光谱仪讲义.docx
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光谱仪讲义
第一部分光谱仪的介绍
一简介
1.产地：
美国PPS公司生产（）
2.型号：
unispec-SC（单通道）
3.技术规格：
探测器类型
可见光/近红外
紫外/可见光
紫外
波长范围
310-1100nm
190-730nm
190-400nm
分辨率
<10nm
<7nm
<3nm
二极管阵列
3.3nm
2.1nm
0.8nm
绝对精度
<0.3nm
<0.2nm
<0.2nm
分辨率
0.1%
扫描时间
<1秒
A/D转换
16位（动态范围65,000A/D计数）
整合时间
4-3200毫秒
光源
7W卤素灯（光源可自行选择）
显示
7.2寸VGA彩色液晶显示
分辨率
640×480RGB
键盘
24键
通讯端口
RS232和USB
电源
内置6V可充电锂电池
工作环境
0-50℃
尺寸
25×15×8.5cm
重量
<2.5kg
4.特点：
·高精度光谱仪（无需要标定）
·内置光源
·重量轻便于野外携带（<2.5kg）
·抗震设计
·可选的掌上电脑带可替换存储卡
5.硬件介绍
a.unispec外壳：
分光计系统，光源，电池，相关电子设备
·分光计：
·光源：
由7.0W卤灯支持，
技术指标：
电压：
0-5V
电流：
1.35A
色彩温度：
2800K
使用寿命：
<1500小时
·电池：
铅酸电池（6V,3.4A）
充满：
运行分光计：
达35小时
开启光源：
使用2~3小时
·其他电子设备：
保险丝，暗电流分压计
b.光纤探头
我们主要使用的是反射光纤探头
反射光纤探头有两种类型
类型
测量直径
长度
测量对象
普通光纤探头
2.3mm
公用长度1.1m，分支长度15cm
阔叶
微型光纤探头
0.5mm
公用长度1.1m，分支长度15cm
针叶
此外，还有吸收/发射光纤探头，吸收/发射潜入式探头。
c.样品固定器/光纤固定器
光纤固定器固定光纤探头端部后，使其与叶面成60度夹角
·标准夹：
用于阔叶，和普通光纤探头配套使用
·微型夹：
用于针叶，和微型光纤探头配套使用
·试验夹：
d.外接电源（6V,12A的铅酸电池）：
为了延长机器野外使用时间，大约与内置电源使用时间相当。
e.计算机：
unispec是由一台计算机控制。
任何一台安装windows3.1或以上版本的计算机（包括个人掌上电脑）上都可以运行。
f.此外，还有光纤延长线，视角调制管，参比板等
6.应用
·植物生理生态分析：
光谱反射系数是冠层结构和植物生理的基本参数。
叶绿素和氮含量都是叶生理的指示参数。
新的光谱反射系数能够用做研究光合有效辐射的利用效率和胡萝卜素的含量。
使用独特的微型光纤探头可以探测针形叶的反射系数。
·农作物冠层分析：
利用检测光谱反射系数可以研究冠层变化和植物受不同的胁迫情况。
·检测植物状态：
可量化检测如色素含量、光合作用的改变、早衰等参数。
·遥感：
使用适当的探头，该仪器可以从飞机和高塔上进行遥感测量。
·大气科学：
使用适当的探头，该仪器可以监测天空环境或大气吸收特性。
·工业应用和过程控制：
光谱反射系数的测量能够用作检测颜色质量，如颜料、油漆、涂料、光源、塑料、纸等。
二硬件维护及故障处理
1.硬件维护：
a.内部卤灯光源：
其1500小时的使用寿命是在90-120%的输出量的操作基础上达到的。
长期在较低设置下工作会降低灯的寿命。
当灯的使用后期，其光谱会发生改变，这是就需要更换。
b.电池：
在低温下，电池的容量下降
避免“深度放电”，所以在完全放电之前，要及时充电。
完全放电的电池，要达到90%的电容量，须充电3小时以上。
c.保险丝：
避免电池反接，短路等。
d.参比板：
保持正面干净
用一块220-240金刚砂布（碳化硅）打磨，直到表面表面完全不被水沾湿，在用清洁空气或氮气吹干，或自然干燥
e.光纤：
勿弯，勿压，用完套上橡胶帽
2.故障处理;
a.更换卤光灯
b.更换电池
c.更换保险丝
d.光纤损坏只能更换
第二部分：
光谱仪的应用
一光谱学基础及在生物中的应用
1.光谱学基础
光谱在自然界中是连续的，光谱仪是将连续的光谱分为256份进行测定，然后根据每种光质对应的波长，近似的计算相对应的光谱成分。
