一、為什么用地物光譜儀對地物進(jìn)行測試?

對于地物的測試，傳統(tǒng)的方法有化學(xué)法等。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在可以運(yùn)用光譜法去對地物進(jìn)行測試，獲取地物自身的信息。無論是植被、土壤、水體還是人工地物都具有其自身特征的光譜反射率，我們可以通過地物光譜儀去測試地物的光譜反射率，有些地物信息是可以直接通過地物光譜測量去獲取，除此之外地物光譜測量也能輔助一些化學(xué)法或者其他方法去對地物做研究。

地物光譜特征

每種地物的自身特性都不一樣，有些地物會吸收掉大部分的太陽光，而有些會將大部分太陽光反射出去，這種地物的反射率比較高，有一些能被部分太陽光透過，這些地物都具有不一樣的反射光譜。所謂光譜學(xué)，就是研究一定波長的電磁波在液體，固體和氣體這三種介質(zhì)中經(jīng)過反射，輻射，散射以及吸收作用的學(xué)科。研究地物光譜特征主要就是研究其反射光譜，知道地物的光譜吸收段并通過吸收段的光譜響應(yīng)來獲取反演地物的材料，狀態(tài)等等。光譜范圍能否包括我們測試地物需要提取的特征點(diǎn)獲取信息的光譜吸收段，是我們能否順利研究獲取地物信息的關(guān)鍵，所以我們首先需要知道光譜范圍，還需要看其光譜分辨率，光譜帶寬以及信噪比。相鄰的兩個通道的中心波長的波長間隔就是光譜分辨率，這個波長間距對被測地物的局部特征反映有影響，采樣間隔越小，就越能反映被測地物的局部吸收。

光譜帶寬是指光譜儀內(nèi)一個光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測量的精確性，帶寬太寬，就會導(dǎo)致我們需要提取的特征點(diǎn)丟失，測量精度低，帶寬越窄，就不容易損失有用的信息，在鄰近的譜段能測到的波譜樣本越多，對地物的測量就越精確，有利于數(shù)據(jù)處理分析。信噪比是傳感器的信號功率(SP)和噪聲功率(NP)之比，它取決于探測器的敏感度、光譜寬度、被測量物表面反射和發(fā)射光的強(qiáng)度，當(dāng)信噪比低的時候，噪聲功率的占比就會比較高，對地物的信號探索反演有很大的干擾;當(dāng)信噪比高時，就能更準(zhǔn)確的去獲取地物的光譜信息。

除了植被、土壤等典型的地物光譜，人們還開始研究一些人工地物的光譜特征，比如迷彩服的綠色與植被的綠色的區(qū)別。而且根據(jù)這些需要，也建立起越來越精確且多樣的地物光譜庫，為高光譜影像分類和匹配做準(zhǔn)備。

2.1 典型地物光譜特征

大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類型，獲取地物性質(zhì)的最基本也是最有效的方法，因?yàn)椴煌愋偷牡匚锞哂胁煌卣鞯奈兆V線。表2-1列出了波段范圍內(nèi)的一些顯著的地物光譜特征。

表2-1不同波段區(qū)間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內(nèi)響應(yīng)都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見光范圍內(nèi)的光譜反射率隨著波長增加而增加;各種類型的植被光譜反射率曲線在不同波段都有以下幾種特點(diǎn)：在可見光區(qū)內(nèi)植物光譜反射率會有一個極大值和一個最小值，分別在550到560nm之間和650到680nm之間，而且在近紅外(730-1000nm)光譜區(qū)有一段較平緩和比較高的反射率;本次測量將會測量幾種不同的植被，并且根據(jù)獲取的光譜信息對植被進(jìn)行不同的分析。

2.2 土壤地物光譜特征

土壤礦物主要包括石英、云母、長石、氧化物等。影響土壤光譜特性變化的因素包括礦物(原生礦物和次生礦物)，土壤含水量，土壤有機(jī)物(胡敏酸和富里酸的腐殖質(zhì)類型是主要的有機(jī)質(zhì))，土壤的質(zhì)地和顆粒度等。

在自然狀態(tài)下，土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷。

在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物(原生礦物和次生礦物)和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。

土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶(1.4μm、1.9μm、2.7μm處附近區(qū)間)，反射率的下降尤為明顯。

圖2.2土壤反射光譜特征

土壤的光譜特征包括可見光波段、近紅外波段、中紅外波段和熱紅外波段。在可見光波段，土壤通常呈現(xiàn)出不同的顏色，反映土壤的含水量、有機(jī)質(zhì)含量、粗細(xì)度等信息。在近紅外波段，土壤的吸收譜線通常在800-1100 nm之間，與土壤中的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)有關(guān)。在中紅外波段，土壤的吸收譜線通常在1800-2400 nm之間，與土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)、鐵氧化物、氫氧化物等有關(guān)。在熱紅外波段，土壤的發(fā)射譜線通常在8000-14000 nm之間，可以反映土壤的溫度、含水量、質(zhì)地等信息。

