野外地物光譜測量的總體設(shè)計(jì)

野外地物光譜測量的總體設(shè)計(jì)

1強(qiáng)化土地動態(tài)監(jiān)測目標(biāo)參量與遙感技術(shù)現(xiàn)場光譜測量對確定振動源、遙感數(shù)據(jù)的解釋和遙感應(yīng)用潛力具有重要意義。利用高光譜非成像光譜(輻射)儀，在野外測量地質(zhì)礦物、植物或其他物體的光譜反射率、透射率及其他輻射率，有三方面的作用：（1）野外光譜數(shù)據(jù)可用來建立和測試描述表面方向性光譜反射和生物物理屬性的關(guān)系；（2）野外光譜測量用來描述表面反射特征，以便為航空和航天傳感器定標(biāo)；（3）在不需要圖像數(shù)據(jù)時，光譜測量或低空測量是一種成本低廉、靈活的數(shù)據(jù)獲取方法。新一輪國土資源大調(diào)查對土地動態(tài)監(jiān)測提出了更高的要求，需要土地動態(tài)監(jiān)測從以往單一的土地利用數(shù)量的監(jiān)測向以土地質(zhì)量、土地生產(chǎn)力及土地利用生態(tài)環(huán)境變化等為主要對象的綜合土地動態(tài)監(jiān)測發(fā)展，這同時對遙感技術(shù)提出了更高的要求，需要通過實(shí)驗(yàn)的或物理的模型將遙感信息與觀測目標(biāo)參量聯(lián)系起來，將遙感信息定量地反演或推算為某些地學(xué)、生物學(xué)及大氣等觀測目標(biāo)參量(諸如土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量等生物理化參數(shù))。在遙感定量化研究中，采集野外地物光譜，建立典型地物光譜數(shù)據(jù)庫是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。我國已經(jīng)開展了部分這方面的工作，國家科技部高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“十五”期間的“信息獲取與處理技術(shù)主題”將“建立典型地物標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)庫”單列一題(103-05-02)。中國土地勘測規(guī)劃院承擔(dān)的863計(jì)劃“成像光譜技術(shù)在土地動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用”課題，需要建立試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的典型地類如林、草、耕地、園地四個一級大類及其二級類的光譜數(shù)據(jù)庫。2002年5月19日，與資源衛(wèi)星系統(tǒng)研究與開發(fā)項(xiàng)目組合作，在試驗(yàn)區(qū)宜興10×104hm2的范圍內(nèi)進(jìn)行了飛行，由北向南共布設(shè)10條航帶，并在當(dāng)天和次日進(jìn)行了地面同步測試和地面光譜測量。通過此次試驗(yàn)更加深刻體會到野外地物光譜測試是一個復(fù)雜的過程，試驗(yàn)方案決定著試驗(yàn)的成敗和測量結(jié)果的精確度及可用性，需要考慮各種因素對所測目標(biāo)光譜的影響。本文正是這次外業(yè)的一些體會與心得。本文的討論僅限于：（1）可見光至紅外波段波長300到2500納米；（2）觀測的對象是地質(zhì)、人工或植被目標(biāo)；（3)要求獲得連續(xù)的光譜曲線。