ASDFieldSpec波譜儀使用過程中的問題與解答

1、FieldSpec 波譜儀使用過程中的問題與解答北京歐普特科技有限公司2007年10月美國ASD公司設計制造的FieldSpec 系列波譜儀在中國的遙感應用已經相對普及。應用范圍已經擴展到包括精準農業(yè)、林業(yè)、海洋與內陸水體、冰雪、環(huán)境污染監(jiān)控、氣象、地質與礦產、地面定標、教學等等領域。所使用的儀器型號包括了FieldSpec HandHeld, FieldSpec VNIR, FieldSpec Dual VNIR, FieldSpec Pro FR, FieldSpec Pro JR和FieldSpec 3等等。隨著FieldSpec儀器的普及應用，通過我們與客戶的交流溝通，發(fā)現在儀器的使用

2、上出現了各種各樣的問題，造成了測量數據精度不夠，甚至耽誤了工作時間?？偨Y歸納曾經出現的問題，并考慮到不同的應用。我們認為，波譜儀的使用技巧，在關乎測量成敗上，起到了比較關鍵的作用。此文從儀器的原理為出發(fā)點，討論了儀器型號和配件的選擇原則以及操作使用技巧，希望不同的用戶可以從中借鑒。但是，本文未涉及國內外可能的測量規(guī)范。因此，在使用此儀器進行不同的測量時，需要參考各種測量規(guī)范或者規(guī)程。也未涉及光譜數據的前期和后期處理方法。ASD fieldSpec波譜儀結構介紹ASD公司從成立之初就一直專注于可見-近紅外遙感光譜測量。因此，在儀器硬件設計中充分考慮了遙感專業(yè)隊儀器的要求，例如：高光譜分辨率、快速

3、、足夠的信噪比、供電時間和方便性、工作現場對光譜數據的初步判別以及測量視場、輕便性等等，也充分吸收了不同的用戶在使用過程中所反饋的意見和建議。這里僅僅以FieldSpec 3為例作出介紹。圖1，ASD FieldSpec 3波譜儀采用三個光譜儀構成的全光譜光譜儀稱為Goetz光譜儀。這是以著名遙感學家、ASD公司的發(fā)起人之一Goetz博士的名字命名的。其中，近紫外到近紅外短波（350-1000nm）光譜儀，使用如圖1所示的固定光柵結構。近紅外短波第一波段（SWIR1,1000-1700nm）和第二波段(SWIR2,1700-2500nm)采用如圖2所示的旋轉光柵結構。這樣的結構保證了能夠測量到

4、全光譜范圍內的目標反射光譜。所謂全光譜是指能夠到達地球表面的絕大部分太陽輻射能量（如圖3所示）。 圖2. 固定光柵結構 圖3. 旋轉光柵結構圖4.地球表面測量得到的太陽輻射光譜不同光譜儀所采集的光譜數據，通過軟件連接起來，構成所測量目標的完整光譜曲線。一般來講，可以通過察看ASD.INI文件確定連接點的波長。二，測量操作中可能出現的問題及解決問題1，測量絕對輻射亮度或者輻射照度時在光譜連接處出現臺階跳躍，如圖1紅色曲線部分。 圖5.測量輻射度時可能出現的跳躍（圖中藍色曲線是經過80分鐘預熱后測得的，紅色曲線是經過10分鐘預熱后測得的）解答：ASD公司的所有儀器光度標定都是在實驗室內，儀器經過8

5、0-90分鐘預熱后作出的。ASD公司經過大量實驗發(fā)現，儀器所使用的三個傳感器在不同的環(huán)境功能溫度以及預熱時間下具有變化的響應度。但是在SWIR1(1000-1800nm)波段傳感器的響應度不受影響。并且，如果儀器經過足夠長時間的預熱，則這個問題不會出現。但是野外測量時幾乎不可能使用如此長的預熱時間。于是，ASD公司開發(fā)出了利用SWIR1的穩(wěn)定特性，對問題數據進行修正的方法，即拋物線修正（Parabolic Correction）。詳細物理原理及必要計算等見附件I。這個問題的解決方法就是：A,儀器經過足夠長時間的預熱；這是最可靠的方法。B，或者在測量輻射度時點擊RS3軟件界面上的PC圖標。如圖6

