《定量遙感》課程講座-5

----地物反射輻射謝東海首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院2013年10月16日內(nèi)容

引言

基本概念水體的光譜特性植物的光譜特性土壤的光譜特性巖石礦物的光譜特性人工目標(biāo)的光譜特性地物光譜特性的影響因素地物光譜觀測(cè)技術(shù)與分析方法

1、電磁波與地物相互作用

電磁波與地物表面及大氣的相互作用與其頻率密切相關(guān)。任何物質(zhì)都會(huì)反射、吸收透射和輻射電磁波，不同性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同頻率的電磁波。電磁波產(chǎn)生的方式多種多樣，包括電磁振蕩，晶格或分子的熱運(yùn)動(dòng)，晶體分子或原子的電子能級(jí)躍遷，分子、原子核振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、內(nèi)層電子能級(jí)、原子核內(nèi)能級(jí)電子躍遷。從輻射源（如太陽(yáng)）入射到物體上的輻射可分成吸收、透射和反射三個(gè)分量。根據(jù)能量守恒定律，++=1，其中、、分別是吸收、透射和反射比。

一、引言

各種物體由于化學(xué)組分、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面狀態(tài)以及時(shí)間、空間環(huán)境的不同差別，它們對(duì)電磁輻射的反射、吸收、透射的能力是不相同的，即使同一個(gè)物體，它對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁輻射的響應(yīng)也有很大差別。也就是各種物體有自己獨(dú)特的電磁輻射特性，包括反射光譜特性、發(fā)射光譜特性及散射特性等。被動(dòng)遙感系統(tǒng)的傳感器，搜集的正是地球表面物體,對(duì)太陽(yáng)輻射的反射信息和物體自身發(fā)射的電磁輻射(即熱輻射)信息；主動(dòng)遙感系統(tǒng)中的微波雷達(dá)、搜集的信息是地物反射及散射特性的反映。圖．根據(jù)波段把遙感劃分為3種類型圖物質(zhì)的內(nèi)部狀態(tài)原理圖圖

H2O的3個(gè)基頻振動(dòng)模式圖氣態(tài)H2O的3個(gè)基頻振動(dòng)模式圖液態(tài)H2O的3個(gè)基頻振動(dòng)模式液態(tài)水分子由3個(gè)原子組成，它有3個(gè)簡(jiǎn)正頻率ν1，ν2和ν3，對(duì)應(yīng)3個(gè)波長(zhǎng)：

λ1＝3．106μm——對(duì)稱的O-H基伸縮運(yùn)動(dòng)；

λ2＝6.08μm——H-O-H鍵的彎折運(yùn)動(dòng)；

λ3＝2．903μm——非對(duì)稱的O-H伸縮運(yùn)動(dòng)，它們都是基頻模式。最低階的泛音(倍頻)是2ν1，2ν2、和2ν3，相應(yīng)波長(zhǎng)則為λ1/2，λ2／2和λ3／2。組合諧音（合頻）的一個(gè)例子是：ν＝ν3十ν2，其波長(zhǎng)為：

1/λ=1/λ2+1/λ3，→λ=1.87μm或者v’＝2v1十ν3，λ’＝0．962μm。H2O成因氣態(tài)液態(tài)固態(tài)υ12.743.053.17υ32.662.872.96υ2+υ31.8751.932.02υ1+υ31.942υ31.381.451.52υ1+υ2+υ31.141.211.253υ30.910.981.02（水汽紅外透過率光譜）

（液態(tài)水紅外透過率光譜）在土壤、礦物、巖石的光譜上，只要含水，就有兩個(gè)吸收帶，一個(gè)在1.45μm附近(倍頻2ν3)，另一個(gè)在1．9μm附近(組合合頻ν3十ν2）。這兩個(gè)帶的有無，常用作含水分與否的診斷依據(jù)。如果這兩個(gè)帶很狹窄，說明水分子占據(jù)確切有序的位置；反之則說明水分子雜亂無序。譜帶的確切位置和形狀反映了水分子與無機(jī)物的特定關(guān)系。圖以不同含水材料的光譜說明了這一效應(yīng)。諧音（倍頻）2ν3和組合諧音（合頻）ν3十ν2以及譜形、位置的變化均在圖中清晰可見。圖光譜線型及位置的變化與水分子倍頻2ν3和合頻ν3十ν2有關(guān)。2、研究地物波譜特性意義

(1)遙感器的波段選擇、定標(biāo)、校驗(yàn)和評(píng)價(jià)

遙感器的最佳波段選擇是地物波譜研究中的最基本的任務(wù)，是遙感器設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵之一；詳細(xì)的地物波譜信息及相關(guān)的地面周圍環(huán)境實(shí)況資源可直接用作遙感器設(shè)計(jì)依據(jù)，通過在規(guī)范化的地物波譜工作配合下的模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析，就可以得到所要求的各種設(shè)計(jì)參數(shù)；已研制成功的遙感器或其模擬樣機(jī)的性能是否改變，應(yīng)用效果如何的校驗(yàn)和評(píng)價(jià)也離不開準(zhǔn)確詳細(xì)的地物波譜數(shù)據(jù)。

(2)建立地物波譜與遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系對(duì)遙感數(shù)據(jù)和地物波譜數(shù)據(jù)定量化相關(guān)關(guān)系的研究，有助于建立遙感圖像判讀標(biāo)志及波譜數(shù)據(jù)和圖像的色度學(xué)關(guān)系，并為計(jì)算機(jī)處理和分析提供方法和依據(jù)。(3)相關(guān)信息和波譜數(shù)據(jù)關(guān)系的研究，擴(kuò)大應(yīng)用范圍地物波譜數(shù)據(jù)和氣象資料、生物學(xué)參量、巖石的礦物成分、土壤水分、人工目標(biāo)等關(guān)系的研究深入，探索地物波譜特性及遙感應(yīng)用研究的新領(lǐng)域(4)建立地物波譜應(yīng)用模式根據(jù)地物的波譜特性，研究分析地物的性質(zhì)、狀況和屬性是遙感地物波譜研究的宗旨；有效地分析和識(shí)別地物，區(qū)別目標(biāo)和背景的特征，發(fā)展地物和波譜分析模型。（5）不同波譜段的地物波譜特性的綜合研究

由地物波譜特性可知，不同的波段內(nèi)，地物波譜將顯示不同的特性。開展可見－近紅外－中紅外－熱紅外波段以及微波區(qū)的綜合研究，從而拓寬和加深不同平臺(tái)遙感信息復(fù)合的研究及應(yīng)用。

波段號(hào)

主要應(yīng)用

分辨率(m)

波段寬度(um)

1

植被葉綠素吸收

250

0.620-0.670(紅)

2

云和植被覆蓋變換

250

0.841-0.876

3

土壤植被差異

500

0.459-0.479（藍(lán)）

4

綠色植被

500

0.545-0.565（綠）

5

葉面/樹冠差異

500

1.230-0-1.250

6

雪/云差異

500

1.628-1.652

7

陸地和云的性質(zhì)

500

2.105-2.155

MODIS的前7個(gè)波段二、基本概念1．雙向反射率分布函數(shù)（BRDF）雙向反射率分布函數(shù)是描寫反射輻射在空間分布的物理量。它的定義為：

式中dL(θr，φr)是觀測(cè)方向的物體表面反射輻射亮度，dEi(θi，φi)是入射到物體表面的輻照度，θr，φr表示反射方向的角度，θi，φi

表示入射方向的角度。雙向反射率分布函數(shù)f的單位是球面度-1。圖示出表面反射的幾何參量。在入射方向，輻照度與輻射亮度的關(guān)系為：雙向反射率分布函數(shù)，是一個(gè)完善地描寫物體表面反射特性的物理量。但是，由于很難精確地測(cè)量入射到物體表面的Ei(θi，φi)，而在實(shí)際中很少用它。圖

