ASD野外光谱仪操作规范-修改版

ASD野外光谱仪操作规范1地物光谱测量原理反射率（Reflectance）定义为物体反射能量与入射能量的比值。光谱反射率（SpectralReflectance）为某个特定波长间隔下测定的物体反射率，连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱（ReflectanceSpectrum）。由于测定方式的差异，反射率波谱可以根据入射能量的照明方式及反射能量测定方式给定如下4种定义：(1)方向－方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。地物双向反射特性主要就是研究方向－方向反射率波谱。晴天条件下，以太阳光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为方向－方向反射率波谱。方向－方向反射率的定义与二向反射率（BidirectionalReflectanceDistributionFunction，BRDF）基本一致，其定义如下：(,)(,,,)(,)rriirriiLE(1),,,iirr分别为入射方向的天顶角和方位角及观测方向的天顶角和方位角，(,)iiE为(,)ii方向直射辐射的辐照度值，(,)rrL为传感器在观测方向(,)rr测定的物体表面的辐亮度值。暗含假设目标物为朗伯体。需要注意的是，公式(1)定义的方向－方向反射率测定要求其它入射方向没有任何散射光。(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在2半球空间内均匀分布，波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。全阴天条件下，以太阳散射光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为半球－方向反射率波谱。半球－方向反射率的定义如下，2200(,)(,)(,)(,)cossinrrrrrrdiiiiiiLLEEd(2)式中dE为2半球空间内到达物体表面所有辐照度值的总和。(3)方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定2半球空间的平均反射能量。利用积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。方向－半球反射率的定义如下，2200(,)cossin(,)(,)2*(,)rrrriiuiiiiiiLdLEE(3)式中uL为2半球空间内表面反射的平均辐亮度值。(4)半球－半球反射率波谱：入射能量在2半球空间内均匀分布，波谱测定仪器测定的是2半球空间的平均反射能量。若将不严格要求入射能量在2半球空间内均匀分布，半球－半球反射率波谱就是地物反照率波谱。半球－半球反射率的定义如下，udLE(4)式中定义的半球－半球反射率就是反照率（albedo）。上述4种反射率定义是从反射率波谱测量角度考虑的，尽管其定义不一定完善，但各种定义的反射率波谱有各自的特定遥感用途。2野外地物方向反射率波谱数据测定原理和处理方法由于诸多客观条件限制，很难测定4种定义的理想反射率波谱。航空和卫星光学遥感技术获取的是地物某些特定观测方向的反射太阳光能量，可以近似为方向－方向反射率数据，因此目前国内外遥感应用研究采用的主要数据源还是方向－方向反射率数据。(1)野外地物方向反射率波谱测定和计算原理野外条件下的太阳辐照度光谱dE或*dE的测定可以借助一个标定好的朗伯体作为反射参考板，利用便携式地物光谱仪测定参考板的辐亮度光谱，从而计算太阳光源到达地表的辐照度光谱。太阳辐照度光谱计算如下：*()()()RefdRefLE(10)式中RefL为光谱仪测定的朗伯参考板反射的辐亮度，Ref为朗伯参考板的反射率。