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(shè)計(jì)制造的FieldSpec 系列波譜儀在中國的遙感應(yīng)用已經(jīng)相對普及。應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到包括精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋與內(nèi)陸水體、冰雪、環(huán)境污染監(jiān)控、氣象、地質(zhì)與礦產(chǎn)、地面定標(biāo)、教學(xué)等等領(lǐng)域。所使用的儀器型號(hào)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(yīng)用，通過我們與客戶的交流溝通，發(fā)現(xiàn)在儀器的使用

2、上出現(xiàn)了各種各樣的問題，造成了測量數(shù)據(jù)精度不夠，甚至耽誤了工作時(shí)間?？偨Y(jié)歸納曾經(jīng)出現(xiàn)的問題，并考慮到不同的應(yīng)用。我們認(rèn)為，波譜儀的使用技巧，在關(guān)乎測量成敗上，起到了比較關(guān)鍵的作用。此文從儀器的原理為出發(fā)點(diǎn)，討論了儀器型號(hào)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(nèi)外可能的測量規(guī)范。因此，在使用此儀器進(jìn)行不同的測量時(shí)，需要參考各種測量規(guī)范或者規(guī)程。也未涉及光譜數(shù)據(jù)的前期和后期處理方法。ASD fieldSpec波譜儀結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中充分考慮了遙感專業(yè)隊(duì)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(shí)間和方便性、工作現(xiàn)場對光譜數(shù)據(jù)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(gè)光譜儀構(gòu)成的全光譜光譜儀稱為Goetz光譜儀。這是以著名遙感學(xué)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(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)光柵結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)保證了能夠測量到

4、全光譜范圍內(nèi)的目標(biāo)反射光譜。所謂全光譜是指能夠到達(dá)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(jié)構(gòu) 圖3. 旋轉(zhuǎn)光柵結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，通過軟件連接起來，構(gòu)成所測量目標(biāo)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(diǎn)的波長。二，測量操作中可能出現(xiàn)的問題及解決問題1，測量絕對輻射亮度或者輻射照度時(shí)在光譜連接處出現(xiàn)臺(tái)階跳躍，如圖1紅色曲線部分。 圖5.測量輻射度時(shí)可能出現(xiàn)的跳躍（圖中藍(lán)色曲線是經(jīng)過80分鐘預(yù)熱后測得的，紅色曲線是經(jīng)過10分鐘預(yù)熱后測得的）解答：ASD公司的所有儀器光度標(biāo)定都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，儀器經(jīng)過8

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

6、所示。C，回到實(shí)驗(yàn)室后，使用ViewSpec軟件中的拋物線修正功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。拋物線修正圖標(biāo)圖6，PC圖標(biāo)問題2，測量反射率時(shí)在光譜連接處出現(xiàn)于上述類似的問題。如圖7所示。連接點(diǎn)跳躍圖7.反射率測量時(shí)出現(xiàn)的光譜連接點(diǎn)跳躍解答：出現(xiàn)這樣的光譜連接點(diǎn)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(gòu)成的，在某些部位可能會(huì)出現(xiàn)上述問題，特別是測量距離比較小的時(shí)候。這個(gè)問題不會(huì)影響所采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。這個(gè)問題的解決方法是：A, 稍微旋轉(zhuǎn)光纖，能夠看到連接點(diǎn)的跳躍消失；或者B，回到實(shí)驗(yàn)室后，使用ViewSpec軟件中的Splice Correction修正功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行

7、修正。問題3：不能通過OPT快捷鍵對儀器進(jìn)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(dòng)電子快門。這是一個(gè)耗電相對較大的動(dòng)作。如果電池不足，比如，儀器界面的電量顯示已經(jīng)到達(dá)黃線。盡管仍然可以采集光譜，但是電子快門不動(dòng)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(hào)或者信號(hào)很弱。如圖8。圖8. 短波段異常解答：電子快門的設(shè)置有利于及時(shí)減除暗電流提高數(shù)據(jù)的信噪比。但是，此部件在動(dòng)作的時(shí)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(huì)發(fā)現(xiàn)可以采集光譜數(shù)據(jù)但是卻不能進(jìn)行優(yōu)化或者采集暗電流。另外一

8、個(gè)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(lián)系維修。軟件特點(diǎn)和操作中可能出現(xiàn)的問題操作軟件設(shè)計(jì)上不僅僅考慮了針對儀器技術(shù)特點(diǎn)的要求，還考慮了現(xiàn)場測量要求的快速性和對測量數(shù)據(jù)的要求。因此，軟件功能上設(shè)計(jì)為無人為干涉的參數(shù)優(yōu)化、直接采集需要的反射率或者絕對反射比，通過相應(yīng)的光度標(biāo)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(biāo)）和光譜反射率。為了方便用戶的測量工作，RS3軟件已經(jīng)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(chǔ)。輻射度測量：在照明條件下

