1、地物波譜特征地物波譜特征地物波譜特征1. 地物反射波譜特征在可見光與近紅外波段（0.32.5 m），地表物體自身的熱輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。當(dāng)然，太陽輻射到達(dá)地面后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用，如黑色物體的吸收能力較強。最后，電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即 到達(dá)地面的太陽輻射能量= 反射能量+吸收能量+透射能量 1. 地物反射波譜特征在可見光與近紅外波段（0.32.5 m），地表物體自身的熱輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。當(dāng)然，太陽輻射到達(dá)地面后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用，如黑色物體的

2、吸收能力較強。最后，電磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即 到達(dá)地面的太陽輻射能量= 反射能量+吸收能量+透射能量 地物反射波譜特征絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體，例如水，對一定波長的電磁波則透射能力較強，特別是0.450.56m的藍(lán)、綠光波段，一般水體的透射深度可達(dá) 1020 m，混濁水體則為 12 m，清澈水體甚至可透到100 m的深度。地物反射波譜特征對于一般不能透過可見光的地面物體對波長 5 cm的電磁波則有透射能力，例如，超長波的透過能力就很強，可以透過地面巖石、土壤。 利用這一特性制作成功的超長波探測裝置探測地下的超長波輻射，可以不破壞地面物體而探測地

3、下層面情況，在遙感界和石油地質(zhì)界取得了令人矚目的成果。 地物反射波譜特征在物體反射、吸收、透射等物理性質(zhì)中，使用最普遍最常用的仍是反射這一性質(zhì)。地物反射波譜特征反射率和反射光譜反射率 物體反射的輻射能量P占總?cè)肷淠芰縋0的百分比，稱為反射率 ： 不同物體的反射率也不同，這主要取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況），以及入射電磁波的波長和入射角度。反射率的范圍總是1，利用反射率可以判斷物體的性質(zhì)。 地物反射波譜特征反射率和反射光譜物體的反射 物體的反射狀況根據(jù)其表面狀況的不同分為三種：鏡面反射:入射角與反射角相等漫反射:當(dāng)入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度是一個常數(shù)，這種反射面又

4、叫朗伯面。實際物體反射:介于鏡面和朗伯面（漫反射面）之間實際物體反射 設(shè)i、i分別為入射方向的方位角和天頂角，r、r分別為某一反射方向的方位角和天頂角。那么方向反射因子可以表示為： Ii為某一方向入射輻射的照度；Lr為觀察方向的反射亮度。這些物理量均與方位角和天頂角有關(guān)，只有當(dāng)朗伯體時才都成為與角度無關(guān)的量。 實際物體反射 入射輻照度Ii應(yīng)該由兩部分組成: 太陽的直接輻射，是由太陽輻射來的平行光束穿過大氣直接照射地面，其輻照度大小與太陽天頂角和日地距離有關(guān)； 太陽輻射經(jīng)過大氣散射后又漫入射到地面的部分，因為是從四面八方射入，其輻照度大小與入射角度無關(guān)。 地物反射波譜特征反射率和反射光譜反射波譜

5、地物反射率隨波長的變化規(guī)律。 通常用平面坐標(biāo)曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。同一物體的波譜曲線反映出不同波段的不同反射率，將此與遙感傳感器的對應(yīng)波段接收的輻射數(shù)據(jù)相對照，可以得到遙感數(shù)據(jù)與對應(yīng)地物的識別規(guī)律。 地物反射波譜特征地物反射波譜曲線 除隨不同地物（反射率）不同外，同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件下形態(tài)表現(xiàn)（反射率）也不同。一般說，地物反射率隨波長變化有規(guī)律可循，從而為遙感影像的判讀提供依據(jù)。 （1）植被反射波譜曲線 規(guī)律性明顯而獨特?？梢姽獠ǘ危?.40.76m）有一個小的反射峰，兩側(cè)有兩個吸收帶。這是因為葉綠素對藍(lán)光和紅光吸收作用強，而對綠光反射作用強。 葉綠素的吸收波

