手持式地物光谱仪对水体叶绿素的光谱特性测试研究

为什么用地物光谱仪对地物进行测试？

对于地物的测试，传统的方法有化学法等。随着光谱学的发展，现在可以运用光谱法去对地物进行测试，获取地物自身的信息。无论是植被、土壤、水体还是人工地物都具有其自身特征的光谱反射率，我们可以通过地物光谱仪去测试地物的光谱反射率，有些地物信息是可以直接通过地物光谱测量去获取，除此之外地物光谱测量也能辅助一些化学法或者其他方法去对地物做研究。

地物光谱特征

每种地物的自身特性都不一样，有些地物会吸收掉大部分的太阳光，而有些会将大部分太阳光反射出去，这种地物的反射率比较高，有一些能被部分太阳光透过，这些地物都具有不一样的反射光谱。所谓光谱学，就是研究一定波长的电磁波在液体，固体和气体这三种介质中经过反射，辐射，散射以及吸收作用的学科。研究地物光谱特征主要就是研究其反射光谱，知道地物的光谱吸收段并通过吸收段的光谱响应来获取反演地物的材料，状态等等。光谱范围能否包括我们测试地物需要提取的特征点获取信息的光谱吸收段，是我们能否顺利研究获取地物信息的关键，所以我们首先需要知道光谱范围，还需要看其光谱分辨率，光谱带宽以及信噪比。相邻的两个通道的中心波长的波长间隔就是光谱分辨率，这个波长间距对被测地物的局部特征反映有影响，采样间隔越小，就越能反映被测地物的局部吸收。光谱带宽是指光谱仪内一个光谱通道的宽度，带宽的宽窄直接影响了地物测量的精确性，带宽太宽，就会导致我们需要提取的特征点丢失，测量精度低，带宽越窄，就不容易损失有用的信息，在邻近的谱段能测到的波谱样本越多，对地物的测量就越精确，有利于数据处理分析。信噪比是传感器的信号功率（SP）和噪声功率（NP）之比，它取决于探测器的敏感度、光谱宽度、被测量物表面反射和发射光的强度，当信噪比低的时候，噪声功率的占比就会比较高，对地物的信号探索反演有很大的干扰；当信噪比高时，就能更准确的去获取地物的光谱信息。

除了植被、土壤等典型的地物光谱，人们还开始研究一些人工地物的光谱特征，比如迷彩服的绿色与植被的绿色的区别。而且根据这些需要，也建立起越来越精确且多样的地物光谱库，为高光谱影像分类和匹配做准备。

2.1水体遥感的原理

水体的光学特征集中表现在可见光在水体中的辐射传输过程，包括水面的入射辐射、水的光学性质、表面粗糙度、日照角度与观测角度、气–水界面的相对折射率以及在某些情况下还涉及水底反射光等。对于清水，在蓝—绿光波段反射率为4%~5%。0.5um以下的红光部分反射率降到2%~3%，在近红外、短波红外部分几乎吸收全部的入射能量。因此水体在这两个波段的反射能量很小。这一特征与植物形成十分明显的差异，水在红外波段(NIR, SWIR)的强吸收，而植被在这一波段有一个反射峰，因而在红外波段识别水体是较容易的。

2.2水体遥感的测试流程

无人机高光谱成像系统要实现水质定性定量从宏观空间和时间上污染分布变化，不简单是高光谱数据采集，要实现空间分布及定量测量，还需同时用地物光谱仪去进行水面采样，将采样数据进行水质化学参数分析后，再与高光谱数据进行比对、匹配，完成模型。图2-1为无人机高光谱水质检测流程图；图2-2为莱森光学地物光谱仪。

图2-1无人机高光谱水质检测流程图

图2-2莱森手持式地物光谱仪iSpecField-HH

2.3水体光谱特性

水体的光谱特性不仅是通过表面特征确定的，它包含了一定深度水体的信息，且这个深度及反映的光谱特性是随时空而变化的。水色(即水体的光谱特性)主要决定于水体中浮游生物含量(叶绿素浓度)、悬浮固体含量(混浊度大小)、营养盐含量、有机物质、盐度指标以及其他污染物、底部形态(水下地形)、水深等因素。因此，通过遥感系统测量并分析水体吸收和散射太阳辐射而形成的光谱特征，是水质遥感定量监测的基础。

