14.4. 现场仪器和测量.数据采集平台¶
现场仪器和测量.数据采集平台
一个典型的实验室分光计产生的光照照射到一个样品架上，散射光从一个金属镀半球散射而来，这个半球整合在一个以光度测量的区域上。从样品表面以一定角度反射的光作为穿过半球孔的光束进行准直。斩波器（旋转信号分频器）通过交替地通过和阻挡进入栅格和/或棱镜的光来中断光束，后者将辐射分散到光谱中。来自已知和恒定强度的参考源的第二束光束在阻塞阶段到达分散元件。然后，双光束信号进入一个探测器，该探测器扫描它们（即通过色散角移动），以测量反射（强度）作为波长的函数。信号被放大，然后绘制在X-Y记录器上。我们将这些信号显示为样本反射比与参考输出的比值，以得出总反射比（镜面反射和漫反射组件）。一些仪器可以改变入射角和观察角，以获得双向反射，其中强度随所选角度而变化（显示在一系列曲线中）。
在接近真空的环境中操作分光计可以消除大气中吸收带的影响。使用实验室分光计，对怀俄明州的一些典型岩石进行了一系列固定的反射测量，第一次引入第2节，再次出现在下面。注意2.0 mm以上的吸收带与矿物成分和孔隙水有关。
近年来，“高光谱”一词已被应用于光谱曲线，这些曲线要么是在较宽的范围内连续的，例如怀俄明州组，要么是由大量单独的窄波长（高光谱分辨率）通道组成的，这些通道的间隔非常近，几乎构成了准连续光谱。直到过去十年（见下文所述的阿维里斯），从技术上讲，从快速移动的空中和空间平台操作分光计非常困难，因为仪器无法停留在足够长的时间扫描全光谱的小目标上。这一限制是陆地卫星、SPOT和其他传感器系统必须使用宽波段的主要原因，该波段将光谱间隔的变化整合为它们所代表的反射率范围的单个值。
在田间使用分光计和相关仪器的优点是可以观察到含有组成通常感兴趣类别的成分混合的表面（记住田间作物中常见的成分）。我们通常可以得到每种成分的光谱，然后返回以得到完整的混合物。这组分光谱有助于解释混合反应。此外，太阳照射的照明条件，再加上漫射天窗和地面环境的多次反射，在晴天甚至阴天的条件下，占总反射的10%到25%是最好的室外条件。
13-11: Suggest three other advantages to acquiring spectral data in the field. `ANSWER <answers.html#13-11>`__
最简单的设备之一是手持两波段或三波段辐射计，如本图中作者所持的设备：
仪器有自己的便携式电源和记录系统。光谱带宽通常为0.05至0.10 mm。常见的频道有绿色、红色和近红外频道。这些特别与计算植被指数有关（第4节）。
13-12: Specify narrow band wavelengths for vegetation detection using a two or three band radiometer (if you have forgotten what vegetation signatures look like, check Section 3). `ANSWER <answers.html#13-12>`__
我们可以在不同的视角和太阳角度，以及一年中不同的日期和时间上读取读数，以提供同一测试区域内光谱变化的记录。这些变量可能对光谱响应的特性有显著影响，因此，如本双向反射图所示，解释变化，显示红外/红色波段辐射随视角和方位（罗盘）方向的变化：
13-13: Formulate a generalization about the implications of these curves. `ANSWER <answers.html#13-13>`__
一般来说，由于双向反射效应，岩石的光谱比植被的变化要小得多。对于森林来说，树冠形状、叶或针形状以及物种组合的不规则性会对观测和照明几何结构的响应产生显著影响。便携式野外分光计现在已普遍使用。下一张图片显示了喷气推进实验室（JPL）在70年代中期开发的反射光谱仪的典型设置：
对于该仪器，光学头收集反射光并将其通过一个0.4至2.5 mm的滤光轮，进入由硫化铅（PBS）制成的冷却探测器。背包包含一个电源、放大器和记录（模拟到数字）组件。在地面目标扫描（30秒或更短）完成后，他们会在由高反射率（近白色）材料制成的平面参考板上快速重复扫描。有时他们也用一块黑板来固定反射范围的两端。在短时间内，场景照明保持大致相同，但在较长时间内，云、太阳角等的变化会导致光谱响应的变化。但是，它们通过将目标读数与参考值分开来规范化光谱。这里的假设是，由于光照条件的差异在每个采样时间以相同的方式影响目标和参考，因此相隔几分钟到几小时的一系列成对读数的辐照度变化会抵消。例如，如果在时间1处，在某个波长处，目标读数为30，参考值为90，而在时间2处，目标读数为20和60（百分比），则归一化光谱在反射单位中均为0.33（33%）。在下一幅图像中，我们展示了该仪器获得的岩石（1-5）和黄松（6）的现场（原位）反射光谱：
