场地反射率测量方法介绍

董毅 吕佳彦 宋青涛

摘 要：场地反射率是场地反射光能与总的入射光能的比值，本文介绍了两种反射率测量方法，分别为“单光谱仪法”和“双光谱仪法”，并分析二者的优缺点。

关键词：场地反射率；ASD光谱仪；单光谱仪法；双光谱仪法

场地反射率是场地反射光能与总的入射光能的比值，传统的野外场地反射率光谱测量采用单光谱仪法进行测量，依次交替对目标及参考板进行测量。这样的测量方法，在辐射条件连续、剧烈变化的情况下，无法保证目标及参考板的辐射条件的一致性[ 1 ]。而双光谱仪法，分别对参考板和目标物进行长时间的连续同步测量，避免了传统方法测量中可能出现的辐射条件不一致问题。

1 单光谱仪法

“单光谱仪法”是目前场地反射率测量广泛使用的方法。顾名思义，单光谱仪法就是使用一台光谱仪进行场地反射率测量，依次交替测量场地和参考板，借助参考板反射的光能间接计算出目标入射的光能，如图1所示。其中假设定标场地和参考板均为朗伯体，反射率分别为R场地，R参考板。具體操作方法如下：

1）在t1时刻，测量场地反射辐亮度L场地（t1）；

2）在t2时刻，测量场地处参考板的反射辐亮度L参考板（t2）；

3）计算场地反射率。

对于朗伯体，场地和参考板入射辐照度E与出射辐亮度L关系为：

测量过程中，假定入射辐照度E（t1），E（t2）保持不变，由公式（1）和（2），则：

由上述方法可以看到，单光谱仪法测量过程中，测量场地和参考板是分别是在t1，t2两个时刻，如果两个时刻的光照条件存在差异，就会给测量的场地反射率造成误差。

2 双光谱仪法

“双光谱仪法”，顾名思义，同时使用两台光谱仪进行场地反射率测量，一台测量场地反射辐亮度L场地，另一台测量参考板反射辐亮度L参考板，进而保证测量时二者测量辐射条件一致，测量示意图如图2所示，具体操作方法如下：

1）由于测量过程中使用两台光谱仪，采集的数据需要进行协同计算，为了消除光谱仪间辐射响应不一致造成的测量误差，需在测量前对试验所用的ASD光谱仪进行相对辐射定标，获得两台光谱仪间的相对定标系数C光谱仪，则：

L场地=C光谱仪·L参考板 （4）

2）用两台光谱仪同时测量场地和参考板的反射辐亮度，L场地和L参考板；

3）计算场地反射率。

对于朗伯体，场地和参考板入射辐照度E与出射辐亮度L关系为：

通过以上两式，计算可得：

由上述方法可以看到，双光谱仪法同时测量场地和参考板反射辐亮度，能很好地满足光照条件保持一致，但是其中由于涉及到两台光谱仪的相对定标，因而双光谱仪法测量反射率的精度还取决于相对定标系数C光谱仪的精度。

3 方法对比

通过上述方法介绍，“双光谱仪法”虽然避免了测量过程中辐射响应的不一致性，但也引入了仪器间相对定标时产生的误差，一定程度上也影响了测量结果，具体对比见表1。

4 总结

本文主要介绍了测量场地反射率的两种方法，分别为“单光谱仪法”，“双光谱仪法”，并对比分析了二者的优缺点。“双光谱仪法”虽然避免了“单光谱仪法”测量过程中辐射响应不一致造成的误差，但也引入了仪器间相对定标产生的误差。下一步工作中，将对如何提高仪器间相对定标精度开展研究。

参考文献：

[1] 董毅，何明元等.基于野外地物光谱时间序列的反射率测量方法[J].红外，2016，37（1）：31-35.

[2] Slater P N，Biggar S F，Holm R G，et al.Reflectance-and radiance-based methods for the in-flight absolute calibration of multispectral sensors[J]. Remote Sensing of Environment，1987，22（1）：11-37.

[3] 计璐艳.土壤容水特性光谱-时间特征及遥感应用模式研究[D]. 北京：中国科学院大学，2013.