土壤的光譜反射率主要在可見光譜段顯示顏色(400-700 nm)。在近紅外(NIR)波段(700-1300 nm)和中紅外(MIR)波段(1300-2500 nm)，土壤的反射率通常很高，但在特定波段會出現(xiàn)明顯的吸收帶。土壤吸收帶通常出現(xiàn)在以下波長范圍內(nèi)：

1. 1450-1500 nm處有一個明顯的吸收帶，與水合鋁和鐵結(jié)合有機(jī)物(如腐殖酸和孢子酸)的存在有關(guān)。

2. 1900-2200 nm處有一個比較寬的吸收帶，由水分、羥基等所致。

3. 2300-2400 nm處的吸收帶由硝酸鹽所致。

4. 4000-4200 nm區(qū)域，由土壤有機(jī)質(zhì)和粘土礦物質(zhì)的反應(yīng)所致。

5. 熱紅外波段(8000-14000 nm)也有吸收帶，由土壤溫度和含水量的影響。

總之，土壤吸收帶的出現(xiàn)是由于土壤中的特定化學(xué)成分吸收特定波長的電磁輻射而導(dǎo)致的。不同波段吸收帶的存在可以提供土壤化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息。

三、地物光譜特征的數(shù)據(jù)獲取

環(huán)境因素、儀器參數(shù)靈敏度、采集的方法、地物本身特性等各種因素都會影響我們野外地物光譜測量的結(jié)果，所以我們在測量前需要根據(jù)被測的地物和人物指定相應(yīng)的測試方案，盡可能規(guī)避所有對所測結(jié)果產(chǎn)生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數(shù)據(jù)能夠真實(shí)體現(xiàn)出地物本身的光譜特性，并且記錄當(dāng)時使用的儀器參數(shù)，測量條件以及被測地物的信息。這樣測量出來的數(shù)據(jù)才具有可靠性，為之后的數(shù)據(jù)反演和光譜庫建立提供依據(jù)成。

圖3.3iSpecField-WNIR-HRs便攜式地物光譜儀

4.2數(shù)據(jù)分析

圖4-2為測試的五種土壤的光譜反射率經(jīng)過平均、平滑處理后的反射率對比圖，由圖可看出1號樣品的反射率相對于其他樣品偏高，五種樣品的反射率隨著波長的增加而增加。

圖4-2五種土壤反射率圖

五種土壤在1100nm、2200nm有水分、羥基等所致的水吸收帶，且反射率升高，有研究表明，在低水平含水量范圍內(nèi)隨著含水量的增加，反射率降低;在高水平范圍內(nèi)隨著含水量的增加，反射率也升高。這一現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)自由水較多，土壤含水量達(dá)到或超過田間持水量時，水分形成的薄膜有較強(qiáng)的鏡面反射。所以出現(xiàn)土壤反射率隨著土壤含水量增加而增加的現(xiàn)象。而當(dāng)土壤含水量低于田間持水量時，入射光在射入顆粒表面以及從顆粒表面反射出時，附著于土壤顆粒上的水主要起吸收作用。由此可認(rèn)為五種土壤的含水量都處于高水平范圍內(nèi)。樣品在2300nm~2400nm波段也存在個較寬但不明顯的吸收帶，這可能是由硝酸鹽所導(dǎo)致的。

五、總結(jié)

研究土壤反射率能夠定性、定量的分析土壤的含水量、質(zhì)地等等，因此研究土壤光譜反射率有以下幾方面的意義：

1. 土壤質(zhì)量評估：通過對土壤光譜反射率的分析，可以了解土壤中不同波長范圍內(nèi)的反射率變化，進(jìn)而了解土壤質(zhì)量、土地利用狀況等信息

2. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：對于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，土壤光譜反射率是一個極為重要的指標(biāo)。通過對土壤光譜反射率的研究，可以了解農(nóng)作物生長過程中土壤的物理、化學(xué)特性等因素，并以此為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。

3. 土地資源開發(fā)：通過對土壤光譜反射率的研究，可以為土地資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。例如，在進(jìn)行化礦勘探等工作時，可以通過地面和空中的光譜數(shù)據(jù)快速找到有可能存在礦產(chǎn)資源的區(qū)域。

4. 環(huán)境監(jiān)測：土壤光譜反射率的研究也有助于環(huán)境監(jiān)測。例如，可以通過對土壤光譜反射率的分析來了解土壤中污染物的種類和分布情況，提高環(huán)境監(jiān)測的精度和效率。

總之，研究土壤光譜反射率有助于人們更全面、準(zhǔn)確地了解土地、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等方面的情況，為科學(xué)決策提供有力支持。

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地物光譜儀iSpecField-HH/NIR/WNIR

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審核編輯 黃宇