ASD光譜儀測量地物光譜的數據處理方法及遇到的問(wèn)題

一、利用ASD光譜儀測量地物光譜的數據處理方法

1．安裝ASD光譜儀配套的光譜數據處理軟件ViewSpecPro；

2．將ASD光譜儀配套筆記本電腦上面的光譜數據文件拷貝到本地硬盤(pán)；

3．打開(kāi)ViewSpecPro軟件，單擊setup->input directory，光譜數據的目錄。

 設置好輸入目錄后，會(huì )彈出對話(huà)框，問(wèn)是否將輸出目錄設置和輸入目錄一直，這里一般選擇是。

4. 打開(kāi)輸入目錄下的全部光譜數據，根據現場(chǎng)記錄選擇若干條曲線(xiàn)，單擊view->graph，便可以顯示選中的光譜數據的曲線(xiàn)。

5. 根據曲線(xiàn)圖，刪除有問(wèn)題的曲線(xiàn)，將其他曲線(xiàn)取平均值。即選中取要用來(lái)取平均值的曲線(xiàn)，單擊

process->statistics，然后點(diǎn)擊OK，程序便會(huì )輸出平均值光譜，并在程序界面中顯示。

6. 選中求好平均值的光譜，單擊process->Acsii export, 便可以將原來(lái)的二進(jìn)制文件輸入為文本文件，從而可以利用EXCEL或者其他程序進(jìn)行后續計算。

7. 地物反射率＝（地物DN值/白板DN值）×白板反射率。白板反射率是事先通過(guò)實(shí)驗室內定標得到的。

 更為詳細的步驟如下：

1.準備工作

a. 光譜儀、計算機充電：光譜儀電量不足時(shí)紅燈閃亮，充滿(mǎn)電后綠燈亮；如果黃燈閃亮則說(shuō)明過(guò)熱，需要等待一段時(shí)間；

b. 安裝適當的鏡頭或其他附件（如GPS、余弦接受器等），并準備好白板；

c. 依次打開(kāi)光譜儀電源及計算機電源，并啟動(dòng)相應RS3軟件；

-RS3 用于優(yōu)化FieldSpec儀器以及采集下列數據: Raw DN、反射率、輻射亮度/輻射照度

-所有采集的數據均為ASD文件格式，并可以使用ViewSpec Pro軟件打開(kāi)并進(jìn)行后處理

d. 在RS3軟件上選擇相應的鏡頭并調整光譜平均、暗電流平均和白板采集平均次數（Control/adjust

configuration）

-光譜平均次數Spectrum average

-暗電流平均次數Dark current average

-白板平均次數White reference average

e. 在軟件中選擇或填寫(xiě)需要存儲數據的路徑、名稱(chēng)和其他內容（Control/spectrum save）

2 光譜測量過(guò)程

1）反射率測量過(guò)程

a. 鏡頭對準白板，點(diǎn)擊OPT進(jìn)行優(yōu)化

 （注意：白板必須充滿(mǎn)鏡頭視場(chǎng)。工作過(guò)程中特別是開(kāi)始工作的前半個(gè)小時(shí)內每隔一定時(shí)間做一次優(yōu)化并且

