ASD便攜式地物光譜儀說(shuō)明

在現(xiàn)代科學(xué)研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，便攜式光譜儀的使用越來(lái)越廣泛，尤其是在野外地物采樣和分析中，ASD便攜式地物光譜儀憑借其高效、準(zhǔn)確的性能，成為了眾多科研人員和工程師的重要工具。本文將詳細(xì)介紹ASD便攜式地物光譜儀的基本功能、特點(diǎn)及其應(yīng)用，為廣大用戶提供有關(guān)這款設(shè)備的全面理解。

ASD便攜式地物光譜儀是一種能夠快速、精確地測(cè)量物質(zhì)表面光譜反射率的設(shè)備。它通過(guò)采集物體的光譜數(shù)據(jù)，幫助用戶識(shí)別和分析物體的成分、物理特性及其變化。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室光譜儀不同，ASD便攜式地物光譜儀具備更強(qiáng)的移動(dòng)性和便捷性，能夠在野外復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定工作，因此深受環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域的青睞。

功能與特點(diǎn)

ASD便攜式地物光譜儀具備多項(xiàng)核心優(yōu)勢(shì)，使其在眾多便攜式光譜儀中脫穎而出。該設(shè)備提供寬廣的光譜范圍，能夠覆蓋350nm至2500nm的波長(zhǎng)區(qū)間。這意味著它可以檢測(cè)從紫外到近紅外的光譜數(shù)據(jù)，滿足各種地物樣品的需求。ASD便攜式地物光譜儀采用高精度的光學(xué)元件和傳感器，確保采集到的光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，即使在極端環(huán)境條件下，設(shè)備的穩(wěn)定性和耐用性也能得到保證。

ASD便攜式地物光譜儀的操作非常簡(jiǎn)便，用戶只需通過(guò)觸摸屏即可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理。而且，該設(shè)備具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠通過(guò)軟件直接生成光譜分析報(bào)告，大大提高了工作效率。ASD便攜式地物光譜儀還配備了GPS定位系統(tǒng)，能夠精確記錄采樣位置，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)整理和分析。

應(yīng)用領(lǐng)域

ASD便攜式地物光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，尤其在環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)研究方面，展現(xiàn)了其巨大的潛力。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，該光譜儀可以幫助農(nóng)民檢測(cè)土壤和作物的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)害或缺乏營(yíng)養(yǎng)的情況，從而采取科學(xué)的農(nóng)藝措施，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。在環(huán)境科學(xué)中，ASD便攜式地物光譜儀被用于監(jiān)測(cè)土壤、植被和水體的變化，評(píng)估環(huán)境污染狀況，進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工作。

ASD便攜式地物光譜儀在礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)勘查、林業(yè)資源管理等領(lǐng)域同樣具有重要應(yīng)用。通過(guò)分析礦石的光譜反射特性，能夠幫助礦產(chǎn)勘探人員快速識(shí)別礦物種類(lèi)，提高礦產(chǎn)資源的開(kāi)采效率。

總結(jié)

ASD便攜式地物光譜儀是一款集高性能、易操作和多功能于一體的先進(jìn)儀器，憑借其優(yōu)越的光譜采集能力和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)成為許多領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備。無(wú)論是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)，還是在礦產(chǎn)資源勘探中，ASD便攜式地物光譜儀都為用戶提供了精確、便捷的數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)了各項(xiàng)科研與實(shí)踐工作的進(jìn)展。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，ASD便攜式地物光譜儀將繼續(xù)為科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。

高光譜成像儀與地物光譜儀作物科學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)對(duì)比

高光譜相機(jī)是在連續(xù)光譜測(cè)量的基礎(chǔ)上，同步進(jìn)行可視化成像，具有圖譜合一的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。既可以觀測(cè)到作物不同脅迫癥狀的空間特征，又可獲取受脅迫作物的光譜信息，綜合地反映作物遭受脅迫的程度。目前高光譜成像已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，學(xué)者們利用高光譜成像技術(shù)定量化地提取作物所遭受的各種脅迫特征,利用高分辨率的圖像對(duì)葉片的物理性狀、表型特征進(jìn)行分析，從而進(jìn)行多維度作物生理生態(tài)及內(nèi)部機(jī)理探測(cè)研究。

傳統(tǒng)的地物光譜儀僅能采集單一的光譜數(shù)據(jù)，其點(diǎn)測(cè)量（Spot measurement）數(shù)據(jù)采集方式造成測(cè)量效率低、誤差大（比如幾乎沒(méi)法精準(zhǔn)病斑測(cè)量）等缺點(diǎn)，且數(shù)據(jù)分析非常耗時(shí)。IQ智能高光譜相機(jī)具備智能化、高通量面測(cè)量、在線實(shí)時(shí)分析等特點(diǎn)，一舉解決了高通量+光譜測(cè)量+成像分析問(wèn)題，革新了作物表型研究、性狀分析、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)研究的技術(shù)手段。