6、段水的吸收綠葉的反射率 在近紅外波段（0.70.8 rn）有一反射的“陡坡”，至 1.lm附近有一峰值，形成植被的獨有特征。這是由于植被葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中紅外波段（1.32.5m）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別是在水的吸收帶形成低谷。 （1）植被反射波譜曲線 植物波譜具有上述的基本特征，但仍有細(xì)部差別，這種差別與植物種類、季節(jié)、病蟲害影響、含水量多少等有關(guān)系。為了區(qū)分植被種類，需要對植被波譜進行研究。（1）植被反射波譜曲線9月20日玉米、大豆5月20日小麥、油菜（1）植被反射波譜曲線不同樹種（2）土壤反射波譜曲線 自然狀態(tài)下

7、土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來講土質(zhì)越細(xì)反射率越高，有機質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低，此外土類和肥力也會對反射率產(chǎn)生影響。由于土壤反 射波譜曲線呈比較平滑的特征，所以在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯。 不同質(zhì)地土壤反射光譜曲線（3）水體反射波譜曲線 水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收都很強，特別到了近紅外波段，吸收就更強，所以水體在遙感影像上常呈黑色。但當(dāng)水中含有其他物質(zhì)時，反射光譜曲線會發(fā)生變化。水中含泥沙時，由于泥沙散射，可見光波段反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含葉綠素時，近紅外波段明顯抬升，這些都成為影像分析的重要依據(jù)。 不同葉綠素濃度的海水反

8、射光譜曲線（4）巖石反射波譜曲線 巖石的反射波譜曲線無統(tǒng)一的特征，礦物成分、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等都會對曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。 幾種巖石的反射波譜曲線 2. 地物波譜特征的測量 電磁波譜中，可見光和近紅外波段（0.32.5m）是地表反射的主要波段，多數(shù)傳感器使用這一區(qū)間。 地物波譜特征測量的作用傳感器波段選擇、驗證、評價的依據(jù)建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系 將地物光譜數(shù)據(jù)直接與地物特征進行相關(guān)分析并建立應(yīng)用模型 地物波譜特征的測量地物反射波譜測量理論雙向反射分布函數(shù)（BRDF） 對于地物表面dA，入射時輻照度為dIi(i,i)，在r和r方向上，由dIi產(chǎn)生

9、的反射亮度為dLr，隨著入射方向和反射方向的不同，產(chǎn)生一個函數(shù)fr，稱雙向反射分布函數(shù)，簡稱BRDF，表示為：地物波譜特征的測量地物反射波譜測量理論雙向反射分布函數(shù)（BRDF） 對于給定的入射角和反射角，這一函數(shù)值表示在給定方向上每單位立體角內(nèi)的反射率。fr還是波長的函數(shù)。BRDF完全描述了反射空間分布特性的規(guī)律。但是由于BRDF函數(shù)值本身是兩個無窮小量的比，且實際想要測量dIi也十分困難，因此實際測量中很少采用。 地物波譜特征的測量地物反射波譜測量理論雙向反射比因子R（BRF） 這一函數(shù)比較容易測量，其定義是，在給定的立體角錐體所限制的方向內(nèi)，在一定輻照度和觀測條件下，目標(biāo)的反射輻射通量與處

10、于同一輻照度和觀測條件下的標(biāo)準(zhǔn)參考面的反射輻射通量之比。而這一標(biāo)準(zhǔn)參考面即為前面講過的朗伯反射面。地物波譜特征的測量地物光譜測量方法樣品的實驗室測量 實驗室測量常用分光光度計，儀器由微機控制，測量數(shù)據(jù)也直接傳給計算機。分光光度計的測量條件是一定方向的光照射，半球接收，因此獲得的反射率與野外測定有區(qū)別。室內(nèi)測量時要有嚴(yán)格的樣品采集和處理過程。例如，植被樣品要有代表性，采集后迅速冷藏保鮮，并在12h內(nèi)送實驗室測定；土壤和巖礦應(yīng)按專業(yè)要求并制備成粉或塊。 由于實驗室的測量條件高，應(yīng)用不夠廣泛。 地物波譜特征的測量地物光譜測量方法野外測量 垂直測量：為使所有數(shù)據(jù)能與航空、航天傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行比較