根据方向反射率定义和公式，太阳辐照度光谱测定后，只要同步测定目标反射的辐亮度光谱，就可以计算目标的光谱反射率，即*(,,)(,,)(,,)()(,,)trrtrrtrrRefdRefrrLLEL（11)式中为(,,)trrL光谱仪在(,)rr方向观测到的目标辐亮度光谱，(,,)trr为计算的野外地物方向反射率波谱。(2)野外地物方向反射率波谱测定注意事项：方向反射率波谱数据依赖于波谱测定条件，如直射/散射光比例、直射光方向、观测方向、地物尺度效应及观测对象个体和群体特点等，因此野外地物波谱测定时不仅需要准确记录和获取这些属性数据，还要尽量不破坏现场条件，包括成像条件和观测对象。为了确保野外地物方向反射率波谱数据的准确、客观、可靠，在波谱测定时需要考虑：1)尽可能避免试验人员和仪器对太阳入射光的影响：测量者应面向太阳垂直方向（垂直主平面方向），不能阻挡太阳直射光；尽量减小测量人员或仪器相对于观测对象在上半空间的立体角，即减少测量人员和仪器设备阻挡的天空散射光；测量人员着深色装，测量仪器要涂黑或用深色物，降低测量人员/仪器与观察对象的交叉辐射影响。2)观测范围选取时要观测对象的尺度效益：避免瞎子摸象现象，以行播作物的冠层波谱测定为例，观测范围要覆盖3～5个行距。3)室内分析的取样对象要与观测对象保持一致：特别是植被地物，一是要保证取样范围与波谱测定范围一致，另外要考虑植被的呼吸和光合作用对生理生化指标的影响，尽可能地保证室内分析时植物样品的生理生化状态与波谱测定时一致。4)测定天空散射光信息：明确直射光和散射光对入射能量的贡献。5)参考板和观测对象的反射波谱测定要同步：由于野外条件的气象条件的瞬变特性，特别是风、云对太阳入射能量的影响，要尽可能保证参考板和观测对象的波谱测定的同步，避免天气变化造成的反射率波谱数据误差。6)记录现场天气条件和观测对象的详细描述，并辅以现场照片。3光谱测量规范一套科学、严格、有效的光谱测量规范，是所获光谱数据质量的根本保证。为此，针对ASD（ASDFieldSpecProVNIR,AnalyticalSpectralDevices,Inc.Boulder,CO,USA)，地物光谱仪和小麦冠层光谱测量，制定了如下操作规程与技术规范（主要内容）。1)仪器的检验与标定按地物光谱仪的标称精度对光谱分辨率、中心波长位置、信噪比等主要参数进行定期检验（交国家授权的检测机构进行）；对漫反射标准参考板，每半年需重新标定一次，以确保反射比参数的客观准确；观测过程中，每半小时左右进行一次光谱仪暗电流测定，及时校正仪器噪声对观测结果的影响。2)观测时间与气象条件观测时段规定为地方时（北京地区即为北京时间）9:30~15:30，以确保足够的太阳高度角；观测时段内的气象要求为：地面能见度不小于10km；太阳周围90o立体角范围内淡积云量应小于2%，无卷云和浓积云等；风力应小于3级。3)光谱测量注意事项为减少测量人员自然反射光对观测目标的影响，观测人员应身着深色服装；观测过程中，观测员应面向太阳垂直方向（垂直主平面方向），尽量减小测量人员对被测物的影响。记录员等其他成员均应站立在观测员身后，避免在目标区两侧走动；转向新的观测目标区时，观测组全体成员应面向太阳接近目标区，杜绝践踏观测区。测试结束后应沿进场路线退出目标区；观测时探测头应保持垂直向下，即与机载成像光谱仪观测方向保持一致，注意观测目标的二向反射性影响；在地物光谱仪的输出光谱数据设置项中，每条光谱的平均采样次数应不小于10；测定暗电流（ASD-VNIR型）的平均采样次数不小于20；对同一目标的观测次数（记录的光谱曲线条数）应不小于5，每组观测均应以测定参考板开始，最后以测定参考板结束。特殊情况下，当太阳周围90o立体角范围内有微量漂移的淡积云，光照亮度不够稳定时，应适当增加参考板测定密度。4具体操作程序4.1仪器操作①观测人员着深色服装，装上光谱仪与笔记本电脑的电池，连接上光谱仪与笔记本电脑，准备好参考板，取出测试枪头。②打开光谱仪（侧面有一黑色内陷按纽，按一下，此时黑色按纽上方有一指示灯变绿，同时可听到机器内风扇的响动，说明机器已经启动。