描述表面反射的幾何參量（θ天頂角，φ方位角，ω光束立體角）2．

雙向反射率(r雙)雙向反射率的定義為：測(cè)量方向上物體表面的反射輻射亮度與照射源在入射方向的輻射亮度之比。即：r雙無量綱。由式(3．1．3)可知，雙向反射率與測(cè)量條件直接有關(guān)。測(cè)量值受“照射源一目標(biāo)物一測(cè)量?jī)x器”之間相對(duì)位置的影響，而不能精確地反映目標(biāo)物的固有反射特性。以至在不同測(cè)量條件下取得的雙向反射率值，難以進(jìn)行比較。圖雙向反射率在野外環(huán)境中，難以測(cè)量BRDF，一般測(cè)量目標(biāo)的雙向反射比因子（BRF）。它是通過測(cè)量在相同的照射和觀測(cè)條件下目標(biāo)反射的輻亮度和全反射漫射體反射的輻亮度，然后求比值得到的。

—目標(biāo)的雙向反射比因子；

—目標(biāo)反射的輻亮度，w.m-2.sr-1；

—完全反射漫射體反射的輻亮度，w.m-2.sr-1

實(shí)際測(cè)量中，野外波譜儀器輸出的信號(hào)值與入射輻亮值成線形關(guān)系，一般直接采用儀器輸出值計(jì)算，同時(shí)采用工作標(biāo)準(zhǔn)代替全反射漫射體，計(jì)算時(shí)應(yīng)修正工作標(biāo)準(zhǔn)的影響。

3.雙向反射比因子（BRF）。圖土壤光譜在不同觀測(cè)方向（a:90,b:45;c:0,d:60）雙向反射率（入射方向?yàn)?0度時(shí)）

雙向反射率因子就是相對(duì)反射率。其定義為：在相同的照度條件下，目標(biāo)物的反射亮度L與標(biāo)準(zhǔn)參考面(朗伯面)的反射亮度Lo之比，乘以標(biāo)準(zhǔn)參考面的反射率ro。ro是一個(gè)常數(shù)。即：r的光譜量為：

rλ通常又稱為光譜反射比(率)或光譜反射亮度系數(shù)，它只是波長(zhǎng)的函數(shù)，能夠客觀地反映物體的固有反射性質(zhì)。

反射率（反射比）-Reflectance表面的反射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比。即由反射引起的出射度與入射到表面的輻照度之比。不同材料表面具有不同的反射率，同一材料對(duì)于不同波長(zhǎng)，其反射率也不同，稱之為“選擇性”反射。反射率數(shù)值還與物體表面狀況，以及其周圍的介質(zhì)和入射角有關(guān)。對(duì)于特定表面，常稱“反射比”。在給定波長(zhǎng)處的單色光的反射率，稱為光譜反射率。遙感影像分析的根據(jù)就是：不同地物在不同波段具有不同的反射率，用同一地區(qū)不同譜段的影象進(jìn)行比較可提高判別精度。

反照率（半球反射比）-Albedo從反射體表面，特別是天體表面向各個(gè)方向反射的全部光通量占入射總光通量的百分比，或指一顆行星或衛(wèi)星反射的光通量與其接受的光通量之比，均表示物體在2π空間的反射通量(或輻射出射度)與入射通量(或輻照度)之比。例如，地球的反照率是34%。

4、反射面類型通常物體的表面分為光滑面與粗糙面兩大類。然而，說一個(gè)表面的光滑與粗糙并非是絕對(duì)的，它是相對(duì)于入射電磁輻射的波長(zhǎng)而定的。例如，一個(gè)對(duì)于可見光是粗糙的表面，對(duì)于微波輻射則可能是光滑面。1．判別表面光滑度的準(zhǔn)則如圖，設(shè)波長(zhǎng)為λ的電磁輻射投射到一個(gè)凹凸不平的表面，表面起伏的平均高差為h，投射的掠角為γ(即入射角的余角)，入射輻射兩射線的波程差ΔR=2hsinγ，其位相差為：

瑞利提出，當(dāng)Δφ<π/2時(shí)，表面為光滑面的判別準(zhǔn)則，即：隨著微波技術(shù)的發(fā)展，皮克、奧利弗

修改瑞利判據(jù)，使之適合中等粗糙度的表面，以確定中等粗糙面h值的上、下限。其平滑準(zhǔn)則為：

式中∠γ也即是雷達(dá)天線發(fā)射電磁輻射的俯角。在微波遙感中，h和λ采用相同的長(zhǎng)度單位。反射面類型的劃分，在微波遙感中十分重要。圖

表面光滑度的幾何關(guān)系2．鏡面滿足于瑞利準(zhǔn)則的表面，定義為光滑面，也稱為鏡面。鏡面反射的特點(diǎn)，是反射能量集中分布在反射角θr等于入射角θi的方向上。3．漫反射面不滿足瑞利準(zhǔn)則的表面，定義為粗糙面，它也是漫反射面。漫反射面的輻射亮度是一個(gè)常數(shù)，即是在入射輻照度不變的情況下，漫反射面的反射亮度與觀測(cè)的角度無關(guān)。理想的漫反射面(體)稱為朗伯面(體)，它滿足朗伯定理：

式中B(θ)為偏離表面法線θ角的輻射亮度，Bo是表面法線方向的輻射亮度。圖

中Rp在p點(diǎn)所觀測(cè)的面輻射源s的輻射亮度，等于面源s’垂直于軸向的投影s面的輻射亮度。太陽(yáng)可以看成是朗伯輻射體，它的表面近似于朗伯面。圖

朗伯定理的幾何關(guān)系理想漫反射面(朗伯面)的反射輻射亮度與觀測(cè)方向無關(guān)，與照射輻射的入射方向亦無關(guān)，對(duì)于朗伯面面言，其雙向反射率分布函數(shù)是一個(gè)常數(shù)，即：光譜量則為：朗伯面的反射亮度在空間的分布與幾何位置無關(guān)?？捎?jì)算出單位面積輻射源向2π空間輻射的總出射率為：也即是：朗伯面的輻射亮度在數(shù)值上等于輻射出射率的1/π倍。當(dāng)太陽(yáng)高度角較高(＞40°)時(shí)，相對(duì)于衛(wèi)星遙感器的飛行高度，地球表面近似于朗伯面，遙感傳感器在太空記錄的地物輻射亮度滿足上述關(guān)系，由于在一定的太陽(yáng)照度下，L(或Lλ)僅與地面物體的漫反射率r(或光譜反射率rλ)有關(guān)，從而直接反映出各種地物的固有反射特性。水對(duì)紅外波段輻射的吸收非常強(qiáng)。即使一層極薄的水層，也會(huì)出現(xiàn)高強(qiáng)度的吸收。圖：厚度為lmm的水層的吸收光譜曲線。從中可以看別在1．4μm和1．9μm波長(zhǎng)附近及2．5μm波長(zhǎng)以遠(yuǎn)的水的吸收率幾乎等于100％。顯然，對(duì)于自然水體，即使水深很淺，也能夠全部吸收入射電磁輻射中的紅外段輻射。清潔自然水體在可見光波段有一定的反射，總體反射率很低。由于藍(lán)波段反射通量衰減且易受瑞利散射的影響，在遙感監(jiān)測(cè)中往往不考慮藍(lán)光波段。三、水體反射光譜特性圖1mm厚的水層的吸收光譜相應(yīng)綠、紅、近紅外三波段，純水的反射率分別為2.9%、0.59%、0.04%；在自然條件下清潔水的反射率為2.6%、0.85%、0.25%；清潔海水的反射率為5%、4%、0；潔凈湖水的反射率為7.6%、5.6%、2.2%；由于水對(duì)紅外波段太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈吸收，清潔水體在短波紅外波段反射率近于零。水的透射率隨波長(zhǎng)變化的。如可見光中的藍(lán)、綠光穿透水的能力相對(duì)較高。并且水中雜質(zhì)對(duì)水的光譜透射率有很大影響。

