如何指导:场光谱学

场光谱学使科学家能够测量不同的物质如何与电磁能量相互作用，从而支撑了使我们能够从空中或太空观察世界的技术。在空中或地球轨道上的超光谱和多光谱传感器被设计用来测量特定波长的光，这些光已经被确定为有用的场光谱学。然后，场光谱学还用于验证无人机、飞机和卫星数据或“地面真相”。

然而，场光谱不仅用于支持遥感，它本身也是一种重要的科学工具，广泛用于非破坏性识别和表征材料和表面。这在气候研究、精准农业、地质勘探、融雪测绘、空间生态学、污染管理等许多领域都至关重要。虽然在实验室中有许多固定照明条件下的光谱学应用，但本指南将特别侧重于在室外自然照明环境中使用便携式光谱仪，因为这与环境应用和验证卫星和机载遥感仪器最相关。

现场光谱仪能够测量表面的两个特别重要的性质:反照率和光谱反射率因子。反照率是照射表面的所有向下的太阳能与从表面逸出的上涌光的比率。这对于确定能量平衡和计算森林树冠、积雪吸收的太阳能量以及用于作物光合作用和海洋藻类繁殖的太阳能量至关重要。反射率因子是相对于反射板的近似“完美”散射，以特定方向反射的入射太阳能的量，使用固定视角的透镜测量(Nicodemus et al.， 1977)。方向测量更类似于卫星、飞机和无人机对地球表面区域的多光谱或超光谱地图的测量。每种测量方法的测量方案在科学文献、教科书和使用手册(例如NERC FSF)中广泛可用。

本指南将概述一些对新用户来说可能不会立即明显，但可能完全使使用现场光谱仪进行的测量失效的特定陷阱。目的是帮助读者避免在野外获得反照率和方向反射率因子测量时出现的一些重要但常见的错误和误解。

测量正确的属性

使用光谱辐射计进行测量的类型完全取决于要回答的研究问题。如果研究的目的是验证遥感数据，或确定特定材料的光谱特征，那么最合适的方法可能是在与机载或卫星仪器的视角尽可能相似的固定视角中测量反射率。然而，这种类型的测量忽略了整个观测半球的反射辐射，除了在狭窄的圆锥视野。对于能量平衡的研究，估计地表反照率是最合适的，因为它考虑了从各个方向到达和离开地表的能量。

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使用正确的镜头

定向反射率测量使用裸纤维，或准直透镜，限制瞬时视野。传感器只测量到从表面反射的总能量的一小部分。对于反照率，合适的透镜称为余弦收集器。该装置将光纤的视角扩展到整个半球(180度天顶和360度方位角)。该传感器之所以命名，是因为它使用一个扩散器来测量与入射光的余弦角成正比的辐照度。重要的是要认识到不同的准直透镜在地面上产生不同的测量区域。

测量方向正确

测量方向是至关重要的，因为纯天然表面在某些方向上的反射光比其他方向略多或显著多。例如，冰和雪表现出强烈的正向散射光的偏好。这就是为什么在不了解各向异性反射率因子(ARF)的情况下，具有有限视角的向下测量不能转换为地表反照率的主要原因。从本质上讲，测量很可能会遗漏大部分反射能量。低空视图测量是非常常见的，但可能有很好的理由测量最大散射方向，或反向散射方向。注意确保所选择的测量方向适合你的研究问题。

照明条件

即使是用相同的仪器测量相同的表面，反射率的测量也会随着照明条件的变化而变化。这可能是由于云量、太阳角度和大气成分的变化。云吸收波长较长的太阳能比吸收波长较短的可见光更有效。以冰雪为例，这意味着在阴天，入射光更集中在能被地表有效反射的波长上，导致反照率比晴空时更高(Grenfell and Maykut, 1977)。同样，当太阳处于较低的角度时，入射光会“掠过”表面，而不是穿透得更深，这意味着当太阳处于较低的位置时，反照率会增加。由于这些原因，测量通常在较短的窗口内进行(太阳中午前后各2小时)，以尽量减少由于太阳角度变化和云层覆盖不变的情况下造成的误差。

光谱仪预热时间

测量大部分太阳光谱的光谱仪通常由几个独立的内部阵列组成，每个阵列的预热时间略有不同。忽略这一点可能会导致在数组之间的交叉点上的数据中出现人工数据。在广泛使用的ASD场谱仪的情况下，建议至少30分钟的预热时间(NERC场谱仪)，以确保两个阵列都在最佳温度下工作。这对于寒冷地区的应用尤其如此。

1000纳米人工制品

一些光谱仪的光谱数据有一个共同的特征，即在1000 nm处的光谱有阶跃。这是光纤电缆中测量特定波长的纤维聚集的结果，导致冰表面的某些部分优先测量特定波长。如果表面上存在一定程度的不均匀性，则可能导致数据中的台阶形人工制品。这可以在数据处理过程中纠正，也可以通过在现场仪器上安装随机滤波器来避免。

选择目标区域

同样重要的是要确认样品表面所覆盖的区域和光谱辐射计成像的区域。如果你想测量的表面是10平方厘米，成像面积是20平方厘米，那么测量的光谱将是你的样品和它周围的其他表面的综合信号。因此，努力确保传感器的观察面积小于样品表面所覆盖的面积。足迹可以计算从传感器高度和瞬时视场使用基本三角。

完美的参考面板

对于反射系数的测量，参考面板的质量是至关重要的。这是衡量你的样本的标准。如果面板上有凹痕、划痕、变色、污垢或缺陷，这些会通过所有的样本测量传播，并会掩盖或夸大真实的光谱特征。面板的重点是，它是尽可能接近一个完美的朗伯散射表面。最好的选择是平坦、干净的SpectralonTM，但即使这样也不是一个完美的朗伯散射器，这意味着任何缺陷都会影响最终数据的质量。参考面板的反射率应至少在每次样品测量之前和之后测量，以便对变化的照明条件进行校正。

元数据

由于使用光谱辐射计进行的反射率或反照率测量对精确的仪器配置和照明条件非常敏感，因此广泛而准确的元数据对于不同研究小组、不同位置甚至数据集中的不同测量之间的公平比较至关重要。至少应记录每一次测量的日期、时间、仪器细节、透镜类型、测量高度和角度、云量、表面坡度和坡向以及基本气象观测(Rasaiah et al.， 2014)。

参考文献

1. 李志刚，李志刚，李志刚。1977。反射率的几何考虑和命名法。华盛顿特区:国家标准局，美国商务部。网址:http://physics.nist.gov/ division /Div844/facilities/specphoto/pdf/ geoconsideration .pdf
2. 格伦费尔，t.c.，梅库特，G.A. 1977。北极盆地冰雪的光学特性。冰川学报，18:445 - 463
3. NERC场光谱设备:仪器指南，http://fsf.nerc.ac.uk/resources/guides/
4. Rasaiah, b.a.， Jones, s.d.， Bellman, C.， Malthus, T.J.(2014)光谱学领域战役的关键元数据，遥感，6:3662 - 3680,doi: 10.3390/rs6053662