枯草光譜測量實驗設計

包玉龍

摘要：針對綠色植被和非光合作用植被的不同光譜特征，采用SVC HR-1024I光譜儀進行了枯草光譜測量實驗設計，給出光譜測量原理、樣點選擇、數據采集、數據處理和分析等重要步驟。此實驗設計有助于鞏固學生對植被遙感的理論知識，更重要的是學生動手實踐操作，掌握數據采集及數據處理軟件的應用，掌握綠色植被和非光合作用植被的光譜特征，能夠解決對此產生的實際問題。

關鍵詞：枯草；光譜儀；光譜測量

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0271-02

一、引言

遙感作為一種空間探測技術，至今已經經歷了地面遙感、航空遙感和航天遙感三個階段。地面光譜測量對航天航空傳感器定標、遙感數據解譯、遙感應用研究具有重要意義，也是《遙感導論》課程的重要學習內容。用于地面光譜測量的儀器就是地面光譜輻射計。地面光譜輻射計能夠在電磁波紫外到近紅外（300—2500nm）的太陽反射波段內地物的連續光譜曲線，是建立地物標準反射光譜數據庫的重要手段。植被跟太陽輻射的相互關系有別于其他物質，如裸土、水體等，比如植被的“紅邊”現象，即在<700nm附近強吸收，>700nm高反射。很多因素影響植被對太陽輻射的吸收和反射，包括波長、水分含量、色素、養分、碳等，這些因素是針對有光合作用的綠色植被的，而非光合作用的枯草的光譜特征由受纖維素和木質素的影響。枯草是草地可燃物的主要來源，其承載量、含水率的準確反演對草原防火的重要依據。本文針對我校《遙感導論》課程地面遙感實習，選擇光譜特征與背景土壤的光譜特征比較相似的枯草，進行了實驗設計。

二、實驗內容設計

本文以讓學生們學習地物光譜的測定方法、認識枯草與背景土壤光譜反射率的區別和掌握繪制反射光譜曲線的方法為目的，設計了樣點選擇、目標光譜測量、繪制反射光譜曲線和光譜分析等內容。

三、實驗步驟

1.地物光譜測量原理。反射率（Reflectance）定義為物體反射能量與入射能量的比值。光譜反射率（Spectral Reflectance）為某個特定波長間隔下測定的物體反射率，連續波長測定的物體反射率曲線構成反射率波譜（Reflectance Spectrum）。由于測定方式的差異，反射率波譜可以根據入射能量的照明方式及反射能量測定方式給定方向—方向反射率波譜、半球—方向反射率波譜、方向—半球反射率波譜和半球—半球反射率波譜等四種定義。因航空和衛星光學遙感技術獲取的是地物某些特定觀測方向的反射太陽光能量，可以近似為方向—方向反射率數據，因此本實驗將方向—方向反射率數據為依據來進行。

方向—方向反射率波譜：入射能量照明方式為平行直射光，沒有或可以忽略散射光；波譜測定儀器僅測定某個特定方向的反射能量。ρ（θi，φi，θr，φr）=，θi，φi，θr，φr分別為入射方向的天頂角和方位角及觀測方向的天頂角和方位角，E（θi，φi）為（θi，φi）方向直射輻射的輻照度值，L（θr，φr）為傳感器在觀測方向（θr，φr）測定的物體表面的輻亮度值。暗含假設目標物為朗伯體。

2.樣點選擇。實驗場地選擇在內蒙古師范大學盛樂校區北門天然草地，地處內蒙古自治區呼和浩特和林格爾縣境內，北緯47°28′00″，東經111°47′30″。選擇了植被覆蓋度不同的5個1×1m大小的樣方（見下頁圖1）。

3.光譜測量。數據采集采用美國Spectra Vista公司于2013年全新推出高性能地物光譜儀SVC HR-1024I，波長觀測范圍為350—2500nm。分辨率（分辨率≤3.5nm，350—1000nm；分辨率≤8.5nm，1000—1850nm；分辨率≤6.5nm，1850—2500nm）視場角為4°。采集時間為2016年4月9日、4月18、4月29日10∶00—12∶00，天氣晴朗無云、風力小于3級、太陽光強度充足。地物光譜測量前首先對光譜儀進行白板標定。測量高度即探頭距離地物1m，每個樣方的測量要選取與太陽入射角相同或不同方向進行多次測量，測量過程中要注意避免被測樣方有陰影。每一次光譜測量均記錄了3個觀測數據，取其平均值作為該樣方的反射率數據。

4.繪制反射率曲線。利用地物光譜儀自帶的SVC HR-1024i軟件進行了樣本數據的預處理。對變異較大的樣本數據地物光譜曲線進行剔除，然后利用該軟件的Overlap /Matching功能對數據重疊部分進行匹配，再利用Merge功能對地物光譜數據取平均進行融合。

5.光譜分析。枯草屬非光合作用植被（NPV），主要包含碳元素，以淀粉，纖維素和木質素形式存在，NPV的光譜特征主要受這些物質支配。在短波紅外內的波動比較大，與綠色植被相反，SWIR-1和SWIR-2范圍內散射占主導。從圖2中能看出隨著草地返青葉綠素的增加，實測光譜曲線在藍光（0.45μm）和紅光（0.45μm）處吸收特征顯示明顯。

四、結語

遙感課程中地面光譜測量是較重要的內容，針對該情況設計了枯草光譜測量實驗設計。包括樣點選擇、數據采集、處理、分析等試驗內容。地物光譜的測量實習有助于鞏固學生對植被遙感的理論知識，更重要的是學生動手實踐操作，掌握數據采集及數據處理軟件的應用，掌握綠色植被和非光合作用植被的光譜特征，能夠解決對此產生的實際問題。

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