野外树种地面光谱测定技术及注意事项

李宏志 ，董素静 ，王书涵 ，焦志敏

（1.张家口市塞北林场，河北 张家口 075000；2.北京林业大学，北京 100803；3.张家口市林木种苗管理站，河北 张家口 075000）

遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术[1]。随着时代的发展，遥感的应用领域也日益广泛，已逐步深入到资源勘查、环境监测、灾害预报、灾情评估等各个方面。使用遥感技术需要从遥感传感器的瞬时观测提取地表过程或现象信息，并通过地物波谱特征、大气传输规律、地表信息机理等地面试验研究，掌握遥感信息的形成机理，通过对地物属性的调查，了解不同地物或地理过程与波谱特征的关系。因此，地面遥感试验是弥补遥感瞬时观测时间序列的不连续性，探求地球物理、生物、化学分异特征的遥感信息表征，为遥感解译、动态监测、传感器改进等提供科学依据的重要手段。地面遥感试验在遥感影像解译、地物电磁波特性及其形成机理研究、地物属性信息提取、传感器定标等方面都发挥着重要不可或缺的作用[2]。

1 仪器介绍

现以美国分析光谱仪器公司生产的ASD野外光谱辐射仪（FieldSpec HandHeld）（见图1）为例介绍野外树种光谱测定方法以及注意事项。

FieldSpec HandHeld光谱仪的技术参数及精度如下：

光谱范围：325～1075nm；

带宽：3.5nm；

最快采集速度：100ms，17ms；

光谱分辨率：3.5nm；

采样时间：超过10次/秒；

采样间隔：1～1.5nm（决定数据量）；

波长精度：±1nm；

可重复性：优于±0.3nm，±10℃温度变化；

灵敏度调整：全自动；

仪器硬件：探头、光纤、ASD FieldSpec HH野外光谱仪、笔记本电脑、电源及传输线；

软件部分：专用ASD ViewSpecPro驱动程序。

2 光谱测试设计

2.1 测试时间

野外光谱测定要求的照明条件要与遥感图像照明条件相同，所测得数据才能够用于光谱图像解译。野外光谱测试的基本要求是在晴天中午前后进行，即10：00～14：00之间，尽量避免过早或过晚。

2.2 测试方法

先对研究区自然或近自然状态的不同树种进行光谱测试，同时记录可能改变目标物和背景的光谱特征的所有因素，包括：①时间、照明光源、光线入射角、方位角和大气条件。②地物类型、表面结构。③地理位置、地面坡度、坡向、周围特殊背景。④树种、长势、覆盖度、纯度。⑤土壤化学特征、湿度、温度。采集适当的辅助数据与采集光谱数据同样重要，这是理解高光谱图像数据变化的基础，也便于确认野外光谱数据和高光谱数据的有效性。

不同背景环境会引起光照条件的差异。对于植物，光谱采样可以是叶/针级、树枝级或树冠级。树冠级的光谱最适合图像分析和解译，但是在没有大型机械设备的情况下很难获得较高树冠的信息。我们可以利用叶/针级、树枝级的光谱特征代替树冠光谱信息来解译图像。同时分析叶/针级、树枝级光谱也有助于了解其对树冠级光谱的影响。

具体方法：将待测树种选取最有代表性一株，将树上有代表性枝叶剪下平铺在地上，以至于不能看出土地的背景。在一种树种正上方分别测量5次，取平均值作为该树种的光谱反射值。在测量过程中，随时根据光线的变化进行参考板校正测量[4]。均值是数据集中趋势的主要测度值，均值置信区间估计是在均值点估计的基础上，而给出总体参数的一个区间范围。在光谱采集过程中，由于各种因素的影响，数据包含有随机误差，而均值置信区间估计则将采样误差限制在一定范围之内。根据统计学的中心极限定理可知，如果样本容量足够大（n≥30）时，所有随机分布的均值皆收敛于正态分布[5]。