近日，我公司使用IQ便攜式智能高光譜相機(jī)與ASD便攜式地物光譜儀同時(shí)進(jìn)行野外作物實(shí)地光譜數(shù)據(jù)采集及對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)使用以上兩種儀器同時(shí)對(duì)試驗(yàn)田中的小麥進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別獲取了同一區(qū)域的高光譜數(shù)據(jù)和圖像信息。IQ采取內(nèi)置推掃CCD成像技術(shù)，體積小、重量輕、能耗低，可更充分的測(cè)量每個(gè)地面分辨單元的能量，增加相對(duì)信噪比。ASD便攜式地物光譜儀單次采集數(shù)據(jù)為視場(chǎng)內(nèi)所有地物的平均光譜數(shù)據(jù)，僅得到一條光譜曲線；IQ獲取的高光譜圖像每個(gè)像素點(diǎn)都有其特有的光譜曲線，對(duì)地物的研究提供更精確度全面的信息。

圖1  ASD高光譜數(shù)據(jù)結(jié)果（左圖）、IQ高光譜成像數(shù)據(jù)結(jié)果（右圖）

IQ相機(jī)自帶數(shù)據(jù)分析及建模軟件，可進(jìn)行快速結(jié)果分析、自定義App操作，在一些惡劣環(huán)境下還可遠(yuǎn)程控制IQ相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)集可直接導(dǎo)入ENVI等通用光譜分析專業(yè)軟件，進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

試驗(yàn)田中有一區(qū)域的小麥患白 粉病較嚴(yán)重，健康小麥（橙色曲線）和患病小麥（綠色曲線）在400-1000nm范圍有明顯的反射差異，如下圖所示。

圖2 健康小麥和患白 粉病小麥的光譜差異圖

基于IQ高光譜成像數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)場(chǎng)即快速進(jìn)行了建模分析，當(dāng)即完成該區(qū)域白 粉病小麥的光譜模型創(chuàng)建。然后在創(chuàng)建的模型上對(duì)其他患病區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比，自動(dòng)檢測(cè)到的小麥白 粉病位置與實(shí)際位置匹配度較高，完全滿足野外快速篩查植物病的需求。

圖3 基于自定義APP快速識(shí)別小麥患白 粉病區(qū)域

IQ作為一款智能、便攜的手持式科研高光譜儀，集高光譜數(shù)據(jù)采集、分析處理、結(jié)果可視化等功能特點(diǎn)于一體。相比地物光譜儀獲取的目標(biāo)高光譜信息更精確全面，同時(shí)又能獲取目標(biāo)的空間特征信息，圖譜合一，為數(shù)據(jù)處理和分析提供更詳細(xì)的信息。此外，IQ還可通過(guò)無(wú)線WIFI進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)需人工值守的智能化操控作業(yè)。在作物表型研究、病蟲(chóng)害檢測(cè)、抗性篩選和物種快速識(shí)別等研究應(yīng)用中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

除此之外，在精 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、遺傳育種、食品檢測(cè)、藝術(shù)品鑒定、考古文博應(yīng)用、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、動(dòng)物行為研究等領(lǐng)域，IQ智能高光譜相機(jī)也有著廣泛的應(yīng)用前景。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司全面提供作物科學(xué)研究高光譜成像技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用方案及葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)方案，EcoTech實(shí)驗(yàn)室提供合作實(shí)驗(yàn)和作物表型檢測(cè)技術(shù)服務(wù)。

  土壤質(zhì)量直接影響其有機(jī)體的健康。然而，土壤容易受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾，如采礦、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)活動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤污染。在各種土壤污染中，有毒元素會(huì)對(duì)人類(lèi)和家畜健康以及食品安全造成威脅。因此，監(jiān)測(cè)這些污染類(lèi)型的濃度和分布對(duì)于土壤修復(fù)項(xiàng)目至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)采樣和實(shí)驗(yàn)室分析方法成本高、費(fèi)事費(fèi)力且局限于采樣點(diǎn)位置，不能很好地具體化濃度的空間分布。因此，需要具有高空間效應(yīng)的快速有效的技術(shù)。許多研究已經(jīng)利用圖像光譜和其它輔助數(shù)據(jù)或環(huán)境變量來(lái)預(yù)測(cè)有毒元素的分布。而由于衛(wèi)星圖像中云或陰影的存在，土壤采樣和圖像獲取日期存在差距，這種情況下，需要用到具有不同光譜和空間特征圖像的融合，以增加圖像的時(shí)間分辨率。Sentinel-2A是“全 球環(huán)境與安全 監(jiān)測(cè)”計(jì)劃的第二顆衛(wèi)星，其攜帶一枚多光譜成像儀，可覆蓋13個(gè)光譜波段，從可見(jiàn)光和近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率。Landsat 8是美國(guó)陸地衛(wèi)星計(jì)劃的第八顆衛(wèi)星，其攜帶的陸地成像儀包括9個(gè)波段，空間分辨率為30 m。兩者的協(xié)同應(yīng)用將改進(jìn)對(duì)地球表面的及時(shí)和準(zhǔn)確觀測(cè)，以及遙感不同學(xué)科的使用。