当光照射到叶片时，一部分被叶片吸收，一部分被反射，还有一部分透过叶片，植物各类色素都具有各自的特征吸收峰，水分也同样具有相应的特征吸收峰。
所以光谱反射特征与植物叶片的色素含量、叶片的含水量都密切相关。
2.生理和生态的研究中用到的光谱指数：
利用光谱进行分析时，将会使用到许多的指数，下面介绍较为常用的部分光合指数：
a.NDVI（Normalizeddifferencevegetationindex，植被归一化指数）
NDVI=（R750-R675）/（R750+R675）
b.VI（vegetationindex，植被指数）
VI=R750/R680
前两个指数与叶绿素的含量有很好的线性关系，常在遥感，植被制图中作为重要的指数
c.ChlNDI（Chlmormalizeddifferenceindex，叶绿素归一化指数）
ChlNDI=（R750-R705）/（R750+R705）
它与叶绿素a与很强的相关性，而使用这个指数来估计叶绿素a的另外一个原因就是其他的一些指数都在估计是表现出一定程度的饱和。
d.PRI（photochemicalreflectanceindex，光化学反射指数）
PRI=（R531-R570）/（R531+R570）
先将叶片暗适应，测定PRI，然后将叶片暴露在强光下20min，完全是叶黄素组分氧化，测定PRI’，△PRI=PRI-PRI’就是叶黄素库的大小
PRI与净光合速率有很强的正相关性，例如，随着这海拔升高，PRI值降低，这意味着光合辐射利用率的降低
e.SIPI（structure-independentpigmentindex，光谱结构不敏感植被指数）
SIPI=（R800-R445）/（R800+R680）
表明类胡萝卜素：
叶绿素的高低（正相关）
f.WI（waterindex，含水量指数）
WI=R900/R970
与叶片水分的含量呈正相关
g.YI（yellownessindex,叶黄指数）
在介绍这一个指数之前，现介绍
光合曲线一阶导数：
ρ（λ）=（Ri+1-Ri-1）/△λ
光合曲线二阶导数：
ρ’（λ）=（ρ（λi+1）-ρ（λi-1））/△λ
YI=-10（Rλ+1-2R0+Rλ-1）/（△λ）2
这个指数是通过计算600nm周围的反射光谱而得出植物叶在胁迫下的萎黄病情况。
h.λRE（rededge,红边位置）
λRE为680-750nm光谱一阶导数最大值的波长位置
由于叶绿素荧光的原因，红边位置与叶绿素的荧光具有很强的相关性，而且与浑浊度的相关系数小。
叶绿素含量高，红光区域吸收增加，导致红边向长波移动。
二unispec应用实例
（一）
Aevaluationofnoninvasivemethodstoestimatefoliarchlorophyllcontent
方法介绍：
1.材料
每天下午取10片叶子（纸皮桦，Betulapapyrifera），首先，用光谱仪测量光谱曲线，之后，将叶绿素提取，测量叶绿素的含量。
总共取100片叶子，这些叶子尽量包括更宽的叶绿素含量梯度，从黄色到墨绿色的都取了一些。
2.仪器
a.叶绿素含量的测定
手持式叶绿素仪：
CCM-200,SPAD-502
b.光谱测定
光谱仪：
Unispecspectralanalysissystem
3.光谱仪的使用：
Scantoaverage：
6
Integrationtime:
4ms
每叶测量5次
4.处理方法：
一阶导数
植被归一化指数
植被指数
叶绿素归一化指数
红边位置
叶黄指数
Chla:
PSSRa=R800/R675
Chlb:
PSSRb=R800/R650
5.提取叶绿素
结果：
1.叶绿素的实际测量值
2.CCM-200和SPAD-502测量值的对比（相关系数非常高）
3.光谱反射与叶绿素浓度的关系：
·随着叶绿素含量降低，光谱反射从500到700nm升高的非常明显
·红边的形状也随叶绿素含量的降低变化明显
·可见光范围内反射光谱与叶绿素的含量呈负相关
·总的叶绿素含量与在721-744nm的一阶微分值由很强的相关（R>0.95）
·叶绿素a:
b与在632-672nm，678-691nm，704-750nm的一阶微分值由很好的相关
