對(duì)地物光譜反射率測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

安小六 湯旭光

摘要針對(duì)高校地理科學(xué)專業(yè)“遙感概論”課程的地物光譜反射率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，在自然環(huán)境下受天氣條件的限制，難以實(shí)時(shí)開展的問題，以美國(guó)ASD公司的HH2光譜儀為例，探索在模擬環(huán)境下，對(duì)地物光譜反射率進(jìn)行測(cè)定，打破自然條件的約束，并引入“遙感概論”的實(shí)驗(yàn)課中?？梢宰寣W(xué)生了解模擬野外的環(huán)境測(cè)試地物光譜的必要性、可行性，使地物光譜反射率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，不受自然條件限制，可以按照教學(xué)計(jì)劃進(jìn)度和大綱要求進(jìn)行，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研需要，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生克服困難創(chuàng)造條件完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)品格。

關(guān)鍵詞 地物光譜 模擬環(huán)境 測(cè)定實(shí)驗(yàn) 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：P232文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.26.011

Improved Practice in Measuring Spectral Reflectance of Ground Objects

AN Xiaoliu， TANG Xuguang

（School of Geographical Sciences， Southwest University， Chongqing 400715）

AbstractAiming at the problem that it is difficult to carry out the experiment of measuring spectral reflectance of objects in the course of "introduction to remote sensing" in colleges and universities， which is limited by the weather conditions in the natural environment， this paper takes the HH2 spectrometer of ASD company as an example， under the simulated environment， the spectral reflectance of ground objects is measured to break the constraints of natural conditions，and is introducedinto the experimentalcourseof"introductionto remote sensing" .Students canunderstand the necessity and feasibility of testing the spectral reflectance of ground objects in simulated field environment， so that the experimentofmeasuringspectralreflectanceofgroundobjectscanbecarriedoutaccordingtotheteachingschedule and outline without the restriction of natural conditions， to meet the needs of experimental teaching and scientific research， but also to train students to overcome difficulties to create conditions to complete the experiment of learning character.

Keywordsterrain spectrum； simulation environment； test experiment； teaching practice

“遙感概論”作為一門地理學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)科教育中占有1/3課程，教學(xué)內(nèi)容包含地物光譜反射率測(cè)定、遙感圖像的分類和圖像判讀、信息的提取等，地物光譜相關(guān)知識(shí)是遙感地學(xué)分析的基礎(chǔ)，[1]地物光譜反射率測(cè)定是遙感課程中最基礎(chǔ)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，高校的地理學(xué)科，應(yīng)設(shè)置地物波譜反射率野外測(cè)定實(shí)驗(yàn)，我院的重慶市地理科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心設(shè)有遙感實(shí)驗(yàn)室，購置有地物光譜儀設(shè)備，具有開設(shè)實(shí)驗(yàn)的硬件條件，但是地物光譜在本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多數(shù)學(xué)年完不成。

1地物光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)的難以完成原因

1.1野外測(cè)定自然條件求高

因野外地物光譜測(cè)量需要考慮各種光譜影響因素，自然環(huán)境條件要去特別高，具體如下：

云量限定：太陽周圍90°立體角，淡積云量，無卷云、濃積云等，光照穩(wěn)定。

風(fēng)力要求：測(cè)量時(shí)間內(nèi)風(fēng)力小于5級(jí)，對(duì)植物，測(cè)量時(shí)風(fēng)力小于3級(jí)。

光源條件：有一定的輻照度以滿足測(cè)量精度要求下的信噪比，有一定的太陽高度角，測(cè)量時(shí)太陽天頂角小于50°的自然太陽光，中緯地區(qū)夏天測(cè)量時(shí)間為地方時(shí)早晨10點(diǎn)至下午2點(diǎn)。

1.2學(xué)校所在地重慶氣候難以滿足野外光譜測(cè)定

學(xué)校所在的重慶地區(qū)，處于長(zhǎng)江和嘉陵江兩江匯合之處，氣候溫暖濕潤(rùn)，山地為主，有霧都之稱，天氣常為陰雨天，空氣濕度大，天空中常年云層較厚，除夏天7、8兩個(gè)月外，其余月份，光照不足，7、8兩個(gè)月光照有太強(qiáng)，理想的測(cè)試條件很難滿足。對(duì)查詢網(wǎng)和天氣網(wǎng)（網(wǎng)址：https：// www.ip138.com； https：//lishi.tianqi.com/chongqing/index.html）2020年的重慶天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，全年晴天只有12天，4、5、6月份各一天，7月份兩天，8月份3天，11月份4天，而且這一氣候難以在近期改變，更加限制了對(duì)地物光譜的測(cè)試

2模擬環(huán)境地物光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

2.1可行性分析

地物光譜是自然界的地物具有隨波長(zhǎng)變化的反射、吸收、發(fā)射和散射電磁波的能力和特征，[2]地物光譜可以通過各種光譜測(cè)量?jī)x器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室、野外地面測(cè)量、航空光譜成像以及衛(wèi)星光譜成像的方法得到。[3]教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心擁有的光譜儀為美國(guó)ASD公司便攜式地物光譜儀HH2，波長(zhǎng)范圍：325-1075nm；內(nèi)置激光器可精確鎖定目標(biāo)，25℃的寬視場(chǎng)角，波長(zhǎng)范圍：325-1075nm，配有軟件：RS3TM控制軟件，ViewSpecProsTM后處理軟件，HH2同步界面軟件。實(shí)驗(yàn)證明：ASD系列近紅外光譜儀的適用領(lǐng)域非常寬廣。[4]即具有野外地物光譜測(cè)試的便攜性，也支持在室內(nèi)環(huán)境達(dá)到要求配置模擬太陽光的光源下，對(duì)地物樣品進(jìn)行光譜反射率測(cè)定，具有室內(nèi)模擬測(cè)試的穩(wěn)定性。

