枯草光谱测量实验设计

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1、枯草光谱测量实验设计　　摘要：针对绿色植被和非光合作用植被的不同光谱特征，采用SVCHR-1024I光谱仪进行了枯草光谱测量实验设计，给出光谱测量原理、样点选择、数据采集、数据处理和分析等重要步骤。此实验设计有助于巩固学生对植被遥感的理论知识，更重要的是学生动手实践操作，掌握数据采集及数据处理软件的应用，掌握绿色植被和非光合作用植被的光谱特征，能够解决对此产生的实际问题。　　关键词：枯草；光谱仪；光谱测量　　中图分类号：G642.41文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）47-0271-

2、02　　一、引言　　遥感作为一种空间探测技术，至今已经经历了地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段。地面光谱测量对航天航空传感器定标、遥感数据解译、遥感应用研究具有重要意义，也是《遥感导论》课程的重要学习内容。用于地面光谱测量的仪器就是地面光谱辐射计。地面光谱辐射计能够在电磁波紫外到近红外（300―2500nm）的太阳反射波段内地物的连续光谱曲线，是建立地物标准反射光谱数据库的重要手段。植被跟太阳辐射的相互关系有别于其他物质，如裸土、水体等，比如植被的“红边”4现象，即在700nm高反射。很多因素影响植被

3、对太阳辐射的吸收和反射，包括波长、水分含量、色素、养分、碳等，这些因素是针对有光合作用的绿色植被的，而非光合作用的枯草的光谱特征由受纤维素和木质素的影响。枯草是草地可燃物的主要来源，其承载量、含水率的准确反演对草原防火的重要依据。本文针对我校《遥感导论》课程地面遥感实习，选择光谱特征与背景土壤的光谱特征比较相似的枯草，进行了实验设计。　　二、实验内容设计　　本文以让学生们学习地物光谱的测定方法、认识枯草与背景土壤光谱反射率的区别和掌握绘制反射光谱曲线的方法为目的，设计了样点选择、目标光谱测量、绘制反射光

4、谱曲线和光谱分析等内容。　　三、实验步骤　　1.地物光谱测量原理。反射率（Reflectance）定义为物体反射能量与入射能量的比值。光谱反射率（SpectralReflectance）为某个特定波长间隔下测定的物体反射率，连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱（ReflectanceSpectrum）。由于测定方式的差异，反射率波谱可以根据入射能量的照明方式及反射能量测定方式给定方向―方向反射率波谱、半球―方向反射率波谱、方向―半球反射率波谱和半球―半球反射率波谱等四种定义。因航空和卫星光学遥感技

5、术获取的是地物某些特定观测方向的反射太阳光能量，可以近似为方向―方向反射率数据，因此本实验将方向―方向反射率数据为依据来进行。　　方向―方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。ρ（θi，φi，θr，φr）=，θi，φi，θr，φr分别为入射方向的天顶角和方位角及观测方向的天顶角和方位角，E（θi，φi）为（θi，φ4i）方向直射辐射的辐照度值，L（θr，φr）为传感器在观测方向（θr，φr）测定的物体表面的辐亮度值。暗含假设目标物为朗

6、伯体。　　2.样点选择。实验场地选择在内蒙古师范大学盛乐校区北门天然草地，地处内蒙古自治区呼和浩特和林格尔县境内，北纬47°28′00″，东经111°47′30″。选择了植被覆盖度不同的5个1×1m大小的样方（见下页图1）。　　3.光谱测量。数据采集采用美国SpectraVista公司于2013年全新推出高性能地物光谱仪SVCHR-1024I，波长观测范围为350―2500nm。分辨率（分辨率≤3.5nm，350―1000nm；分辨率≤8.5nm，1000―1850nm；分辨率≤6.5nm，1850―2

7、500nm）视场角为4°。采集时间为2016年4月9日、4月18、4月29日10∶00―12∶00，天气晴朗无云、风力小于3级、太阳光强度充足。地物光谱测量前首先对光谱仪进行白板标定。测量高度即探头距离地物1m，每个样方的测量要选取与太阳入射角相同或不同方向进行多次测量，测量过程中要注意避免被测样方有阴影。每一次光谱测量均记录了3个观测数据，取其平均值作为该样方的反射率数据。　　4.绘制反射率曲线。利用地物光谱仪自带的SVCHR-1024i软件进行了样本数据的预处理。对变异较大的样本数据地物光谱曲线进行

8、剔除，然后利用该软件的Overlap/Matching功能对数据重叠部分进行匹配，再利用Merge功能对地物光谱数据取平均进行融合。4　　5.光谱分析。枯草属非光合作用植被（NPV），主要包含碳元素，以淀粉，纤维素和木质素形式存在，NPV的光谱特征主要受这些物质支配。在短波红外内的波动比较大，与绿色植被相反，SWIR-1和SWIR-2范围内散射占主导。从图2中能看出随着草地返青叶绿素的增加，实测光谱曲线在蓝光（0.45μm）和红光（0.45