野外樹種地面光譜測定技術(shù)及注意事項(xiàng)

李宏志 ，董素靜 ，王書涵 ，焦志敏

（1.張家口市塞北林場，河北 張家口 075000；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100803；3.張家口市林木種苗管理站，河北 張家口 075000）

遙感是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的對地觀測綜合性技術(shù)[1]。隨著時(shí)代的發(fā)展，遙感的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，已逐步深入到資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報(bào)、災(zāi)情評(píng)估等各個(gè)方面。使用遙感技術(shù)需要從遙感傳感器的瞬時(shí)觀測提取地表過程或現(xiàn)象信息，并通過地物波譜特征、大氣傳輸規(guī)律、地表信息機(jī)理等地面試驗(yàn)研究，掌握遙感信息的形成機(jī)理，通過對地物屬性的調(diào)查，了解不同地物或地理過程與波譜特征的關(guān)系。因此，地面遙感試驗(yàn)是彌補(bǔ)遙感瞬時(shí)觀測時(shí)間序列的不連續(xù)性，探求地球物理、生物、化學(xué)分異特征的遙感信息表征，為遙感解譯、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、傳感器改進(jìn)等提供科學(xué)依據(jù)的重要手段。地面遙感試驗(yàn)在遙感影像解譯、地物電磁波特性及其形成機(jī)理研究、地物屬性信息提取、傳感器定標(biāo)等方面都發(fā)揮著重要不可或缺的作用[2]。

1 儀器介紹

現(xiàn)以美國分析光譜儀器公司生產(chǎn)的ASD野外光譜輻射儀（FieldSpec HandHeld）（見圖1）為例介紹野外樹種光譜測定方法以及注意事項(xiàng)。

FieldSpec HandHeld光譜儀的技術(shù)參數(shù)及精度如下：

光譜范圍：325～1075nm；

帶寬：3.5nm；

最快采集速度：100ms，17ms；

光譜分辨率：3.5nm；

采樣時(shí)間：超過10次/秒；

采樣間隔：1～1.5nm（決定數(shù)據(jù)量）；

波長精度：±1nm；

可重復(fù)性：優(yōu)于±0.3nm，±10℃溫度變化；

靈敏度調(diào)整：全自動(dòng)；

儀器硬件：探頭、光纖、ASD FieldSpec HH野外光譜儀、筆記本電腦、電源及傳輸線；

軟件部分：專用ASD ViewSpecPro驅(qū)動(dòng)程序。

2 光譜測試設(shè)計(jì)

2.1 測試時(shí)間

野外光譜測定要求的照明條件要與遙感圖像照明條件相同，所測得數(shù)據(jù)才能夠用于光譜圖像解譯。野外光譜測試的基本要求是在晴天中午前后進(jìn)行，即10：00～14：00之間，盡量避免過早或過晚。

2.2 測試方法

先對研究區(qū)自然或近自然狀態(tài)的不同樹種進(jìn)行光譜測試，同時(shí)記錄可能改變目標(biāo)物和背景的光譜特征的所有因素，包括：①時(shí)間、照明光源、光線入射角、方位角和大氣條件。②地物類型、表面結(jié)構(gòu)。③地理位置、地面坡度、坡向、周圍特殊背景。④樹種、長勢、覆蓋度、純度。⑤土壤化學(xué)特征、濕度、溫度。采集適當(dāng)?shù)妮o助數(shù)據(jù)與采集光譜數(shù)據(jù)同樣重要，這是理解高光譜圖像數(shù)據(jù)變化的基礎(chǔ)，也便于確認(rèn)野外光譜數(shù)據(jù)和高光譜數(shù)據(jù)的有效性。

不同背景環(huán)境會(huì)引起光照條件的差異。對于植物，光譜采樣可以是葉/針級(jí)、樹枝級(jí)或樹冠級(jí)。樹冠級(jí)的光譜最適合圖像分析和解譯，但是在沒有大型機(jī)械設(shè)備的情況下很難獲得較高樹冠的信息。我們可以利用葉/針級(jí)、樹枝級(jí)的光譜特征代替樹冠光譜信息來解譯圖像。同時(shí)分析葉/針級(jí)、樹枝級(jí)光譜也有助于了解其對樹冠級(jí)光譜的影響。

具體方法：將待測樹種選取最有代表性一株，將樹上有代表性枝葉剪下平鋪在地上，以至于不能看出土地的背景。在一種樹種正上方分別測量5次，取平均值作為該樹種的光譜反射值。在測量過程中，隨時(shí)根據(jù)光線的變化進(jìn)行參考板校正測量[4]。均值是數(shù)據(jù)集中趨勢的主要測度值，均值置信區(qū)間估計(jì)是在均值點(diǎn)估計(jì)的基礎(chǔ)上，而給出總體參數(shù)的一個(gè)區(qū)間范圍。在光譜采集過程中，由于各種因素的影響，數(shù)據(jù)包含有隨機(jī)誤差，而均值置信區(qū)間估計(jì)則將采樣誤差限制在一定范圍之內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的中心極限定理可知，如果樣本容量足夠大（n≥30）時(shí)，所有隨機(jī)分布的均值皆收斂于正態(tài)分布[5]。

2.3 觀測幾何參數(shù)