9、，鏡頭對準(zhǔn)白板（或者被測目標(biāo)）；優(yōu)化（OPT）；輻射度測量命令（RAD）。將鏡頭移到測量目標(biāo)上，這時(shí)，按空格鍵即存儲(chǔ)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(zhǔn)白板；優(yōu)化（OPT）；參比采集命令（WR）。將鏡頭移到測量目標(biāo)上，這時(shí)，按空格鍵即存儲(chǔ)測量得到的反射率光譜?？赡艹霈F(xiàn)的問題包括：輻射度測量時(shí)沒有選擇經(jīng)過定標(biāo)的鏡頭；優(yōu)化時(shí)，白板或者目標(biāo)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(yù)熱時(shí)間短，沒有比較頻繁地采集暗電流。反射率測量時(shí)優(yōu)化和采集白板參比時(shí)，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(jīng)過較長時(shí)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(jīng)包含在問題自身當(dāng)中了。其它使用中出現(xiàn)的問題和解決方法測量前的準(zhǔn)備工作這項(xiàng)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(shí)間最長為9小時(shí)，充電時(shí)間大約為4小時(shí)。影響野外測量時(shí)間的因素主要來源于控制電腦的電池工作時(shí)間。可能的話，盡可能多備幾塊電腦的電池。預(yù)熱時(shí)間對于光譜反射率測量，儀器預(yù)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(yù)熱的時(shí)間應(yīng)盡可能長一些，推薦的預(yù)熱60分鐘左右。附件的選取與安裝根據(jù)不同的測量目的選取必要的附件。下面幾個(gè)問題需要特別引起注意：選擇附件后，需要在RS3軟件的相應(yīng)為位置指明所選取的附件，以便于RS3軟

11、件自動(dòng)調(diào)用存儲(chǔ)的定標(biāo)數(shù)據(jù)并將附件信息記錄在光譜數(shù)據(jù)中；附件的安裝不需要十分用力，僅僅需要確認(rèn)已經(jīng)安裝牢固即可；鏡頭視場大小的計(jì)算所有技術(shù)指標(biāo)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(yuǎn)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(jì)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(shí)間如果所采集的光譜數(shù)據(jù)將要用于搞光譜圖像的數(shù)據(jù)定標(biāo)或者解疑，那么光譜數(shù)據(jù)的采集時(shí)間就非常重要了。在此條件下，應(yīng)當(dāng)使用與得到遙感圖像時(shí)的照明條件近似的照明采集反射光譜數(shù)據(jù)。建議在衛(wèi)星過境或者機(jī)載傳感器采集數(shù)據(jù)的同時(shí)采集反射光譜數(shù)據(jù)。如果采集時(shí)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(huì)得到相對較好的照明條件。 當(dāng)然，根據(jù)研究或者工程目標(biāo)選擇光譜采集時(shí)間也是考慮的重點(diǎn)之一。相對幾何位置根據(jù)采集光譜的目的選擇適當(dāng)?shù)挠^測幾何位置。圖像解譯: 選擇與衛(wèi)星或者機(jī)載傳感器采集圖像時(shí)相似的幾何觀測條件。可行性研

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(shù)據(jù)。 冠層尺度下采集到的光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)直接解譯圖像。當(dāng)然，使用葉片和樹干尺度下采集的光譜數(shù)據(jù)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(shù)的選擇野外測量時(shí)，使用10-30次光譜平均就足夠了。因?yàn)榘装鍏⒈炔⒉皇强傄杉装鍏⒈鹊钠骄螖?shù)可以增加到兩倍的光譜平均次數(shù)。 注意，信噪比是與光譜平均次數(shù)的平方根成正比。注意：實(shí)際使用的光譜平均次數(shù)還取決于測量要求。如果在室內(nèi)測量，建議使用更大的光譜平均次數(shù)，這樣得到的數(shù)

14、據(jù)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(shí)，可以使用較少的光譜平均次數(shù)。優(yōu)化次數(shù)和時(shí)間間隔如果測量數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，則不強(qiáng)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(qiáng)制要求頻繁地采集按電流。但是在儀器啟動(dòng)的初期（10-15分鐘內(nèi)），間斷性地采集按電流對于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量是有好處的。白板參比采集時(shí)間間隔室內(nèi)測量：如果照明條件是基本恒定的，在儀器預(yù)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(yīng)當(dāng)盡可能頻繁地采集白板參比，因?yàn)? 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(shù)據(jù)時(shí)的環(huán)境條件盡可能相同。測量點(diǎn)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(nèi)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(biāo)沒有任何問題。何時(shí)采用絕對反射比測量取決于如何分析數(shù)據(jù)。絕對反射比和反射率之間的差別，在400-2000nm波段非常?。欢?50-400nm和2000-2500nm波段才能夠看出明顯的偏差。數(shù)據(jù)后處理ViewSpec軟件是眾多數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理。什么造成了光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)帶有臺(tái)階光纖束導(dǎo)光的、使用前端鏡頭的儀器在近距離測量時(shí)可能產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象。稍微移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)光纖或者測量角度，就可以避免這個(gè)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(dǎo)書。被浮土輕度污染的白板：用壓縮氮?dú)饣蛘呖諝獯蹈蓛?，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(nèi)用220-240目的水砂紙輕輕打磨污