 注意每隔3~5分鐘采集一次暗電流，測量暗電流按 DC）。

b. 鏡頭仍然對準白板，點(diǎn)擊WR采集參比光譜。此時(shí)，軟件自動(dòng)進(jìn)入反射率測量狀態(tài)。

 間隔一定時(shí)間即采集白板參比.環(huán)境變化越頻繁,則采集白板次數越高

c. 鏡頭移向被測目標，按空格鍵存儲采集到的目標反射光譜。

2）輻射照度(Irradiance)測量過(guò)程

a. 鏡頭對準天空或者地面，點(diǎn)擊OPT優(yōu)化儀器參數；

b. 點(diǎn)擊RAD直接進(jìn)入輻射亮度測量狀態(tài)；

c. 按空格鍵存儲目標光譜（或者自動(dòng)存儲）

 綜上，在rs3軟件下，對于反射比和輻射度測量，只需要簡(jiǎn)單的進(jìn)行以下步驟即可

 反射率測量：

 在照明條件下，鏡頭對準白板；優(yōu)化（OPT）；參比采集命令（WR）。將鏡頭移到測量目標上，這時(shí)，按空格鍵即存儲測量得到的反射率光譜。

 輻射度測量：

 在照明條件下，鏡頭對準白板（或者被測目標）；優(yōu)化（OPT）；輻射度測量命令（RAD）。將鏡頭移到測量目標上，這時(shí)，按空格鍵即存儲測量得到的輻射度光譜。

 二、測量操作中可能出現的問(wèn)題及解決

 問(wèn)題1，測量輻射亮度或者輻射照度時(shí)在光譜連接處出現臺階跳躍

ASD公司的所有儀器光度標定都是在實(shí)驗室內，儀器經(jīng)過(guò)80-90分鐘預熱后作出的。

ASD公司經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗發(fā)現，儀器所使用的三個(gè)傳感器在不同的環(huán)境功能溫度以及預熱時(shí)間下具有變化的響應度。但是在SWIR1(1000-1800nm)波段傳感器的響應度不受影響。并且，如果儀器經(jīng)過(guò)足夠長(cháng)時(shí)間的預熱，則這個(gè)問(wèn)題不會(huì )出現。但是野外測量時(shí)幾乎不可能使用如此長(cháng)的預熱時(shí)間。

 于是，ASD公司開(kāi)發(fā)出了利用SWIR1的穩定特性，對問(wèn)題數據進(jìn)行修正的方法，即拋物線(xiàn)修正（ParabolicCorrection）。

 解決方法：

A. 儀器經(jīng)過(guò)足夠長(cháng)時(shí)間的預熱；這是zui可靠的方法。

B. 或者在測量輻射度時(shí)點(diǎn)擊RS3軟件界面上的PC圖標。

C. 回到實(shí)驗室后，使用ViewSpec軟件中的拋物線(xiàn)修正功能對數據進(jìn)行修正。

 問(wèn)題2，測量反射率時(shí)在光譜連接處出現于上述類(lèi)似的問(wèn)題

 出現這樣的光譜連接點(diǎn)跳躍的原因是不同的光纖采集到不同位置的樣品光譜。

 由于光纖輸入端口是由57條光纖構成的，在某些部位可能會(huì )出現上述問(wèn)題，特別是測量距離比較小的時(shí)候。

 這個(gè)問(wèn)題不會(huì )影響所采集到的數據質(zhì)量。

 解決方法：

A. 稍微旋轉光纖，能夠看到連接點(diǎn)的跳躍消失；或者

B. 回到實(shí)驗室后，使用ViewSpec軟件中的Splice Correction修正功能對數據進(jìn)行修正。

 問(wèn)題3：不能通過(guò)OPT快捷鍵對儀器進(jìn)行優(yōu)化

 通常這是由于電池供電不足造成的。

 儀器優(yōu)化過(guò)程中需要啟動(dòng)電子快門(mén)。這是一個(gè)耗電相對較大的動(dòng)作。如果電池不足，比如，儀器界面的電量顯示已經(jīng)到達黃線(xiàn)。盡管仍然可以采集光譜，但是電子快門(mén)不動(dòng)作。因此，無(wú)法完成優(yōu)化。

 只需要更換電池即可解決此問(wèn)題。

 問(wèn)題4：近紫外到近紅外（350-1000nm）波段沒(méi)有信號或者信號很弱

 電子快門(mén)的設置有利于及時(shí)減除暗電流提高數據的信噪比。但是，此部件在動(dòng)作的時(shí)候耗電量相對較大。因此，即使在電池仍然有電（但是供電不足）的情況下會(huì )發(fā)現可以采集光譜數據但是卻不能進(jìn)行優(yōu)化或者采集暗電流。