图2-3不同浑度的水体光谱反射率

地物光谱特征的数据获取

3.1野外光谱数据采集

环境因素、仪器参数灵敏度、采集的方法、地物本身特性等各种因素都会影响我们野外地物光谱测量的结果，所以我们在测量前需要根据被测的地物和人物指定相应的测试方案，尽可能规避所有对所测结果产生影响的各种干扰因素，尽可能保证所得的光谱数据能够真实体现出地物本身的光谱特性，并且记录当时使用的仪器参数，测量条件以及被测地物的信息。这样测量出来的数据才具有可靠性，为之后的数据反演和光谱库建立提供依据成。

3.2地物光谱测量条件和注意事项

3.2.1地物光谱测量条件

①目标选取：选取的被测地物要具有象征性，需要能准确反映出该地物的平均生态情况。（根据实际需求）。在测量植被冠层等地物时，需要考虑土壤覆盖率等背景因素。

②能见度的要求：除了测量内容包括对大气污染程度的研究，测量的能见范围要不小于10千米。

③云量限定：太阳光源需稳定，不能够时而阴天时而晴天，云量也需要稳定，若在测量过程中光照强度发生变化，则需要重新进行标定。

④风力要求：一般情况下测量时风力不大于5级，若测量植物，测量时风力不大于3级。

⑤测量时间：上午10时至下午2时是最好的地物光谱测试时间段。

测量步骤：

①记录测量仪器及附件名称、编号。

②记录测量时间、地点(地理位置和经纬度)、环境(天气，能见度，风力等)。

③记录测量目标，可使用照相机进行实物拍照。

④开始测量。

⑤测量结束后，记录结束时间,测量人员。

3.2.2地物光谱测量注意事项

野外光谱测试的时间要求是在上午十点至下午二点进行，若下午三四点太阳光依旧充足且稳定，则可以进行测量。风力小于5级，若测量地物为植被，则风力小于3级，如果被测地物为土壤，要避免雨后的湿气对土壤反射率的影响。要选择能反映出地物平均自然性的地物，对同一种地物进行多次测量，排除随机性，保证测试结果准确可比，使数据具有代表性。

仪器测试要求：仪器的探头需要正对着地物，使探测面与水平面持平。

传感器镜头的选择：根据测量地物的面积、地物覆盖率去选择不同视场角的镜头，视场角较大的镜头适合测量距离较近、地物覆盖率高的地物。若测量地物较远或者该地物覆盖率不高的情况下，则需要用到视场角较小的镜头。

避免阴影：校准标定标准板时需要正对着阳光，测量的时候也需要正对着阳光，避免阴影。野外大面积测试光谱数据时，需要根据太阳光的方向设计测试方案。

白板反射校正：根据被测地物自身反射率高低，选择合适反射率的标准板。由于太阳光角度、强弱时刻发生变化，仪器需要经常用白板校准，天气较好的情况下几分钟需要标定一次。若天气较差，标定的频率则需要更高。当阴影不可避免时，使用参考白板校正时应注意遮荫。

防止光背景污染：野外测量时，应该注意到被测地物周围的环境是否对地物本身的反射光谱特征有影响，若有则需要记录下来或者规避该影响。测量植被时，土壤覆盖率较高的话，则需要更换视场角镜头以及记录土壤的光谱数据，后期对植被光谱数据进行校正。除此之外，测试人员需要穿深色颜色的衣服，避免改变被测物体的反射光谱特征。

测量时间和校准频率：光谱测试应在上午十点至下午两点之间完成，并在光照稳定的条件下进行。在时间充裕的情况下，尽可能多测几组数据，以求平均值，降低仪器等因素带来的影响。进行水体测量时，需要换低反射率的标准板重新标定，测量数据应至少跨越一个波浪周期。

