趙恒謙 蔣金豹 李晶

摘要：在高光譜技術(shù)快速發(fā)展的背景下，高光譜遙感專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革變得越來越重要。本文在高光譜課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入中科譜光公司自主研制的便攜式智能光譜檢測(cè)系統(tǒng)Hyscan光譜儀，將其和ASD光譜儀進(jìn)行了光譜觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究表明，Hyscan光譜儀具有便攜、快速、實(shí)時(shí)、智能等突出優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可以為高光譜遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：高光譜遙感 教學(xué)改革 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) Hyscan光譜儀

中圖分類號(hào)：G642.0;P237

Preliminary Study on the Teaching Reform of Hyperspectral Remote Sensing Experiment Based on Hyscan Spectrometer

ZHAO Hengqian* ?JIANG Jinbao ?LI Jing

（College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijing， 100083China）

Abstract： With the rapid development of hyperspectral technology， the experimental teaching reform of hyperspectral remote sensing has become more and more important. In this paper， the portable intelligent spectrum detection system Hyscan spectrometer independently developed by Progoo company is introduced into the hyperspectral course， and the specturm observation comparison experiment is carried out with ASD spectrometer. The results show that Hyscan spectrometer has the advantages of portability， fast， real-time and intelligence， and accurate and reliable data， which can provide strong support for the experimental teaching reform of hyperspectral remote sensing.

Key Words： Hyperspectral remote sensing; Teaching reform; Innovation experiment; Hyscan spectrometer

隨著社會(huì)技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感傳感器的分辨率也在不斷提高，其中高光譜遙感技術(shù)依靠光譜連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、信息量大、高效便捷、實(shí)時(shí)無損等特點(diǎn)，使其成為21世紀(jì)遙感領(lǐng)域重要的研究方向之一[1，2]。目前高光譜遙感課程已經(jīng)在眾多高校得以開設(shè)，對(duì)高光譜遙感進(jìn)行教學(xué)以及課程改革對(duì)遙感學(xué)科的發(fā)展至關(guān)重要[3，4]。

高光譜遙感作為遙感領(lǐng)域?qū)I(yè)課程，與遙感概論等基礎(chǔ)課程以及遙感圖像處理等實(shí)踐操作課程有所不同，高光譜遙感課程不但需要讓學(xué)生掌握高光譜儀器的操作方法，同時(shí)還需具備對(duì)光譜數(shù)據(jù)的分析能力[5]。便攜式智能光譜儀是數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)，是基于光譜分析技術(shù)的、可在各類環(huán)境中快速進(jìn)行光譜檢測(cè)的智能設(shè)備，具有便攜、快速、實(shí)時(shí)、智能等優(yōu)勢(shì)，可滿足快速實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行高光譜遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的儀器多采用ASD、PSR或其他成像光譜儀，與便攜式智能光譜儀相比，其成本高、體積大，攜帶不方便，同時(shí)測(cè)量時(shí)對(duì)天氣、光源有要求，受自然條件影響較大。本次教學(xué)改革針對(duì)這方面的缺陷，與中科譜光公司合作，引進(jìn)中科譜光公司自主研制的便攜式智能光譜儀及智能光譜檢測(cè)系統(tǒng)在高光譜教學(xué)改革課程中進(jìn)行應(yīng)用。

1. 光譜儀器介紹及測(cè)量方法

中科譜光公司研制的便攜式智能光譜儀Hyscan可實(shí)現(xiàn)野外快速實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過內(nèi)置光源降低了對(duì)背景光源的需求，不受天氣影響。通過光譜數(shù)據(jù)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與智能手機(jī)互聯(lián)，通過特定APP控制光譜數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)顯示分析結(jié)果。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法相比，能快速、實(shí)時(shí)、智能地滿足各行各業(yè)的檢測(cè)需求。本研究通過Hyscan光譜儀與ASD地物光譜儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)課程實(shí)驗(yàn)改革的可行性進(jìn)行分析。

1.1 光譜儀器介紹

Hyscan便攜式智能光譜儀包括光譜傳輸單元、采集單元、數(shù)據(jù)處理單元，以及顯示單元即便攜式終端設(shè)備（手機(jī)或平板電腦）4個(gè)主要模塊。其特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）智能采集，無需復(fù)雜的操作流程，直接和iPad或手機(jī)等移動(dòng)終端藍(lán)牙連接使用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定標(biāo)，一鍵式光譜采集;（2）尺寸小于20cm×10cm×4cm，波長(zhǎng)范圍為330～1050nm，儀器光譜分辨率小于10nm;（3）全天候測(cè)量，產(chǎn)品攜帶有主動(dòng)光源，不受外部觀測(cè)條件的影響;（4）產(chǎn)品通過LBS定位，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量軌跡自動(dòng)記錄，光譜采集位置追溯等功能，便于野外光譜采集信息記錄。

