第二章遙感的物理基礎(chǔ)第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日

3、地球輻射與地物波譜（1）地球輻射源（2）地球輻射的特性（分段特性）（3）地物波譜的特征（反射波譜特征）（4）常見幾種地物的波譜特性（5）地物波譜特性測量第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日（1）地球的輻射源定義：地球表面和大氣電磁輻射的總稱。地球輻射是被動(dòng)遙感中傳遞地物信息的載體。裝載在航天航空平臺(tái)上的遙感器，接受來自地球輻射攜帶的地物信息，經(jīng)過處理形成遙感影像。地球輻射第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日被動(dòng)遙感的輻射源太陽輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.3～2.5um波段之間。（可見光和近紅外）地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0um以上的波段。（熱紅外）第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日在0.3～2.5um波段（主要在可見光和近紅外波段），地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以忽略。即在該波段范圍內(nèi)，對地觀測遙感主要以太陽的短波輻射對地表進(jìn)行探測和成像。在2.5～6.0um波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均為被動(dòng)遙感的輻射源。在6.0um以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽輻射可以忽略。（熱紅外成像）（2）地球輻射的特性地球輻射的分段特性：第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日了解地球輻射的分段特性的意義可見光和近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性。中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地球自身的熱輻射特性。第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日地物波譜：地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長改變而變化的規(guī)律，稱為地表物體波譜，簡稱地物波譜。地物波譜特性：地物波譜隨波長變化而變化的特性，是電磁輻射與地物相互作用的一種表現(xiàn)。地物波譜的作用：不同類型的地物，其電磁波響應(yīng)的特性不同，因此地物波譜特征是遙感識(shí)別地物的基礎(chǔ)。（3）地物波譜的特性第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日不同電磁波段中地物波譜特性可見光和近紅外波段：主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸收作用。熱紅外波段：主要表現(xiàn)地物熱輻射作用。（熱紅外靈敏遙感器夜間成像河流為亮色條帶，但熱紅外白天成像河流為暗色條帶）微波波段：主動(dòng)遙感利用地物后向散射；被動(dòng)遙感利用地物微波輻射。第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%表征物體對電磁波譜的反射能力。（3）地物波譜的特性反射率第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日地物的反射類型：根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體反射大體上可以分為三種類型，即鏡面反射、漫反射、實(shí)際物體的反射1）鏡面反射：發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。物體的反射滿足反射定律，反射波和入射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。（3）地物波譜的特性反射類型

例子：水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時(shí)很亮，有時(shí)很暗，就是這個(gè)原因造成的。第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日鏡面反射第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日2）漫反射：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象。不論入射方向如何，其反射出來的能量在各個(gè)方向是一致的。即當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射輻照亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面。漫反射第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日漫反射第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日3）方向反射：介于鏡面和朗伯面（漫反射）之間的一種反射。自然界種絕大多數(shù)地物的反射都屬于這種類型的反射，又叫非朗伯面反射。對太陽短波輻射的反射具有各向異性，即實(shí)際物體面在有入射波時(shí)各個(gè)方向都有反射能量，但大小不同。

方向反射第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日

方向反射第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日

從空間對地面觀察時(shí)，對于平面地區(qū)，并且地面物體均勻分布，可以看成漫反射；對于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為可以看成方向反射。實(shí)際物體反射第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日地物反射波譜：是研究可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示反射率。反射波譜曲線

第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日植被土壤水體巖石（4）常見的幾種地物類型波譜特征第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日物的光譜曲線植被的波譜曲線第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日植被的波譜特征在0.45um附近（藍(lán)色波段）有一個(gè)吸收谷；在0.55um附近（綠色波段）有一個(gè)反射峰；在0.67um附近（紅色波段）有一個(gè)吸收谷。從0.76um處反射率迅速增大，形成一個(gè)爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一個(gè)峰值，反射率最大可達(dá)50％，形成植被的獨(dú)有特征。在可見光波段在近紅外波段第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日1.5～1.9um光譜區(qū)反射率增大；以1.45um，1.95um，2.70um為中心是水的吸收帶，其附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，反射率下降，形成低谷。植被的波譜特征第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日影響植被波譜特征的主要因素植物類型植物生長季節(jié)病蟲害影響等植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被類型、生長狀態(tài)等。第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日不同植被類型的光譜曲線比較第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日不同濕度下的植被的波譜特性曲線第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日

水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其它波段吸收率很強(qiáng)，特別在近紅外、中紅外波段有很強(qiáng)的吸收帶，反射率幾乎為零。水體的波譜特征第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日水中其它物質(zhì)對波譜特征的影響水中含有泥沙，在可見光波段的反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射率明顯抬高。第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日葉綠素含量不同時(shí)水體的光譜特性曲線第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

受海藻、浮游生物等影響，葉綠素含量增加，水體的反射率發(fā)生變化第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日但是當(dāng)水中含有其他物質(zhì)時(shí)，反射光譜曲線會(huì)發(fā)生變化。上圖不同濁度下的水體的波譜特性曲線渾濁度不同時(shí)水體的光譜特性曲線第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日巖石礦物的光譜曲線巖石的反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。影響巖石礦物波譜曲線的因素包括巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日巖石的光譜曲線第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日土壤的波譜特征自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷。在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和此生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4um、1.9um、2.7um處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日三種不同類型土壤在干燥環(huán)境下的光譜曲線第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日

