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四川西昌学院地物光谱仪土壤反射测量

1.为什么用地物光谱仪对地物进行测试?

对于地物的测试,传统的方法有化学法等。随着光谱学的发展,现在可以运用光谱法去对地物进行测试,获取地物自身的信息。无论是植被、土壤、水体还是人工地物都具有其自身特征的光谱反射率,我们可以通过地物光谱仪去测试地物的光谱反射率,有些地物信息是可以直接通过地物光谱测量去获取,除此之外地物光谱测量也能辅助一些化学法或者其他方法去对地物做研究。

2.地物光谱特征

每种地物的自身特性都不一样,有些地物会吸收掉大部分的太阳光,而有些会将大部分太阳光反射出去,这种地物的反射率比较高,有一些能被部分太阳光透过,这些地物都具有不一样的反射光谱。所谓光谱学,就是研究一定波长的电磁波在液体,固体和气体这三种介质中经过反射,辐射,散射以及吸收作用的学科。研究地物光谱特征主要就是研究其反射光谱,知道地物的光谱吸收段并通过吸收段的光谱响应来获取反演地物的材料,状态等等。光谱范围能否包括我们测试地物需要提取的特征点获取信息的光谱吸收段,是我们能否顺利研究获取地物信息的关键,所以我们首先需要知道光谱范围,还需要看其光谱分辨率,光谱带宽以及信噪比。相邻的两个通道的中心波长的波长间隔就是光谱分辨率,这个波长间距对被测地物的局部特征反映有影响,采样间隔越小,就越能反映被测地物的局部吸收。光谱带宽是指光谱仪内一个光谱通道的宽度,带宽的宽窄直接影响了地物测量的精确性,带宽太宽,就会导致我们需要提取的特征点丢失,测量精度低,带宽越窄,就不容易损失有用的信息,在邻近的谱段能测到的波谱样本越多,对地物的测量就越精确,有利于数据处理分析。信噪比是传感器的信号功率(SP)和噪声功率(NP)之比,它取决于探测器的敏感度、光谱宽度、被测量物表面反射和发射光的强度,当信噪比低的时候,噪声功率的占比就会比较高,对地物的信号探索反演有很大的干扰;当信噪比高时,就能更准确的去获取地物的光谱信息。

除了植被、土壤等典型的地物光谱,人们还开始研究一些人工地物的光谱特征,比如迷彩服的绿色与植被的绿色的区别。而且根据这些需要,也建立起越来越精确且多样的地物光谱库,为高光谱影像分类和匹配做准备。

2.1典型地物光谱特征

大量的光谱波段提供了不同且极其丰富的地物遥感信息,直接基于地物的吸收谱线的分析,是辨别地物类型,获取地物性质的最基本也是最有效的方法,因为不同类型的地物具有不同特征的吸收谱线。表2-1列出了波段范围内的一些显著的地物光谱特征。

2-1 不同波段区间的光谱吸收特征

波段号

波长范围(nm

光谱吸收特征

1

450-520

蓝绿光区,水体最大透过率的位置

2

520-600

绿光区,匹配植被的绿光反射峰

3

630-690

红光区、用于判定植物类型的叶绿素吸收带

4

760-900

近红外反射区、可用于确定生物量参数和海岸带制图

5

1550-1750

红外反射区、用于分析土壤含水量和植被覆盖

6

2080-2350

近红外反射区、热液蚀变引起的矿物吸收谱带

不同的地物在不同的波段内响应都不同,沥青、水泥地以及其他的一些人工地物在可见光范围内的光谱反射率随着波长增加而增加;各种类型的植被光谱反射率曲线在不同波段都有以下几种特点:在可见光区内植物光谱反射率会有一个极大值和一个最小值,分别在550560nm之间和650680nm之间,而且在近红外(730-1000nm)光谱区有一段较平缓和比较高的反射率;本次测量将会测量几种不同的植被,并且根据获取的光谱信息对植被进行不同的分析。

2.2土壤光谱特征

土壤矿物主要包括石英、云母、长石、氧化物等。影响土壤光谱特性变化的因素包括矿物(原生矿物和次生矿物),土壤含水量,土壤有机物(胡敏酸和富里酸的腐殖质类型是主要的有机质),土壤的质地和颗粒度等。

在自然状态下,土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征,没有明显的反射峰和吸收谷。

在干燥条件下,土壤的波谱特征主要与成土矿物(原生矿物和次生矿物)和土壤有机质有关。

土壤含水量增加,土壤的反射率就会下降,在水的各个吸收带(1.4μm1.9μm2.7μm处附近区间),反射率的下降尤为明显。

image.png 

2-1土壤反射光谱特征

3.地物光谱特征的数据获取

3.1野外光谱数据采集

环境因素、仪器参数灵敏度、采集的方法、地物本身特性等各种因素都会影响我们野外地物光谱测量的结果,所以我们在测量前需要根据被测的地物和人物指定相应的测试方案,尽可能规避所有对所测结果产生影响的各种干扰因素,尽可能保证所得的光谱数据能够真实体现出地物本身的光谱特性,并且记录当时使用的仪器参数,测量条件以及被测地物的信息。这样测量出来的数据才具有可靠性,为之后的数据反演和光谱库建立提供依据成。

4.实验内容

1. 利用3044am永利集团的iSpecField-WNIR-HRs地物光谱仪测试同一份编号为PTY03的土壤样品;