2影響測量結(jié)果的因素在野外光譜測量中，地表的輻射能抵達(dá)傳感器是一個復(fù)雜的過程，受多種因素的影響，測量的時間、光照條件(太陽高度角、太陽方位角)、大氣特性和穩(wěn)定性(云、風(fēng))、儀器視場角以及掃描速度等等因素都會直接影響所測結(jié)果的準(zhǔn)確性。2.1照明條件2.1.1目標(biāo)的光譜反射率為了測定目標(biāo)的反射率或輻射率，需要測量兩類光譜輻射值：第一類為參考光譜或稱標(biāo)準(zhǔn)板白光，就是從近似完美的漫輻射體(朗伯體)——標(biāo)準(zhǔn)白板上測得的光譜；另一類為樣本光譜或目標(biāo)光譜，是從所測目標(biāo)物上測得的光譜。目標(biāo)的光譜反射率就是目標(biāo)光譜除以參考光譜所得的比值，它基于一個基本的假設(shè)，即：我們是在完全相同的光照條件下測量標(biāo)準(zhǔn)白板和目標(biāo)光譜。測量白板和目標(biāo)時光照條件的不同將導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果。2.1.2對目標(biāo)物的輻射自然光狀態(tài)下，可見光和紅外波段范圍內(nèi)一個地物目標(biāo)所收到的輻射由三部分組成：第一部分是直接的太陽光輻射；第二部分是天空光(漫射光)的輻射，即太陽光被大氣層散射后的向下那部分輻射；第三部分即為目標(biāo)物周圍的各種地物所輻射的一部分能量。這三種輻射各有其光譜特征，目標(biāo)物周圍各種地物所發(fā)出的輻射其特征也是千變?nèi)f化的，但是，除非目標(biāo)物的位置處于陰影下，太陽光直接照射這部分的能量是其中占絕對優(yōu)勢的部分。諸如太陽高度角、大氣狀況等參數(shù)將直接影響直射太陽光的總體強(qiáng)度和光譜特征。散射的天空光在整個輻射中占5%～10%的比重，在更短的波長時該部分可占整個輻射的20%～25%。目標(biāo)物周圍地物所輻射的光譜特性由其各自的反射特性所決定，白雪皚皚的雪山和黑魆魆的荒山對其周圍地物的輻射肯定有所差異。在野外光譜測量中，測量者和儀器所發(fā)出的輻射也都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而且，目標(biāo)物周圍的地物還有可能遮住一部分散射的天空光或擋住直接照射的太陽光，使被測目標(biāo)處于陰影下。因此，在測量時應(yīng)盡量避開陰影和反射體，并要求測量者著深色服裝，盡量遠(yuǎn)離測點(diǎn)。天空散射光和周圍地物輻射對測量結(jié)果的影響大小由它們的入射方向在目標(biāo)地物表面坐標(biāo)系中對應(yīng)的立體角所決定。所測目標(biāo)表面的粗糙度對這三種不同的光源在總輻射所占比例有不同的影響，例如，在前述三種輻射源中后兩種輻射的貢獻(xiàn)量在具有粗糙表面的地物上要比表面光滑的地物高一些。2.1.3檢測幾何形狀的優(yōu)缺點(diǎn)在大多數(shù)情況下，如在天上衛(wèi)星/飛機(jī)過頂?shù)耐瑫r或規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行同步或準(zhǔn)同步的測量，利用目標(biāo)周圍的自然光源測地物光譜就能獲得令人滿意的結(jié)果。為了研究的需要，我們有時也在實(shí)驗(yàn)室人工光源的條件下進(jìn)行觀測，利用人工光源進(jìn)行測量具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以更好的控制觀測和光線照射的幾何角度；（2）可以控制所測樣品的幾何形狀；（3）在自然光照條件不理想的情況下同樣可以測量(如陰天或晚間)；（4）可以測量樣品在大氣吸收峰波段(如1.4和1.9μm附近的水吸收峰)的反射率。