蒸餾水和清潔的海洋水，它們的最高透射率分別是50％與30％左右，峰值波長(zhǎng)的范圍在0.42一0.58μm之間；沿海岸的海水中的雜質(zhì)較多，透射率的峰值下降至10％左右，峰值波長(zhǎng)的范圍縮小為0.48一0.53μm之間；混濁的海灣水，透射率更低，峰值僅為4％左右，峰值波長(zhǎng)的范圍也縮小到0.54一0.58μm之間。無論那一種水體，它們的透射率在波長(zhǎng)為0.58μm之后，都迅速降至0.25％左右。隨著水的混濁度增加，透射率降值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍相對(duì)縮小。圖深度為10m的幾種水體的透射光譜曲線1．蒸餾水2．清潔的海洋水3.沿岸海水4．海灣水圖不同水體的光譜特性

水體對(duì)可見光輻射反射：(1)水體表面反射；(2)水體底部物體反射；(3)水中懸浮物反射。

圖水體反射光的組成與傳輸過程

水與電磁輻射的相互作用比較復(fù)雜，除了水分子的作用之外，還與水中所含雜質(zhì)的性質(zhì)及數(shù)量相關(guān)。自然水體大多含有懸浮物質(zhì)，如有機(jī)物中的藻類植物及無機(jī)物中的泥沙等。因而，水體的反射光譜與懸浮物的性質(zhì)和含量密切相關(guān)。對(duì)于一定的水體,水表面和水底的反射可視為常數(shù),當(dāng)水較深或渾濁時(shí)，水底反射到水面為零,這樣唯一能反映水體特征的是后向散射光，這一部分光既反映了水體內(nèi)部的吸收特征，也與不同物質(zhì)的散射相關(guān)，所以可以反映水體組分特征。

太陽(yáng)輻射到達(dá)氣—水界面,一部分被反射，其強(qiáng)度約占3.5%,另一部分折射進(jìn)入水體內(nèi)部。進(jìn)入水面下的光譜大部分被水體吸收，主要吸收者為純水、溶解性有機(jī)物(黃物質(zhì))、藻類色素和非生命顆粒物四種物質(zhì)，另一部分被懸浮泥沙顆粒和有機(jī)生物散射，構(gòu)成水中散射光，其中返回水面部分稱為后向散射光，而透過水面到達(dá)水底而被反射的光為水底反射光。后向散射光和水底反射光組成水中光一起返回水面，通過水-氣界面與水面反射光、天空散射光一并被傳感器接收。

圖

葉綠素濃度不同的海水的反射光譜特征曲線水中的葉綠素濃度對(duì)水的光譜反射率值的影響很明顯。葉綠素的濃度增加會(huì)導(dǎo)致440nm附近藍(lán)光段的反射率顯著下降；而在550nm附近綠光段的反射綠則上升，但不靈敏；在685nm附近出現(xiàn)明顯的熒光峰且隨葉綠素濃度增加而上升，這是由于浮游生物分子吸收后在發(fā)射引起的喇曼效應(yīng)。葉綠素含量很低的水體，在藍(lán)光段波長(zhǎng)為0.4μm附近反射率最高，約7％，隨著波長(zhǎng)的加大，反射率急速地下降；葉綠素含量較低的水體，反射率的最高值約為3.5％，其位置也在0.4μm波長(zhǎng)附近，反射率隨波長(zhǎng)增加而迅速下降的趨勢(shì)，較第一種水體稍緩；葉綠素含量高的水體，反射率的最高值約為2.5％，在波長(zhǎng)為0.4μm和0．56μm兩處，在0.4一0.56μm之間，反射率的變化幅度僅是0.5％。與葉綠素含量很低的水體相比較，它的藍(lán)光段反射率下降4.5％左右，綠光段的反射率則增加l一2％。有些人提出近紅外與紅光波段的反射率比值可用來準(zhǔn)確地估測(cè)葉綠素濃度，另外的學(xué)者提出690-720nm左右處的反射率衍生量與葉綠素含量相關(guān)性更大。圖水庫(kù)水體光譜隨泥沙含量變化圖

混濁水與清水的反射光譜特性曲線1．混濁河水（懸浮泥沙含量99mg/L）2．清潔湖水（懸浮泥沙含量10mg/L）圖0.6-0.7μm波段內(nèi)水體的反射率與混濁度的關(guān)系

含懸浮泥沙的水，在整個(gè)可見光段的反射率都比清水的反射率高，懸浮泥沙還導(dǎo)致反射率的峰值出現(xiàn)在0.6一0.7μm之間，即可見光的橙、紅光段。由圖可見，在可見光的橙、紅光段內(nèi)，混濁水的反射率比清水的反射率高5％左右。在0.75μm處，清水反射率降為零，而含泥沙的泥濁水，在近紅外波段的0.8μm處還出現(xiàn)較高的反射率(5％左右)，至0.95μm附近，反射率才降為零。水中泥沙含量的增加，會(huì)導(dǎo)致0.6—0.7μm波段的反射率線性地加大。雪、冰在可見光波段雪幾乎全反射，反射率近乎95%。雪在可見光段的平均反射率高達(dá)95％以上；在紅外波段反射率下降得很快，并在1.5μm和2.0μm處降至零。雪的光譜反射率取決于雪的參數(shù)，如粒度、形狀、雜質(zhì)含量、近表層液態(tài)水含量、深度和表面粗糙度以及太陽(yáng)高度角等。新降積雪在在可見光波段有很高的反射率。隨著積雪老化，在可見光，尤其在近紅外波段的反射率迅速下降，在很大程度上是因?yàn)榉e雪表層的融化和在凍結(jié)以及雜質(zhì)的自然增加所致。積雪融化時(shí)，融化了較小的顆粒，從而增加了積雪的平均粒度和密度。圖模擬結(jié)果確定的不同半徑的雪晶對(duì)積雪反射率的影響，當(dāng)波長(zhǎng)在0.95-1.4μm范圍內(nèi)，雪晶半徑的不同積雪反射率差異也最大。模擬雪反照率必須要知道雪粒徑參數(shù)，雪反照率在地區(qū)和全球能量平衡中起著重要作用。

圖積雪融化時(shí)光譜變化規(guī)律

圖不同雪晶半徑對(duì)積雪反射率的影響新雪和陳雪在可見光段中的光譜反射率無明顯差異。但是在大于0.8μm的近紅外波段，新雪的反射率較陳雪高得多，兩者的光譜反射率差值可達(dá)30％左右，表現(xiàn)出明顯的差別。圖