4.光谱指数与测量的叶绿素含量的关系：
·各种指数与总叶绿素含量，叶绿素a，叶绿素b的关系
·对比各种光合指数
讨论
1.对比几种测量方法的优劣：
·优点
·缺点
2.光谱指数的应用
·由于树叶结构的不同，光谱指数与叶绿素的关系可能有很大的不同，所以很难把所有不同的光谱指数直接应用于与不同结构的树种。
·其他一些研究结果
·叶黄指数虽然不能像其他的指数那样能有很好的指示性，但他或许可以得到更广的应用。
结论
对光谱仪用来估计叶绿素的效用做一个总结
SpectralreflectanceandphotosyntheticpropertiesofBetulapapyriferaleavesalonganelevationalgradientonMt.Mansfield,Vermont,USA
方法介绍
1.材料
·纸皮桦
·反射光谱是在枝条取下4小时后进行的，这四小时是在暗室下存放的
2.光谱仪的使用：
预热20-30min
Scantoaverage：
6
Integrationtime:
65ms
每叶测量5次
3.光谱指数
·一阶导数
·植被归一化指数
·色素结构独立性指数
·叶绿素归一化指数
·红边位置
·光化学反射指数
4.光合作用的测量
LI-6400
5.统计方法
结果
·在三个不同的海拔带个光谱曲线有一些不同，尤其是在400nm和700nm出更为突出
·一阶光谱微分的不同能很好的帮助我们理解不同海拔带的光谱曲线的区别
·不同海拔的叶子的差异从各种光谱指数中得到更好的显示
·色素结构独立性指数随海拔的增加，表明类胡萝卜素：
叶绿素a的增加
·光化学反射指数随海拔的降低，表示了叶黄素的变化
·由光响应曲线得出的光合参数也显示出随海拔变化的趋势
讨论
·本文所使用的所有指数的显示出随海拔增高，植物所受的胁迫越大
·对PRI,ChlNDI,λRE变化的生物学解释
·对光响应曲线的解释
·光合作用与PRI的相关性
结论
·环境胁迫的效应可以使用光谱探测出
·这些胁迫直接的和光合作用相关
三unispec应用实例
（二）
ResponseofNDVI,biomass,andecosystemgasexchangetolong-termwarmingandfertilizationinwetsedgetundra
研究方法：
1.研究对象：
冻原
2.实验方法：
划分一些5*10m的样方，分别用不同的处理方法，如：
施P，施N，施N+P,保温等
然后每年测定NDVI，生物量，碳变动
3.光谱指数：
NDVI=（R800-R660）/（R800+R660）
4.生物量的测量
5.碳变动利用LI-6200测定
6.统计：
·一元方差分析用来所测的变量在所有的处理方法中的不同
·线性回归是用来表示两边两的相关程度
结果
·NDVI和地上生物量在施N+P和保温+施N+P都显最高，而在遮阴处理的则最低
·不同处理的C变动也很明显
·所有不同的处理间所测定的数据，都表现出稳定，密切的相关性
讨论
1.对不同处理的反应
为了检验NDVI在监测大面积，及全球变化的有效性，我们对NDVI进行了大量分析
·在这里，NDVI和地上生物量由密切的相关性
·NDVI与生态系统初级生产力密切相关，以及ER（ecosystemrespiration）
·这里的所有研究有助于我们建立该地的生态系统光学特性和生态系统过程的关系模型，从而实现对此生态系统的大面积遥感监测
OpticalpropertiesofjuniperandlentiskcanopiesinacoastalMediterraneanmacchiashrubland
研究方法
1.研究对象
地中海沿岸典型生态系统，由刺柏，乳香树等组成
2.实验方法
·一两种主要的树种的冠层作为代表测定生态系统的光谱特性
·这两种树分别是刺柏和乳香树，同时也测定了地面的反射光谱
·每种树的叶绿素，含水量，叶片组织特性都作了研究
·冠层反射光谱由两个感应器获得，感应器放置高于冠层50cm
3.含水量：
WI=R900/R970
结果
1.叶片的生物学特性
2.叶面积指数与冠层辐射通量的关系
3.冠层的反射光谱
讨论
1.本文的结果将有助于遥感监测的数据整合
2.对于叶面积指数和关曾辐射通亮的关系研究，将有助于建立该物种的光合模型