 另外一個(gè)原因就是電子快門(mén)硬件損壞。

 解決方法：

A. 更換電池或者改用市電供電。若仍然不能解決，則

B. 與供貨商維修。

 三、使用中出現的問(wèn)題和解決方法

 可能出現的問(wèn)題包括：

 輻射度測量時(shí)

 沒(méi)有選擇經(jīng)過(guò)定標的鏡頭；

 優(yōu)化時(shí)，白板或者目標沒(méi)有*覆蓋鏡頭的視場(chǎng)；

 照明條件極大改變后沒(méi)有重新優(yōu)化；

 預熱時(shí)間短，沒(méi)有比較頻繁地采集暗電流。

 反射率測量時(shí)

 優(yōu)化和采集白板參比時(shí)，白板沒(méi)有*覆蓋鏡頭的視場(chǎng)；

 照明條件極大改變后沒(méi)有重新優(yōu)化；

 經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間后沒(méi)有重新采集白板參比。

1. 預熱時(shí)間

 對于光譜反射率測量，儀器預熱10分鐘就足夠了。需要注意的是，如果是輻射度測量，那么預熱的時(shí)間應盡可能長(cháng)一些，推薦的預熱60分鐘左右。

2. 附件的選取與安裝

 根據不同的測量目的選取必要的附件。下面幾個(gè)問(wèn)題需要特別引起注意：

A. 選擇附件后，需要在RS3軟件的相應為位置指明所選取的附件，以便于RS3軟件自動(dòng)調用存儲的定標數據并將附件信息記錄在光譜數據中；

B. 附件的安裝不需要十分用力，僅僅需要確認已經(jīng)安裝牢固即可；

3. 鏡頭視場(chǎng)大小的計算 (PS:具體示意圖見(jiàn)原文鏈接)

 所有技術(shù)指標中給出的視場(chǎng)角都是全角。

a.垂直測量

 近場(chǎng)測量（距離短于1米）: Y = D + 2 * X * Tan(A/2)

 遠場(chǎng)測量（距離大于1米）: Y = 2 * X * Tan(A/2)

b.傾斜測量

arctan(y/x) = a = (全視場(chǎng)角)/2

y/x = tan a ， y = x tan a

z + w = h tan (b + a)， w = [h tan (b + a)] – z， w = h tan b

 得到：

z = h [tan(b)+ tan(b + a)]

w = (x2 + h2 - 2xh cosb)1/2

 其他經(jīng)驗設置及注意事項（供參考）：

1，測量時(shí)間

 如果所采集的光譜數據將要用于搞光譜圖像的數據定標或者解疑，那么光譜數據的采集時(shí)間就非常重要了。在此條件下，應當使用與得到遙感圖像時(shí)的照明條件近似的照明采集反射光譜數據。建議在衛星過(guò)境或者機載傳感器采集數據的同時(shí)采集反射光譜數據。

如果采集時(shí)間差別很大，則建議使用大氣輻射訂正。

通常情況下，在10:00 – 14:00之間總是會(huì )得到相對較好的照明條件。

當然，根據研究或者工程目標選擇光譜采集時(shí)間也是考慮的重點(diǎn)之一。

2，相對幾何位置

根據采集光譜的目的選擇適當的觀(guān)測幾何位置。

圖像解譯: 選擇與衛星或者機載傳感器采集圖像時(shí)相似的幾何觀(guān)測條件。

可行性研究：通過(guò)固定觀(guān)測角度和照明條件去取可能的干擾。

對于植被光譜采集來(lái)講，可以在葉片、樹(shù)干或者冠層這樣的空間尺度采集光譜數據。冠層尺度下采集到的光譜數據更適用于圖像解譯。粗略地可以用葉片或者樹(shù)干尺度的光譜數據直接解譯圖像。當然，使用葉片和樹(shù)干尺度下采集的光譜數據對于理解葉片和樹(shù)干如何影響冠層尺度的光譜是非常有用的。