但是使用人工光源進(jìn)行觀測的缺點(diǎn)是：（1）對于幾何形狀不規(guī)則的樣品，我們很難使樣品和光源之間的距離同標(biāo)準(zhǔn)白板與光源之間的距離保持相等；（2)由于距離太近，燈光會使植物樣品(如葉子)水分散失，葉綠素降解。人工光源也可以直接安裝在野外非成像光譜儀上，如美國ASD公司的FieldSpecFR野外光譜儀就有一個類似手電筒的裝置，需要時可直接將光導(dǎo)纖維固定在它上面，安裝、拆卸都十分方便。2.2太陽輻射的特性地物的光譜特征是地物通過與到達(dá)地面的太陽輻射相互作用后形成的。太陽輻射在大氣中傳輸會產(chǎn)生選擇性吸收和散射，使得不同波長的電磁波發(fā)生不同程度的能量衰減。因此，測量時刻的大氣特性直接影響著所測結(jié)果的精度。2.2.1在光照和近紅外特性的地方，利用二氧化碳吸收樣品作為檢測對象太陽光經(jīng)過大氣傳輸?shù)降乇?，在這復(fù)雜的傳輸過程中產(chǎn)生了大氣層對太陽光的折射和反射、大氣分子和氣溶膠對電磁波的散射和吸收。太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸后，主要是反射、吸收和散射的共同影響衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過部分。在可見光和近紅外波段，到目前為止，人們認(rèn)為水蒸氣的吸收特性對入射到地球表面的太陽光的影響最大，水蒸氣的這種影響是隨著時間和地點(diǎn)的變化而變化的，例如極干燥的沙漠地區(qū)在無云的天氣下人們可以觀測到水吸收峰1400nm附近區(qū)域真實(shí)的地物光譜，但1900nm附近的信號依然很弱。二氧化碳在2000～2200nm范圍有較強(qiáng)的吸收特征，而這一區(qū)域剛好是某些分層硅酸鹽礦物具有診斷性光譜特征的波段。二氧化碳跟其他氣體有很好的混合性，因此它的吸收特征強(qiáng)度很難像水蒸氣那樣測定，但其值確實(shí)隨著海拔的升高而減小。圖1是在典型的大氣狀況下太陽輻射度分布曲線，圖中標(biāo)出了幾種主要大氣成分對太陽輻照度的影響。2.2.2小該誤差的測量由于水汽對太陽輻射在大氣中的傳輸有很大的影響，若在測量目標(biāo)地物時，水汽在大氣中分布狀況與在測量標(biāo)準(zhǔn)白板時的分布有很大差異，將導(dǎo)致測量誤差甚至是錯誤的測量結(jié)果，因此，在測量時應(yīng)該盡量縮短這兩次測量之間的時間間隔以減小該誤差，可用單目標(biāo)測量法，先測量幾次參考板，然后進(jìn)行幾次目標(biāo)測量，之后再測幾次參考板。野外光譜儀本身就能測量云對大氣輻射影響的大小。我們只要測白板的反射率，并觀察其光譜曲線，如果大氣狀況穩(wěn)定，得到的光譜曲線比較穩(wěn)定，且基本上是一條位于100%反射率附近的直線；如果大氣狀況不穩(wěn)定，該光譜曲線會在水吸收峰特征波段出現(xiàn)最大值與最小值，并且很不穩(wěn)定，時刻變化抖動著。這種方法可以用來檢驗(yàn)當(dāng)時大氣狀況下所測得的光譜數(shù)據(jù)是否具有足夠的精度。除了云中水汽的影響，部分云層的存在也會大大地增加天空散射光的強(qiáng)度，造成太陽輻射的衰減。如果光譜測量的目的是為影像的校正與解譯，則最好是在與采集影像數(shù)據(jù)近似的光照條件下采集野外地物光譜，即進(jìn)行同步或準(zhǔn)同步的測量。2.2.3儀器視場角內(nèi)的陰陽變化產(chǎn)生的光譜特征風(fēng)對野外光譜測量結(jié)果的影響，主要是由于“風(fēng)吹草動”引起目標(biāo)物的運(yùn)動造成周圍的光照條件隨之改變，如產(chǎn)生新的陰影，儀器視場角內(nèi)的陰影變化將會在光譜曲線上產(chǎn)生錯誤的光譜特征。