3.光谱曲线反映出乳香树的含水量要高于刺柏，这与实验室的结果相同
4.红边位置
第三部分unispec使用界面介绍及操作方法
一连接硬件
1.连接标准夹与光纤探头：
探头切勿伸入PVC管太多，螺丝不要拧得太紧。
2.连接光纤与主机：
两分支分别与监测器输入口和光源输出口相连。
3.连接外接电池的连接：
注意正负极（一般主机电源用完再使用外接电源），外接电源放在电池盒中直接使用
二进入unispec操作界面
1．打开电源，系统自动进入unispec操作界面（如没有，则进入操作界面的方法与windows的相同）。
2.熟悉界面：
菜单栏（窗体的顶部）
控制面板（窗体的右边）
数据显示区
3.菜单栏的介绍：
a.file:
Readdata
打开一个已存储的数据文件
Readandoverlay
打开一个已存储的数据文件与现有数据重叠显示
Savedata
存储的数据文件
Processdata
数据的初步处理*
print
打印输出（暂不能使用）
exit
退出
*subtracttwofiles__将两个文件的数据相减
Multiplytwofiles__将两个文件的数据相乘
Dividetwofiles__拆分文件（除）
Transformtwofiles__根据公式（A*file1+B*file2+C）转换文件
Averagefiles__求平均值
Derivetiveofscan__计算导数
b.scans
Datascan
数据扫描
Overlayscan
数据扫描（扫描数据重叠显示8）
Darkscan
暗扫描
Referencescan
参比扫描
Shutterclosed
关闭快门
Autoscan
自动扫描
c.view
Raw
显示未计算参比扫描的结果
reflectance
当前扫描数据/参比扫描数据
Absorbance
参比扫描数据的对数值/当前扫描数据
Darkcurrent
显示暗扫描数据
reference
显示参比扫描数据
Kinetics
为已存储数据计算一些指数
d.indecs
Banddefinetions
计算波段定义
Kineticsdefinetions
索引定义
calculate
计算数值
save
存储得数
e.setup
systemparameters
·detectorcoefficients（仪器系数）:
仪器校准有分光计的三个系数组成（A,B,C），它用一个2阶多项式表示了检测器像素数的排列（P）与波长的关系——波长=Ap2+Bp+C
·Beep:
每一次测量开/关是发出一种蜂鸣声
·darkcurrent:
暗电流修正自动地从所有后来的扫描结果中减去以前测定的暗电流值
·serialport:
端口设置
Measurementpreferences
·integrationtime:
定义检测器暴光的持续时间（4-3276ms）
·halogensourceintensity:
控制卤光灯电压（7-102%）
·scanstoaverage:
为单独测量扫描设定平均扫描次数
·referencecalibrationfile:
设置两种参比标准
·defaultdatadirectory:
默认数据目录
·autosave:
自动存储
·autoscandelay:
当使用autoscan功能后，定义两次扫描之间的时间间隔（0.5-86400s）
f.help
4.控制面板
Preferences
（1）:
对应于Setup–MeasurementPreferences.
DataScan
（2）:
对应于Scans–DataScan.
OverlayScan（3）:
对应于Scans–OverlayScan.
DarkScan（4）:
对应于Scans–DarkScan.
ReferenceScan（5）:
对应于Scans–ReferenceScan.
Cursor（6）:
控制光标的开关
RawDataOn/off（7）:
当打开时对应于View–Raw.当关闭时对应于View–ReflectanceorView–Absorbance
ShutterOpen/closed（8）:
控制快门的开关
AutoScanOff/on（9）:
对应于Scans–AutoScan.
