1、三、地物波譜特征分析,地物反射波譜特征 地物波譜特性的測(cè)量 地物光譜測(cè)量實(shí)例分析,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(duì)電磁輻射的吸收作用，如黑色物體的吸收能力較強(qiáng)。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(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體，例如水，對(duì)一定波長的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0.450.56m的藍(lán)、綠光波段，一般水體的透射深度可

2、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(duì)于一般不能透過可見光的地面物體對(duì)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(qiáng)，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(cè)裝置探測(cè)地下的超長波輻射，可以不破壞地面物體而探測(cè)地下層面情況，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

3、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(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面。 實(shí)際物體反射:介于鏡面和朗伯面（漫反射面）之間,實(shí)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)，

4、只有當(dāng)朗伯體時(shí)才都成為與角度無關(guān)的量。,實(shí)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?yàn)槭菑乃拿姘朔缴淙耄漭椪斩却笮∨c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(duì)應(yīng)波段接收的輻射數(shù)據(jù)相對(duì)照，可以得到遙感數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)地物的識(shí)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

5、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(dú)特。可見光波段（0.40.76m）有一個(gè)小的反射峰，兩側(cè)有兩個(gè)吸收帶。這是因?yàn)槿~綠素對(duì)藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對(duì)綠光反射作用強(qiáng)。,葉綠素的吸收波段,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(dú)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

6、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(duì)植被波譜進(jìn)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(jī)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(huì)對(duì)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

7、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(qiáng)，特別到了近紅外波段，吸收就更強(qiáng)，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(shí)，反射光譜曲線會(huì)發(fā)生變化。水中含泥沙時(shí)，由于泥沙散射，可見光波段反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含葉綠素時(shí)，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(huì)對(duì)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(cè)量,電磁波譜中，可見光和近紅外波段（0

8、.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(cè)量的作用 傳感器波段選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)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(jìn)行相關(guān)分析并建立應(yīng)用模型,地物波譜特征的測(cè)量,地物反射波譜測(cè)量理論 雙向反射分布函數(shù)（BRDF） 對(duì)于地物表面dA，入射時(shí)輻照度為dIi(i,i)，在r和r方向上，由dIi產(chǎn)生的反射亮度為dLr，隨著入射方向和反射方向的不同，產(chǎn)生一個(gè)函數(shù)fr，稱雙向反射分布函數(shù)，簡(jiǎn)稱BRDF，表示為：,地物波譜特征的測(cè)量,地物反射波譜測(cè)量理論 雙向反射分布函數(shù)（BRDF） 對(duì)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

9、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(gè)無窮小量的比，且實(shí)際想要測(cè)量dIi也十分困難，因此實(shí)際測(cè)量中很少采用。,地物波譜特征的測(cè)量,地物反射波譜測(cè)量理論 雙向反射比因子R（BRF） 這一函數(shù)比較容易測(cè)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(cè)條件下，目標(biāo)的反射輻射通量與處于同一輻照度和觀測(cè)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(cè)量,地物光譜測(cè)量方法 樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量常用分光光度計(jì)，儀器由微機(jī)控制，測(cè)量數(shù)據(jù)也直接傳給計(jì)算機(jī)。分光

10、光度計(jì)的測(cè)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(cè)定有區(qū)別。室內(nèi)測(cè)量時(shí)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(shí)驗(yàn)室測(cè)定；土壤和巖礦應(yīng)按專業(yè)要求并制備成粉或塊。 由于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量條件高，應(yīng)用不夠廣泛。,地物波譜特征的測(cè)量,地物光譜測(cè)量方法 野外測(cè)量 垂直測(cè)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(jìn)行比較，一般情況下測(cè)量?jī)x器均用垂直向下測(cè)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(shí)地情況非常復(fù)雜，測(cè)量時(shí)常將周圍環(huán)境的變化忽略，認(rèn)為實(shí)際目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)板的測(cè)量值之比就是反射率之比。,垂直測(cè)量所用標(biāo)準(zhǔn)板通常用硫酸鋇或氧化

11、鎂制成，在反射天頂角45o時(shí)，接近朗伯體，并且經(jīng)過計(jì)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(shí)造成的反射輻射值的變化（對(duì)實(shí)際地物在一定程度上取近似朗伯體），其測(cè)量值也有一定的適用范圍。,地物波譜特征的測(cè)量,地物光譜測(cè)量方法 野外測(cè)量 非垂直測(cè)量： 在野外更精確的測(cè)量是測(cè)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(jì) 3. 標(biāo)準(zhǔn)白板,地物波譜特征的測(cè)量,地物光譜測(cè)量方法 野外測(cè)量非垂直測(cè)量步驟 自然光照射時(shí)測(cè)量一次為I值； 用擋板遮住太陽光使陰影蓋過標(biāo)