在測量植被冠層時，由于陰影較多，更容易受到風(fēng)的影響，當(dāng)使用較慢掃描頻率的儀器采集植被冠層光譜時，會在光譜曲線某些部分產(chǎn)生因風(fēng)引起的吸收峰，而具有陣列探測器或較快掃描速度的儀器所受風(fēng)的影響要少一些。根據(jù)波譜測量規(guī)范，野外光譜測量時其風(fēng)力應(yīng)小于4級。2.3地球物理的目標(biāo)特征2.3.1近紅外區(qū)域的二向性反射函數(shù)與brdf由于植被冠層是一個復(fù)雜的三維幾何體，其輻射特性隨著入射方向和觀測方向的變化而變化，是外部輻射與植被冠層中散射和吸收介質(zhì)(主要為葉片)發(fā)生相互作用的結(jié)果，我們在野外測量植被的光譜曲線時必須嚴(yán)格控制光線照射和觀測的角度，只有這樣，植被本身的光譜反射率變化才有可能被探測到。植被冠層在可見光近紅外區(qū)域的二向性反射函數(shù)(BRDF)主要由植被的三個特征所決定，即（1）植被元素(葉、莖等)的光學(xué)散射特性；（2）植被元素冠層的生理狀況(水狀況、色素含量)；（3）單個植物及整個冠層的結(jié)構(gòu)特征(葉角度和葉分布)，而且，它不僅與單個樹冠受照和背陰情況有關(guān)，在高密度森林里，樹冠之間相互遮陰對BRDF也有影響。圖2為綠色植物有效光譜響應(yīng)特征。2.3.2地表及環(huán)境的測量巖石和土壤的二向性反射特性沒有植被明顯，我們常常將它們看成近似的朗伯體。實(shí)際上，由于納入儀器視場角范圍內(nèi)的陰影量變化，所觀測的光譜的總體亮度也確實(shí)隨著入射光線和觀測角度的變化而變化。地質(zhì)是高光譜遙感應(yīng)用中最成功的一個領(lǐng)域。各種礦物和巖石由于具有各自不同的晶體結(jié)構(gòu)因而在電磁波譜上顯示不同的診斷性光譜特征，從而可以幫助人們識別不同礦物成分。在地面植被稀少的情況下，土壤的反射曲線與其機(jī)械組成和顏色密切相關(guān)。顏色淺的土壤具有較高的反射率，顏色較深的土壤反射率較低。在干燥條件下同樣物質(zhì)組成的細(xì)顆粒土壤，表面比較平滑，具有較高的反射率，而較粗的顆粒具有相對較低的反射率。有機(jī)質(zhì)含量高，也使反射率降低。土壤含水量增加，會使反射率曲線平移下降，并有兩個明顯的水吸收峰，當(dāng)土壤水超過最大毛管持水量時，土壤的反射光譜不再降低，而當(dāng)土壤水處于飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)，使土壤表面形成一層薄薄的水膜，在地表平坦時，接近于鏡面反射，其反射率反而增高。人工目標(biāo)的光譜反射率取決于通過目標(biāo)元素傳輸?shù)墓饩€的量的多少以及目標(biāo)表面的質(zhì)地，其周圍的植被、巖石以及土壤等因素也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。具有半透明元素和高度結(jié)構(gòu)化特征表面的人工地物其二向性反射特性與植被的二向性反射特性相似，而不透明地物則與巖石或土壤相似。2.4與航天和航空影像的融合儀器的選擇決定于野外光譜采集的目的。如果是為了與航天和航空影像的解譯或光譜重建采集光譜數(shù)據(jù)，則地面波譜測量儀器的波長范圍、光譜分辨率、采樣間隔、測量精確度等技術(shù)指標(biāo)應(yīng)不低于航空儀器。2.4.1基于固定光柵和陣列探測器的光譜傳感技術(shù)當(dāng)今的野外光譜儀一般采用一個固定光柵加陣列探測器的形式(圖3)，或者是單個探測器加一個掃描光柵。基于陣列探測器的光譜儀的缺點(diǎn)是其信噪比不僅取決于光譜分辨率，而且跟光譜采樣間隔也密切相關(guān)，而具有掃描光柵的光譜儀其信噪比與光譜采樣間隔無關(guān)(光譜分辨率和光譜采樣間隔如圖4所示)。