雪的反射光譜特性曲線圖雪、冰的光譜反射曲線冰在可見光和近紅外波段內(nèi)的反射率變化也很大，主要依賴于冰上覆蓋物、冰內(nèi)雜質(zhì)及冰面融水。純冰川冰的反射率相當(dāng)?shù)?，但被雪和粒雪覆蓋的冰川冰，尤其在冰川積累區(qū)，其反射率增高。冰川消融區(qū)的融水和冰表面的冰磧物使冰川冰的反射率降低。圖新雪在0.4μm處的反射率約為100%，而1.0-1.05μm之間降至60%；冰川冰的反射率隨波長(zhǎng)的變化更大，在0.6μm處反射率大約65%，而在1.0μm降至10%以下。土壤化學(xué)成分是決定其反射光譜特征的最重要因素，O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti等九種元素是土壤的主體元素，平均約占土壤總重量的97%。由于土壤具有時(shí)空連續(xù)變異性，而且自然和人為活動(dòng)不斷地改變著土壤的性質(zhì)，這種變化可體現(xiàn)在其光譜行為上。土壤是一種由物理、化學(xué)性質(zhì)各不相同的物質(zhì)組成的混合物。土壤與電磁輻射相互作用中，只存在反射與吸收過程，輻射的分配遵從能量方程：r十＝1，=0。土壤的可見光、近紅外光譜特性，與土壤的質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、氧化鐵含量和含水量等因素有關(guān)。四、土壤反射光譜特性在可見及近紅外波段范圍（0.4-1.3μm），土壤的光譜特征起因于土壤礦物成分的電子躍遷及分子振動(dòng)，土壤成分的電子過程主要是由Fe3+和Fe2+引起的，其它的金屬元素沒有明顯的光譜特征（圖3-25）。土壤中的鐵礦物主要有赤鐵礦（Fe2O3），磁鐵礦（Fe3O4），菱鐵礦（FeCO3）等，它們都會(huì)降低土壤反射率。如同F(xiàn)e離子在礦物中所表現(xiàn)的光譜行為一樣，F(xiàn)e2+的吸收峰長(zhǎng)位于0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm及1.0-1.1μm處，而Fe3+的吸收峰位于0.40μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm及0.87μm處。土壤中分布最廣的礦物石英、長(zhǎng)石在該波段可見/近紅外光譜范圍也沒有明顯的光譜特征，但它們的反射率都表現(xiàn)較高。在短波紅外光譜范圍（1.3-2.5μm），其光譜特征主要由土壤成分中的H2O，OH－，CO32-等陰離子振動(dòng)所產(chǎn)生的基頻和合頻的倍頻或合頻引起的。土壤光譜總是在1.4和1.9μm出現(xiàn)水的倍個(gè)特征譜帶，土壤中含有較多次生粘土礦物，它們層間的結(jié)合水會(huì)在2.2μm和2.3μm出現(xiàn)吸收峰，CO32-的倍頻或合頻光譜吸收峰常出現(xiàn)在2.35μm和2.55μm附近。在干旱和半干旱地區(qū)一些含鹽比較高的土壤中，還會(huì)在1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.74μm、1.9μm和2.2μm附近出現(xiàn)石膏等蒸發(fā)鹽類礦物的光譜特征。

土壤的質(zhì)地，由粘土顆粒、粉砂顆粒和砂顆粒所占的相對(duì)比例來決定。不同質(zhì)地土壤的光譜特性不相同。

如圖，粉砂土在可見光、近紅外波段的光譜反射率最高，其原因是粉砂土的粒度介于砂土和泥土之間，其表面粗糙度低于砂土、蓄水能力又小于泥土，粉砂土中所含的粘土(蒙脫石或高嶺土)，引起在2．2μm附近出現(xiàn)低反射率值(即粘土礦物的0H-離子的特征吸收帶)。腐泥在0.5—2.5μm波段內(nèi)的光譜反射率最低，這是由于含有機(jī)質(zhì)，而使土壤顏色較深，土壤顆粒細(xì)，以至水分不易蒸發(fā)排出，而含水量較高。圖

三種土壤的反射光譜曲線1．粉砂土；2．砂土；3．腐泥土壤光譜特征受到土壤生物地球化學(xué)（礦物成分，濕度，有機(jī)質(zhì)、氧化鐵含量，土壤結(jié)殼等），幾何光學(xué)散射（幾何，照明，微粒形狀、大小、方位，粗糙度）以及外部環(huán)境（母巖成分，氣候，風(fēng)化程度，植被覆蓋度，落葉及其它非光合作用植被（NPV））等的影響。這些因素一方面影響土壤光譜形態(tài)和反射率的大小，同時(shí)也常常在土壤光譜中顯示其特定的光譜吸收特征。土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，是影響土壤反射光譜特性的重要因素之一。有機(jī)質(zhì)含量為5％以上的土壤，均呈深褐色或黑色，表面顏色加深使土壤在可見光波段的光譜反射率值減小。在可見光波段，土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加導(dǎo)致反射率非線性地下降。有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤顏色的影響，與氣候條件有關(guān)；有機(jī)質(zhì)含量相同的土壤，在氣溫高的地區(qū)呈深褐色，而在寒冷地帶則呈黑色。有機(jī)質(zhì)含量=K*（dLog（1/R0.62）/dLog(1/r0.56)）(復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.7)，K為待定常數(shù)土壤中的氧化鐵含量對(duì)土壤的反射光譜特性也有明顯的影響。含二價(jià)鐵電離子(Fe2+)、三價(jià)鐵離子(Fe3+)及二氧化錳的土壤均呈紅色。尤其是Fe2+普遍存在于土壤中。土壤中氧化鐵含量的增加導(dǎo)致它在可見光段的光譜反射率明顯下降。圖

示出，0.5一0.64μm波段內(nèi)土壤中氧化鐵含量與反射率的關(guān)系。由圖可見反射率隨氧化鐵含量的增加而線性地下降。當(dāng)土壤中的氧化鐵含量增加5％，其反射率下降20％左右，氧化鐵含量增加l0％，土壤的反射率下降40％左右。土壤中有機(jī)質(zhì)含量與土壤反射率關(guān)系

0.5—0.64μm波段土壤中氧化鐵含量與反射率關(guān)系由于土壤中含氧化鐵和有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致它在可見光波段的光譜反射率產(chǎn)生較大的變化，但近紅外波段的光譜反射率變化比較小。圖

示出，除去與未除去氧化鐵、有機(jī)質(zhì)的土壤的反射光譜特性曲線。其中粉砂土含4.2％Fe203，粉砂粘土含12.8％有機(jī)質(zhì)。圖除去與末除去氧化鐵、有機(jī)質(zhì)的土壤的反射光譜特性曲線1。除去氧化鐵的粉砂土；2．未除去氧化鐵的粉砂土；3．除去有機(jī)質(zhì)的粉砂粘土；4.未除去有機(jī)質(zhì)的粉砂粘土水分含量對(duì)土壤的反射光譜特性的影響最為顯著，不僅會(huì)導(dǎo)致反射率下降，還會(huì)明顯地改變近紅外波段反射光譜特性曲線的形態(tài)。由圖，經(jīng)過空氣干燥的砂質(zhì)土壤含水量?jī)H為0一4％，它在可見光、近紅外波段內(nèi)的光譜反射率都比較高，其中1．3—2．5μm波段之間的平均反射率高達(dá)45％左右。含水量為5—12％及22—32％的砂質(zhì)土，均在1.4μm和1.9μm波長(zhǎng)處出現(xiàn)水的強(qiáng)吸收帶。并且可見光、近紅外全波段內(nèi)的反射率均大幅度下降。近紅外波段的平均反射率約下降30一40％?？傊?，土壤的含水量增加，就會(huì)導(dǎo)致反射率下降，尤其是在水的特征吸收帶位置及其附近，反射率的下降尤為顯著。