對于圖像分析，觀測幾何參數(shù)必須與星載傳感器的參數(shù)一致。

3 光譜測試流程

ASD野外光譜輻射儀（FieldSpec HandHeld）操作流程如圖2：

4 光源要求

為了確定反射率或透射率，需要進(jìn)行兩種測試：白板的光譜響應(yīng)和目標(biāo)物的光譜響應(yīng)。反射光譜是目標(biāo)的光譜響應(yīng)與白板的光譜響應(yīng)的比值，計(jì)算的結(jié)果與光源的光譜發(fā)光率和野外光譜儀的光通量有關(guān)。確定反射率時(shí)，對目標(biāo)物和白板的照明光源必須一樣。

太陽的直接照射是野外光譜測定的主要的光源，太陽高度角、大氣參數(shù)將影響整個(gè)照明強(qiáng)度和光譜特征。

5 野外測量光譜注意事項(xiàng)

野外光譜測試的基本要求是在晴天中午前后進(jìn)行，風(fēng)力不要超過2級(jí)。為了使數(shù)據(jù)具有代表性，要仔細(xì)比較被測樹種，對同一樹種測量多次，保證測試結(jié)果準(zhǔn)確可比。測試過程中必須注意的事項(xiàng)如下：

（1）儀器位置。儀器向下正對被測物體，至少保持與水平面法線夾角在±10°之內(nèi)，保持一定的距離，探頭距離地面高度通常在1.3m，以便獲得平均光譜。例如，測量灌木的光譜時(shí)，必須保持視域中有綠葉、枯葉、莖干以及可讓光線穿過的空穴，防止視場內(nèi)的物體沒有代表性。如果有多個(gè)探頭可選，則在野外盡量選擇寬視域探頭。測量植物冠層光譜時(shí)，注意測量最具代表性的物種。

（2）儀器設(shè)置。必須在打開計(jì)算機(jī)之前打開光譜儀電源，儀器預(yù)熱15～30min（儀器開始工作的第1個(gè)小時(shí)內(nèi)要每隔5～10min點(diǎn)擊DC圖標(biāo)或者重復(fù)優(yōu)化）。

（3）傳感器探頭的選擇。當(dāng)野外地物范圍比較大，物種純度比較高、觀測距離比較近時(shí)，選擇較大視場的探頭（如25°）；當(dāng)?shù)匚锓植济娣e比較小，或者物種在近距離內(nèi)比較混雜，或需要測量遠(yuǎn)處地物時(shí)，則選用小視場角的探頭。

（4）避免陰影。探頭定位是必須避免陰影，測定人員應(yīng)該面向陽光，這樣可以得到一致的測量結(jié)果。野外大范圍測試光譜數(shù)據(jù)時(shí)，需要沿著陰影的反方向布置測點(diǎn)。

（5）白板校正。天氣較好時(shí)每隔幾分鐘就要用白板校正1次，防止傳感器響應(yīng)系統(tǒng)漂移和太陽入射角的變化影響，如果天氣較差，校正應(yīng)更加頻繁。較正時(shí)白板應(yīng)該放置水平。

（6）防止光污染。不要穿戴淺色、特色衣帽，如果穿戴白色、亮紅色、黃色、綠色、藍(lán)色的衣帽，就會(huì)改變反射物體的反射光譜特征。要注意自身陰影不要落在目標(biāo)物上。當(dāng)使用翻斗卡車或其他平臺(tái)從高處測量地物光譜時(shí)，要注意避免金屬反光，如果有，則需要用黑布包住反光部位。

（7）測試時(shí)間和頻度。光譜測試在地方時(shí)10：00～14：00之間完成，在無云晴朗的天空下進(jìn)行，盡量避免過早或過晚。在時(shí)間許可時(shí)，盡量多測一些光譜。每個(gè)測點(diǎn)測試5個(gè)數(shù)據(jù)，以求平均值，降低噪聲和隨機(jī)性。

（8）采集輔助參數(shù)。在所有的測試點(diǎn)必須采集GPS數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄測點(diǎn)的位置、植被覆蓋度、類型以及異常條件、探頭的高度，配以野外照相記錄，便于后續(xù)的解譯分析。

6 結(jié)束語

遙感技術(shù)已成為林業(yè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，結(jié)合圖譜合一等特性能夠精確監(jiān)測林業(yè)多方面的信息，林業(yè)光譜遙感的應(yīng)用將會(huì)從理論研究轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)操作，地面光譜測定也為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)林業(yè)提供了基礎(chǔ)。隨著遙感在林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，遙感在林業(yè)中將會(huì)得到更大的推廣。

［1］梅安新，彭望琭，秦其明，等.遙感導(dǎo)論［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］李云梅，王橋，黃家柱，等，地面遙感實(shí)驗(yàn)原理與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［3］游先祥.遙感原理及在資源環(huán)境中的應(yīng)用［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2003.

［4］童慶禧，張兵，鄭蘭芬.高光譜遙感：原理技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］崔亞琴，等.不同油蒿樹勢的光譜分析［J］.遙感信息，2010，（5）：67-71.

［6］陳永剛，丁麗霞，葛宏立，等.基于均值置信區(qū)間帶的高光譜特征波段選擇與樹種識(shí)別［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2011，（9）.

［7］王志輝，丁麗霞.基于葉片高光譜特性分析的樹種識(shí)別［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，（7）.