3，光譜平均次數的選擇

野外測量時(shí)，使用10-30次光譜平均就足夠了。因為白板參比并不是總要采集，白板參比的平均次數可以增加到兩倍的光譜平均次數。注意，信噪比是與光譜平均次數的平方根成正比。

注意：實(shí)際使用的光譜平均次數還取決于測量要求。如果在室內測量，建議使用更大的光譜平均次數，這樣得到的數據信噪比更好。

如果在野外很大的區域測量，則照明情況良好時(shí)，可以使用較少的光譜平均次數。

4，優(yōu)化次數和時(shí)間間隔

 如果測量數據沒(méi)有出現飽和現象，則不強制要求重新優(yōu)化。

 通常來(lái)講，每間隔10-15分鐘重新優(yōu)化一次對于避免照明條件的改變造成的干擾是有好處的。

5，暗電流的處理

 并不強制要求頻繁地采集按電流。但是在儀器啟動(dòng)的初期（10-15分鐘內），間斷性地采集按電流對于提高數據質(zhì)量是有好處的。

6，白板參比采集時(shí)間間隔

 室內測量：如果照明條件是基本恒定的，在儀器預熱階段每隔10-15分鐘采集一次白板參比，之后每隔30分鐘采集一次白板參比就可以了。

 野外測量：應當盡可能頻繁地采集白板參比，因為:

太陽(yáng)照明條件在不斷變化,建議使分鐘采集一次;

大氣狀況在不斷變化，例如云、濕度或者水氣等等；

溫度在不斷變化。

重要的是，采集參比和測量數據時(shí)的環(huán)境條件盡可能相同。

7，測量點(diǎn)的尺寸大于白板尺寸如何處理

的辦法是購買(mǎi)一塊大尺寸的白板?；蛘邔⑻筋^靠近白板。

室內測量條件下，需要保證測量角度和距離保持不變。

野外采用太陽(yáng)照明測量條件下，靠近白板測量參比，然后以較大的距離測量目標沒(méi)有任何問(wèn)題。

8，何時(shí)采用反射比測量

取決于如何分析數據。反射比和反射率之間的差別，在400-2000nm波段非常??；而在350-400nm和2000-2500nm波段才能夠看出明顯的偏差。

9，數據后處理

ViewSpec軟件是眾多數據后處理軟件之一。

ENVI是圖像處理軟件，也可以直接倒入ASD的光譜數據進(jìn)行處理。

10，什么造成了光譜數據上帶有規律性的正弦振蕩？

照明光源可能采用的是交流電。

11，反射率光譜數據帶有臺階

光纖束導光的、使用前端鏡頭的儀器在近距離測量時(shí)可能產(chǎn)生這個(gè)現象。

稍微移動(dòng)或者轉動(dòng)光纖或者測量角度，就可以避免這個(gè)干擾。

12，如何清潔白板

使用白板是一定要戴手套，以免油污。的清潔方法請參考隨白板一起提供的指導書(shū)。

被浮土輕度污染的白板：用壓縮氮氣或者空氣吹干凈，或者用毛刷清理。

注意，不要使用氟利昂。

重度污染的白板：在流水下或者離子化蒸餾水內用220-240目的水砂紙輕輕打磨污染的表面，直到表面不沾水為止。陰干至少24小時(shí)。

注意，不要使用有或者肥皂。

13，室內照明光源

如果認為一個(gè)ASD提供的Pro Lamp照明光源不是足夠的，建議使用兩個(gè)或者三個(gè)同樣的光源。還可以使用灰板作為參考板。

白板和灰板之間的差別，可以使用ViewSpec軟件做對比。

照明范圍可以通過(guò)旋轉光源上的聚焦旋鈕得到。

更換燈泡時(shí)一定要戴手套，以免燙傷，也避免手上的油污污染燈泡上表面。

14，光纖與手柄連接松緊度

光纖出口端頭位置的上下兩端有兩顆螺釘。下面的一顆螺釘頭上有彈簧滾珠。調整此螺釘即可調整光纖固定松緊度。