6、所示。C，回到實驗室后，使用ViewSpec軟件中的拋物線修正功能對數據進行修正。拋物線修正圖標圖6，PC圖標問題2，測量反射率時在光譜連接處出現于上述類似的問題。如圖7所示。連接點跳躍圖7.反射率測量時出現的光譜連接點跳躍解答：出現這樣的光譜連接點跳躍的原因是不同的光纖采集到不同位置的樣品光譜。由于光纖輸入端口是由57條光纖構成的，在某些部位可能會出現上述問題，特別是測量距離比較小的時候。這個問題不會影響所采集到的數據質量。這個問題的解決方法是：A, 稍微旋轉光纖，能夠看到連接點的跳躍消失；或者B，回到實驗室后，使用ViewSpec軟件中的Splice Correction修正功能對數據進行

7、修正。問題3：不能通過OPT快捷鍵對儀器進行優(yōu)化解答： 通常這是由于電池供電不足造成的。 儀器優(yōu)化過程中需要啟動電子快門。這是一個耗電相對較大的動作。如果電池不足，比如，儀器界面的電量顯示已經到達黃線。盡管仍然可以采集光譜，但是電子快門不動作。因此，無法完成優(yōu)化。只需要更換電池即可解決此問題。問題4：近紫外到近紅外（350-1000nm）波段沒有信號或者信號很弱。如圖8。圖8. 短波段異常解答：電子快門的設置有利于及時減除暗電流提高數據的信噪比。但是，此部件在動作的時候耗電量相對較大。因此，即使在電池仍然有電（但是供電不足）的情況下會發(fā)現可以采集光譜數據但是卻不能進行優(yōu)化或者采集暗電流。另外一

8、個原因就是電子快門硬件損壞。解決方法：A, 更換電池或者改用市電供電。若仍然不能解決，則B, 與供貨商聯系維修。軟件特點和操作中可能出現的問題操作軟件設計上不僅僅考慮了針對儀器技術特點的要求，還考慮了現場測量要求的快速性和對測量數據的要求。因此，軟件功能上設計為無人為干涉的參數優(yōu)化、直接采集需要的反射率或者絕對反射比，通過相應的光度標定和必要的附加和可以直接測量輻射亮度和輻射照度。使用FieldSpec波譜儀，最直接地可以測量輻射度（配合必要的附件和定標）和光譜反射率。為了方便用戶的測量工作，RS3軟件已經將以上測量操作模塊化，只需要按照下面的步驟就可以直接完成并存儲。輻射度測量：在照明條件下

9、，鏡頭對準白板（或者被測目標）；優(yōu)化（OPT）；輻射度測量命令（RAD）。將鏡頭移到測量目標上，這時，按空格鍵即存儲測量得到的輻射度光譜。反射率測量：在照明條件下，鏡頭對準白板；優(yōu)化（OPT）；參比采集命令（WR）。將鏡頭移到測量目標上，這時，按空格鍵即存儲測量得到的反射率光譜?？赡艹霈F的問題包括：輻射度測量時沒有選擇經過定標的鏡頭；優(yōu)化時，白板或者目標沒有完全覆蓋鏡頭的視場；照明條件極大改變后沒有重新優(yōu)化；預熱時間短，沒有比較頻繁地采集暗電流。反射率測量時優(yōu)化和采集白板參比時，白板沒有完全覆蓋鏡頭的視場；照明條件極大改變后沒有重新優(yōu)化；經過較長時間后沒有重新采集白板參比。以上所有問題的解決方

10、法，已經包含在問題自身當中了。其它使用中出現的問題和解決方法測量前的準備工作這項工作包括：白板清潔、需要的鏡頭、電池壽命甚至包括了對光譜儀電池和電腦電池的充電。充滿電的電池工作時間最長為9小時，充電時間大約為4小時。影響野外測量時間的因素主要來源于控制電腦的電池工作時間?？赡艿脑?，盡可能多備幾塊電腦的電池。預熱時間對于光譜反射率測量，儀器預熱10分鐘就足夠了。需要注意的是，如果是輻射度測量，那么預熱的時間應盡可能長一些，推薦的預熱60分鐘左右。附件的選取與安裝根據不同的測量目的選取必要的附件。下面幾個問題需要特別引起注意：選擇附件后，需要在RS3軟件的相應為位置指明所選取的附件，以便于RS3軟

11、件自動調用存儲的定標數據并將附件信息記錄在光譜數據中；附件的安裝不需要十分用力，僅僅需要確認已經安裝牢固即可；鏡頭視場大小的計算所有技術指標中給出的視場角都是全角。垂直測量（圖6）近場測量（距離短于1米）: Y = D + 2 * X * Tan(A/2) 遠場測量（距離大于1米）: Y = 2 * X * Tan(A/2) 圖6，垂直測量視場大小計算傾斜測量（圖7）arctan(y/x) = = (全視場角)/2y/x = tan ，y = x tan z + w = h tan ( + )，w = h tan ( + ) z，w = h tan 得到：z = h tan()+ tan( +