采集辅助数据：记录所有测试地物的GPS信息，并且记录测试时每种被测地物的周围环境，并且拍照记录，以便后续数据分析。

3.2.3水样采集流程

在研究区内选取10~20个采样点，使用标准采样器对水面至水下50cm的水柱进行取样，并测定水质参数。悬浮物浓度(mg/L)、浊度(度)分别按照GB11901—89(1990年)、GB 13200—91(1990年)进行测定，同步开展水面高光谱数据测量。

使用iSpecField-HH地物光谱仪（图1-2）在350-1100 nm波谱段内按照1 nm间隔采样，水面光谱采用倾斜法进行测量，每次测定前需对辐射仪进行校正，单个样点重复采集5次，以均值为光谱反射值。图3-1为水面采样图。

数据获取与处理

4.1 数据获取

①实验仪器：本实验使用iSpecField-HH手持式地物光谱仪（图4-1），其光谱范围250-1100nm，通道数1600，探测器为2048像素CCD/512像素InGaAs-TEC致冷：固定全息光栅分光，光谱分辨率为1nm@250-1100nm；最短积分时间为50微秒，视场角为8°以及99%标准白板。

②实验时间地点人物：2022年12月21日，广东省深圳市深圳大学，王海东，谭文祥等。

③测试地物：河道。

图4-1手持式地物光谱仪iSpecField-HH

4.2 数据处理

总共测试了十个采样点，每个采样点测试十次，将数据进行平滑后取平均值。

图4-2十个采样点反射率对比图

由图4-2可看出，十个采样点整体反射率趋势相同，采样点2的反射率最高，采样点4的反射率最低，在490-570nm波长的绿光反射率范围内，可根据反射率高低初步判断不同采样点的浮游植物和有机物的含量，这是由于浮游植物吸收了光谱中的蓝、绿光并进行光合作用，导致绿色光反射率较高。同时，水中溶解有机物和悬浮物等也会对光的传输产生影响。水体反射光谱在650到700nm波段出现的吸收带是由于水体中溶解有机物和色素所引起的吸收作用导致的。这个吸收带被称为波长为峰值的被动光学水体色素浓度指数（PEI）。PEI可以用来估算水体中的叶绿素a含量。当水体中叶绿素a浓度较高时，水体对绿色辐射的吸收作用会占据主要位置，而当叶绿素浓度较低时，水体在650-700nm波段的反射率较高。

需要注意的是，PEI受到水质和环境因素的干扰较大，其估算结果仅供参考。对于精确测量叶绿素含量，还需要进行采样分析等操作。

结论

水质光谱测量是一种非常重要的水质检测技术，具有以下几方面的意义：

1.检测水体的透明度和颜色：通过测量水体的透明度和颜色，可以判断水体中悬浮物、有机质、营养盐和微生物等污染物的含量和分布情况。

2.监测水体中的营养盐：水体中过多的营养盐（如氮、磷等）会引起富营养化，导致水中藻类过多、COD增高等问题。水质光谱测量可以探测出水体中营养盐的浓度，从而评估水的污染状况。

3.跟踪和预警反应某些污染：某些有害物质，例如含铜、铁、汞、铅等重金属离子、有机物和致病微生物等，会致使水体的物理化学性质发生改变。水质光谱技术可以精确和及时检测这些有害物质的存在，从而实现对水体的跟踪监测和预警反应。

4．研究水文地理过程：水质光谱测量可以研究水文地理过程，如河流、湖泊和海洋等自然水体的流速、流向、流量、水深、沉积物等过程。这有助于深入了解环境和生态系统，从而为环境保护和生态恢复提供更有效的数据支持。

地面水样采集后再用无人机高光谱（图5-1）取进行区域光谱反射率测量，就能进行进一步反演，可实现大范围水质检测，也可以反映水质在空间、时间上的分布和变化情况以及预测未来水质变化趋势。

图5-1iSpecHyper-VM100无人机高光谱

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审核编辑 黄宇