13-14: These spectral curves show much less structure (peaks and troughs) and less amplitude (intensity) than the laboratory-produced curves for the Wyoming rocks (above). Explain this difference. `ANSWER <answers.html#13-14>`__
JPL工程师是地面真值仪器开发的领导者，他们开发了一种便携式场发射光谱仪，使用氩冷却、汞镉碲化物（HgCdTe）探测器探测5到15 mm光谱区域的热红外响应。为了适应使用线性阵列多光谱系统（如SPOT）的趋势，一些野外光谱仪现在使用的是固定栅格，它将辐射传播到由铟-镓-砷（INGAAS）合金制成的阵列探测器上，该阵列探测器具有更快速的扫描和更高的灵敏度。TY。欲进一步了解野外光谱测定法，请查阅分析光谱设备公司（Analytical Spectrum Devices，Inc.）主页上的综述，该公司由该领域的领导者亚历山大·戈茨博士（前身为JPL）创建。
另一种方法是从卡车上操作分光计，我们将传感器头安装在可移动的樱桃采摘机上，如下图所示。这使得我们可以改变瞬时视场（ifov）高度，这样我们就可以检查更大的表面积。
通常，我们从安装在飞越研究区域的飞机上的传感器获取最有价值的支持数据。在美国航天局管理的遥感项目中，研究人员指定了用于获取辅助数据的测试地点，或是系统开发人员用来测试原型（试验板）仪器和传感器设计的测试地点，这些设计是为将来的任务而提出的。这些研究任务有助于确定光谱和空间分辨率、信噪比（S/N）响应以及优化检测和识别的时间。我们在这里展示了用于这些目的的早期机队的一部分：
左边的这架大型飞机是洛克希德公司的一架Electra飞机，其运行高度可达7600米（25000英尺）。右边是一架C-130，能够在更高的高度飞行。两个中心平面是U-2（指定的ER-2），可以达到19000米（62000英尺）。没有显示的是RB-57，另一种能够高飞行高度的喷气式飞机。小组内部的小型喷气机主要是为了提供支持，而悬挂器附近的喷气机则有用于低空任务的传感器。传感器的补充包括一个或多个胶片照相机系统（包括多波段阵列）、多光谱扫描仪（包括使用电荷耦合探测器的扫描仪）。 [CCDs] ）热红外扫描仪（如热红外多光谱扫描仪） [TIMS] （见第9节）、微波传感器（包括辐射计和散射计以及多波段雷达）以及非常规飞行的特殊要求设备。
在另一个极端，我们经常需要在地面上广泛分离的站点或长时间收集连续的数据，通常是在不可进入的区域。重复访问的费用和其他因素可能会妨碍初次访问后派遣外勤缔约方。有了这样的要求，我们建立了自动化、遥感、采样点，在那里我们可以不断地或以固定的间隔测量几个定义属性。
为了在陆地卫星计划期间实现这一点，我们部署了数据采集平台（DCP）来测量现场的某些属性，对结果进行编码，并在陆地卫星或其他卫星处于视线范围时通过无线电发送这些数据，然后将数据中继到适当的地面站进行处理。典型的远程现场测量包括：1）河流高度和速度；2）泥沙负荷；3）积雪密度；4）气象参数；5）点源污染；6）地震干扰；7）火山斜坡上的地表倾斜。我们现在通常使用美国和其他国家的远程站点网络，例如河流过程线及其发送器的示例：
13-15: Cite three other plausible uses for DCPs - these need not be directly pertinent to Landsat-type observations. `ANSWER <answers.html#13-15>`__
到目前为止，我们已经在本教程中演示了遥感是一种有效的方法，可以从广袤的区域收集大量信息，而不需要在观测到的表面上。但是，口译员很少能有效地运用这些知识，除非他们第一手熟悉感兴趣的表面，或者至少熟悉表面模型。他们通过几种方式收集这些情报：从仔细的实地观察、在训练场地进行的明智的调查、实验室、地面、空中和空间进行的精密测量，以及最终从对数据的严格数学分析中检验数据的有效性和相关性。
主要作者：Nicholas M.Short，高级电子邮件： nmshort@epix.net