典型地物反射波谱测量与特征分析

典型地物反射波谱测量与特征分析一、实验目的与要求1. 实验意义：（1） 对光谱测量仪器的认识： ASD 野外光谱分析仪 FieldSpecPro 是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具， 它能够快速扫描地物， 光线探头在毫秒内得到地物的单一光谱。 FieldSpec 分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光线光学探头以及连接数据线组成。 通过连接电脑， 可实时持续显示测量光谱， 使得测量者可以即时获取需要的测量数据。（2）对课堂内容的认识：地物反射光谱是指某种物体的反射率或反射辐射能随波长变化的规律， 以波长为横坐标， 反射率为纵坐标所得到的曲线即为反射波谱特性曲线。影响地物波谱变化的因素：太阳位置（太阳高度角和方位角） 。不同的地理位置，海拔高度不同。时间、季节的变化。地物本身差异、土壤含水量、植被病虫害。2. 实验目的：（1）地物波谱数据获取需要使用地面光谱仪，通过该实验学会地面光谱仪的原理与使用方法。（2）通过对地物光谱曲线分析，比较相异与相似地物反射光谱特征。认识并掌握典型地物反射光谱特征。二、实验内容与方法1. 实验内容（1）典型地物反射波谱测量选择典型地物类型，使用地物光谱仪，开展地物光谱测量，获得典型地物可见光近红外波段（0.4-2.5 微米）的反射光谱曲线。地物类型：植被（草地、灌丛） ，水体（不同水深，有无植被） ，土壤（裸土、有少量植被覆盖土壤） ，不透水地面（水泥地面、沥青路面、大理石地面） 。（2）地物波谱特征分析a) 标准波谱库浏览 b) 波谱库创建 c) 高光谱地物识别 从标准波谱库选择端元进行地物识别 自定义端元进行地物识别 2. 实验方法（1） ASD 光谱仪简介FieldSpec Pro 型光谱仪是美国分析光谱设备(ASD)公司主要的野外用高光谱测量设备。整台仪器重量 7.2 公斤，可以获取 3502500nm 波长范围内地物的光谱曲线，探测器包括一个用于 350-1000nm的 512 像元 NMOS 硅光电二极管阵列, 以及两个用于 1000-2500nm 的单独的热电制冷的铟- 镓-砷光电探测器。便携式光谱仪是“我国典型地物标准波谱数据库 ”获取光谱数据的主要设备。基本技术参数：线性度：+/-1%波长精度：+/- 1nm700nm波长重复性：在校准温度的 +/- 10C 范围内优于+/- 0.3nm.光谱分辨率: 3nm 700nm, 10nm 1400nm and 2100nm. 采样间隔: 在 350-1000nm 范围内为 1.4nm，在 1000-2500nm 范围内为 2nm扫描时间：固定的扫描时间为 0.1 秒, 光谱平均最多可达 31,800 次等效辐射噪声 ): UV/VNIR(紫外到近红外) 1.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr700nmNIR(近红外) 2.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr1400nmNIR (近红外) 8.8 x 10-9 W/cm2/nm/sr2100nm图 1 FieldSpec Pro 型光谱仪（2）光谱分析方法分波段分析典型地物光谱差异。描述在可见光波段、近红外波段的各种地物波普特征。三、实验设备与材料1. 实验设备（1）硬件： ASD 光谱仪；手提电脑；白板；GPS ；数码相机。（2）软件： ENVI Classic，ASD 光谱仪配套软件（RS3 和 View SpecPro Graph）2. 实验材料（1）在学校校园内选择各种典型地物类型进行测量即可。（2）实验前已测量好的各类数据（在野外实验无法安排时，可以直接给学生提供提前测量好的各类地物光谱数据，用于地物光谱特征分析。 ）3. 工作要求（1）天气情况：地面能见度：晴朗，地面能见度不小于 10km，云量要求：太阳周围 90 立体角范围内淡积云量小于 2%，无卷云或浓积云等，风力要求：无风或微风（测量时间风力小于 4 级，对植物测量时风力最好小于 3 级）测量时间： 为保持太阳高度角大于 45 度， 且由于北京地区处于中纬度地区， 所以测量时间应在北京时间 10:0014:00 之间，冬季对于测量时间应该更加严格一些。另外，测量速度应该满足 Display Spectral Library View，在对话框中显示的就是 ENVI 自带的波谱库文件；图：ENVI 自带波谱库文件（1）选择打开 Veg_lib（99）中的几个植被波谱文件；在 vegetation 波谱库中选择 6 种不同植被的波谱曲线，在下图可以看到起对应的波谱曲线，以及波谱文件的属性信息，包括常规信息和曲线信息。图：不同植被波谱曲线（2）波谱曲线显示窗口中的功能；在波谱曲线窗口中可以看到 4 个部分的内容： 导入文件（Import）图：导入数据方式此功能可以导入两种格式的文件，包括 ASCII 及波谱库形式存在的文件。 导出文件（Export）图：导出数据方式导出波谱文件的格式可以分类 4 大类： 常见数据格式 ASCII 与波谱库文件； Image、PDF 及 Postscript 输出格式； 复制波谱曲线； 直接打印曲线或在 PowerPoint 中展示； 选项工具（Options）图：选项功能选项工具中有三个功能： 打开新的 Plot 窗口 自由拖拽收集的地物波谱； 波谱曲线上显示十字丝一直保持十字丝可见，显示波谱显现十字丝节点含义； 添加波谱图例 不同颜色的波谱曲线代表什么样的地物，更直观方便； 波谱曲线 X、Y 轴代表含义X 轴代表： Wavelength：（默认显示）影像波长； Index：波段 i，i 代表影像具有 i 个波段； Wavenumber: 波数，即 1/wavelength ，波数与波长成反比关系，波长越小，波数就越大。Y 轴代表： Data Value：（默认显示）影像原始值； 包络线去除 Continuum Removed：绘制数据与连续删除。连续的是，套在光谱的顶部的凸包。它分为原始数据值，以产生连续取出的值。在连续使用中的绘制曲线中所显示的第一和最后一个数据点计算的，所以只对已缩放