便携式野外光谱仪

野外光谱仪介绍及使用经验交流高光谱的概念：高光谱是指高分辨率光谱。具体的说就是满足:3nm@350nm—1000nm10nm@1000nm——2500nm高分辨率光谱传感器的三个空间层次地面传感器航空平台搭载的传感器航天（卫星）平台搭载的传感器地物光谱测试的意义？航空、卫星等平台搭载的光谱仪采集的光谱数据是空间光谱数据，这样的光谱数据是融合程度比较高的（与分辨率有关），直接判读每一个象元代表什么地物是比较困难的。地面测试的光谱数据与已知地物一一对应，是遥感影像分类的重要依据。地面光谱测试实际上就是建立不同地物的光谱模型由于空间象元的光谱数据融合程度高，与地面模型并不是绝对的对应关系。便携式野外光谱仪介绍及野外光谱测试高光谱遥感的出现，是遥感技术一场革命性的变革。其丰富的光谱信息，使具有特殊光谱特征的地物探测成为可能。随着高光谱遥感技术的发展，遥感技术在地质学领域的应用得到了前所未有的提高，也是高光谱遥感应用中一个成功的领域。1：光谱仪器介绍：为了配合星载高光谱探测仪器而研发的地面高光谱仪器同时投入使用。目前用于地学领域的高光谱仪器主要是由美国ADS公司生产的便携式野外高光谱仪器。a.FieldSpecHH（350-1050nm)b.FieldSpecProVNIR(350-1050nm)c.FieldSpecDualVNIR(350-1050nm)d.FieldSpecProJR(350-2500nm)e.FieldSpecProFR(350-2500nm)f.AgriSpec(350-2500nmg.TerraSpec(350-2500nm)h.FieldSpec3(350-2500nm)其中E、H型号的光谱仪是我们学校有的设备项目FieldSpecProFR（FR型光谱仪）FieldSpec3（FSP3型光谱仪）探测器350—1050nm低噪声512阵元PDA，1000—1800nm及1700—2500nm两个InCaAs探测器单元，PE制冷恒温350—1100nm低噪声512阵元PDA，1000—1900nm及1700—2500nm两个InCaAs探测器单元，PE制冷恒温波长精度+/-1nm+/-1nm波长范围350nm—2500nm350nm—2500nm光谱采样间隔1.4nm@350-1050nm2nm@1000-2500nm1.4nm@350-1050nm2nm@1000-2500nm光谱分辨率3.5nm@350nm-1050nm，10nm@1000nm-2500nm3nm@350nm-1000nm8.5nm@1000nm-1900nm6.5nm@1700-2500nm光谱平均31800次31800次1-1两种光谱仪的主要项目比较：项目FieldSpecFRFieldSpec3数据传输有线无线GPS同步无有内置光源的反射探头无有外形尺寸13×36.83×29.21CM12.7×36.83×29.21CM重量7.35Kg5.66Kg采集程序运行环境基于DOS基于WINDOS1-2FieldSpecFR光谱仪组成（FR型光谱仪）1-3FieldSpec3光谱仪组成（FSP3型光谱仪）1-4便携式光谱仪组成(FSP3为例）1.主机箱体2.光谱数据采集探头（裸探头25°视场角，可选5°视场角）3.传输光纤（57根200微米芯径光纤）4.数据采集控制计算机5.充电电池6.标准校验板（白板）7.光源、光纤、白板的合成体8.GPS1-4便携式光谱仪(3型)能够测量的参数绝对测量：辐射亮度（radiance)需要光度定标辐射照度（Irradiance)需要有余弦接收器相对测量：反射率（就是我们平时所说的光谱数据）绝对反射率（需要白板定标）1-5光谱仪的内部结构—探测器1.350-1100nm，512阵元光PDA阵列探测器,凹面消色差光栅，平场成像。易于波长标定。灵敏度高。2.1000-1900nm,单元InGaAs探测器，平面旋转扫描光栅，比PbS响应速度快。