2.3 观测几何参数

对于图像分析，观测几何参数必须与星载传感器的参数一致。

3 光谱测试流程

ASD野外光谱辐射仪（FieldSpec HandHeld）操作流程如图2：

4 光源要求

为了确定反射率或透射率，需要进行两种测试：白板的光谱响应和目标物的光谱响应。反射光谱是目标的光谱响应与白板的光谱响应的比值，计算的结果与光源的光谱发光率和野外光谱仪的光通量有关。确定反射率时，对目标物和白板的照明光源必须一样。

太阳的直接照射是野外光谱测定的主要的光源，太阳高度角、大气参数将影响整个照明强度和光谱特征。

5 野外测量光谱注意事项

野外光谱测试的基本要求是在晴天中午前后进行，风力不要超过2级。为了使数据具有代表性，要仔细比较被测树种，对同一树种测量多次，保证测试结果准确可比。测试过程中必须注意的事项如下：

（1）仪器位置。仪器向下正对被测物体，至少保持与水平面法线夹角在±10°之内，保持一定的距离，探头距离地面高度通常在1.3m，以便获得平均光谱。例如，测量灌木的光谱时，必须保持视域中有绿叶、枯叶、茎干以及可让光线穿过的空穴，防止视场内的物体没有代表性。如果有多个探头可选，则在野外尽量选择宽视域探头。测量植物冠层光谱时，注意测量最具代表性的物种。

（2）仪器设置。必须在打开计算机之前打开光谱仪电源，仪器预热15～30min（仪器开始工作的第1个小时内要每隔5～10min点击DC图标或者重复优化）。

（3）传感器探头的选择。当野外地物范围比较大，物种纯度比较高、观测距离比较近时，选择较大视场的探头（如25°）；当地物分布面积比较小，或者物种在近距离内比较混杂，或需要测量远处地物时，则选用小视场角的探头。

（4）避免阴影。探头定位是必须避免阴影，测定人员应该面向阳光，这样可以得到一致的测量结果。野外大范围测试光谱数据时，需要沿着阴影的反方向布置测点。

（5）白板校正。天气较好时每隔几分钟就要用白板校正1次，防止传感器响应系统漂移和太阳入射角的变化影响，如果天气较差，校正应更加频繁。较正时白板应该放置水平。

（6）防止光污染。不要穿戴浅色、特色衣帽，如果穿戴白色、亮红色、黄色、绿色、蓝色的衣帽，就会改变反射物体的反射光谱特征。要注意自身阴影不要落在目标物上。当使用翻斗卡车或其他平台从高处测量地物光谱时，要注意避免金属反光，如果有，则需要用黑布包住反光部位。

（7）测试时间和频度。光谱测试在地方时10：00～14：00之间完成，在无云晴朗的天空下进行，尽量避免过早或过晚。在时间许可时，尽量多测一些光谱。每个测点测试5个数据，以求平均值，降低噪声和随机性。

（8）采集辅助参数。在所有的测试点必须采集GPS数据，详细记录测点的位置、植被覆盖度、类型以及异常条件、探头的高度，配以野外照相记录，便于后续的解译分析。

6 结束语

遥感技术已成为林业领域的前沿技术之一，结合图谱合一等特性能够精确监测林业多方面的信息，林业光谱遥感的应用将会从理论研究转向业务操作，地面光谱测定也为实现精准林业提供了基础。随着遥感在林业领域应用的不断深入，遥感在林业中将会得到更大的推广。

［1］梅安新，彭望琭，秦其明，等.遥感导论［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］李云梅，王桥，黄家柱，等，地面遥感实验原理与方法［M］.北京：科学出版社，2011.

［3］游先祥.遥感原理及在资源环境中的应用［M］.北京：中国林业出版社，2003.

［4］童庆禧，张兵，郑兰芬.高光谱遥感：原理技术与应用［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］崔亚琴，等.不同油蒿树势的光谱分析［J］.遥感信息，2010，（5）：67-71.

［6］陈永刚，丁丽霞，葛宏立，等.基于均值置信区间带的高光谱特征波段选择与树种识别［J］.光谱学与光谱分析，2011，（9）.

［7］王志辉，丁丽霞.基于叶片高光谱特性分析的树种识别［J］.光谱学与光谱分析，2010，（7）.