遥感教程第13-4页¶
Measurements with radiometers and spectrometers are carried out primarily to accumulate specific spectral signatures of various materials and features that help to build up a spectral data "bank". This can be done under controlled laboratory conditions, leading to "representative" signatures for the particular material. Signatures gathered in the field, from portable instruments on tripods or mounted on "cherry pickers", will include more natural conditions, such as atmospheric effects and solar illumination. Prototype sensors as well as operationally-proven instruments are also flown on aircraft; the data are used either as direct inputs to a remote sensing application or as support for space-mounted sensor studies. Other kinds of useful information about a scene being studied can be monitored by sensors housed on the ground; the data are relayed intermittently or continuously from Data Collection Platforms. The nature of the Global Positioning System (GPS), based on satellite triangulation, is explained.
野外仪器和测量.数据采集平台.GPS¶
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）。
在接近真空的情况下操作分光计可以消除大气中吸收带的影响。因此，对怀俄明州的一些典型岩石进行了一系列固定角度的反射测量（你第一次看到的是 page 2-1 ，使用实验室（室内）分光计制作，如下所示供您重新检查。大于2.0微米和2.3微米的吸收带与矿物成分和孔隙水有关，而不是与大气气体有关。
|一些典型的怀俄明州沉积岩的光谱响应曲线，如在实验室装置中测得的（从反射光束接收信号的分光计；全部包含在黑色涂层的半球中）。|
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，这些通道的间隔如此之近，以致于它们构成了几乎是准连续光谱。直到最后十年（见 AVIRIS 在本节后面描述），技术上很难从快速移动的空中和空间平台操作分光计，因为仪器不能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一值。
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。
` <>`__13-10: Suggest three other advantages to acquiring spectral data in the field. `ANSWER <Sect13_answers.html#13-10>`__
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（NMS）手持的设备：
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微米。常见通道为绿色、红色和近红外。这些特别与计算植被指数有关。 (page 3-4 ②）
` <>`__13-11: 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 <Sect13_answers.html#13-11>`__
我们可以在不同的视角和太阳角，以及一年中不同的日期和时间上进行读数，以提供同一测试区域内光谱变化的记录。这些变量可以对光谱响应的特性产生明显的影响，从而解释变化，如图中所示。 双向 反射，显示红外/红色波段辐射随视角和方位（罗盘）方向的变化：
` <>`__13-12: Formulate a generalization about the implications of these curves. `ANSWER <Sect13_answers.html#13-12>`__
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年代中期开发的便携式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0.4至2.5微米之间的滤光轮，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：
` <>`__13-13: 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 <Sect13_answers.html#13-13>`__
JPL工程师是地面真值仪器开发的领导者，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微米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，而不是带滤波器的扫描仪（Landsat）。能够更快速的扫描和更高的灵敏度。欲进一步了解野外光谱测定法，请查阅由 Analytical Spectral Devices, Inc. 这是一家由亚历山大·戈茨博士（原名JPL）创立的公司，是该领域的领导者。他们最通用的野外系统之一是这种光谱仪/背包组合，扫描范围在0.35到2.5微米之间，光谱分辨率从低端的3纳米到高端的10纳米。
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，用户从安装在飞越研究区域的飞机上的传感器获得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，或者系统开发人员用来测试原型（试验板）仪器和传感器的设计，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Electra公司的，它的工作高度可达7600米（25000英尺）。右边是C-130，可以在更高的高度（9200米或30000英尺）飞行。两个中心飞机是RB57F，飞行高度可达18500米（60000英尺）。悬挂器附近的喷气式飞机有用于低空任务的传感器。
美国航天局还使用了在60000到70000英尺高度的平流层上空飞行的飞机。首先是两架U-2从军方退役。20世纪90年代初，美国国家航空航天局与洛克希德公司（U-2）签约，开发了一种更大版本的飞机，名为ER-2（ER代表地球资源）。其中一个出现在穿越沙漠地形的飞行中。
安装在飞机上的传感器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 page 9-7 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目标，美国国家航空航天局和其他组织，包括研究和验证计划的主要研究人员，部署了数据收集平台（DCP），以测量现场的某些属性，对结果进行编码，并在陆地卫星计划期间通过无线电发送这些数据。或者其他卫星在视线范围内，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：
` <>`__13-14: Cite three other plausible uses for DCPs - these need not be directly pertinent to Landsat-type observations. `ANSWER <Sect13_answers.html#13-14>`__
在进行实地研究和测量时，往往很难确切知道你在哪里。在早期的陆地卫星时代，在一个正在检查图像中某些东西的地点找到自己，一般来说，这充其量只是一个近似值。随着20世纪60年代末国防部（DoD）全球定位系统（GPS）项目的全面实施，人们开发了一种新的方法，可以将地球表面的一个点定位到70米或以下的精度，并在进行特殊调整时仅定位到几米。
当所有需要的卫星在较长时间内发射时，实现了这种配置：
地球周围有六个近圆轨道，每一个都与轨道的两边成60度角。轨道高度约为11000海里（20200公里）。每个轨道路径包含4颗适当间隔的卫星，共24颗（目前27颗；3颗是备用卫星）。每颗卫星在一天内完成两个完整的轨道-每12小时经过一个地球区域。轨道力学是这样组织的：从地球上的任何一个点，至少有三个，通常是四个，来自几个轨道平面的卫星处于可以从地面发射器/接收器读取无线电信号的位置。
通过无线电与GPS卫星通信，地面卫星的传输是一个简单的测距动作。也就是说，知道无线电波的速度（em，光速），地面系统测量接收发送信号的精确延迟时间。各种因素的调整提高了定位的质量。由于特定卫星的位置也已知，因此确定了信号矢量的长度。这实际上导致了一个由向量长度定义的虚拟空间球。该信号也同时发送到另外两个“在视”卫星，产生两个以上的矢量（半径）和两个以上的球体。定位现在成为三角测量中的一个直接问题。三个球体的交点产生两个公共点，其中一个是有意义的，如果用户对他/她所在的位置有一个很好的了解，则选择其中一个作为适当的位置。从第四颗卫星返回的信号有助于减少或消除时钟误差（与每颗卫星上不完全同步的原子钟有关）。一种称为差分GPS的方法，在别处使用固定基站接收器进行进一步校正，可以将定位精度提高到3米（目前仅用于军事行动）。
目前，导航星（导航卫星定时和测距）系统已全面投入使用。位置或地理位置以经纬度（最短至秒）或通用横轴墨卡托（UTM）坐标报告。支持地面真实性测量的测量团队使用类似的设置：
全球定位系统正逐渐普及到民用领域。例如，游戏森林中的猎人可能希望知道他们在哪里（迷路了？）.下面的仪器是手持式的；GPS系统也安装在汽车上，这样任何驾驶员几乎都可以自动确定汽车的位置，也可以使用辅助系统来确定最佳的目的地路线。
这将关闭本节的第一部分。接下来的三页将探讨“多重”概念背后的含义和用法。
主要作者：Nicholas M.Short，高级电子邮件： nmshort@nationi.net