高光譜遙感技術(shù)在懸沙水體研究中的應(yīng)用說明

0引 言

水體中懸浮泥沙影響到水體的透明度和水色等光學(xué)性質(zhì),還密切關(guān)系到河口海岸沖淤變化過程。采用高光譜遙感技術(shù)獲得懸沙水體的反射光譜數(shù)據(jù),同時從原理上來計算反射率。針對傳統(tǒng)水體遙感測量的局限性,地物光譜儀測量方式更加合理。選用地物光譜儀和光纖光譜儀進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:隨著懸沙濃度的增高,反射率也增高,且發(fā)生反射的波段范圍有所增大;離水面一定距離時測得的懸沙反射率的誤差主要來自于天空光,近水面雖然減少了天空光的部分影響,但光纖光譜儀較敏感,受水面波動的影響較大;到水面下光強(qiáng)變?nèi)?利用光纖光譜儀可以不受天空光影響直接獲得水體反射率。

1 儀器概述

地物光譜儀是地面非成像光譜儀,可以在野外或?qū)嶒炇覝y量研究對象的光譜反射率、透射率及其他輻射率,是廉價又靈活的光譜數(shù)據(jù)獲取方法。

光譜儀的核心部分即傳感器技術(shù)不斷地發(fā)展,到20世紀(jì)70年代,光纖傳感器在靈敏度和精度、固有的安全性、抗電磁場干擾能力、高絕緣強(qiáng)度以及耐高溫、耐腐蝕等方面優(yōu)點突出。它具有很高的傳輸信息容量,可以同時反映多元成分的多維信息,并通過波長、相位、衰減分布、偏振和強(qiáng)度調(diào)制、時間分辨收集瞬時信息等來加以分辨,真正實現(xiàn)多道光譜分析和復(fù)合傳感器陣列的設(shè)計,達(dá)到復(fù)雜混合物中特定分析對象的檢測,這對電傳感器和聲傳感器而言是無法做到的。

地物光譜儀iSpecField-HH手持式地物光譜儀是萊森光學(xué)（LiSenOptics）專門用于野外遙感環(huán)境監(jiān)測的最新產(chǎn)品，由于其操作靈活、輕巧方便、光譜測試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜的手持式地物光譜儀。地物光譜儀在很多場合都被用來測量光譜反射率、透射率及其他輻射率,如植被長勢分析、林業(yè)、地面實況數(shù)據(jù)測量、地質(zhì)研究、礦物識別、工業(yè)質(zhì)量控制和環(huán)境測試等領(lǐng)域。現(xiàn)在使用的野外光譜儀中大多使用方便,又輕又小。

光纖光譜儀

LiSpec-UVIR200系列高靈敏度光譜儀是萊森光學(xué)（LiSenOptics）光譜儀系列中基于面陣背照式BT-CCD傳感器開發(fā)而來明星產(chǎn)品之一。該系列光譜儀是一款成功地把紫外可見近紅外高量子效率和高測量速度相結(jié)合的高靈敏度光譜儀，其獨有消雜散光技術(shù)、獨有降噪電路控制技術(shù)、再加上出眾的高量子效率探測器性能，使光譜儀的靈敏度、信噪比得到極大的提升。微電子領(lǐng)域中的多像元光學(xué)探測器發(fā)展迅猛,如CCD陣列、光電二極管陣列等,使生產(chǎn)低成本掃描儀和CCD相機(jī)成為可能,這些技術(shù)使光纖光譜儀可以對整個光譜進(jìn)行快速掃描而不必移動光柵。

光纖光譜儀的優(yōu)點在于系統(tǒng)的模塊化和靈活性,測量快,成本低,這些優(yōu)點大大拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。微型光纖光譜儀特別適用于那些重要光檢測技術(shù)的研究工作。在工業(yè)和科研許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1遙感反射率測算