三種不同含水量砂質(zhì)土壤反射光譜特性曲線1．含水量0一4%；2．含水量5—12%；3．含水量22—32%土壤分類A有機(jī)質(zhì)控制類型B最小改變類型C鐵影響類型D有機(jī)質(zhì)影響類型E鐵控制類型圖5種土壤光譜類型

（A）有機(jī)質(zhì)控制類型。該類土壤光譜曲線在0.40到1.3μm波段范圍反射率低，曲線平直，斜率小變化不大，在短波紅外波段曲線形狀稍微臺(tái)升和下凹，其變化幅度也不大，在1.45μm、1.95μm處具有較強(qiáng)的水吸收帶。這類土壤富含有機(jī)質(zhì)，中細(xì)結(jié)構(gòu)，通常其光譜反射率隨土壤中的有機(jī)含量的增加而減小。（B）最小改變類型。該類土壤光譜曲線在可見光波段上升很快，斜率巨增，在近紅外波段波段趨于平緩但反射率較高，在短波紅外波段下降迅速，使整個(gè)光譜曲線形成上凸形狀；除了在1.45和1.95μm附近存在強(qiáng)烈的水吸收峰外，在1.20和1.77μm存在弱的水吸收峰。（C）鐵影響類型。該類土壤光譜曲線在0.70μm附近有弱的鐵氧化物吸收峰，在0.90μm附近有較強(qiáng)的鐵吸收峰，這類土壤有機(jī)質(zhì)含量低，含鐵量中等。（D）有機(jī)質(zhì)影響類型。該類土壤光譜曲線形狀在0.40到0.75μm下凹，但從0.75到1.30μm又微上凸。這類土壤富含有機(jī)質(zhì)但不如第一種類型含量多到被控制，中粗結(jié)構(gòu)。（E）鐵控制類型。該類土壤光譜曲線在可見光波段上升迅速，形成陡峻，但在0.75μm以后反射率隨波長(zhǎng)增加而下降，并且在短波紅外波段吸收強(qiáng)烈，以致1.45和1.95μm處水吸收特征幾乎消失，整個(gè)光譜曲線成細(xì)波浪狀。這一類型土壤富含鐵，細(xì)結(jié)構(gòu)。

五、植被反射光譜特性電磁輻射與植物的相互作用過程中，植物葉子對(duì)輻射的反射、吸收、透射滿足能量平衡方程：r十十＝1。決定植物光譜特性的因素，是葉子的色素成分、葉子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及葉子的含水量。

綠色葉子在不同光譜段的反射、吸收和透射比例的變化具有生態(tài)意義。綠色葉子在0.5-0.6μm（綠波段）有一明顯反射峰，在0.6-0.76μm（紅波段）較低，在0.76μm附近急劇上升，形成所謂植被“紅邊”。在0.7-1.3μm近紅外區(qū)反射率一般為40～50％，主要是植被葉子細(xì)胞結(jié)構(gòu)多次反射散射的結(jié)果。1.3μm以后反射波譜區(qū)位于1.4μm、1.9μm及2.7μm處三個(gè)葉子內(nèi)部液態(tài)水強(qiáng)烈吸收引起的明顯低谷。葉片木質(zhì)素的吸收峰表現(xiàn)在1.5-1.7μm和2.3μm附近，葡萄糖的吸收峰在1.6和2.15μm附近，蛋白質(zhì)的吸收峰在1.5μm、1.75μm、2.05μm、2.15μm和2.3μm附近，但這些吸收峰由于綠色葉片水的影響往往表現(xiàn)不太明顯。圖綠色植被的反射光譜特征

紫藍(lán)青綠黃橙紅葉綠素b多葉綠素a少胡蘿卜素葉黃素葉綠素a多葉綠素b少膽藻素光合色素的光譜特性當(dāng)植物進(jìn)入衰老期或遭受病蟲害時(shí)，葉綠素大量減少，葉紅素與葉黃素相對(duì)增加，植物的光譜特性隨之變化，出現(xiàn)吸收譜帶與反射峰“紅移”的現(xiàn)象(即特征譜帶向長(zhǎng)波方向轉(zhuǎn)移)。在0.65μm附近出現(xiàn)高反射綠，使樹葉呈現(xiàn)紅色。色素的差別對(duì)葉子光譜特性的支配作用。由于所含色素不相同，它們?cè)?.5一0.7μm的光譜差別十分明顯，但在0．7—2.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜的形狀相類似。

葉子中的水分導(dǎo)致紅外波段中出現(xiàn)吸收帶，其中波長(zhǎng)為1．4μm和1．9μm及2．6μm的水吸收帶，對(duì)葉子反射率的影響最大。0.96μm與1.1μm處的水吸收帶的強(qiáng)度雖然較弱，但在葉片交疊狀況下，它們對(duì)反射率的影響不可忽略。在1.3-2.5微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)，葉子的反射和透射輻射各占入射輻射的一半，而被葉子吸收的輻射則極少。植物中的含水量直接影響它在

該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率值，大部分入射輻射被葉子中的水分所吸收，其余的被葉子反射。圖

不同水分含量小麥葉片光譜曲線圖

不同樹種光譜特征比較圖

受金屬毒害的植被光譜紅邊藍(lán)移植物生長(zhǎng)的土壤中所含的金屬元素種類及數(shù)量，對(duì)于植物的光譜特性也產(chǎn)生明顯的影響。圖

示出生長(zhǎng)在一般土壤與富含銅、鉬元素土壤中的植物的反射光譜特性曲線。不同的樹種，對(duì)于含金屬元素與不含金屬元素土壤的適應(yīng)性是有區(qū)別的。植被干葉片光譜特征：綠色葉子失水變干后其反映其各種組分的光譜特征才能明顯地表現(xiàn)出來(如圖)。相應(yīng)葉子不同生化組分（如纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、油、糖和淀粉等）的

光譜特征吸收峰中常被綠色葉子的葉綠素、水、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的光譜特征所掩蓋而表現(xiàn)不明顯，因此，在高光譜遙感植被生化組分探測(cè)研究中，需要對(duì)原光譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者利用幾個(gè)波段進(jìn)行組合來實(shí)現(xiàn)并提高識(shí)別精度。圖

植被綠色葉片與干葉片光譜特性比較序號(hào)波段(微米) 光譜特征成因作物化學(xué)組分

1 0.43 電子躍遷 葉綠素a 2 0.46 電子躍遷 葉綠素b 3 0.64 電子躍遷 葉綠素b 4 0.66 電子躍遷 葉綠素a 5 0.91 C-H伸展第三諧波 蛋白質(zhì) 6 0.93 C-H伸展第三諧波 油 7 0.97 O-H彎曲第一諧波 水分、淀粉 8 0.99 O-H伸展第二諧波 淀粉 9 1.02 N-H伸展 蛋白質(zhì) 10 1.04 C-H伸展C-H變形 油 11 1.12 C-H伸展第二諧波 木質(zhì)素 12 1.20 O-H彎曲第一諧波 水分、纖維素、淀粉、木質(zhì)素 13 1.40 O-H彎曲第一諧波 水分 14 1.42 C-H伸展C-H變形 木質(zhì)素 15 1.45 C-H伸展第一諧波 淀粉、糖、木質(zhì)素、水分 16 1.49 O-H伸展第一諧波 淀粉、糖 17 1.51 N-H伸展第一諧波 蛋白質(zhì)、氮 18 1.53 O-H伸展第一諧波 淀粉 19 1.54 O-H伸展第一諧波 淀粉、纖維素 20 1.58 O-H伸展第一諧波 淀粉、糖21 1.69 C-H伸展第一諧波木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、氮 42個(gè)植物化學(xué)組分的光譜特征及成因機(jī)理序號(hào)波段(微米) 光譜特征成因作物化學(xué)組分