基于此，在本研究中，來(lái)自捷克生命科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2015年8月12日在Sarcheshmeh礦山采集了120個(gè)土壤樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)（As、Pb、Zn和Cr）和光譜測(cè)量（ASD Fieldspec 3地物光譜儀）。并于2015年8月13日獲取Landsat 8-OLI圖像，2016年1月20日獲取Sentinel-2A圖像。旨在探索Landsat 8-OLI和Sentinel-2A單個(gè)圖像及其相融合量化As、Pb、Zn和Cr的潛力。為了達(dá)到融合目的，作者采用了不同的融合技術(shù)，即HSV色彩模型、Brovey、主成分分析（PCA）、Gram-Schmidt (GS)、小波和ATPRK。同時(shí)，采用遺傳算法（GA）選取實(shí)驗(yàn)室光譜中所需的重要波長(zhǎng)，以建立偏最 小二乘回歸（PLSR）預(yù)測(cè)模型，以評(píng)估所選變量對(duì)最 終模型性能的影響。

【結(jié)果】

利用全部光譜（PLSR）和選定波長(zhǎng)（GA-PLSR）建立的有毒元素預(yù)測(cè)模型的性能。（驗(yàn)證數(shù)據(jù)集）

整合了Landsat 8-OLI和Sentinel-2A波段的融合方法的定量評(píng)估

將GA-PLSR應(yīng)用在圖像像素光譜中建立的有毒元素預(yù)測(cè)模型的性能

【結(jié)論】

  研究結(jié)果表明，與單個(gè)Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像的像素光譜相比，其融合產(chǎn)物的像素光譜與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)樣品的反射響應(yīng)高度一致，尤其是在VNIR區(qū)。單因素方差方法也在實(shí)驗(yàn)室光譜和融合圖像像素光譜之間產(chǎn)生了更相似的波長(zhǎng)。對(duì)于單個(gè)Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像，GA-PLSR模型在Sentinel-2A數(shù)據(jù)上性能較好，而Landsat8-OLI對(duì)As的預(yù)測(cè)結(jié)果更好。與其它融合技術(shù)相比，將GA-PLSR模型應(yīng)用在ATPRK融合的圖像中可以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。總之，該研究表明，Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像相融合可以提高土壤有毒元素預(yù)測(cè)模型的性能。

 同步熱分析，顧名思義，可以解釋為以熱進(jìn)行分析的一種方法。  

（來(lái)源：林賽斯（上海）科學(xué)儀器有限公司）

FieldSpec 4 HR NG 

地物光譜儀

江蘇省水利科學(xué)研究院 

安裝現(xiàn)場(chǎng)

產(chǎn)品詳情

產(chǎn)品簡(jiǎn)介：

2015年，ASD公司（現(xiàn)隸屬于荷蘭帕納科）推出FieldSpec 4地物光譜儀Hi-Res NG，將光譜分辨率提升至6nm，這進(jìn)一步提高了下一代高光譜成像傳感器的分析精度，是地物光譜儀器的一次重要變革。

更高分辨率的高光譜儀器可以協(xié)助用戶提高遙感分類(lèi)應(yīng)用的精度，識(shí)別更多之前無(wú)法從高光譜圖像中獲取的點(diǎn)像元信息。為了充分發(fā)揮下一代傳感器的潛能，那么基于地面測(cè)量的光譜儀器可以對(duì)圖像做準(zhǔn)確的正射校準(zhǔn)，如果分辨率達(dá)不到高光譜成像的要求，那么數(shù)據(jù)在后處理過(guò)程中會(huì)因插值而丟失重要的光譜信息。

FieldSpec 4 Hi-Res NG （簡(jiǎn)稱FieldSpec 4 HR NG） 地物光譜儀大大提升了光譜分辨率，正是為了滿足下一代高光譜成像系統(tǒng)（如：AVRIS-NG、HySpex ODIN-1024）的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)。除了優(yōu)越的光譜分辨率，像所有ASD地物光譜儀一樣，F(xiàn)ieldSpec 4 Hi-Res NG采用InGaAs SWIR檢測(cè)器，在350nm到2500nm的全光譜范圍進(jìn)行1875波段（編碼通道）的檢測(cè)，從而提供更小的采樣間隔（采樣帶寬），確?？梢詸z出樣品更細(xì)微的光譜特征。

