需要对其进行命名，其默认

扩展名为*.kon，界面如下图所示。

③相关参数的设置

在Setup菜单中调整Smoothing参数，为所使用的Fiber/Slit直径选择最优化Smoothing参数，对于AvaSpec-2048-USB2光谱仪来说，应将Smoothing选项设置为1。

图3

④系统参数的优化设置

为避免气象条件对光谱仪造成的影响，应先针对当前的天气状况，对系统参数进行一定程度的优化。将光纤探头对准标准白板，点击菜单栏上的按钮转换到光谱图模式(Scope mode)，进入Scope模式；点击start按钮，获得参考光谱，再按按钮，系统便会自动调整积分时间和用于光谱平均的次数，也可根据具体情况，进行手动设置。如下图所示：

图4

⑵地物光谱测试

①获取暗光谱

将扫描探头用探头盖盖住，在Scope模式下，点击按钮，获取暗光谱。点击菜单中的File/Save-Dark，或用鼠标点击屏幕左上方的黑色框，以便保存暗光谱。

②获取参考光谱

将探头垂直对准标准白板，在Scope模式下，通过菜单选择File/Save Reference或者点击屏幕左上方的白色框，以便保存参考光谱。

③测定地物的反射波谱

首先，点击菜单栏中的按钮，进入Transmittance模式，再将探头对准标准白板以获取当前模式下的参考光谱并存储；

再将光谱仪的探头对准待测地物，得到地物的反射波谱曲线。

④保存波谱

可以选择菜单中的File/Save Experment，或者点击工具条中的按纽，以便保存当前所观测的地物波谱。

⑤查看保存的光谱

点击菜单，选择display saved graph。如下图所示。

鼠标单击需要显

示的光谱曲线，也

可多条一起显示

图5

1.6提交的资料

按照实习指导书中的参考格式撰写实习报告。容包括：

①实习时间、地点、组织形式、参加人员；

②实习任务、实验设备、光谱测量方案；

③实施流程、任务分工、数据记录、干扰因素记录，环境要素记录、测试模式；

④数据处理方案、算法，绘制的原始光谱曲线；

⑤光谱曲线与数据分析的理论基础，分析方法、处理结果、结论与建议；

⑥实习收获、体会。