3.1700-2500nm，单元InGaAs探测器，平面旋转扫描光栅。由光纤导入的光波，经分光器分成三部分，由不同的探测器单元将光信号转变成电信号。1-6光谱仪外部信号传输——光纤1.光纤与光谱仪箱体内部感光器连接，将接收到的光谱信号导入光谱仪2.光纤构成：由57条200微米芯径石英光纤同心状而成，外面由金属螺纹管铠装。不怕踩压，严禁折死弯！3.光纤前端外接可拆卸探头4.光纤圆滑弯曲对信号的影响＜1%1-7光谱仪—前光器（探头）1.光谱仪的探头是获取光波信号的，野外进行光谱测试时所使用探头会因光谱仪的具体型号不同而有所区别，但所获取的光谱信号是一样的，不会因探头的结构不同而产生差别。2.裸光纤的视场角是25°可视具体测试对象的不同加装不同的前光器，一般仪器标配的是一个5°视场角的前光器。3.视场角度大，覆盖的范围大，光谱混合程度高4.视场角度小，覆盖的范围小，光谱混合程度低1-8光谱仪—内置光源的反射探头内置光源的反射探头：将光纤、光源、标准板集成一体，其测量的范围局限在有限圆的面积之内，可直接接触被测量的目标物，从而获得单一的或有限混合的目标物的光谱。标准板（白板光纤电源手柄1-9光谱仪—标准板（白板）1.白板的光学特点是漫反射非常的好，并且具有全反射的完美表现。2.白板同样也是光学器件的一部分，不要用手接触白板的表面。3.白板由稀土元素制成，硬度不高，应避免与坚硬锋利的物件接触，防止划伤。4.使用一段时间后，白板表面会明显变脏，轻微的浮尘可用柔软的毛刷清理。重度污染的白板应在流水中（高品质自来水、纯净水、蒸馏水）用300目以上的磨料防水砂纸擦洗，直到白板的表面有了完全疏水性、不粘水(在板面上，水呈水滴状并很快流走)，然后自然凉干。氮气？2地面光谱测试的知识准备太阳光照射到不同地物表面后，其能量发生三个方面的变化，一部分能量被反射，一部分能量被吸收，一部分能量被透射。到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量对于高光谱遥感，太阳辐射能量到达地表后被不同地物反射的能量部分是其探测的主要对象。而地面光谱测试，所获取的光谱数据也是太阳辐射能量到达地表后被不同地物反射的那部分能量中的一部分。2-1便携式光谱仪测试光谱范围2-1-1太阳光谱及辐射能量太阳辐射的光谱是连续光谱，按波长的不同分为γ射线—χ射线—远紫外—中紫外—近紫外—可见光—近红外—中红外—远红外—微波；可见光和近红外波段占整个太阳光能量的80%。太阳辐射各波段及能量比波长与能量关系2-1-2光谱仪的探测范围由太阳辐射光谱能量分布可以看出，太阳辐射光谱的能量在可见光和近红外波段最强，占整个太阳辐射能量的80%，相应的地物反射光谱能量也高，有利于仪器的探测。目前高光谱遥感所获取的波段也集中在此范围并略有扩展。相应的地面光谱测试仪器的探测波长范围为350nm—2500nm.2-2影响野外光谱测试的主要因素2-2-1天气情况光谱仪探测的是地物反射的太阳光谱，进行光谱测量时应选择晴空无云的天气进行，即使天空有少量的云朵移动，也会影响光谱曲线的形态，特别是在标准化以后。野外受条件的限制，在云量较少时，可以选择合适的光线窗口进行测试，前提是标准化和测试在紧邻的时间内完成。2-2-2风力影响（＜3级）过大的风力会产生扰动现象，影响到光谱曲线的形态和可信度，报告错误数据。即使是在野外进行固定地物（岩石、土壤）光谱数据测试时，强风的影响也较明显。当进行植被、水体等光谱测试时，风力的影响非常明显，光谱仪测试的数据无法稳定下来，测试工作无法完成。2-2-3时间的影响1.太阳高度角对光谱测试的影响早晚太阳高度角比较低时，太阳光被反射部分的能量低，不利于光谱测试。随着太阳高度角的增大，太阳光被反射部分能量大，有利于光谱测试。2.湿度对光谱测试的影响早晚空气中水气含量高时，湿度增大，水汽对光谱的吸收作用明显。不利于光谱测试。一点建议：为了获取高重量的光谱数据，建议光谱测试的时间应选在：夏季１０：００——１５：００；冬季１１：００——１４：００为最佳。