12、 )w = (x2 + h2 - 2xh cos)1/2測量時間如果所采集的光譜數據將要用于搞光譜圖像的數據定標或者解疑，那么光譜數據的采集時間就非常重要了。在此條件下，應當使用與得到遙感圖像時的照明條件近似的照明采集反射光譜數據。建議在衛(wèi)星過境或者機載傳感器采集數據的同時采集反射光譜數據。如果采集時間差別很大，則建議使用大氣輻射訂正。通常情況下，在10:00 14:00之間總是會得到相對較好的照明條件。 當然，根據研究或者工程目標選擇光譜采集時間也是考慮的重點之一。相對幾何位置根據采集光譜的目的選擇適當的觀測幾何位置。圖像解譯: 選擇與衛(wèi)星或者機載傳感器采集圖像時相似的幾何觀測條件?？尚行匝?/p>

13、究：通過固定觀測角度和照明條件去取可能的干擾。對于植被光譜采集來講，可以在葉片、樹干或者冠層這樣的空間尺度采集光譜數據。 冠層尺度下采集到的光譜數據更適用于圖像解譯。粗略地可以用葉片或者樹干尺度的光譜數據直接解譯圖像。當然，使用葉片和樹干尺度下采集的光譜數據對于理解葉片和樹干如何影響冠層尺度的光譜是非常有用的。光譜平均次數的選擇野外測量時，使用10-30次光譜平均就足夠了。因為白板參比并不是總要采集，白板參比的平均次數可以增加到兩倍的光譜平均次數。 注意，信噪比是與光譜平均次數的平方根成正比。注意：實際使用的光譜平均次數還取決于測量要求。如果在室內測量，建議使用更大的光譜平均次數，這樣得到的數

14、據信噪比更好。如果在野外很大的區(qū)域測量，則照明情況良好時，可以使用較少的光譜平均次數。優(yōu)化次數和時間間隔如果測量數據沒有出現飽和現象，則不強制要求重新優(yōu)化。通常來講，每間隔10-15分鐘重新優(yōu)化一次對于避免照明條件的改變造成的干擾是有好處的。暗電流的處理并不強制要求頻繁地采集按電流。但是在儀器啟動的初期（10-15分鐘內），間斷性地采集按電流對于提高數據質量是有好處的。白板參比采集時間間隔室內測量：如果照明條件是基本恒定的，在儀器預熱階段每隔10-15分鐘采集一次白板參比，之后每隔30分鐘采集一次白板參比就可以了。野外測量： 應當盡可能頻繁地采集白板參比，因為: 太陽照明條件在不斷變化,建議使

15、分鐘采集一次;大氣狀況在不斷變化，例如云、濕度或者水氣等等； 溫度在不斷變化。重要的是，采集參比和測量數據時的環(huán)境條件盡可能相同。測量點的尺寸大于白板尺寸如何處理最好的辦法是購買一塊大尺寸的白板。或者將探頭靠近白板。室內測量條件下，需要保證測量角度和距離保持不變。野外采用太陽照明測量條件下，靠近白板測量參比，然后以較大的距離測量目標沒有任何問題。何時采用絕對反射比測量取決于如何分析數據。絕對反射比和反射率之間的差別，在400-2000nm波段非常??；而在350-400nm和2000-2500nm波段才能夠看出明顯的偏差。數據后處理ViewSpec軟件是眾多數據后處理軟件之一。ENVI是圖像處理軟件，也可以直接倒入ASD的光譜數據進行處理。什么造成了光譜數據上帶有規(guī)律性的正弦振蕩？照明光源可能采用的是交流電。反射率光譜數據帶有臺階光纖束導光的、使用前端鏡頭的儀器在近距離測量時可能產生這個現象。稍微移動或者轉動光纖或者測量角度，就可以避免這個干擾。如何清潔白板使用白板是一定要戴手套，以免油污。精確的清潔方法請參考隨白板一起提供的指導書。被浮土輕度污染的白板：用壓縮氮氣或者空氣吹干凈，或者用毛刷清理。注意，不要使用氟利昂。重度污染的白板：在流水下或者離子化蒸餾水內用220-240目的水砂紙輕輕打磨污