22 1.78 C-H伸展第一諧波/O-H伸展/H-O-H變形纖維素、糖、淀粉 23 1.82 O-H伸展C伸展第二諧波 纖維素 24 1.90 O-H伸展C-H伸展淀粉 25 1.94 O-H伸展C-O變形 水分、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、氮 26 1.96 O-H伸展O-H彎曲糖、淀粉 27 1.98 N-H不對(duì)稱蛋白質(zhì) 28 2.00 O-H變形O-H彎曲 淀粉 29 2.06 N=H彎曲第二諧波/N=H彎曲/N-H伸展蛋白質(zhì)、氮 30 2.08 O-H伸展O-H變形 糖、淀粉 31 2.10 O-H彎曲/C-O伸展/C-O-C伸展第三諧波淀粉、纖維素 32 2.13 N-H伸展 蛋白質(zhì) 33 2.18 N-H彎曲第二諧波/C-H伸展/C-H伸展/蛋白質(zhì)、氮 34 2.24 C-H伸展 蛋白質(zhì) 35 2.25 O-H伸展 淀粉 36 2.27 C-H伸展/O-H伸展/CH2彎曲/CH2伸展纖維素、糖、淀粉 37 2.28 C-H伸展/CH2變形 淀粉、纖維素 38 2.30 N-H伸展/C=O伸展/C-H彎曲第二諧波蛋白質(zhì)、氮 39 2.31 C-H彎曲第二諧波 油 40 2.32 C-H伸展CH2變形 淀粉 41 2.34 C-H伸展/O-H變形/C-H變形第二諧波纖維素 42 2.35 CH2彎曲第二諧波/C-H變形第二諧波纖維素、蛋白質(zhì)、氮

42個(gè)植物化學(xué)組分的光譜特征及成因機(jī)理圖

小麥冠層與葉片光譜特征比較植被冠層光譜特征由于植被冠層光譜特征顯示了植被不同組分（葉、葉柄、莖、干、花等）光譜的非線形混合，并受冠層結(jié)構(gòu)及下墊面土壤類型的影響。許多學(xué)者研究通過植被幾何光學(xué)模型和輻射傳輸模型從理論上探究其光譜特性變化規(guī)律

。圖

是小麥葉片與小麥冠層光譜的對(duì)比，明顯可看到，反映葉綠素和水分信息含量的光譜特征信息也變化很小，而反映植被冠層結(jié)構(gòu)的近紅外光譜區(qū)（0.8-1.3μm）的光譜特征變化較大，但其光譜吸收的特征位置幾乎沒有改變。影響因素植被光譜特征與植被生長(zhǎng)發(fā)育階段、健康狀況和物候密切相關(guān)，不同植被葉子之間以及同一植被不同部位的綠葉之間色素含量及水分含量的差異，它們光譜曲線形狀也存在許多差別。綠色葉片表面的蠟質(zhì)往往能造成植被的高反射率，細(xì)胞結(jié)構(gòu)或有機(jī)體在葉片中排列不均勻及其間隙含水不同造成葉片不同部位的反射率發(fā)生變化。這要求在實(shí)際光譜采集時(shí)，選定植被的功能葉，并取葉片的平均光譜才能有代表性。植被冠層光譜觀測(cè)條件（幾何、光照等）的改變也會(huì)使同一植被冠層光譜相差很遠(yuǎn)，也是植被二向性反射特性的表現(xiàn)。受環(huán)境污染或發(fā)生病變植被光譜在可見光區(qū)反射率升高，近紅外區(qū)反射率降低，導(dǎo)致“紅邊”朝著短波長(zhǎng)方向位移數(shù)納米，即所謂藍(lán)移，反過來可根據(jù)“紅邊”藍(lán)移程度利用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)植被病蟲害、環(huán)境污染以及隱伏礦床

。圖

不同作物光譜特征比較六、礦物反射光譜特性巖石由礦物組成，并且大多數(shù)的巖石都是由一個(gè)以上的礦物所組成。電磁輻射與地表巖石的相互作用中，輻射的分配遵從r十十＝1的規(guī)律。巖石的可見光、近紅外光譜的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，很難由此直接鑒定巖石，但是組成巖石的基本物質(zhì)成分及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，都充分地由光譜反映出來。所以，巖石的可見光、近紅外反射光譜，仍然是識(shí)別、區(qū)分巖石類型的重要依據(jù)。

礦物的大多數(shù)都是化合物，電學(xué)性質(zhì)為中性。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)上屬結(jié)晶固體，礦物在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)，是不同元素的原子在晶格中的位置具互換性。礦物的光譜特征主要決定于其物質(zhì)組分和內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)，是其物理、化學(xué)性質(zhì)的外在反映，主要起因于電子過程或分子振動(dòng)，一定化學(xué)組分和物理結(jié)構(gòu)的礦物具有較穩(wěn)定的可診斷性光譜吸收特征。組成礦物的基團(tuán)在0．38—2．5μm波段的光譜帶并不多，僅存在少數(shù)基團(tuán)的基諧振動(dòng)頻率較高的倍頻與合頻帶。礦物在0.38—1.1μm波段的光譜特征，主要是金屬離子產(chǎn)生的，其中以鐵、銅、錳離子的吸收譜帶最為顯著和普遍，這是由于鐵離子比較容易取代晶格中的其他元素，鐵離子又廣泛地存在于礦物中。礦物在1.1—2.5μm波段的光譜特征，主要是陰離子基團(tuán)中的羥基OH-、碳酸根CO32-和水分子產(chǎn)生的。圖

礦物的光譜特征吸收峰位置及成因分子基團(tuán)相應(yīng)的礦物特征吸收峰的位置與特點(diǎn)H2O紅外區(qū)只能出現(xiàn)水的倍頻和合頻所形成的1.875μm，1.454μm，1.379μm，1.135μ，0.942μm吸收峰；礦物巖石中只要有水，就會(huì)出現(xiàn)1.4μm和1.9μm兩個(gè)特征譜帶，二者同時(shí)出現(xiàn)是含水的鑒定證據(jù)，只有1.4μm譜帶，說明存在羥基，而不是水。OH-在2.778μm附近有一種氧-氫伸縮振動(dòng)引起的峰；OH-1出現(xiàn)的位置不同，同一種振動(dòng)出現(xiàn)幾種譜帶（如滑石），倍頻在1.4μm產(chǎn)生極常見譜帶；較強(qiáng)的合頻譜帶位于2.2μm和2.3μm，分別取決于羥基基團(tuán)是繞鋁配位還是繞鎂配位；閃石族一般都含鎂，最強(qiáng)譜帶遠(yuǎn)于2.3μm；層狀硅酸鹽種，二八面體—OH繞鋁配位在2.2μm附近有主要譜帶，而三八面體—OH繞鎂配位在2.3μm附近有強(qiáng)譜帶。CO3-在近紅外區(qū)有5個(gè)顯著特征譜帶分別在2.55μm、2.35μm、2.16μm、2.00μm、1.90μm處，前兩者較強(qiáng)，屬于雙重譜帶，后三者較弱，通常在譜帶的短波長(zhǎng)方向一邊由肩峰，具體的譜帶吸收峰位置會(huì)有稍微飄移；銅碳酸巖在0.8μm附近的寬譜帶由立方八次配位Cu2+產(chǎn)生；菱錳礦譜帶很多，分別在0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.55μm附近。氧化物和氫氧化物具有象磁鐵礦表現(xiàn)為整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收特點(diǎn)和諸如針鐵礦和赤銅礦表現(xiàn)為透明-不透明光譜行為。