2.2準(zhǔn)備工作

2.2.1光源選擇

針對(duì)我實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光譜設(shè)備，選擇了ASD公司自產(chǎn)的模擬陽光的普通鹵素模擬光源，光譜和AM1.5太陽光吻合程度大于90%、光強(qiáng)度不穩(wěn)定范圍小于5%、電流調(diào)節(jié)范圍8—23A，平行光情況下對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)變化范圍為67～230mW/cm2*、光源最大功率500W、工作溫度：5°C–35°C、工作濕度：5-95%，在40°C時(shí)無凝露。

2.2.2對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行改造

首先是解決光污染的問題，既然有模擬的光源，室外的自然光和室內(nèi)的反射光，就形成了光污染，影響光譜測(cè)定。選擇了顏色較深，反光率較弱，100%遮光的窗簾，對(duì)窗簾和墻壁的縫隙進(jìn)行用水泥釘把窗簾固定到墻壁上的方式，使窗簾和墻壁之間無縫連接，窗子上面粘貼30CM的遮光窗花紙，達(dá)到測(cè)試的環(huán)境要求。黑色絨布遮蓋搬不走，又反射光的設(shè)備，比如空調(diào)、實(shí)驗(yàn)桌等用。最后還要用空氣凈化器解決空氣流通問題。

2.3室內(nèi)外測(cè)試對(duì)比

2020年7月，測(cè)定地物光譜反射率，檢測(cè)模擬環(huán)境是否達(dá)到測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試對(duì)象兩盆花缽（見圖1、圖2），（1）設(shè)置環(huán)境，拉上窗簾、打開通風(fēng)設(shè)備、遮擋可反光形成光污染的設(shè)施。（2）是架構(gòu)調(diào)試儀器設(shè)備，把光源固定在三腳架上，放在室內(nèi)中央，地上鋪設(shè)黑綠色的絨布做背景，三腳架的高度調(diào)整到85CM，讓光源以70度向下的傾角照射花缽。（3）測(cè)定地物光譜，將HANDheld 2儀器垂直90度瞄準(zhǔn)采集樣品，并保證合適的采集距離，使樣品充滿整個(gè)視場(chǎng)角范圍。為了減少誤差，可以多采集幾次，默認(rèn)設(shè)置測(cè)定5次，后期處理取平均值。

2.4應(yīng)用到“遙感概論”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中

課堂效果。地物光譜實(shí)驗(yàn)，分別在兩個(gè)班，2020級(jí)師范四班和地理科學(xué)1班的遙感實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行。師范四班安排的是星期四晚上的課，所以必須在模擬環(huán)境下進(jìn)行，地理科學(xué)1班安排的是星期五早上2-4節(jié)進(jìn)行，恰巧2021年4月30日天氣晴朗，適合自然環(huán)境下測(cè)定地物光譜。兩個(gè)班在不同的環(huán)境下進(jìn)行，課后對(duì)模擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同學(xué)進(jìn)行了問卷調(diào)查，是否接受實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方式的調(diào)查中，97%的同學(xué)回答接受，是否完成了實(shí)驗(yàn)的調(diào)查，100%同學(xué)回答完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況分析，得出兩個(gè)班的實(shí)驗(yàn)課完成了大綱的要求。

3模擬環(huán)境地物光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

3.1模擬環(huán)境地物光譜測(cè)定實(shí)驗(yàn)效果

模擬環(huán)境地物光譜測(cè)定實(shí)驗(yàn)達(dá)到了以下效果：（1）培養(yǎng)了學(xué)生克服困難創(chuàng)造條件完成實(shí)驗(yàn)的品格；（2）打破了自然條件的限制，地物光譜實(shí)驗(yàn)按照教學(xué)計(jì)劃和大綱要求進(jìn)行，滿足了教學(xué)需要；（3）室內(nèi)光源穩(wěn)定，風(fēng)力、噪音干擾相對(duì)室外較弱，減少了頻繁優(yōu)化儀器設(shè)備的麻煩。

3.2模擬環(huán)境地物光譜測(cè)定不足的地方

模擬環(huán)境還不夠標(biāo)準(zhǔn)需要提高，光源如果從鎢石英鹵素?zé)籼岣叩介L(zhǎng)弧氙燈穹頂光源更有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，長(zhǎng)弧氙燈與野外太陽光色溫和光譜中各波長(zhǎng)段能量占比接近。[6]實(shí)驗(yàn)前環(huán)境布置，燈光調(diào)試比較費(fèi)精力。因條件限制我們現(xiàn)在測(cè)水體的光譜反射率還有困難。

4結(jié)束語

以美國(guó)ASD公司的HH2光譜儀為例，介紹了室內(nèi)地物光譜測(cè)試的探索進(jìn)行過程和優(yōu)勢(shì)及不足的地方，這一探索，打破了地物光譜實(shí)驗(yàn)自然條件的約束，可以按照教學(xué)計(jì)劃，滿足了教學(xué)需要，值得在類似重慶氣候的地方高校推廣。

基金項(xiàng)目：西南大學(xué)2020年實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目“地物光譜測(cè)試改進(jìn)實(shí)驗(yàn)”（項(xiàng)目編號(hào)：SYJ2020011）

參考文獻(xiàn)

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