12、準(zhǔn)板，再測(cè)一次為ID； 自然條件下選擇太陽方向和觀測(cè)角在同一地面位置分別迅速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的輻射值和地物的輻射值，計(jì)算野外測(cè)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(shí)分別迅速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板和地物的輻射值，計(jì)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(jì)算出直射光照射下雙向反射比因子RS。測(cè)量時(shí)可以保持方位角始終為0o,小麥野外測(cè)量的RD和RS及室內(nèi)測(cè)量的Rs曲線,地物光譜測(cè)量實(shí)例分析1. 測(cè)量?jī)x器的介紹,1.1 測(cè)量?jī)x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

13、型光纖光譜儀。其中，InGaAs為近紅外光譜儀，其觀測(cè)范圍為900nm至1700nm；而CCD和PDA為可見光光譜儀，其觀測(cè)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(duì)樣本采樣，光纖視場(chǎng)均為25度。由于光纖存在一個(gè)25度的視場(chǎng)，在測(cè)量觀測(cè)時(shí)，觀察的區(qū)域是一個(gè)面而不是一個(gè)點(diǎn)。所以在測(cè)量時(shí)必須選擇適當(dāng)?shù)挠^測(cè)距離和角度，保證觀察面中的觀測(cè)對(duì)象符合測(cè)量要求。,1.1 測(cè)量?jī)x器的硬件介紹：,1.1 測(cè)量?jī)x器的硬件介紹：,1.1 測(cè)量?jī)x器的硬件介紹：,1.2 測(cè)量?jī)x器的軟件介紹,Spectra Wiz 軟件操作界面,1.2 測(cè)量?jī)x器的軟件介紹,四大模塊： FILE模塊：提供數(shù)

14、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(cè)量參數(shù)設(shè)制。 在野外的實(shí)地測(cè)量中，我們一般只使用前三個(gè)模塊的功能。 其中，F(xiàn)ILE模塊用來保存光譜測(cè)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(cè)量?jī)x器的軟件介紹,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

15、儀輸出信號(hào)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(shí)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(duì)我們所感興趣的樣本產(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(jì)和處理的。所以在采集樣本光

16、譜時(shí)，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(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響。,2 影響樣本光譜的因素,我們將對(duì)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(duì)觀測(cè)的影響,大氣干擾地物光譜測(cè)量的因素主要包括： 大氣中各種氣體分子對(duì)太陽輻射的吸收； 云層對(duì)太陽輻射的吸收和散射； 風(fēng)對(duì)被測(cè)物體的物理狀態(tài)的影響。,2.1 大氣因素對(duì)觀測(cè)的影響,大氣中各種氣體分子對(duì)太陽輻射的吸收； 氣體分子吸收對(duì)太陽輻射的影響非常強(qiáng)烈，陽光通過大氣層的路徑越長，其吸收作用就越強(qiáng)。,2.

17、1 大氣因素對(duì)觀測(cè)的影響,水蒸氣（H2O）對(duì)太陽輻射的吸收是所有氣體中最強(qiáng)的，它對(duì)進(jìn)入大氣窗口的所有波段都有一定的影響，且隨著空間和時(shí)間的變化而不斷改變。,2.1 大氣因素對(duì)觀測(cè)的影響,二氧化碳（CO2）在2000-2200nm范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的吸收性，這增加了對(duì)碳酸礦物質(zhì)和溶解性有機(jī)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(duì)觀測(cè)的影響,大氣中其它氣體對(duì)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氣體。,2.1 大氣因素對(duì)觀測(cè)的影響,云層對(duì)太陽輻射的吸收和散射； 測(cè)量過程中云層的出現(xiàn)會(huì)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)，

18、會(huì)對(duì)測(cè)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(cuò)誤。盡量縮短采參比和采樣本光譜之間的時(shí)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(shí)，云層本身便可以遮擋太陽的輻射，降低大氣散射光強(qiáng)。此時(shí)采集的光譜的準(zhǔn)確性很低，應(yīng)當(dāng)盡量避免在陰天進(jìn)行外業(yè)光譜采集。,2.1 大氣因素對(duì)觀測(cè)的影響,風(fēng)對(duì)被測(cè)物體的物理狀態(tài)的影響。 在采集樣本光譜的過程中，因?yàn)轱L(fēng)的影響被測(cè)物體的位置和姿態(tài)發(fā)生了改變，同樣會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。在光譜儀積分時(shí)間和光譜平均采樣次數(shù)的參數(shù)設(shè)置過大時(shí)，因?yàn)轱L(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(cè)量植被冠層和水面時(shí)。 因此，在應(yīng)當(dāng)盡量避免在風(fēng)力過大的天氣進(jìn)行外業(yè)測(cè)量；在有風(fēng)的情況下測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量縮短采樣的時(shí)間間隔。,2.2 周圍地物對(duì)觀測(cè)的影響,在外業(yè)光譜測(cè)量中，如何選擇一個(gè)好的測(cè)量環(huán)境至關(guān)重要，因?yàn)橹車h(huán)境對(duì)樣本光譜的影響程度直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的精度。 除了太陽輻射以外，人和測(cè)量?jī)x器是樣本的重要光源之