硫化物和硫酸鹽最常見譜帶在1.1μm附近，表現(xiàn)為八面體Fe2+特征譜以及0.85μm附近的Fe3+的光譜特征。NH4+基團(tuán)在短波紅外區(qū)主要有2.02μm和2.12μm兩個(gè)特征譜帶。有機(jī)質(zhì)由C-H伸縮基頻引起的3.4μm吸收峰；一級(jí)倍頻引起的1.7μm處吸收峰和合頻引起的2.3μm處吸收峰。金屬離子相應(yīng)的礦物特征峰吸收峰位置與特點(diǎn)常見礦物Fe2+0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm、1.0-1.1μm角閃石、輝石、黑云母等Fe3+0.4μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm、0.87μm綠泥石、陽(yáng)起石、赤鐵礦Mn2+0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.45μm菱錳礦Cr3+0.4μm、0.55μm、0.7μm置換Al3+，如紅寶石表

相應(yīng)金屬離子的礦物特征吸收峰的位置圖礦化蝕變?cè)诜瓷涔庾V特性

圖常見礦物光譜吸收特征

圖由于礦物混合而引起的碳酸巖光譜特征變

決定礦物光譜特征的因素除化學(xué)成分外，晶體結(jié)構(gòu)是影響礦物光譜特征的另一重要因素圖。礦物吸收特征的尖銳程度取決于礦物的結(jié)晶程度，結(jié)晶程度越好吸收特征越明顯。

無水硬石膏（黑色）解理狀石膏（紅色）七、巖石反射光譜特性相對(duì)來講，礦物的光譜特征較為簡(jiǎn)單，比較容易從實(shí)驗(yàn)和理論上加以分析和處理，而巖石光譜特征分析則比較復(fù)雜，這不僅因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很難將巖石的某一光譜特征確切地歸結(jié)為某一電子過程或分子振動(dòng)，而且由于巖石一般由若干礦物種礦物組成，巖石光譜卻很少是各組分礦物的光譜簡(jiǎn)單累加合成，其中一種礦物的譜帶往往會(huì)掩蓋、加強(qiáng)或改變另一種礦物的譜帶，且具有區(qū)域變異性。在多數(shù)情況下，造巖礦物的光譜特征在巖石光譜上是可以表現(xiàn)出來的，尤其是清晰的強(qiáng)吸收譜帶；各種巖石光譜特征雖具有區(qū)域變異性，但也具有局部的穩(wěn)定性和規(guī)律性。盡管如此，巖石類型不同，其光譜行為也會(huì)出現(xiàn)一些系統(tǒng)的變化。

火成巖：火成巖在可見光、近紅外波段的光譜特征主要是鐵離子、羥基和水所引起的。

火成巖主要成分硅氧四面體、鋁氧四面體，但沒有明顯光譜特征，致使試圖利用可見/近紅外光譜區(qū)的電子躍遷譜帶來進(jìn)行巖性鑒定比較困難，而分子振動(dòng)引起的光譜特征最常見最清楚的是OH和水的譜帶。

花崗巖隨著粒度降低，反射率升高是花崗巖類的典型特征。主要造巖礦物石英和正長(zhǎng)石沒有特征，但是石英一般含有包體中的水，正長(zhǎng)石則含有Fe3+，而且一般都風(fēng)化為粘土礦物。

基性巖光譜中通常僅見到1.0μm附近鐵的光譜吸收特征，而且一般較寬，強(qiáng)度較弱，除非發(fā)生蝕變，否則1.4μm和1.90μm吸收帶很少見。在所有火成巖中，基性巖反射率最低。超基性巖總在1.0μm附近出現(xiàn)清晰的譜帶，1.8μm出現(xiàn)伴隨譜帶，同樣，除非發(fā)生蝕變，否則1.40μm和1.90μm吸收譜帶很少見

圖

幾種典型火成巖巖石的反射光譜特性曲線沉積巖：在可見光、近紅外波段(0．4—2．5μm)的光譜特征，主要是鐵離子、碳酸根離子、羥基離子及水引起的。沉積巖光譜特征常見且清晰明顯，但成因簡(jiǎn)單，主要表現(xiàn)有CO32-譜帶（2.35μm附近）、風(fēng)化產(chǎn)物粘土譜帶（水或者OH-，2.2μm附近）、粘土中Fe2+譜帶（1.0μm附近）和風(fēng)化產(chǎn)物Fe3+譜帶（0.50μm和0.86μm附近）。（1）

碳酸鹽類(灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等)：

此類巖石主要成分是碳酸鹽礦物，如方解石，白云石等，在0.4-1.1μm波譜段內(nèi)，光譜呈緩斜和平直型，僅表現(xiàn)為Fe3+、Fe2+等金屬離子吸收峰，無明顯特征譜帶，而在2.0-2.5μm譜段內(nèi)，顯示出2.35μm附近的CO32-吸收峰，以及在2.2μm和1.9μm附近的OH-和H2O的吸收特征。由圖，白云巖與灰?guī)r的在2.35μm附近的吸收峰位置有明顯的差異，白云巖的強(qiáng)吸收峰相對(duì)灰?guī)r向短波偏移約10nm左右。圖灰?guī)r、白云巖反射光譜特性圖泥、頁(yè)巖反射光譜特性

圖砂巖、粉砂巖反射光譜特性

（2）碎屑巖類(砂巖、粉砂巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、石英砂巖等)：此類巖石的主要成分是石英和長(zhǎng)石，膠結(jié)物是鈣質(zhì)、鐵質(zhì)和泥質(zhì)，因此砂巖的光譜特征出現(xiàn)了鐵氧化物譜帶(0.47-0.7μm、0.9μm附近的Fe3+以及1.1μm附近的Fe2+)、粘土礦物特有的羥基和水的清晰帶(2.2μm附近)及弱的CO32-吸收帶(2.35μm附近)。（3）

泥、頁(yè)巖類:

此類巖石含有一定的粘土礦物和有機(jī)質(zhì)，由此泥、頁(yè)巖應(yīng)顯示出粘土中的水和羥基的強(qiáng)譜帶(2.2μm附近)，以及常見的鈣質(zhì)膠結(jié)物的碳酸巖特征光譜帶(2.35μm附近)，但由于泥、頁(yè)巖形成在還原環(huán)境，伴隨沉積的有機(jī)物變成碳質(zhì)，使其顏色變黑，壓抑了整個(gè)光譜形態(tài)及特征，使得光譜曲線平直，吸收谷也表現(xiàn)得不太明顯。

