場地反射率測量方法介紹

董毅 呂佳彥 宋青濤

摘 要：場地反射率是場地反射光能與總的入射光能的比值，本文介紹了兩種反射率測量方法，分別為“單光譜儀法”和“雙光譜儀法”，并分析二者的優缺點。

關鍵詞：場地反射率；ASD光譜儀；單光譜儀法；雙光譜儀法

場地反射率是場地反射光能與總的入射光能的比值，傳統的野外場地反射率光譜測量采用單光譜儀法進行測量，依次交替對目標及參考板進行測量。這樣的測量方法，在輻射條件連續、劇烈變化的情況下，無法保證目標及參考板的輻射條件的一致性[ 1 ]。而雙光譜儀法，分別對參考板和目標物進行長時間的連續同步測量，避免了傳統方法測量中可能出現的輻射條件不一致問題。

1 單光譜儀法

“單光譜儀法”是目前場地反射率測量廣泛使用的方法。顧名思義，單光譜儀法就是使用一臺光譜儀進行場地反射率測量，依次交替測量場地和參考板，借助參考板反射的光能間接計算出目標入射的光能，如圖1所示。其中假設定標場地和參考板均為朗伯體，反射率分別為R場地，R參考板。具體操作方法如下：

1）在t1時刻，測量場地反射輻亮度L場地（t1）；

2）在t2時刻，測量場地處參考板的反射輻亮度L參考板（t2）；

3）計算場地反射率。

對于朗伯體，場地和參考板入射輻照度E與出射輻亮度L關系為：

測量過程中，假定入射輻照度E（t1），E（t2）保持不變，由公式（1）和（2），則：

由上述方法可以看到，單光譜儀法測量過程中，測量場地和參考板是分別是在t1，t2兩個時刻，如果兩個時刻的光照條件存在差異，就會給測量的場地反射率造成誤差。

2 雙光譜儀法

“雙光譜儀法”，顧名思義，同時使用兩臺光譜儀進行場地反射率測量，一臺測量場地反射輻亮度L場地，另一臺測量參考板反射輻亮度L參考板，進而保證測量時二者測量輻射條件一致，測量示意圖如圖2所示，具體操作方法如下：

1）由于測量過程中使用兩臺光譜儀，采集的數據需要進行協同計算，為了消除光譜儀間輻射響應不一致造成的測量誤差，需在測量前對試驗所用的ASD光譜儀進行相對輻射定標，獲得兩臺光譜儀間的相對定標系數C光譜儀，則：

L場地=C光譜儀·L參考板 （4）

2）用兩臺光譜儀同時測量場地和參考板的反射輻亮度，L場地和L參考板；

3）計算場地反射率。

對于朗伯體，場地和參考板入射輻照度E與出射輻亮度L關系為：

通過以上兩式，計算可得：

由上述方法可以看到，雙光譜儀法同時測量場地和參考板反射輻亮度，能很好地滿足光照條件保持一致，但是其中由于涉及到兩臺光譜儀的相對定標，因而雙光譜儀法測量反射率的精度還取決于相對定標系數C光譜儀的精度。

3 方法對比

通過上述方法介紹，“雙光譜儀法”雖然避免了測量過程中輻射響應的不一致性，但也引入了儀器間相對定標時產生的誤差，一定程度上也影響了測量結果，具體對比見表1。

4 總結

本文主要介紹了測量場地反射率的兩種方法，分別為“單光譜儀法”，“雙光譜儀法”，并對比分析了二者的優缺點。“雙光譜儀法”雖然避免了“單光譜儀法”測量過程中輻射響應不一致造成的誤差，但也引入了儀器間相對定標產生的誤差。下一步工作中，將對如何提高儀器間相對定標精度開展研究。

參考文獻：

[1] 董毅，何明元等.基于野外地物光譜時間序列的反射率測量方法[J].紅外，2016，37（1）：31-35.

[2] Slater P N，Biggar S F，Holm R G，et al.Reflectance-and radiance-based methods for the in-flight absolute calibration of multispectral sensors[J]. Remote Sensing of Environment，1987，22（1）：11-37.

[3] 計璐艷.土壤容水特性光譜-時間特征及遙感應用模式研究[D]. 北京：中國科學院大學，2013.