通常野外测试受测试条件的限制对仪器不用预热，如在室内测试用室内光源，应对仪器预热半小时以上。对仪器进行校正时，应预热15分钟。）③打开笔记本电脑。④打开操作软件（开机过程不可颠倒）。（FR.exeBW（浅色操作系统）—用于室外，FR.exe（彩色）—用于室内）⑤进行数据保存设置：打开菜单栏上SpectrumSave菜单，键入所测光谱数据要保存的路径、文件夹名称（pathname默认值C:\FR）、光谱文件名称(basename默认值spectrum)即可。（StartingSpectrumNumber(d)）是设置开始保存光谱文件的“后缀名”（默认从spectrum.000开始保存））（NumberofFilestosave(d)是设置每一次保存的光谱条数默认001每一次保存一条。）（intervalbetweensaves是设置仪器自动保存光谱之间的时间间隔。）（comment是对当前测试数据的注解说明，可在后处理中输出。）通常情况下，后四项可以不设置，但是，记录员必须记录清楚测试当时的条件。设置完全后按“ok”即可。⑥进入操作主画面，首先测试员用一只手握住测试枪头垂直对准参考板（参考板水平放置，视场角此仪器配置三个25、3、8裸露时视场角为25，通常状况测试时用25）距离20-30cm，另一只手操作计算机，先优化按（Opt）即仪器对当时的太阳光照条件、增益和积分时间进行配置，再按DC消除暗电流。结束后，即可开始测试（测试项目一般为RawDN(digitalnumber)值，（Ref）相对反射率值，（Rad）辐射率值。Ref很少测试，通常测试项目为RawDNn，测rad时优化（Opt）结束后还要对rad进行优化即点击Rad图标进行优化）。测试枪头在参考板上轻微移动（视场范围不可超出参考板范围，参考板表面应比较均匀一致。）计算机屏幕曲线比较平滑稳定时即可保存（按空格键，有两声清脆响声即表示已保存。）先测参考板2次。⑦（保持太阳光照条件的一致性）迅速移动测试枪头垂直对准观测目标（针对作物冠层综合视场的光谱测量，探头高度保持在1.3m附近，视场范围为直径50厘米的一个圆）操作同参考板，测试保存数目不小于5次。测量的作物目标如果没封行，应该分别测定行间和垄间。⑧测试完目标后，重复测参考板2次。（通常一次完整测试包括先测参考板2次：光照参考板和阴影参考板，再测目标5次，再测参考板2次。）⑨记录员要同时做好记录，记录的内容包括测定的日期、地块编号、观测目标、光谱仪的型号、文件名、观测时间、观测目标描述、天气情况（温度、云量、风速）、相片编号和GPS定点号等。⑩数据后处理：用软件ASDViewSpecPro进行处理。4.2玉米的光谱测量1对每个目标区有代表性地进行定点，选择具有群体特性的植株作为观测目标，光谱观测过程中，每点按植株、株间和行间分别进行观测（株间即为与所观测植株相邻植株间的中心位置；行间即为与所观测植株所在行的邻行中最近植株间的中心位置）。2观测高度确定：以覆盖一个行距为原则，计算光谱仪探头离冠层的高度H，即)2tan(*2LH设行距为L＝70cm，探头视场角25，所以探头离冠层的高度为160cm。3植株光谱测定：光谱仪探头距植冠顶部中心处160cm高度，并垂直向下观测，重复测定10次，取其平均值作为植株光谱。a)行间光谱测定：以两行相对应的玉米植株冠层顶部的中心为端点，光谱仪探头距两端点的中点160cm高度，并垂直向下观测，重复测定10次，取其平均值作为行间光谱。b)株间光谱测定：以同一行两个相邻的玉米植株冠层顶部的中心为端点，光谱仪探头距两端点的中点160cm高度，并垂直向下观测，重复测定10次，取其平均值作为株间光谱。4具体操作规程同上，在生长前、中期，田间作物对地覆盖度小于90%，应加测观测目标区纯土壤背景光谱，传感器探头距土壤上部50cm垂直观测，以正确估计土壤背景对冠层综合视场的光谱响应；于生长后期，此覆盖度大于90%，则可省略土壤光谱的观测。4.3飞行定标测量1在进行飞行定标测量时，在飞机过顶时，要同步测量