變質(zhì)巖：在可見光、近紅外波段(0.4—2.5μm)的光譜特征，主要是鐵、錳、銅等金屬離子和羥基、碳酸根離子及水所引起的。圖示出變質(zhì)巖中的大理巖、石英巖、片麻巖、板巖及片巖的反射光譜特性曲線。巖石中所含的鐵、錳離子導(dǎo)致曲線的藍(lán)光段的斜率增大，并在1.1μm之前出現(xiàn)明顯的吸收帶；圖中所列的巖石均在2.2μm附近和2.35μm附近，分別出現(xiàn)羥基和碳酸根離子的強(qiáng)吸收帶。其中角閃片巖，還在1.4μm附近出現(xiàn)羥基離子的倍頻帶。蛇紋大理巖光譜中出現(xiàn)羥基的1.4μm吸收帶及其附近的1.37μm處和1.30μm處的側(cè)帶，它們與1.4μm的水吸收帶相重疊，從而使1.4μm處的譜帶為強(qiáng)吸收的銳帶。圖

幾種變質(zhì)巖的反射光譜特性曲線礦化蝕變巖

礦化蝕變巖是地質(zhì)找礦的主要研究對(duì)象，其礦化蝕變類型、蝕變礦物組合、礦化程度是高光譜遙感地質(zhì)找礦的重要依據(jù)。從遙感角度看，礦物蝕變賦予了廣義的概念，包括熱液蝕變和表生變化。富含過渡金屬元素的高價(jià)陽(yáng)離子、羥基、水分子的氧化物、氫氧化物、硅酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等是蝕變礦物的代表。常見的蝕變作用有硅化（石英）、粘土化（高嶺石、蒙脫石、葉臘石等粘土類礦物）、絹云母化（絹云母）、綠泥石化（綠泥石）、碳酸鹽化（方解石、白云石）、硫酸鹽化（重晶石、納明礬石、黃鉀鐵礬、無水芒硝）、褐鐵礦化（褐鐵礦、針鐵礦）和長(zhǎng)石化（鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石）。礦化蝕變巖光譜是其礦物組成中的各種蝕變礦物的特征信息的反映，雖然這些蝕變礦物的含量不高，但巖石光譜中卻具有與之相關(guān)的可診斷性特征譜帶。圖

礦化蝕變?cè)?.0-2.5μm的反射光譜特性油氣烴

烴類物質(zhì)在2.27-2.46μm吸收帶的形狀為一寬谷（近0.2μm寬）、雙峰（2.31和2.348μm）的強(qiáng)吸收帶，吸收強(qiáng)度大于15%。這一吸收帶為甲基（-CH3）、亞甲基（CH2）和芳烴（-CH）分子基團(tuán)振動(dòng)的倍頻與合頻所致，無其它原油組分的干擾因素。不同地質(zhì)時(shí)代、不同組分的原油波譜曲線，在2.27-2.46μm的吸收帶都很穩(wěn)定，僅存在吸收程度上的差異。重質(zhì)原油比輕質(zhì)原油在2.27-2.46μm吸收帶要強(qiáng)烈得多，說明重質(zhì)烴對(duì)此吸收帶造成的影響要大。圖烴類物質(zhì)的光譜吸收特征

八、人工目標(biāo)反射光譜特性圖各種道路光譜特性

圖各種城市垃圾光譜特性

人工目標(biāo)是指道路、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、碼頭、垃圾、塑料、油漆、油氈、玻璃及其它一些人工建筑物等。這些人工目標(biāo)的光譜特征隨其構(gòu)建時(shí)的材料組成不同而變化，在高光譜遙感城市地物分類中需要了解這些目標(biāo)光譜的特性。道路因所用材料不同，可分為水泥路、瀝青路、土路等。波譜曲線在可見光緩慢上升，之后趨于平坦。水泥路面呈現(xiàn)灰白色，反射率較高，依次為土路和瀝青路。城市垃圾分為工業(yè)垃圾和生活垃圾。工業(yè)垃圾指工業(yè)固體廢棄物，如鋼渣、礬土渣、煤矸石、粉煤灰、塑料物等。其波譜曲線比較平坦，而生活垃圾比較復(fù)雜。九、地物光譜儀與地物光譜觀測(cè)作用：地物光譜儀是遙感發(fā)展的重要技術(shù)支撐，同時(shí)也是地面光譜測(cè)量的獨(dú)立應(yīng)用系統(tǒng)。目前地物光譜儀可提供地物目標(biāo)的高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)，特別是可提供地物目標(biāo)的精細(xì)光譜特征，為高光譜遙感器技術(shù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為光譜數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)源，支持高光譜遙感數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)地進(jìn)行地物分類與識(shí)別所需要的各種光譜模擬模型和應(yīng)用模型的發(fā)展。隨著遙感技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展，其基礎(chǔ)研究不斷加深，對(duì)光譜采集技術(shù)要求越來越高，推動(dòng)了地物光譜采集技術(shù)的迅速發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)室光譜儀：規(guī)律性、條件單一，進(jìn)行成分關(guān)系研究、但不便于模擬自然環(huán)境。

野外地物光譜儀：自然環(huán)境下時(shí)空序列變化各種地物光譜特性，輔助燈下可室內(nèi)采集。

測(cè)試儀器

GERMARK系列

SE系列

ASD系列

PIMA系列

VF991等系列

TRIAX320地面成像光譜儀

。。。。。。

AGA-80ER-2007BOMANFT-IR。。。。。。。

美國(guó)PERKINLAMBDA9000光譜儀0.19-2.5微米，譜分辨率：1-3納米。

美國(guó)GER光譜儀:0.4-2.5微米，光譜分辨率：2，4納米。

美國(guó)ASD光譜儀:0.4-2.5微米，光譜分辨率：1，10納米。

日本CARY-5光譜儀:0.3-2.5微米，光譜分辨率：1-3納米。圖

光柵與固定陣列圖

光譜采樣間隔與光譜分辨率便攜式野外光譜儀（ASD：FieldSpec-FR）室內(nèi)/外兩用光譜探測(cè)范圍為350-2500nm

光譜分辨率為3nm/10nm

光譜采樣間隔為1.4nm/3nm

探測(cè)頭部小巧，僅200克左右探測(cè)頭部通過1-10米光纖與主機(jī)連接。0.1秒的速度記錄較高的信噪比（S/N）1°、3°、5°、8°、10°、25°可調(diào)不需要測(cè)量暗電流

重量：7.2公斤

尺寸:33x12x41cm

外地物光譜儀應(yīng)用范圍

（1）野外地質(zhì)巖礦測(cè)試，進(jìn)行巖性識(shí)辨與填圖（2）礦區(qū)或礦化帶上植被的金屬中毒光譜檢測(cè)（3）油氣泄露的光譜探測(cè)，檢測(cè)土壤中烴類物質(zhì)的光譜；（4）海岸帶海水中葉綠素含量的光譜監(jiān)測(cè)以及泥砂的監(jiān)測(cè)；（5）各種污染的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如：工業(yè)污染，水資源污染的光譜監(jiān)測(cè)；（6）直接用光譜方法對(duì)農(nóng)作物生物量進(jìn)行估產(chǎn)（7）農(nóng)作物（如小麥，水稻，大豆，玉米等）的定期光譜動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，研究其生長(zhǎng)的各時(shí)期光譜特征變化，進(jìn)一步探討其光譜特征與各種植被指數(shù)的相關(guān)性；（8）對(duì)農(nóng)作物的病蟲害進(jìn)行光譜監(jiān)測(cè)調(diào)查，研究病蟲害的作物葉綠素的減少，葉黃素的增加，含水量的減少與其光譜的相關(guān)性；（9）航天，航空遙感的地面光譜同步測(cè)量。

室內(nèi)光譜測(cè)試應(yīng)用范圍（