2. 利用莱森公司的iSpecField-WNIR-HRs便携式地物光谱仪和配套的矿物探头测试西昌学院提供的二十二份土壤样品反射率。

image.png 

4-1 iSpecField-WNIR-HRs便携式地物光谱仪

image.png 

4-2 便携地物设备测量示意图

image.png 

4-3 土壤样品实物图

4.1 土壤样品反射率和部分原始数据

image.png 

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

250

39.4987

1400

54.9519

300

28.5316

1450

55.2607

350

12.0502

1500

55.5943

400

10.2602

1550

55.7677

450

15.1381

1600

55.7926

500

19.6747

1650

55.8476

550

29.5993

1700

55.9396

600

41.4148

1750

55.6019

650

45.5256

1800

55.2922

700

48.6286

1850

55.5296

750

51.2611

1900

52.0755

800

52.1056

1950

50.7167

850

51.7451

2000

53.1288

900

51.6062

2050

55.4709

950

51.9324

2100

56.5406

1000

52.7548

2150

56.3197

1050

53.4254

2200

50.8156

1100

55.3916

2250

52.3486

1150

56.1098

2300

52.3649

1200

56.6588

2350

51.3336

1250

56.8865

2400

50.2665

1300

56.9394

2450

48.2934

1350

56.884

2500

47.6086

 

image.png 

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

250

14.2662

1400

27.3007

300

11.8554

1450

27.4176

350

8.95806

1500

27.488

400

9.42246

1550

27.5824

450

11.2558

1600

27.681

500

12.9997

1650

27.9102

550

15.541

1700

28.3043

600

19.6723

1750

28.3439

650

21.3604

1800

28.3637

700

22.7304

1850

28.7704

750

23.9071

1900

28.726

800

24.5354

1950

28.8121

850

24.8391

2000

29.5296

900

25.2016

2050

30.6518

950

25.6322

2100

31.3881

1000

26.1493

2150

31.8326

1050

26.3506

2200

29.9751

1100

26.2272

2250

30.0536

1150

26.4379

2300

30.5784

1200

26.6123

2350

30.8697

1250

26.8072

2400

31.0829

1300

27.0044

2450

30.8221

1350

27.2277

2500

30.5579

 

image.png 

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

250

20.2274

1400

38.1933

300

16.2536

1450

38.4109

350

10.0499

1500

38.5736

400

11.4916

1550

38.7055

450

15.5252

1600

38.8265

500

18.6172

1650

39.0719

550

23.6453

1700

39.4721

600

29.6147

1750

39.468

650

31.5321

1800

39.4488

700

33.0165

1850

39.8937

750

34.4703

1900

39.3831

800

35.3294

1950

39.2304

850

35.4016

2000

40.3295

900

35.463

2050

41.8458

950

35.8637

2100

42.7965

1000

36.4231

2150

43.2083

1050

36.6964

2200

40.578

1100

36.353

2250

40.4936

1150

36.7026

2300

40.7978

1200

37.0563

2350

40.913

1250

37.479

2400

41.1456

1300

37.844

2450

40.8371

1350

38.2309

2500

40.3188

 

image.png 

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

250

17.6259

1400

34.846

300

14.6851

1450

35.1618

350

11.5416

1500

35.3959

400

12.7394

1550

35.5916

450

15.6183

1600

35.7724

500

17.9809

1650

36.0894

550

21.3769

1700

36.5992

600

25.8903

1750

36.6615

650

27.4501

1800

36.6955

700

28.737

1850

37.2051

750

29.9163

1900

36.8561

800

30.5214

1950

36.8657

850

30.5211

2000

37.8817

900

30.5626

2050

39.3704

950

30.8912

2100

40.3463

1000

31.461

2150

40.8516

1050

31.7997

2200

38.4075

1100

33.0106

2250

38.3854

1150

33.2591

2300

38.8413

1200

33.5737

2350

38.9595

1250

33.9647

2400

39.4284

1300

34.335

2450

39.218

1350

34.7942

2500

39.393

 

image.png 

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

Wave[nm]

Refl/Tran[%]

250

22.6112

1400

32.0559

300

17.0451

1450

32.3994

350

2.79396

1500

32.8672

400

2.10859

1550

33.3083

450

4.31681

1600

33.6713

500

6.55748

1650

34.0787

550

9.52744

1700

34.6159

600

12.4994

1750

34.6973

650

14.9936

1800

34.7352

700

17.5537

1850

35.1411

750

19.7863

1900

33.7858

800

21.541

1950

32.8962

850

22.8135

2000

34.6079

900

24.006

2050

36.4262

950

25.2503

2100

37.5186

1000

26.6429

2150

37.926

1050

27.7396

2200

35.4055

1100

29.0719

2250

35.5993

1150

29.5684

2300

35.7491

1200

30.2229

2350

35.7628

1250

30.8837

2400

35.9882

1300

31.4812

2450

35.3841

1350

32.0783

2500

36.7116

5 实验结果

1. 所测土壤样品在400nm波长之后反射率逐渐增大;

2. 所测的22个土壤样品反射率曲线中,大多数在1400nm处有一个小反射率波谷,在1900nm波长处均有反射率波谷出现,在2200nm处会出现一个小反射谷;

3. 所测的22个土壤样品反射率曲线中,大多数在2150nm左右会出现较小反射率波峰。

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