ASD地物光譜儀由美國(guó)Analytical Spectral Device公司制造。（1）它能夠快速記錄光譜信息，波長(zhǎng)范圍為350～2500nm，同時(shí)還能保持較高的信噪比，從而減小由于風(fēng)、云及太陽(yáng)光照等外界條件發(fā)生變化而引起的偶然誤差。在 350～1000nm波光譜采樣間隔為1.4nm，光譜分辨率為3nm;在 1000～2500nm 波段的采樣間隔為 2nm，光譜分辨率為10nm。（2）通過1m長(zhǎng)的光纖直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)入光譜儀，可以在同一采樣點(diǎn)獲取多個(gè)數(shù)據(jù)而不需頻繁挪動(dòng)儀器。（3）視場(chǎng)角為25°，可更換8°鏡頭。

1.2 光譜測(cè)量方法

植株冠層測(cè)量方法：根據(jù)植株平均株高，在測(cè)量冠層光譜時(shí)，光纖頭置于冠層垂直上方5、6cm處。光譜測(cè)量采用25°視場(chǎng)角，探頭向下，測(cè)量前均采用白板校正，每個(gè)樣株均測(cè)量3條光譜，去除明顯異常值后，用均值作為該植株冠層光譜。植株莖、葉測(cè)量方法：將手持式設(shè)備緊壓在植株靠近根部莖、葉上，直接利用手持式光譜設(shè)備的光源進(jìn)行光譜采集。設(shè)置可見光積分時(shí)間10ms，光譜平均采集次數(shù)5次。圖1（a）為田間實(shí)驗(yàn)便攜式光譜儀Hyscan操作方法;圖1（b）為田間實(shí)驗(yàn)ASD光譜儀的操作方法。

2. 高光譜課程教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)室光譜數(shù)據(jù)比較

在實(shí)驗(yàn)室中，分別使用Hyscan、ASD和PSR這3種光譜儀定標(biāo)后測(cè)量了3塊標(biāo)準(zhǔn)板（綠板、棕板、黑板）的光譜曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行包絡(luò)線去除。

對(duì)比圖2中3塊標(biāo)準(zhǔn)板的原始光譜可以看出，3種儀器對(duì)綠板、棕板、黑板測(cè)量的光譜曲線線型基本相似，只是反射率值的大小略有不同。對(duì)比圖3中3塊標(biāo)準(zhǔn)板的包絡(luò)線去除光譜可以看出， 由Hyscan光譜儀測(cè)得數(shù)據(jù)的吸收反射特征比其他兩種儀器數(shù)據(jù)更為明顯。

2.2 田間光譜數(shù)據(jù)比較

分別使用Hyscan便攜式光譜儀和ASD地物光譜儀測(cè)量了5個(gè)番茄品種：瑞拉、喜來德1號(hào)、博粉十二、凱德1832、改良9號(hào)的葉片光譜，使用ASD測(cè)量了相同樣株的冠層光譜。每個(gè)品種均選擇5個(gè)樣株，同一采樣點(diǎn)獲取3條光譜。

圖4為使用便攜式光譜儀測(cè)定番茄葉片光譜反射率和ASD光譜儀測(cè)定番茄冠層及葉片的光譜反射率原始曲線。通過圖4可以看出，兩個(gè)儀器所測(cè)得的 番茄葉片光譜反射率曲線均在555nm附近有一個(gè)峰值，在670nm附近有一個(gè)波谷，在400～750nm范圍內(nèi)曲線形態(tài)基本相似，而在690～750nm波段范圍內(nèi)光譜反射率明顯增強(qiáng)，曲線陡而接近直線，其斜率與植物在單位面積上的葉綠素（a+b）含量有關(guān)。

圖5為便攜式光譜儀和ASD光譜儀測(cè)得瑞拉、喜來德1號(hào)、博粉十二、凱德1832、改良9號(hào)5個(gè)品種分別的葉片光譜反射率平均值。由圖5可以看出，兩個(gè)光譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，作物葉片光譜自750nm后趨于平緩，970nm附 近受水分吸收的影響達(dá)到反射率最低值。在可見光波段范圍（400～750nm）內(nèi)，葉片反射率主要受葉片葉綠素含量等的影響，水分吸收率非常低，而在近紅外（750～1300nm）范圍內(nèi)有2個(gè)以970、1200nm為中心的葉片水分窄吸收帶[7，8]。

3. 結(jié)語(yǔ)

高光譜遙感專業(yè)課程擔(dān)任著深化學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)和提高實(shí)踐能力的重任。本研究在高光譜遙感實(shí)驗(yàn)課程中引入中科譜光公司自主研發(fā)的便攜式智能光譜 檢測(cè)系統(tǒng)-Hyscan光譜儀，分別在室內(nèi)和室外條件下利用Hyscan光譜儀和ASD光譜儀開展光譜觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究表明，Hyscan光譜儀具有便攜、快速、實(shí)時(shí)、智能等突出優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可以為高光譜遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供有力支撐。

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