地物光譜儀

遙感反射率

即對水體的遙感反射率的計算必須要測量水體的離水輻亮度Lw與水體表面入射輻照度Ed(0+)。

離水輻亮度的測算離水輻射率可表示為

其中Lw為離水輻亮度,Lsw為光譜儀接收的總輻亮度;Lsky為天空漫散射光輻亮度,不包含任何水體信息;r為水表反射率,與水表面粗糙度等有關(guān)。

光譜儀的參數(shù)設(shè)置為每個采樣點自動測量20條光譜曲線,從20條曲線中去除異常的曲線,挑選比較集中的10條取平均值作為該點的光譜曲線,減少了由于波浪、太陽耀斑等對測量影響而產(chǎn)生的誤差,得到Lsw。

Lsky的測量步驟與Lsw相近,唯一不同的是取光譜儀的攝像頭指向天空的。最后得到離水輻亮度

此處取平靜水面情況下的水表反射率r為0.022。水面入射輻照度的測算水面入射輻照度是通過測量標(biāo)準(zhǔn)灰板的輻亮度計算得到的,標(biāo)準(zhǔn)板是采用反射率為30%的灰板,Lp為標(biāo)準(zhǔn)板測量的輻亮度,ρp為標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。其觀測角度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)板在陽光下水平放置,光譜儀垂直于標(biāo)準(zhǔn)板。

入射輻照度:

綜上可知,遙感反射率

在實際操作中,測量儀器穩(wěn)定,線性度好,則只需要對標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定,對于未標(biāo)定的光譜儀,可以直接依據(jù)下式計算遙感反射率

其中,Ssw、Ssky和Sp分別為光譜儀面向水體、天空和標(biāo)準(zhǔn)板的測量信號碼值。

光纖光譜儀

需要測定三類光譜值:第一類稱為暗光譜,即沒有光線進(jìn)入光譜儀時由儀器記錄的光譜(通常是系統(tǒng)本身的噪聲值,取決于環(huán)境和儀器本身的溫度);第二類為參考光譜或稱標(biāo)準(zhǔn)板白光,是從較完美的漫輻射體——標(biāo)準(zhǔn)板上測得的光譜;第三類為樣本光譜或目標(biāo)光譜,即從感興趣的目標(biāo)物上測得的光譜。最后,感興趣目標(biāo)物的反射率是在相同的光照條件下通過參考光輻射值除目標(biāo)光輻射值得到的,因此目標(biāo)反射率是個相對于參考光譜輻射的比值。

3.2遙感反射率分析

跟清水的反射光譜曲線進(jìn)行比較,得到懸沙水體的光譜特性。在圖1中,中值粒徑D50為0.019mm的懸沙水體的光譜曲線,曲線1代表的濃度為1.527g·L-1,2代表了濃度為0.010g·L-1。曲線2的懸沙濃度很低,可看作清水。懸沙水體的反射率比清水高很多。反射波段范圍也因懸沙濃度的增大而有所增大,總反射量增高。

圖1懸沙中值粒徑為0.019mm的兩種濃度懸沙水體光譜曲線

2.2光纖光譜儀測量的反射率比較分析

比較光纖光譜儀在3個高度測量的3種不同泥沙濃度的懸沙水樣A、B和C的遙感反射率,三樣品的泥沙濃度由高到低為B、A、C。從圖2上可以看出:

圖2光纖光譜儀三個水樣三個高度的光譜曲線

(1)A、B、C三點的反射率由高到低為B、A、C,反射峰值本身形態(tài)變得更寬。(2)光纖光譜儀測量出三個高度上懸沙水體光譜曲線的大體趨勢是一致的,都能體現(xiàn)懸浮泥沙水體內(nèi)的主要光譜特征,而且懸沙水體光譜曲線的特征和前人探測研究的結(jié)論也比較接近。(3)懸沙水體水面之上的反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水面之下的反射率且水面以上和以下的懸沙水體反射率測得值的穩(wěn)定性較高。A、B和C三處的反射率峰值相差分別大約為9%、15%和4.5%,懸差比為52%、60%和50%。說明除了受天空光對光譜儀測量到的信號的影響之外,還有懸沙濃度對出水輻亮度產(chǎn)生的影響不是線性,特別是后向散射系數(shù),它和懸沙濃度的關(guān)系更接近于乘冪關(guān)系。要獲得懸沙水體的真實信息,得從懸沙水體水面之上的信息中將天空光信息去除。