在350～1000nm的波段范圍(近紅外波段)，陣列探測器有足夠的敏感度以收集光譜分辨率高于10nm的光譜數(shù)據(jù)，10nm的分辨率正是成像光譜遙感研究所需要的精度。因此，在近紅外波段，基于固定光柵和陣列探測器的光譜儀對絕大多數(shù)遙感應(yīng)用最為適合。典型的近紅外波段光譜儀可以達(dá)到3～5nm的光譜分辨率和小于2nm的采樣間隔。由于太陽光能量在1000～2500nm區(qū)域(短波紅外)內(nèi)的迅速衰減，分光計(jì)的設(shè)計(jì)急需考慮保持一個可以接受的信噪比。一般來說，以降低信噪比的代價換取光譜采樣間隔的減小是不可行的。因此，在短波紅外范圍陣列探測器的使用總是避免過密的光譜采樣間隔。采用掃描光柵的光譜儀就沒有這種限制，但它的缺點(diǎn)是所有波段的測量不是在同一時刻進(jìn)行的，這樣在測量時刻目標(biāo)物的變化將引起錯誤(參見4.3)。這一缺點(diǎn)可以通過加快儀器的掃描速度而克服。掃描型的短波紅外探測器一般采用硫化鉛(PbS)探測器或銦鎵砷（InGaAs）探測器。硫化鉛缺乏足夠的頻率響應(yīng)，而銦鎵砷探測器具有比硫化鉛探測器更高的靈敏度(記錄一個1000～2500nm范圍的光譜時間小于0.1秒)并且不像硫化鉛探測器那樣需要一個光學(xué)斬波器。盡管在光譜儀上裝一個內(nèi)置光源是可行的，但這將限制應(yīng)用所能適用的范圍和所測目標(biāo)的類型。因?yàn)槲覀冃枰３忠巴馑鶞y數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的光照條件，光線照射和觀測方向等條件的一致。如果我們是為了成像光譜傳感器的定標(biāo)或是為了將野外光譜數(shù)據(jù)直接與成像光譜數(shù)據(jù)之間進(jìn)行比較，那么最好在自然光的條件下進(jìn)行測量。內(nèi)置光源的使用還干擾了輻射照度和輻射亮度的測量。而且，像植被這種具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的目標(biāo)只有在野外自然太陽光下進(jìn)行測量才有與成像光譜數(shù)據(jù)的可對比性。2.4.2器入口狹窄的形狀目前一般采用兩種方式采集光線能量并將信號傳輸?shù)焦庾V儀。一種是用探頭在儀器入口狹縫前方形成目標(biāo)物的影像，這樣，地面視場與儀器入口狹縫的形狀(一般其長寬比是10:1)保持一致。如果一個儀器中裝有一個以上的光譜儀(如可見光/近紅外光譜儀和短波紅外光譜儀)，就很難確保這幾個光譜儀所看到的地面視場是完全一致的。另一種是利用光導(dǎo)纖維傳輸光線到光譜儀，得到的是一個圓形的地面視場。通過儀器內(nèi)幾束各自分離的光纖束將光線分別傳送到不同的光譜儀。這種儀器的地面視場由視場圓錐角和儀器離地面的距離決定。3測量規(guī)范等因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)是整個野外光譜測量的第一步，試驗(yàn)設(shè)計(jì)決定著試驗(yàn)的成敗，需要綜合考慮測量時間、采樣方法、測量規(guī)范等諸多因素。研究目的決定了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以此次宜興試驗(yàn)區(qū)為例，其試驗(yàn)?zāi)康闹杏幸粭l是為實(shí)現(xiàn)機(jī)載成像光譜數(shù)據(jù)儀圖像的光譜重建，這就決定了它必須進(jìn)行地面同步光譜測量，并且選用的地物光譜儀應(yīng)與成像光譜儀匹配，二者的光譜覆蓋范圍應(yīng)一致。