三扫描叶片
1.按1（键盘），设置参数：
integrationtime（多设为4ms，国外有设为60ms的）
halogensourceintensity（最好大于90%）
defaultdatadirectory
enableautosave
scanstoaverage（大于3次）
2.按2键进行一个初始扫描。
3.将白色的参比标准板放入叶夹中。
按1键设置光源的光强为100％，然后点击Optimizeintegrationtime按钮。
完成后，一个信息栏将显示操作结束的信息，点击这个信息栏中的OK，然后再点击测定对话框的OK。
4.取出白色的参比标准板，然后按8键关闭快门。
5.并用黑布遮盖叶夹，按4键进行暗扫描。
6.按8键打开快门。
将白色的参比标准板放入叶夹中，然后按5键进行参比扫描，完成后从叶夹中取出白色的参比标准板。
7.将叶片样品放入叶夹中，然后按2键进行数据扫描。
8.冠层扫描
A.冠层扫描和叶片扫描大同小异，只是所连接硬件不同。
B.探头距目标的距离不同，所扫描的面积不同
C.当视角调制管完全插入直形光纤探头时，扫描角度为200
9.文件夹的管理
数据存储的文件夹的管理和在Windows环境下相同，可以随意进行删除，复制等操作。
四数据导出及处理
1.将数据传入个人电脑：
a.在电脑上安装activesync软件
b.用USB数据传输线将光谱仪和电脑相连
c.启动光谱仪
d.点击“控制面板”（电脑上）中的“系统”，在“系统属性”的“硬件”中点击“添加硬件向导”，搜索新硬件（有的机器上此步可省）
e.当计算机与光谱仪建立通讯时，activesync窗口的右侧图标呈绿色，这是就可以对光谱仪上的数据进行操作了。
有时如果图标没有变成绿色，可以重启电脑试一试。
2.数据处理：
a.安装Multispec5.1.5软件；
b.双击桌面上的Multispec5.1软件图标或者在“开始”菜单下的“程序”菜单中打开Multispec5.1软件;
c.点击窗口中的“Unispec-new”按钮，在左侧窗口中找到保存数据的路径，依次点击右侧窗口所要处理的每一个数据文件，使数据文件列表在中间的窗口中;
d.然后点击“FileListOK”;
e.点击右下侧的“DoOperation”，显示保存文件的提示信息,将文件保存为“gp”;
f.使用excel处理数据
g.也可以使用Multispec5.1继续处理。
点击“processindices”，在左侧窗口中找到保存数据的路径,选中文件“gp”，点击“indices”,设置指数公式
h.calculate
3.利用Excel的强大功能处理数据：
有些时候，单独利用Multispec5.1软件无法得到所有想得到的指数，这是我们可以求助Excel的宏功能来完成。
a.在Excel中打开数据文件“gp”
b.利用宏达到目的。
第四部分试验内容以及注意事项
一实验内容
1实验目的
掌握UniSpec-SC光谱分析仪的使用方法;
了解UniSpec-SC光谱分析仪的应用。
2实验设计方案
3实验步骤
a.采集数据
4人一组，在校园内选取植物,每种植物选3棵，每棵树选择健康、成熟、向阳的叶片10片，每个叶片测3个点，测量完及时导出数据。
建议:
选取红松大树和小树，以便数据比较分析
b.数据处理
将导出的数据经Multispec5.1.5软件计算Rλ，并用EXCEL进行数据处理，计算mSR705、chlNDI、PRI、SIPI指数的值，并进行方差分析，提供图、表，给出结论。
5分析讨论
6思考题
探讨利用光谱仪测定与传统的实验室提取测定植物色素含量的优劣
二注意事项
1.安全问题
a.人身安全：
不涉险，避免受伤
b.仪器安全：
防水，防摔
2.仪器保养：
a.电池记得按时充电
b.仪器注意防潮
c.避免折坏光纤
d.保持参比板干洁
3.试验目的，方法
a.确定好实验目的，方法
b.参照前人经验，考虑实地环境，确定如何操作
c.实验进行过程中，视情况的变化，改进实验方案
4.样品采集
样品的采集与实验的目的相关
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