優(yōu)點(diǎn)：

完全為野外遙感設(shè)計(jì)

• 在太陽(yáng)作為光源的情況下，同時(shí)擁有更高光譜分辨率和更低等效輻射噪聲

• 光纖與主機(jī)嚴(yán)格固定，一體定標(biāo)，可溯源到美國(guó)NIST

• 外形美觀，堅(jiān)固耐用，人體工學(xué)設(shè)計(jì)，使用體驗(yàn)舒適方便

• 海量應(yīng)用文獻(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)完備，無(wú)縫兼容ENVI、TSG等更多的第三方工具軟件

性能指標(biāo)：

土壤質(zhì)量直接影響其有機(jī)體的健康。然而，土壤容易受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾，如采礦、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)活動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤污染。在各種土壤污染中，有毒元素會(huì)對(duì)人類(lèi)和家畜健康以及食品安全造成威脅。因此，監(jiān)測(cè)這些污染類(lèi)型的濃度和分布對(duì)于土壤修復(fù)項(xiàng)目至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)采樣和實(shí)驗(yàn)室分析方法成本高、費(fèi)事費(fèi)力且局限于采樣點(diǎn)位置，不能很好地具體化濃度的空間分布。因此，需要具有高空間效應(yīng)的快速有效的技術(shù)。許多研究已經(jīng)利用圖像光譜和其它輔助數(shù)據(jù)或環(huán)境變量來(lái)預(yù)測(cè)有毒元素的分布。而由于衛(wèi)星圖像中云或陰影的存在，土壤采樣和圖像獲取日期存在差距，這種情況下，需要用到具有不同光譜和空間特征圖像的融合，以增加圖像的時(shí)間分辨率。Sentinel-2A是“全 球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)”計(jì)劃的第二顆衛(wèi)星，其攜帶一枚多光譜成像儀，可覆蓋13個(gè)光譜波段，從可見(jiàn)光和近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率。Landsat 8是美國(guó)陸地衛(wèi)星計(jì)劃的第八顆衛(wèi)星，其攜帶的陸地成像儀包括9個(gè)波段，空間分辨率為30 m。兩者的協(xié)同應(yīng)用將改進(jìn)對(duì)地球表面的及時(shí)和準(zhǔn)確觀測(cè)，以及遙感不同學(xué)科的使用。

基于此，在本研究中，來(lái)自捷克生命科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2015年8月12日在Sarcheshmeh礦山采集了120個(gè)土壤樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)（As、Pb、Zn和Cr）和光譜測(cè)量（ASD Fieldspec 3地物光譜儀）。并于2015年8月13日獲取Landsat 8-OLI圖像，2016年1月20日獲取Sentinel-2A圖像。旨在探索Landsat 8-OLI和Sentinel-2A單個(gè)圖像及其相融合量化As、Pb、Zn和Cr的潛力。為了達(dá)到融合目的，作者采用了不同的融合技術(shù)，即HSV色彩模型、Brovey、主成分分析（PCA）、Gram-Schmidt (GS)、小波和ATPRK。同時(shí)，采用遺傳算法（GA）選取實(shí)驗(yàn)室光譜中所需的重要波長(zhǎng)，以建立偏最小二乘回歸（PLSR）預(yù)測(cè)模型，以評(píng)估所選變量對(duì)最 終模型性能的影響。

結(jié)  果

利用全部光譜（PLSR）和選定波長(zhǎng)（GA-PLSR）建立的有毒元素預(yù)測(cè)模型的性能。（驗(yàn)證數(shù)據(jù)集）

整合了Landsat 8-OLI和Sentinel-2A波段的融合方法的定量評(píng)估

將GA-PLSR應(yīng)用在圖像像素光譜中建立的有毒元素預(yù)測(cè)模型的性能

結(jié)  論

研究結(jié)果表明，與單個(gè)Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像的像素光譜相比，其融合產(chǎn)物的像素光譜與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)樣品的反射響應(yīng)高度一致，尤其是在VNIR區(qū)。單因素方差方法也在實(shí)驗(yàn)室光譜和融合圖像像素光譜之間產(chǎn)生了更相似的波長(zhǎng)。對(duì)于單個(gè)Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像，GA-PLSR模型在Sentinel-2A數(shù)據(jù)上性能較好，而Landsat8-OLI對(duì)As的預(yù)測(cè)結(jié)果更好。與其它融合技術(shù)相比，將GA-PLSR模型應(yīng)用在ATPRK融合的圖像中可以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果?？傊?，該研究表明，Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像相融合可以提高土壤有毒元素預(yù)測(cè)模型的性能。