对地物光谱反射率测定实验的改进

2021-01-10安小六汤旭光

科教导刊 2021年26期

安小六汤旭光

摘要针对高校地理科学专业“遥感概论”课程的地物光谱反射率测定实验，在自然环境下受天气条件的限制，难以实时开展的问题，以美国ASD公司的HH2光谱仪为例，探索在模拟环境下，对地物光谱反射率进行测定，打破自然条件的约束，并引入“遥感概论”的实验课中。可以让学生了解模拟野外的环境测试地物光谱的必要性、可行性，使地物光谱反射率测定实验，不受自然条件限制，可以按照教学计划进度和大纲要求进行，满足实验教学和科研需要，同时也培养学生克服困难创造条件完成实验的学习品格。

关键词地物光谱模拟环境测定实验教学实践

中图分类号：P232文献标识码：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

“遥感概论”作为一门地理学的专业基础课程，实验教学在学科教育中占有1/3课程，教学内容包含地物光谱反射率测定、遥感图像的分类和图像判读、信息的提取等，地物光谱相关知识是遥感地学分析的基础，[1]地物光谱反射率测定是遥感课程中最基础的一个实验项目，高校的地理学科，应设置地物波谱反射率野外测定实验，我院的重庆市地理科学实验教学示范中心设有遥感实验室，购置有地物光谱仪设备，具有开设实验的硬件条件，但是地物光谱在本科的实验教学中多数学年完不成。

1地物光谱测试实验的难以完成原因

1.1野外测定自然条件求高

因野外地物光谱测量需要考虑各种光谱影响因素，自然环境条件要去特别高，具体如下：

云量限定：太阳周围90°立体角，淡积云量，无卷云、浓积云等，光照稳定。

风力要求：测量时间内风力小于5级，对植物，测量时风力小于3级。

光源条件：有一定的辐照度以满足测量精度要求下的信噪比，有一定的太阳高度角，测量时太阳天顶角小于50°的自然太阳光，中緯地区夏天测量时间为地方时早晨10点至下午2点。

1.2学校所在地重庆气候难以满足野外光谱测定

学校所在的重庆地区，处于长江和嘉陵江两江汇合之处，气候温暖湿润，山地为主，有雾都之称，天气常为阴雨天，空气湿度大，天空中常年云层较厚，除夏天7、8两个月外，其余月份，光照不足，7、8两个月光照有太强，理想的测试条件很难满足。对查询网和天气网（网址：https：// www.ip138.com； https：//lishi.tianqi.com/chongqing/index.html）2020年的重庆天气数据进行分析，全年晴天只有12天，4、5、6月份各一天，7月份两天，8月份3天，11月份4天，而且这一气候难以在近期改变，更加限制了对地物光谱的测试

2模拟环境地物光谱测试实验实践

2.1可行性分析

地物光谱是自然界的地物具有随波长变化的反射、吸收、发射和散射电磁波的能力和特征，[2]地物光谱可以通过各种光谱测量仪器，经实验室、野外地面测量、航空光谱成像以及卫星光谱成像的方法得到。[3]教学实验中心拥有的光谱仪为美国ASD公司便携式地物光谱仪HH2，波长范围：325-1075nm；内置激光器可精确锁定目标，25℃的宽视场角，波长范围：325-1075nm，配有软件：RS3TM控制软件，ViewSpecProsTM后处理软件，HH2同步界面软件。实验证明：ASD系列近红外光谱仪的适用领域非常宽广。[4]即具有野外地物光谱测试的便携性，也支持在室内环境达到要求配置模拟太阳光的光源下，对地物样品进行光谱反射率测定，具有室内模拟测试的稳定性。

2.2准备工作

2.2.1光源选择

针对我实验室现有的光谱设备，选择了ASD公司自产的模拟阳光的普通卤素模拟光源，光谱和AM1.5太阳光吻合程度大于90%、光强度不稳定范围小于5%、电流调节范围8—23A，平行光情况下对应的光强变化范围为67～230mW/cm2*、光源最大功率500W、工作温度：5°C–35°C、工作湿度：5-95%，在40°C时无凝露。

2.2.2对场地进行改造

首先是解决光污染的问题，既然有模拟的光源，室外的自然光和室内的反射光，就形成了光污染，影响光谱测定。选择了颜色较深，反光率较弱，100%遮光的窗帘，对窗帘和墙壁的缝隙进行用水泥钉把窗帘固定到墙壁上的方式，使窗帘和墙壁之间无缝连接，窗子上面粘贴30CM的遮光窗花纸，达到测试的环境要求。黑色绒布遮盖搬不走，又反射光的设备，比如空调、实验桌等用。最后还要用空气净化器解决空气流通问题。

2.3室内外测试对比

2020年7月，测定地物光谱反射率，检测模拟环境是否达到测定标准。

测试对象两盆花钵（见图1、图2），（1）设置环境，拉上窗帘、打开通风设备、遮挡可反光形成光污染的设施。（2）是架构调试仪器设备，把光源固定在三脚架上，放在室内中央，地上铺设黑绿色的绒布做背景，三脚架的高度调整到85CM，让光源以70度向下的倾角照射花钵。（3）测定地物光谱，将HANDheld 2仪器垂直90度瞄准采集样品，并保证合适的采集距离，使样品充满整个视场角范围。为了减少误差，可以多采集几次，默认设置测定5次，后期处理取平均值。

2.4应用到“遥感概论”实验教学中

课堂效果。地物光谱实验，分别在两个班，2020级师范四班和地理科学1班的遥感实验课进行。师范四班安排的是星期四晚上的课，所以必须在模拟环境下进行，地理科学1班安排的是星期五早上2-4节进行，恰巧2021年4月30日天气晴朗，适合自然环境下测定地物光谱。两个班在不同的环境下进行，课后对模拟环境进行实验的同学进行了问卷调查，是否接受实验进行方式的调查中，97%的同学回答接受，是否完成了实验的调查，100%同学回答完成了实验。实验报告情况分析，得出两个班的实验课完成了大纲的要求。

3模拟环境地物光谱测试实验分析

3.1模拟环境地物光谱测定实验效果

模拟环境地物光谱测定实验达到了以下效果：（1）培养了学生克服困难创造条件完成实验的品格；（2）打破了自然条件的限制，地物光谱实验按照教学计划和大纲要求进行，满足了教学需要；（3）室内光源稳定，风力、噪音干扰相对室外较弱，减少了频繁优化仪器设备的麻烦。

3.2模拟环境地物光谱测定不足的地方

模拟环境还不够标准需要提高，光源如果从钨石英卤素灯提高到长弧氙灯穹顶光源更有利于实验教学，长弧氙灯与野外太阳光色温和光谱中各波长段能量占比接近。[6]实验前环境布置，灯光调试比较费精力。因条件限制我们现在测水体的光谱反射率还有困难。

4结束语

以美国ASD公司的HH2光谱仪为例，介绍了室内地物光谱测试的探索进行过程和优势及不足的地方，这一探索，打破了地物光谱实验自然条件的约束，可以按照教学计划，满足了教学需要，值得在类似重庆气候的地方高校推广。