由于地物處于不同的時(shí)間、空間和環(huán)境，相同的物體往往表現(xiàn)出不同的光譜特性。

時(shí)間效應(yīng)：地物的光譜特性一般隨時(shí)間季節(jié)變化，這稱為時(shí)間效應(yīng)。

空間效應(yīng)：處在不同地理區(qū)域的同種地物具有不同的光譜響應(yīng)，這稱之為空間效應(yīng)。（5）影響地物波譜特征因素第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、太陽位置，太陽位置主要指太陽高度角和方位角，改變太陽高度角和方位角，則地面物體入射照度也就發(fā)生變化。2、傳感器位置，傳感器位置指傳感器的觀測角和方位角，一般空間遙感用的傳感器大部分設(shè)計(jì)成垂直指向地面，這樣影響較小。（5）影響地物波譜特征因素第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日3.不同的地理位置，太陽高度角和方位角、地理景觀不同都會(huì)引起反射率變化，還有海拔高度不同，大氣透明度改變也會(huì)造成反射率變化。4.地物本身的變異，如植物的病害將使反射率發(fā)生較大變化。又如海水中葉綠素含量的不同也直接影響海水的光譜反射率。

氣候變化、地面濕度變化、地物本身的變異、大氣狀況等。（5）影響地物波譜特征因素第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日同一春小麥在不同生長期的反射波譜特性曲線

（5）影響地物波譜特征因素第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日

上圖為瀝青路在新舊時(shí)期的光譜曲線：對于瀝青路面，路面的粗糙新舊程度對于地面光譜反射率是有區(qū)別的，舊瀝青路面反射率高于新瀝青路面反射率，由于新瀝青顏色較深，所以反射率比較低。（5）影響地物波譜特征因素第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日水泥地面在不同濕度下的光譜曲線：不同濕度對水泥地面反射率會(huì)有影響，越濕反射率越低，對于水泥道路，道路含水會(huì)使整個(gè)光譜反射率下降。但是波形整體上保持不變。（5）影響地物波譜特征因素第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日應(yīng)用地物波譜特征需要注意的問題絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。地物存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象。第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日1.電磁波譜與電磁輻射2.太陽輻射及大氣對輻射的影響3.地球輻射與地物波譜4.地物波譜測量第二章電磁波及遙感物理基礎(chǔ)第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.地物波譜特性的測量意義可見光和近紅外地物光譜測量的作用：1）傳感器波段的選擇、驗(yàn)證、評價(jià)；2）建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的定量關(guān)系；3）地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析。第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日

以EPP2000(StellarNet)為例：

EPP2000是一種易攜帶的光纖光譜儀，可以探測到從紫外到近紅外的波段范圍（350nm—1150nm)的光譜信息，從而可以得到被測物體的吸收率，反射率。

4、地物波譜特性的測量工作原理第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日傳感器陣列由若干個(gè)獨(dú)立的探測象元（通道）按直線排列而成，我們給每一個(gè)探測象元一個(gè)固定的地址，X1,X2,X3,…,X512,…。不同地址上的探測像元分別響應(yīng)不同波長的光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸送到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換卡，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)的定標(biāo)，最終在計(jì)算機(jī)屏幕上以圖形的形式顯示出來。第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日

由于散射光線不是平行投射在傳感器陣列上，而是呈發(fā)射性。因此等間隔排列的探測象元（通道）所感應(yīng)的光信號的波長并不也是等間隔的，而是存在一個(gè)偏移量（如圖）。這個(gè)偏移量同探測象元（通道）的序號成二項(xiàng)式關(guān)系：

由于光譜儀偏移情況各不相同，因此在使用光譜儀時(shí)設(shè)定其三個(gè)定標(biāo)參數(shù)，以改正這個(gè)偏移量。第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日其主要技術(shù)參數(shù)如下：第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日地物光譜儀數(shù)據(jù)處理

為獲取正確的目標(biāo)光譜，需要測定的三類光譜目標(biāo)：暗光譜（暗光譜（DC(darkcurrent)）沒有光線進(jìn)入光譜儀時(shí)，儀器本身的噪聲；參考板光譜（參考板光譜（RP(referencepan)）計(jì)算和校正目標(biāo)光譜所用參考光譜；目標(biāo)光譜：從感興趣目標(biāo)觀測所得光譜。4、地物波譜特性的測量數(shù)據(jù)處理第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)處理原理

其中“R結(jié)果”為最終測得數(shù)據(jù)，“R目標(biāo)”為目標(biāo)光譜，“R參考板”為參考光譜，“R暗”為暗光譜。第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、架好光譜儀，接通電源并進(jìn)行預(yù)熱。2、打開軟件，并設(shè)置好儀器各個(gè)參數(shù)。3、調(diào)節(jié)積分時(shí)間：為了避免光源變化對測量目標(biāo)反射值的影響，需要依照測定時(shí)的光照條件和環(huán)境溫度調(diào)整光譜儀的積分時(shí)間，使在相同的情況下測得樣本光譜除以參考光譜得到一個(gè)相對的目標(biāo)反射光譜。測量時(shí)，若環(huán)境發(fā)生變化，重新設(shè)置積分時(shí)間是很必要的。

4、地物波譜特性的測量測量步驟第五十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日

4、記錄參考光譜：將光纖對準(zhǔn)白板，并保存此時(shí)光譜。在Trans模式下，此時(shí)的光譜曲線應(yīng)該為接近1的一條直線。5、記錄暗光譜：遮住光源（可以用黑套將光纖套