下面以宜興試驗(yàn)區(qū)為例，闡述試驗(yàn)設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問題。3.1野外光譜分析如果野外光譜采集的目的是為了傳感器輻射定標(biāo)或高光譜影像的解譯，那么采集的時間選擇是十分重要的。用于高光譜影像解譯的的野外光譜采集必須在與影像采集相似的光照條件下進(jìn)行。測量的時刻與日期是太陽光直接照射那部分能量的幾何狀況的主要控制因素，而諸如云等大氣狀況因素則是決定非直接照射光源相對強(qiáng)度和幾何狀況的決定因素。如果野外光譜被用來與成像光譜影像轉(zhuǎn)換出的反射率做比較，那么需要在影像獲取的同時進(jìn)行同步的野外光譜測量。如果沒條件進(jìn)行同步測量，則需要對影像所得的反射率做水汽校正。本次試驗(yàn)地面光譜測量與成像光譜數(shù)據(jù)獲取同步進(jìn)行并盡量選擇在機(jī)下點(diǎn)測量。3.2野外光譜分析研究采樣方法的選擇同樣取決于研究目的。如果研究的目的是為了決定觀測目標(biāo)光譜特征的可探測性或是某一過程影響目標(biāo)的光譜特征的可探測性，則需要采集目標(biāo)在各種狀態(tài)下的樣品光譜以及各種不同背景下目標(biāo)物的樣品光譜。必須考慮所有可能影響目標(biāo)光譜特征的因素和背景光譜信號的影響，如：光照、地形、地貌、目標(biāo)表面結(jié)構(gòu)等等。采集足夠的植被光譜要更困難一些，因?yàn)橛绊懼脖还庾V特征的因素實(shí)在很多，如背景土壤的化學(xué)特性、土壤反射率、水分含量、測量的時刻、測量的季節(jié)、云層、溫度、相對濕度等。研究時為了排除背景因素和其他影響因素對目標(biāo)光譜特征的影響，可以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行測量，這樣不僅可以消除背景噪聲，而且可以有效地控制觀測和光線照射的幾何角度。開展這類研究的目的經(jīng)常是為采集野外光譜總體研究作可行性分析。宜興的野外光譜測量測點(diǎn)的選擇包括了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的基本地物類型，如植被、裸露土壤、水體等，共采集48個土樣(測點(diǎn)數(shù)理論上能滿足模型即可，線性模型5～7個，n次多項(xiàng)式模型測點(diǎn)數(shù)≥(n+1)(n+2)/2。但測點(diǎn)數(shù)越多，則反演精度越高。在每個測點(diǎn)內(nèi)，選擇的樣點(diǎn)數(shù)多少取決于遙感器空間分辨率的大小，一般3～5次即可。)3.3光譜分析的前提、過程和注意事項(xiàng)儀器光測角度和光線照射角度的選擇依賴于所測光譜數(shù)據(jù)是為了影像解譯還是為了可行性研究。為影像解譯就需要保持與影像獲取時相似的觀測和光線照射角度；為可行性研究就可以在實(shí)驗(yàn)室里固定的觀測和關(guān)照條件下測量。對植被而言，可能需要葉子、葉柄、枝、冠層等各個空間層次上的光譜。冠層層次的對于影像解譯和分析而言是最適合的。葉子、葉柄、枝等層次的光譜很少被直接用于影像解譯，它們常被用于研究葉子、葉柄、枝等光譜的變化是如何影響植被冠層光譜的。在宜興的野外光譜測量中選擇勻質(zhì)地物作為測站點(diǎn)(如沙地、水體、草地)，采用近垂直向下觀測，測點(diǎn)處地物一般具有良好的朗伯體特征，避免了入射角或探測角的影響，在測量過程中注意到了白板放置與光譜儀掃描頭測量方向垂直(據(jù)文獻(xiàn)介紹，如果掃描頭與參考板有1°的傾斜角度，在太陽天頂角為30°時，測量的反射率誤差為1%；在太陽天頂角為60°時，測量的