(4)在近水面測得的懸沙水體反射率浮動幅度大。根據(jù)測得值可以看出與水面以下的差值百分比分別為77.6%、20%和40%,與懸沙濃度無明顯相關(guān)性。光纖傳感器高度貼近懸沙水體的表面可以盡量去除天空光散射對水體測量目標(biāo)的影響,但離水表面越近,光纖探頭的觀測角度就越小,對目標(biāo)變化的敏感度越高。因此水面起伏就會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大干擾,從圖2中可看出在近水面懸沙水體的反射率波動比較大。

2.3地物光譜儀和光纖光譜儀測量的反射率比較分析

圖3同一測量高度上懸沙水體的地物管溝光譜儀和光纖光譜儀光譜曲線比較圖

比較光纖光譜儀和地物光譜儀測量的水體遙感反射率,結(jié)合圖2、3可以看出:

(1)地物光譜儀沒有去除天空光的直接測量值和光纖光譜儀在水面之上的測量值在數(shù)值上比較接近,如圖3所示。兩者都沒有去除天空光的影響,測量的懸沙水體的反射率都偏大。

(2)地物光譜儀計算得到的實際反射率與光纖光譜儀在水面以下測得的光譜值相近。

(3)光纖光譜儀的光譜分辨率明顯高于地物光譜儀的,它特別適合于測量低強(qiáng)度光源目標(biāo)物的光譜。在水體中可以探測出水體反射率的微小變化。

(4)光纖光譜儀在小于400nm、大于900nm的數(shù)據(jù)噪聲太大,光譜曲線波動大,幾乎不能使用。地物光譜儀實際可使用的波段范圍更寬,穩(wěn)定性較光纖光譜儀好。

3 結(jié)論

對懸沙水體進(jìn)行光譜測量,所使用的兩種光譜儀在不同要求下,可表現(xiàn)出不同優(yōu)點。在水面上,外部條件一致,都受到天空光的影響,光譜儀在一定程度上接受了程輻射,用地物光譜儀和光纖光譜儀測得的值很接近,即在光強(qiáng)適宜時兩者都可以。在接近水表層進(jìn)行光譜測量時,雖然可以減少大氣的影響,但水體很難保持穩(wěn)定狀態(tài),不斷受到水體擾動的影響,而且仍不能完全去除天空光的影響,測量結(jié)果的穩(wěn)定性差。到水面下光強(qiáng)變?nèi)?利用光纖光譜儀可以直接進(jìn)行測量,既方便又相對精確。光纖探頭可以根據(jù)要求,在不同的水深條件下進(jìn)行測量。

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萊森光學(xué)-iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)/便攜式高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)特點

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全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計，點列斑直徑小于0.5像元

多種焦距物鏡鏡頭（12.5/25mm/35mm/75mm）可根據(jù)用戶需求更換物鏡

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萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀主要技術(shù)特點

光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測器同步測量，光譜精度高、分辨率高

主機(jī)與工業(yè)級觸控顯示手柄探頭一體化結(jié)構(gòu)，野外測量無需額外電腦，操作靈活

最短積分時間30微秒，測量動態(tài)范圍大，7吋高清觸控顯示遠(yuǎn)程觸發(fā)一鍵測量

內(nèi)置＞800萬像素自動對焦攝像頭（相機(jī)）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制

GPS定位、地物圖像、角度測量、距離測量、空氣溫濕度測量與光譜實時對應(yīng)同步

SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數(shù)據(jù)庫和NDVI等13個植被指數(shù)

豐富測量光學(xué)配件：標(biāo)準(zhǔn)白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內(nèi)太陽光源、視場角鏡頭、BRDF測量附件、透反射實驗室支架裝置、遠(yuǎn)程觸發(fā)器等可滿足野外和實驗室測量需求，可實現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測試

大容量電池，續(xù)航時間4-5小時，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長時間野外測量

審核編輯：符乾江