2-2-4环境的影响1．快速移动体的影响受测对象的周围，如果有快速移动的物体时，同样会对周围的环境产生光极化扰动，影响光谱数据的采集精度。在采集过程中，如果有移动物体通过，应等待避开。经验值：快速移动体与光谱测试目标地物的距离≥５０米。2．强电磁干扰在矿区工作时，生产矿区的高压电器设备产生的电磁场也会影响光谱仪采集数据的稳定性，表现为光谱曲线的抖动，应避让。尤其在用电设备的启动瞬间，影响更为明显。2-2-5前光器（探头）与目标地物的距离影响前光器与目标地物的距离大，所包含目标地物的有效面积就大，测试光谱数据的混合程度高。反之，测试光谱数据的混合程度低。不同的前光器，有效的视场角度不同，相同距离时所包含的目标地物的有效面积也不同。测试的光谱数据的混合程度也不同。视场面积小视场面积大一般点议：测试植被、土壤、水体的光谱时，使用裸光纤；当测试的岩石出露面积较小时，使用5°前光器。2-3标准板（白板）使用过程中应该注意的几个问题2-3-1标准化白板时的理想光谱曲线在开始光谱测试前，标准化白板是必须的。理想的白板曲线应该是一条平直的、且数值为1的直线。但是，在实际工作中，这样的理想直线是难以得到的。这是因为在中红外波段部分强度减弱，又易受大气环境、特别是水汽的干扰，光谱曲线会出现明显的跳跃，只要跳跃的幅度＜0.05个单位，就可以视为正常，可以测试光谱数据。大气吸收波段位置2-3-2白板放置的状态1.在野外测试岩石、土壤、植被、水体等光谱数据时，如果测试的目的是与实验室结果或互相之间进行比较时，白板应的放置应与山坡土壤、水体的表面方向一致，或与测量目标地物相对于太阳的方向一致。2.在野外测试光谱数据的结果要和遥感数据进行对比，白板应水平放置。3.室内测试，白板任何时候都要水平放置。对于FieldSpec3光谱仪，由于它已经将光源、光纤、白板集成为一体，并不存在这样的情况。一点建议：白板的平面最好与太阳光线垂直。2-3-3什么时候要进行白板标准化（优化）在进行白板标准化的时候，必须先进行优化，所以在实际工作中，常把二者作为一个概念来说了。1.每次开机准备光谱测试，都必须进行白板标准化(优化)．2.任何环境的改变，都必须进行白板标准化(优化)。3.当光谱曲线显示已出现超格时（反射率＞１），必须进行优化。一点建议：应当尽可能多地进行优化，太阳光线强度的变化、湿度、水气、温度在不断变化，虽然这些变化我们人体并无感知，但光谱数据会有差别，经常进行优化，可提高光谱数据的质量。4.任何时候进行优化，前光器的有效视场都必须＜白板的面积，且白板上不得有任何物体的阴影。3野外反射光谱测试（FSP3光谱仪）3-1光谱仪开机流程1.提前为电池充电（光谱仪、计算机），光谱仪电量不足时红灯闪亮，充满电后绿灯亮；如果黄灯闪亮则说明过热。需等待一段时间后继续充电。2.选择适当的前光器（裸光纤还是５°前光器）或其他附件（如GPS等），准备好白板。3.打开光谱仪电源，然后打开计算机电源，并启动RS3软件。4.在软件上选择相应的前光器，调整光谱平均、暗电流平均和白板采集平均次数。（暗电流的平均次数＞光谱平均次数的2倍）5.在软件中选择或填写需要存储数据的路径、名称和其他内容。6.开始测量。附：关于光谱仪的一些设置项附1.设定和配置设定（裸光纤或5°前光器）光谱平均次数暗电流平均次数标准板(白板）平均次数初次使用光谱仪进行设定后，以后任何时间使用就不用再设定，除非你认为非常需要更改。附2.文件保存如果选0，手动保存，给定时间，自动保存。附3.更换前光器任何情况下，只要更换了前光器，都必须重新设置程序，重新进行DCOPTWR步骤操作。附4.GPS设置附5.计算机与光谱仪的无线连接笔记本的IP地址为10.1.1.55网关为255.255.255.0仪器的IP地址为10.1.1.77网关为255.255.255.03-2反射率光谱测试反射率光谱测试是应用最多的一种，我们经常说的光谱数据，其实就是指反射率光谱数据。反射率光谱测试步骤如