ASD光譜儀測量地物光譜的數(shù)據(jù)處理方法及遇到的問題
一、利用ASD光譜儀測量地物光譜的數(shù)據(jù)處理方法
1．安裝ASD光譜儀配套的光譜數(shù)據(jù)處理軟件ViewSpecPro；
2．將ASD光譜儀配套筆記本電腦上面的光譜數(shù)據(jù)文件拷貝到本地硬盤；
3．打開ViewSpecPro軟件，單擊setup->input directory，指定光譜數(shù)據(jù)的目錄。
?設(shè)置好輸入目錄后，會彈出對話框，問是否將輸出目錄設(shè)置和輸入目錄一直，這里一般選擇是。
4.?打開輸入目錄下的全部光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場記錄選擇若干條曲線，單擊view->graph，便可以顯示選中的光譜數(shù)據(jù)的曲線。
5.?根據(jù)曲線圖，刪除有問題的曲線，將其他曲線取平均值。即選中取要用來取平均值的曲線，單擊
process->statistics，然后點(diǎn)擊OK，程序便會輸出平均值光譜，并在程序界面中顯示。
6.?選中求好平均值的光譜，單擊process->Acsii export,?便可以將原來的二進(jìn)制文件輸入為文本文件，從而可以利用EXCEL或者其他程序進(jìn)行后續(xù)計算。
7.?地物反射率＝（地物DN值/白板DN值）×白板反射率。白板反射率是事先通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)定標(biāo)得到的。
?更為詳細(xì)的步驟如下：
1.準(zhǔn)備工作
a.?光譜儀、計算機(jī)充電：光譜儀電量不足時紅燈閃亮，充滿電后綠燈亮；如果黃燈閃亮則說明過熱，需要等待一段時間；
b.?安裝適當(dāng)?shù)溺R頭或其他附件（如GPS、余弦接受器等），并準(zhǔn)備好白板；
c.?依次打開光譜儀電源及計算機(jī)電源，并啟動相應(yīng)RS3軟件；
-RS3?用于優(yōu)化FieldSpec儀器以及采集下列數(shù)據(jù): Raw DN、反射率、輻射亮度/輻射照度
-所有采集的數(shù)據(jù)均為ASD文件格式，并可以使用ViewSpec Pro軟件打開并進(jìn)行后處理
d.?在RS3軟件上選擇相應(yīng)的鏡頭并調(diào)整光譜平均、暗電流平均和白板采集平均次數(shù)（Control/adjust
configuration）
-光譜平均次數(shù)Spectrum average
-暗電流平均次數(shù)Dark current average
-白板平均次數(shù)White reference average
e.?在軟件中選擇或填寫需要存儲數(shù)據(jù)的路徑、名稱和其他內(nèi)容（Control/spectrum save）
2?光譜測量過程
1）反射率測量過程
a.?鏡頭對準(zhǔn)白板，點(diǎn)擊OPT進(jìn)行優(yōu)化
?（注意：白板必須充滿鏡頭視場。工作過程中特別是開始工作的前半個小時內(nèi)每隔一定時間做一次優(yōu)化并且
?注意每隔3~5分鐘采集一次暗電流，測量暗電流按?DC）。
b.?鏡頭仍然對準(zhǔn)白板，點(diǎn)擊WR采集參比光譜。此時，軟件自動進(jìn)入反射率測量狀態(tài)。
?間隔一定時間即采集白板參比.環(huán)境變化越頻繁,則采集白板次數(shù)越高
c.?鏡頭移向被測目標(biāo)，按空格鍵存儲采集到的目標(biāo)反射光譜。
2）輻射照度(Irradiance)測量過程
a.?鏡頭對準(zhǔn)天空或者地面，點(diǎn)擊OPT優(yōu)化儀器參數(shù)；
b.?點(diǎn)擊RAD直接進(jìn)入輻射亮度測量狀態(tài)；
c.?按空格鍵存儲目標(biāo)光譜（或者自動存儲）
?綜上，在rs3軟件下，對于反射比和輻射度測量，只需要簡單的進(jìn)行以下步驟即可
?反射率測量：
?在照明條件下，鏡頭對準(zhǔn)白板；優(yōu)化（OPT）；參比采集命令（WR）。將鏡頭移到測量目標(biāo)上，這時，按空格鍵即存儲測量得到的反射率光譜。
?輻射度測量：
