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350~2500nm 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：+/- 1nm@700nm波长重复性：在校准温度的+/- 10°C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/sr@700nmNIR(近红外) 2.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr@1400nmNIR (近红外) 8.8 x 10-9 W/cm2/nm/sr@2100nm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10:00~14:00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<=1min/组。

（2）测量情况：为减少反射光对观测目标的影响，观测人员应着深色服装，观测时面对太阳站立与目标区后方，观测时保持探头垂直向下，使得机载成像光谱仪观测方向保持一致，注意观测目标的二项反射影响。

记录人员应站在观测人员身后，并避免在目标区周围走动。

对于记录人员，在输出光谱数据设置项中，每条光谱的平均采样次数应不少于10，测定暗电流的平均采样次数不少于20次。

每隔20分钟要重新对标准白板进行测量校正，以持测量数据的准确性。

此次实验能够测得波谱范围为：350~1050nm之间（可见光和近红外波段）四、实验步骤1．地物波谱测定1)光谱仪、计算机充电：光谱仪电量不足时红灯闪亮，表现为和计算机的测量软件链接中断，但不会立马断电；充满电后绿灯闪亮；如果黄灯闪亮则说明过热，测量中若起初曲线噪声小，使用段时间后近红外波段波动很大，若测量环境未有大的变化，可以关掉软件，休息片刻再测。

2)安装好适当的镜头（视场角有25°裸光纤，10°和25°）或其他附件（如GPS、余弦接收器等），准备好白板（Baco3白板25*25cm）。

两盏卤素灯位于探头两侧，且与探头在一条直线上，关灯，保证聚焦状态光斑在探头下。

白板若不干净，则影响定标，用蒸馏水泡，600*600及其以上的砂纸擦洗阴干；使用高密度反射探头时注意不要让尖锐物体表面划伤，磕破镜面；打开光谱仪电源，预热。

反射率采集预热10分钟足够。

3)再打开计算机，并启动RS3软件（室外采光条件好用黑白的，室内用彩色的）。

开始自动链接，连接好了会显示connected.4)在软件上选择相应的视场角角度，并调整光谱平均，暗电流平均和白板采集平均次数。

Control/ adjust configuration5)在软件中选择需要储存数据的路径、名称、起始条数、采集条数和采样时间间隔。

Control/spectrum save6)反射率测量：探头对准白板，点击Opt优化（白板必须充满探头视场。

每隔10-15分钟重新优化一次对于照明条件的改变造成的干扰是有好处的，机器启动初期，并且每隔3-5分钟采集一次暗电流）；镜头对准白板，点击WR采集参比光谱。

此时，软件自动进入反射率测量状态；撤走白板，保证整个视场范围在样品中，按空格键采集目标反射光谱；测量过程中出现饱和状况需要重新优化。

7)测量时间：若采集的光谱要用于高光谱图像的数据定标或解译，则使用时要与得到遥感影像的照明条件相似，建议在卫星过境或者机载传感器采集数据同时测定高光谱。

8)测量完成后先关闭计算机，再关闭光谱仪。

2．地物波谱特征分析2.1 标准波谱库浏览ENVI自带多种标准波谱库，包括建立在JPL波谱库基础上的，从0.4~2.5μm三种不同粒径160种"纯"矿物的波谱。

美国USGS从0.4~2.5μm包括近500种典型的矿物和一些植被波谱。

来自Johns Hopkins University（JHU）的波谱包含0.4~14μm。

IGCP246波谱库有5部分组成，通过对26个优质样品用5个不同的波谱仪测量获得。

植被波谱库由Chris Elvidge 提供，范围是0.4~2.5μm。

ENVI 5.1波谱库中新增了2443种Aster的波谱文件，同时对应的波谱工具也有了很大的该进，用户可直观地看到每一种波谱库中的文件个数，以及更为方便的查看每一种波谱文件的波谱曲线。

ENVI的波谱库文件存放在HOME\ Program Files\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib。

启动ENVI 5.1，主菜单> 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，所以只对已缩放的图形，在连续的基础上所显示的数据来计算范围。

•Binary Encoding：二进制编码，重新生成0与1的波频曲线。

图：导出PNG格式的波谱曲线（3）波谱曲线属性显示窗口•：同一窗口中显示多个地类的波谱曲线不予重叠显示；•：恢复原始数值范围曲线显示；•：点击此功能显示或者隐藏Plot Key与曲线属性；•：移除选中的一个曲线数据；•：移除全部的曲线数据；•：如果曲线节点有异常可以通过此工具进行编辑修订；2.2 波谱库创建ENVI可以从波谱源中构建波谱库，波谱来源包括：ASCII文件，由ASD波谱仪获取的波谱文件，标准波谱库，感兴趣区/矢量区域平均波谱曲线，波谱剖面和曲线等。

下面介绍波谱库建立的操作步骤：第一步：输入波长范围（1）在ENVI中，选择Toolbox/Spectral/Spectral Libraries/Spectral Library Builder。

打开Spectral Library Builder对话框。

（2）为波谱库选择波长范围和FWHM值，有三个选项：•"Data File" (ENVI图像文件) ：波长和FWHM值（若存在）从选择文件的头文件中读取•"ASCII File"：波长值与FWHM值的列的文本文件•"First Input Spectrum"：以第一次输入波谱曲线的波长信息为准选择"First Input Spectrum"，单击ok，打开Spectral Library Builder面板。