11、，一般情況下測量儀器均用垂直向下測量的方法，以便與多數(shù)傳感器采集數(shù)據(jù)的方向一致。由于實地情況非常復(fù)雜，測量時常將周圍環(huán)境的變化忽略，認(rèn)為實際目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)板的測量值之比就是反射率之比。垂直測量所用標(biāo)準(zhǔn)板通常用硫酸鋇或氧化鎂制成，在反射天頂角45o時，接近朗伯體，并且經(jīng)過計量部門標(biāo)定，其反射率為已知值。因沒有考慮入射角度變化時造成的反射輻射值的變化（對實際地物在一定程度上取近似朗伯體），其測量值也有一定的適用范圍。 地物波譜特征的測量地物光譜測量方法野外測量 非垂直測量： 在野外更精確的測量是測量不同角度的方向反射比因子，考慮到輻射到地物的光線由來自太陽的直射光（近似定向入射）和天空的散射光（近似半

12、球入射），因此方向反射比因子取兩者的加權(quán)和。1. 太陽 2. 光譜輻射計 3. 標(biāo)準(zhǔn)白板地物波譜特征的測量地物光譜測量方法野外測量非垂直測量步驟自然光照射時測量一次為I值；用擋板遮住太陽光使陰影蓋過標(biāo)準(zhǔn)板，再測一次為ID；自然條件下選擇太陽方向和觀測角在同一地面位置分別迅速測量標(biāo)準(zhǔn)板的輻射值和地物的輻射值，計算野外測量出的方向反射比因子R；用黑擋板遮住太陽直射光，在只有天空漫入射光時分別迅速測量標(biāo)準(zhǔn)板和地物的輻射值，計算比值得到漫入射的半球一定向反射比系數(shù)RD ；由公式計算出直射光照射下雙向反射比因子RS。測量時可以保持方位角始終為0o 小麥野外測量的RD和RS及室內(nèi)測量的Rs曲線 地物光譜測

13、量實例分析1. 測量儀器的介紹1.1 測量儀器的硬件介紹： 美國StellarNet公司制造的EPP-2000 NIR-InGaAs-LT14、 VIS-25 CCD 和VIS-25 PDA微型光纖光譜儀。其中，InGaAs為近紅外光譜儀，其觀測范圍為900nm至1700nm；而CCD和PDA為可見光光譜儀，其觀測范圍為350nm至1150nm。 儀器有1米、3米和5米的光纖連接光譜儀對樣本采樣，光纖視場均為25度。由于光纖存在一個25度的視場，在測量觀測時，觀察的區(qū)域是一個面而不是一個點。所以在測量時必須選擇適當(dāng)?shù)挠^測距離和角度，保證觀察面中的觀測對象符合測量要求。1.1 測量儀器的硬件介紹

14、：1.1 測量儀器的硬件介紹：1.1 測量儀器的硬件介紹：1.2 測量儀器的軟件介紹Spectra Wiz 軟件操作界面1.2 測量儀器的軟件介紹四大模塊：FILE模塊：提供數(shù)據(jù)的保存、讀取和打印功能；SETUP模塊：提供設(shè)置儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理參數(shù)的功能；VIEW模塊：提供設(shè)置光譜顯示參數(shù)的功能；APPS模塊：室內(nèi)光譜測量參數(shù)設(shè)制。 在野外的實地測量中，我們一般只使用前三個模塊的功能。 其中，F(xiàn)ILE模塊用來保存光譜測量中需要記錄的三類光譜：暗光譜、參考光譜和目標(biāo)光譜 ；SETUP模塊用來設(shè)置參數(shù)以確保儀器的正常工作；VIEW模塊則為用戶提供多角度觀察光譜的顯示模式。1.2 測量儀器的軟件介