?在照明條件下，鏡頭對準(zhǔn)白板（或者被測目標(biāo)）；優(yōu)化（OPT）；輻射度測量命令（RAD）。將鏡頭移到測量目標(biāo)上，這時，按空格鍵即存儲測量得到的輻射度光譜。
?二、測量操作中可能出現(xiàn)的問題及解決
?問題1，測量輻射亮度或者輻射照度時在光譜連接處出現(xiàn)臺階跳躍
ASD公司的所有儀器光度標(biāo)定都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，儀器經(jīng)過80-90分鐘預(yù)熱后作出的。
ASD公司經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，儀器所使用的三個傳感器在不同的環(huán)境功能溫度以及預(yù)熱時間下具有變化的響應(yīng)度。但是在SWIR1(1000-1800nm)波段傳感器的響應(yīng)度不受影響。并且，如果儀器經(jīng)過足夠長時間的預(yù)熱，則這個問題不會出現(xiàn)。但是野外測量時幾乎不可能使用如此長的預(yù)熱時間。
?于是，ASD公司開發(fā)出了利用SWIR1的穩(wěn)定特性，對問題數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的方法，即拋物線修正（ParabolicCorrection）。
?解決方法：
A.?儀器經(jīng)過足夠長時間的預(yù)熱；這是zui可靠的方法。
B.?或者在測量輻射度時點(diǎn)擊RS3軟件界面上的PC圖標(biāo)。
C.?回到實(shí)驗(yàn)室后，使用ViewSpec軟件中的拋物線修正功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
?問題2，測量反射率時在光譜連接處出現(xiàn)于上述類似的問題
?出現(xiàn)這樣的光譜連接點(diǎn)跳躍的原因是不同的光纖采集到不同位置的樣品光譜。
?由于光纖輸入端口是由57條光纖構(gòu)成的，在某些部位可能會出現(xiàn)上述問題，特別是測量距離比較小的時候。
?這個問題不會影響所采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
?解決方法：
A.?稍微旋轉(zhuǎn)光纖，能夠看到連接點(diǎn)的跳躍消失；或者
B.?回到實(shí)驗(yàn)室后，使用ViewSpec軟件中的Splice Correction修正功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
?問題3：不能通過OPT快捷鍵對儀器進(jìn)行優(yōu)化
?通常這是由于電池供電不足造成的。
?儀器優(yōu)化過程中需要啟動電子快門。這是一個耗電相對較大的動作。如果電池不足，比如，儀器界面的電量顯示已經(jīng)到達(dá)黃線。盡管仍然可以采集光譜，但是電子快門不動作。因此，無法完成優(yōu)化。
?只需要更換電池即可解決此問題。
?問題4：近紫外到近紅外（350-1000nm）波段沒有信號或者信號很弱
?電子快門的設(shè)置有利于及時減除暗電流提高數(shù)據(jù)的信噪比。但是，此部件在動作的時候耗電量相對較大。因此，即使在電池仍然有電（但是供電不足）的情況下會發(fā)現(xiàn)可以采集光譜數(shù)據(jù)但是卻不能進(jìn)行優(yōu)化或者采集暗電流。
?另外一個原因就是電子快門硬件損壞。
?解決方法：
A.?更換電池或者改用市電供電。若仍然不能解決，則
B.?與供貨商維修。
?三、使用中出現(xiàn)的問題和解決方法
?可能出現(xiàn)的問題包括：
?輻射度測量時
?沒有選擇經(jīng)過定標(biāo)的鏡頭；
?優(yōu)化時，白板或者目標(biāo)沒有完全覆蓋鏡頭的視場；
?照明條件極大改變后沒有重新優(yōu)化；
?預(yù)熱時間短，沒有比較頻繁地采集暗電流。
?反射率測量時
?優(yōu)化和采集白板參比時，白板沒有完全覆蓋鏡頭的視場；
?照明條件極大改變后沒有重新優(yōu)化；
?經(jīng)過較長時間后沒有重新采集白板參比。
1.?預(yù)熱時間
?對于光譜反射率測量，儀器預(yù)熱10分鐘就足夠了。需要注意的是，如果是輻射度測量，那么預(yù)熱的時間應(yīng)盡可能長一些，推薦的預(yù)熱60分鐘左右。
