野外樹種地面光譜測定技術及注意事項

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，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60年代發(fā)展起來的對地觀測綜合性技術[1]。隨著時代的發(fā)展，遙感的應用領域也日益廣泛，已逐步深入到資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、災害預報、災情評估等各個方面。使用遙感技術需要從遙感傳感器的瞬時觀測提取地表過程或現象信息，并通過地物波譜特征、大氣傳輸規(guī)律、地表信息機理等地面試驗研究，掌握遙感信息的形成機理，通過對地物屬性的調查，了解不同地物或地理過程與波譜特征的關系。因此，地面遙感試驗是彌補遙感瞬時觀測時間序列的不連續(xù)性，探求地球物理、生物、化學分異特征的遙感信息表征，為遙感解譯、動態(tài)監(jiān)測、傳感器改進等提供科學依據的重要手段。地面遙感試驗在遙感影像解譯、地物電磁波特性及其形成機理研究、地物屬性信息提取、傳感器定標等方面都發(fā)揮著重要不可或缺的作用[2]。

1 儀器介紹

現以美國分析光譜儀器公司生產的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。

FieldSpec HandHeld光譜儀的技術參數及精度如下：

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；

采樣時間：超過10次/秒；

采樣間隔：1～1.5nm（決定數據量）；

波長精度：±1nm；

可重復性：優(yōu)于±0.3nm，±10℃溫度變化；

靈敏度調整：全自動；

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驅動程序。

2 光譜測試設計

2.1 測試時間

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，所測得數據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)的不同樹種進行光譜測試，同時記錄可能改變目標物和背景的光譜特征的所有因素，包括：①時間、照明光源、光線入射角、方位角和大氣條件。②地物類型、表面結構。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土壤化學特征、濕度、溫度。采集適當的輔助數據與采集光譜數據同樣重要，這是理解高光譜圖像數據變化的基礎，也便于確認野外光譜數據和高光譜數據的有效性。

不同背景環(huán)境會引起光照條件的差異。對于植物，光譜采樣可以是葉/針級、樹枝級或樹冠級。樹冠級的光譜最適合圖像分析和解譯，但是在沒有大型機械設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、樹枝級的光譜特征代替樹冠光譜信息來解譯圖像。同時分析葉/針級、樹枝級光譜也有助于了解其對樹冠級光譜的影響。

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，隨時根據光線的變化進行參考板校正測量[4]。均值是數據集中趨勢的主要測度值，均值置信區(qū)間估計是在均值點估計的基礎上，而給出總體參數的一個區(qū)間范圍。在光譜采集過程中，由于各種因素的影響，數據包含有隨機誤差，而均值置信區(qū)間估計則將采樣誤差限制在一定范圍之內。根據統(tǒng)計學的中心極限定理可知，如果樣本容量足夠大（n≥30）時，所有隨機分布的均值皆收斂于正態(tài)分布[5]。

2.3 觀測幾何參數

對于圖像分析，觀測幾何參數必須與星載傳感器的參數一致。

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，需要進行兩種測試：白板的光譜響應和目標物的光譜響應。反射光譜是目標的光譜響應與白板的光譜響應的比值，計算的結果與光源的光譜發(fā)光率和野外光譜儀的光通量有關。確定反射率時，對目標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、大氣參數將影響整個照明強度和光譜特征。

5 野外測量光譜注意事項

野外光譜測試的基本要求是在晴天中午前后進行，風力不要超過2級。為了使數據具有代表性，要仔細比較被測樹種，對同一樹種測量多次，保證測試結果準確可比。測試過程中必須注意的事項如下：

（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，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，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，防止視場內的物體沒有代表性。如果有多個探頭可選，則在野外盡量選擇寬視域探頭。測量植物冠層光譜時，注意測量最具代表性的物種。

（2）儀器設置。必須在打開計算機之前打開光譜儀電源，儀器預熱15～30min（儀器開始工作的第1個小時內要每隔5～10min點擊DC圖標或者重復優(yōu)化）。

（3）傳感器探頭的選擇。當野外地物范圍比較大，物種純度比較高、觀測距離比較近時，選擇較大視場的探頭（如25°）；當地物分布面積比較小，或者物種在近距離內比較混雜，或需要測量遠處地物時，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，測定人員應該面向陽光，這樣可以得到一致的測量結果。野外大范圍測試光譜數據時，需要沿著陰影的反方向布置測點。

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

（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、藍色的衣帽，就會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物上。當使用翻斗卡車或其他平臺從高處測量地物光譜時，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）測試時間和頻度。光譜測試在地方時10：00～14：00之間完成，在無云晴朗的天空下進行，盡量避免過早或過晚。在時間許可時，盡量多測一些光譜。每個測點測試5個數據，以求平均值，降低噪聲和隨機性。

（8）采集輔助參數。在所有的測試點必須采集GPS數據，詳細記錄測點的位置、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 結束語

遙感技術已成為林業(yè)領域的前沿技術之一，結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)光譜遙感的應用將會從理論研究轉向業(yè)務操作，地面光譜測定也為實現精準林業(yè)提供了基礎。隨著遙感在林業(yè)領域應用的不斷深入，遙感在林業(yè)中將會得到更大的推廣。

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

［2］李云梅，王橋，黃家柱，等，地面遙感實驗原理與方法［M］.北京：科學出版社，2011.

［3］游先祥.遙感原理及在資源環(huán)境中的應用［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：原理技術與應用［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別［J］.光譜學與光譜分析，2011，（9）.

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