15、紹多種參數(shù)設(shè)置： Spectra Wiz軟件中提供了許多設(shè)置參數(shù)來控制各種不同的功能，例如：Detector integration time （TIME）設(shè)定光譜儀輸出信號功率；Spectral smoothing controls （SIM）設(shè)定光譜曲線平滑算子；Number of scans to average （AVG）設(shè)定光譜平均采樣次數(shù)； 合理的設(shè)置這些參數(shù)，能夠起到事半功倍的效果。例如，選擇適當(dāng)?shù)腡IME和AVG參數(shù)值，能使儀器在較短的時間內(nèi)獲得高信噪比的數(shù)據(jù)，這樣便為數(shù)據(jù)的后期處理減輕了負(fù)擔(dān)。 2、 影響樣本光譜的因素2、 影響樣本光譜的因素 在光譜的采集過程中，對我們所感興

16、趣的樣本產(chǎn)生影響的因素很多，而且關(guān)系非常復(fù)雜。這些因素中，有些是可以在數(shù)據(jù)的處理過程中削弱和去除的，而有些因素產(chǎn)生的影響卻是無法估計和處理的。所以在采集樣本光譜時，我們必須考慮到各種因素，盡量避免一些無法定量的因素對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。2 影響樣本光譜的因素 我們將對樣本光譜產(chǎn)生影響的因素分為了三類，分別是大氣因素、周圍物體的散射因素和物體自身反射特性因素。如圖： 其中，大氣因素和周圍物體的散射因素都屬于影響樣本光譜的環(huán)境因素。2.1 大氣因素對觀測的影響 大氣干擾地物光譜測量的因素主要包括：大氣中各種氣體分子對太陽輻射的吸收；云層對太陽輻射的吸收和散射；風(fēng)對被測物體的物理狀態(tài)的影響。 2.1

17、大氣因素對觀測的影響大氣中各種氣體分子對太陽輻射的吸收； 氣體分子吸收對太陽輻射的影響非常強烈，陽光通過大氣層的路徑越長，其吸收作用就越強。 2.1 大氣因素對觀測的影響 水蒸氣（H2O）對太陽輻射的吸收是所有氣體中最強的，它對進入大氣窗口的所有波段都有一定的影響，且隨著空間和時間的變化而不斷改變。 2.1 大氣因素對觀測的影響 二氧化碳（CO2）在2000-2200nm范圍內(nèi)有強烈的吸收性，這增加了對碳酸礦物質(zhì)和溶解性有機鹽的研究難度。但是和水蒸氣相比，二氧化碳的吸收特性非常穩(wěn)定，是容易掌握的。 2.1 大氣因素對觀測的影響 大氣中其它氣體對太陽輻射都有一定的影響但特征和影響程度都不及這兩種

18、氣體。 2.1 大氣因素對觀測的影響云層對太陽輻射的吸收和散射； 測量過程中云層的出現(xiàn)會使得大氣中水蒸氣的吸收特征變化得更快。大量水蒸氣的出現(xiàn)，會對測量參考光譜和樣本光譜的太陽輻射產(chǎn)生不同的影響，從而導(dǎo)致了樣本反射率出現(xiàn)錯誤。盡量縮短采參比和采樣本光譜之間的時間間隔可以減小由于這種原因造成的誤差。 當(dāng)云層過厚時，云層本身便可以遮擋太陽的輻射，降低大氣散射光強。此時采集的光譜的準(zhǔn)確性很低，應(yīng)當(dāng)盡量避免在陰天進行外業(yè)光譜采集。 2.1 大氣因素對觀測的影響風(fēng)對被測物體的物理狀態(tài)的影響。 在采集樣本光譜的過程中，因為風(fēng)的影響被測物體的位置和姿態(tài)發(fā)生了改變，同樣會產(chǎn)生測量誤差。在光譜儀積分時間和光譜平均采樣次數(shù)的參數(shù)設(shè)置過大時，因為風(fēng)產(chǎn)生的誤差就更加嚴(yán)重。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在測量植被冠層和水面時。 因此，在應(yīng)當(dāng)盡量避免在風(fēng)力過大的天氣進行外業(yè)測量；在有風(fēng)的情況下測量時，應(yīng)當(dāng)盡量縮短采樣的時間間隔。 2.2 周圍地物對觀測的影響 在外業(yè)光譜測量中，如何選擇一個好的測量環(huán)境至關(guān)重要，因為周圍環(huán)境對樣本光譜的影響程度直接關(guān)