2.?附件的選取與安裝
?根據(jù)不同的測量目的選取必要的附件。下面幾個問題需要特別引起注意：
A.?選擇附件后，需要在RS3軟件的相應(yīng)為位置指明所選取的附件，以便于RS3軟件自動調(diào)用存儲的定標(biāo)數(shù)據(jù)并將附件信息記錄在光譜數(shù)據(jù)中；
B.?附件的安裝不需要十分用力，僅僅需要確認(rèn)已經(jīng)安裝牢固即可；
3.?鏡頭視場大小的計算?(PS:具體示意圖見原文鏈接)
?所有技術(shù)指標(biāo)中給出的視場角都是全角。
a.垂直測量
?近場測量（距離短于1米）: Y = D + 2 * X * Tan(A/2)
?遠(yuǎn)場測量（距離大于1米）: Y = 2 * X * Tan(A/2)
b.傾斜測量
arctan(y/x) = a = (全視場角)/2
y/x = tan a?，?y = x tan a
z + w = h tan (b + a)，?w = [h tan (b + a)]?–?z，?w = h tan b
?得到：
z = h [tan(b)+ tan(b + a)]
w = (x2 + h2 - 2xh cosb)1/2
?其他經(jīng)驗(yàn)設(shè)置及注意事項（供參考）：
1，測量時間
?如果所采集的光譜數(shù)據(jù)將要用于搞光譜圖像的數(shù)據(jù)定標(biāo)或者解疑，那么光譜數(shù)據(jù)的采集時間就非常重要了。在此條件下，應(yīng)當(dāng)使用與得到遙感圖像時的照明條件近似的照明采集反射光譜數(shù)據(jù)。建議在衛(wèi)星過境或者機(jī)載傳感器采集數(shù)據(jù)的同時采集反射光譜數(shù)據(jù)。
如果采集時間差別很大，則建議使用大氣輻射訂正。
通常情況下，在10:00?–?14:00之間總是會得到相對較好的照明條件。
當(dāng)然，根據(jù)研究或者工程目標(biāo)選擇光譜采集時間也是考慮的重點(diǎn)之一。
2，相對幾何位置
根據(jù)采集光譜的目的選擇適當(dāng)?shù)挠^測幾何位置。
圖像解譯:?選擇與衛(wèi)星或者機(jī)載傳感器采集圖像時相似的幾何觀測條件。
可行性研究：通過固定觀測角度和照明條件去取可能的干擾。
對于植被光譜采集來講，可以在葉片、樹干或者冠層這樣的空間尺度采集光譜數(shù)據(jù)。冠層尺度下采集到的光譜數(shù)據(jù)更適用于圖像解譯。粗略地可以用葉片或者樹干尺度的光譜數(shù)據(jù)直接解譯圖像。當(dāng)然，使用葉片和樹干尺度下采集的光譜數(shù)據(jù)對于理解葉片和樹干如何影響冠層尺度的光譜是非常有用的。
3，光譜平均次數(shù)的選擇
野外測量時，使用10-30次光譜平均就足夠了。因?yàn)榘装鍏⒈炔⒉皇强傄杉装鍏⒈鹊钠骄螖?shù)可以增加到兩倍的光譜平均次數(shù)。注意，信噪比是與光譜平均次數(shù)的平方根成正比。
注意：實(shí)際使用的光譜平均次數(shù)還取決于測量要求。如果在室內(nèi)測量，建議使用更大的光譜平均次數(shù)，這樣得到的數(shù)據(jù)信噪比更好。
如果在野外很大的區(qū)域測量，則照明情況良好時，可以使用較少的光譜平均次數(shù)。
4，優(yōu)化次數(shù)和時間間隔
?如果測量數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，則不強(qiáng)制要求重新優(yōu)化。
?通常來講，每間隔10-15分鐘重新優(yōu)化一次對于避免照明條件的改變造成的干擾是有好處的。
5，暗電流的處理
?并不強(qiáng)制要求頻繁地采集按電流。但是在儀器啟動的初期（10-15分鐘內(nèi)），間斷性地采集按電流對于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量是有好處的。
6，白板參比采集時間間隔
?室內(nèi)測量：如果照明條件是基本恒定的，在儀器預(yù)熱階段每隔10-15分鐘采集一次白板參比，之后每隔30分鐘采集一次白板參比就可以了。
?野外測量：應(yīng)當(dāng)盡可能頻繁地采集白板參比，因?yàn)?
