高光譜遙感技術(shù)在懸沙水體研究中的應(yīng)用說(shuō)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(guò)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(shí)從原理上來(lái)計(jì)算反射率。針對(duì)傳統(tǒng)水體遙感測(cè)量的局限性,地物光譜儀測(cè)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(shí)測(cè)得的懸沙反射率的誤差主要來(lái)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(dòng)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?yàn)室測(cè)量研究對(duì)象的光譜反射率、透射率及其他輻射率,是廉價(jià)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(chǎng)干擾能力、高絕緣強(qiáng)度以及耐高溫、耐腐蝕等方面優(yōu)點(diǎn)突出。它具有很高的傳輸信息容量,可以同時(shí)反映多元成分的多維信息,并通過(guò)波長(zhǎng)、相位、衰減分布、偏振和強(qiáng)度調(diào)制、時(shí)間分辨收集瞬時(shí)信息等來(lái)加以分辨,真正實(shí)現(xiàn)多道光譜分析和復(fù)合傳感器陣列的設(shè)計(jì),達(dá)到復(fù)雜混合物中特定分析對(duì)象的檢測(cè),這對(duì)電傳感器和聲傳感器而言是無(wú)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(cè)的最新產(chǎn)品，由于其操作靈活、輕巧方便、光譜測(cè)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(chǎng)合都被用來(lái)測(cè)量光譜反射率、透射率及其他輻射率,如植被長(zhǎng)勢(shì)分析、林業(yè)、地面實(shí)況數(shù)據(jù)測(cè)量、地質(zhì)研究、礦物識(shí)別、工業(yè)質(zhì)量控制和環(huán)境測(cè)試等領(lǐng)域?，F(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(lái)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(cè)量速度相結(jié)合的高靈敏度光譜儀，其獨(dú)有消雜散光技術(shù)、獨(dú)有降噪電路控制技術(shù)、再加上出眾的高量子效率探測(cè)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(cè)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(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行快速掃描而不必移動(dòng)光柵。

光纖光譜儀的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)的模塊化和靈活性,測(cè)量快,成本低,這些優(yōu)點(diǎn)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(cè)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(cè)算

地物光譜儀

遙感反射率

即對(duì)水體的遙感反射率的計(jì)算必須要測(cè)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(cè)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(gè)采樣點(diǎn)自動(dòng)測(cè)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(diǎn)的光譜曲線,減少了由于波浪、太陽(yáng)耀斑等對(duì)測(cè)量影響而產(chǎn)生的誤差,得到Lsw。

Lsky的測(cè)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(cè)算水面入射輻照度是通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰板的輻亮度計(jì)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(cè)量的輻亮度,ρp為標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。其觀測(cè)角度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)板在陽(yáng)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(shí)際操作中,測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定,線性度好,則只需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定,對(duì)于未標(biāo)定的光譜儀,可以直接依據(jù)下式計(jì)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(cè)量信號(hào)碼值。

光纖光譜儀

需要測(cè)定三類光譜值:第一類稱為暗光譜,即沒(méi)有光線進(jìn)入光譜儀時(shí)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(cè)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(cè)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(guò)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(gè)相對(duì)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(cè)量的反射率比較分析

比較光纖光譜儀在3個(gè)高度測(cè)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(gè)水樣三個(gè)高度的光譜曲線

(1)A、B、C三點(diǎn)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(cè)量出三個(gè)高度上懸沙水體光譜曲線的大體趨勢(shì)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(cè)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(cè)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(shuō)明除了受天空光對(duì)光譜儀測(cè)量到的信號(hào)的影響之外,還有懸沙濃度對(duì)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(shí)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(cè)得的懸沙水體反射率浮動(dòng)幅度大。根據(jù)測(cè)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(wú)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(duì)水體測(cè)量目標(biāo)的影響,但離水表面越近,光纖探頭的觀測(cè)角度就越小,對(duì)目標(biāo)變化的敏感度越高。因此水面起伏就會(huì)對(duì)測(cè)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(dòng)比較大。

2.3地物光譜儀和光纖光譜儀測(cè)量的反射率比較分析

圖3同一測(cè)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(cè)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(méi)有去除天空光的直接測(cè)量值和光纖光譜儀在水面之上的測(cè)量值在數(shù)值上比較接近,如圖3所示。兩者都沒(méi)有去除天空光的影響,測(cè)量的懸沙水體的反射率都偏大。

(2)地物光譜儀計(jì)算得到的實(shí)際反射率與光纖光譜儀在水面以下測(cè)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(cè)量低強(qiáng)度光源目標(biāo)物的光譜。在水體中可以探測(cè)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(dòng)大,幾乎不能使用。地物光譜儀實(shí)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(duì)懸沙水體進(jìn)行光譜測(cè)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(diǎn)。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(cè)得的值很接近,即在光強(qiáng)適宜時(shí)兩者都可以。在接近水表層進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí),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(dòng)的影響,而且仍不能完全去除天空光的影響,測(cè)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(cè)量,既方便又相對(duì)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(cè)量。

推薦：

萊森光學(xué)- iSpecHyper-VM系列無(wú)人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)

萊森光學(xué)-多旋翼無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM系列是一款基于小型旋翼無(wú)人機(jī)的高性能機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。

萊森光學(xué)-多旋翼無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)光譜范圍400-1000nm/900-1700nm,由高性能高光譜相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、高清相機(jī)、GNSS模塊、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)載供電模塊、地面站模塊等部分組成。核心載荷高光譜相機(jī)完全自主研發(fā)，采用1英寸大靶面CCD圖像傳感器具有高光譜分辨率、高靈敏度、大視場(chǎng)及優(yōu)異的成像性能，配合定制開發(fā)的高性能穩(wěn)定云臺(tái)，能夠有效降低飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)抖動(dòng)引起的圖像扭曲與模糊；同時(shí)與GPS同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)可見光照片匹配同步GPS信息；通過(guò)地面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)飛行器采樣點(diǎn)并可利用地面端設(shè)置采集的航線預(yù)覽及矯正功能；有輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正等批處理能力。輔助相機(jī)可實(shí)時(shí)可見、監(jiān)控拍攝效果，有圖像實(shí)時(shí)回傳功能；有輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正等批處理能力，光譜相機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)曝光、自動(dòng)掃描速度匹配、輔助攝像頭功能、支持遠(yuǎn)程遙控、支持巡航、慣導(dǎo)采集模式，數(shù)據(jù)支持Envi等主流遙感軟件，實(shí)時(shí)常用植被指數(shù)計(jì)算功能、光譜及圖像數(shù)據(jù)預(yù)覽、建庫(kù)、建立指標(biāo)解譯庫(kù)等功能。

萊森光學(xué)-多旋翼無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)與大疆M600 pro/M300RTK無(wú)人機(jī)完美適配，支持同類型的多種無(wú)人機(jī)；系統(tǒng)支持配件升級(jí)及定制化開發(fā)，為教育科研、智慧農(nóng)業(yè)、林業(yè)調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、軍事反偽裝等行業(yè)高端應(yīng)用領(lǐng)域提供高性能解決方案。

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)

萊森光學(xué)-iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)是萊森光學(xué)（LiSen Optics）專門用于公安刑偵、物證鑒定、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，主要優(yōu)勢(shì)具有體積小、幀率高、獨(dú)有高光通量分光設(shè)計(jì)、信噪比靈敏度高、大靶面探測(cè)器、高像質(zhì)等特點(diǎn)。iSpecHyper-VS采用了透射光柵外置推掃或內(nèi)置原理高光譜成像，系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，高速接口傳輸，全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì) ，物鏡接口為標(biāo)準(zhǔn)C-Mount，可根據(jù)用戶需求更換物鏡。iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)，廣泛應(yīng)用于公安刑偵、物證鑒定、精準(zhǔn)農(nóng)林、遙感遙測(cè)、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、采礦勘探等各領(lǐng)域。

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(diǎn)

光譜范圍400-1000nm或900-1700nm，分辨率優(yōu)于3nm

獨(dú)有高光通量分光成像設(shè)計(jì)、信噪比靈敏度高

高性能CMOS/CCD/InGaAs(TE Cooled)圖像傳感器，數(shù)據(jù)格式支持ENVI,支持多區(qū)域ROI

可選配電控自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)、自動(dòng)曝光、自動(dòng)成像掃描匹配

全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì)，點(diǎn)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

多種光學(xué)附件可選：戶外太陽(yáng)光源、實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)勻化光源工作臺(tái)、三腳架（野外專用）、數(shù)據(jù)線、電源線、電源（外置電源模塊）、儀器便攜式手提箱（定制三防箱）、專業(yè)高光譜采集軟件

萊森光學(xué)- iSpecField-系列手持式/便攜式地物光譜儀

萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀是萊森光學(xué)（LiSen Optics）專門用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。iSpecField系列地物光譜儀光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm,采用了工業(yè)級(jí)觸控顯示屏手柄探頭，手柄探頭同時(shí)采用了獨(dú)有光學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)置攝像頭（相機(jī)）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制，同時(shí)地物光譜儀主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示屏手柄探頭一體化設(shè)計(jì)，可野外現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行地物光譜操作測(cè)量，野外操作更加便捷方便，非常適合復(fù)雜的野外地物光譜測(cè)量。

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

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(cè)器同步測(cè)量，光譜精度高、分辨率高

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

最短積分時(shí)間30微秒，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，7吋高清觸控顯示遠(yuǎn)程觸發(fā)一鍵測(cè)量

內(nèi)置＞800萬(wàn)像素自動(dòng)對(duì)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(cè)量、距離測(cè)量、空氣溫濕度測(cè)量與光譜實(shí)時(shí)對(duì)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(kù)和NDVI等13個(gè)植被指數(shù)

豐富測(cè)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(yáng)光源、視場(chǎng)角鏡頭、BRDF測(cè)量附件、透反射實(shí)驗(yàn)室支架裝置、遠(yuǎn)程觸發(fā)器等可滿足野外和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量需求，可實(shí)現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測(cè)試

大容量電池，續(xù)航時(shí)間4-5小時(shí)，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長(zhǎng)時(shí)間野外測(cè)量

審核編輯：符乾江