?
太陽照明條件在不斷變化,建議使分鐘采集一次;
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大氣狀況在不斷變化，例如云、濕度或者水氣等等；
?
溫度在不斷變化。
?
重要的是，采集參比和測量數(shù)據(jù)時的環(huán)境條件盡可能相同。
?
7，測量點(diǎn)的尺寸大于白板尺寸如何處理
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的辦法是購買一塊大尺寸的白板?；蛘邔⑻筋^靠近白板。
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室內(nèi)測量條件下，需要保證測量角度和距離保持不變。
?
野外采用太陽照明測量條件下，靠近白板測量參比，然后以較大的距離測量目標(biāo)沒有任何問題。
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8，何時采用反射比測量
?
取決于如何分析數(shù)據(jù)。反射比和反射率之間的差別，在400-2000nm波段非常??；而在350-400nm和2000-2500nm波段才能夠看出明顯的偏差。
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9，數(shù)據(jù)后處理
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ViewSpec軟件是眾多數(shù)據(jù)后處理軟件之一。
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ENVI是圖像處理軟件，也可以直接倒入ASD的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
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10，什么造成了光譜數(shù)據(jù)上帶有規(guī)律性的正弦振蕩？
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照明光源可能采用的是交流電。
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11，反射率光譜數(shù)據(jù)帶有臺階
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光纖束導(dǎo)光的、使用前端鏡頭的儀器在近距離測量時可能產(chǎn)生這個現(xiàn)象。
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稍微移動或者轉(zhuǎn)動光纖或者測量角度，就可以避免這個干擾。
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12，如何清潔白板
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使用白板是一定要戴手套，以免油污。的清潔方法請參考隨白板一起提供的指導(dǎo)書。
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被浮土輕度污染的白板：用壓縮氮?dú)饣蛘呖諝獯蹈蓛?，或者用毛刷清理?/p>
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注意，不要使用氟利昂。
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重度污染的白板：在流水下或者離子化蒸餾水內(nèi)用220-240目的水砂紙輕輕打磨污染的表面，直到表面不沾水為止。陰干至少24小時。
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注意，不要使用有或者肥皂。
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13，室內(nèi)照明光源
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如果認(rèn)為一個ASD提供的Pro Lamp照明光源不是足夠的，建議使用兩個或者三個同樣的光源。還可以使用灰板作為參考板。
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白板和灰板之間的差別，可以使用ViewSpec軟件做對比。
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照明范圍可以通過旋轉(zhuǎn)光源上的聚焦旋鈕得到。
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更換燈泡時一定要戴手套，以免燙傷，也避免手上的油污污染燈泡上表面。
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14，光纖與手柄連接松緊度
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光纖出口端頭位置的上下兩端有兩顆螺釘。下面的一顆螺釘頭上有彈簧滾珠。調(diào)整此螺釘即可調(diào)整光纖固定松緊度。
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