遥感应用知识体系-地物波谱特性与遥感光学基础
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地物波谱特性与遥感光学基础
一、电磁波与物体的交互作用 二、反射波谱特性曲线
三、典型地物反射波谱特性
四、遥感光学基础
1
一、电磁波与物体的交互作用
太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即
到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量
绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定
• 反射系数（反射率）——反射辐射通量/入射辐射通量
*100%。它是波长、入射角、地物的质地及朝向、粗
糙度、地物介电常数、磁导率等的函数。假设地物是 漫反射作为前提。
不同的地物对不同波段的电磁波具有不同的反射
率。同一地物对不同波长的电磁波有选择地反射，即 地物对电磁波的反射能力（反射系数）随波长变化。
量互相关。反射总量是叶内水分含
量以及叶片厚度的函数。
由于植物叶子内水的强烈吸收，在 1.45 μm ，1.95 μm ，2.7 μm处有吸 收带。
植被 (Vegetation)
植被 (Vegetation)
归一化植被指数
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，检测植被生长状态、植被 覆盖度和消除部分辐射误差。 为什么NDVI检测植被有效？ 健康的绿色植被在NIR和R的反射差异比较大，原因 在于R对于绿色植物来说是强吸收的，NIR则是高反 射高透射的。所以NDVI越大，植被长势越好。
表面粗糙度及瑞利准则
• 地物表面的粗糙度(Surface Roughness) ：地物表面起伏高差
的均方根值。
Biblioteka Baidu
h
粗糙度推导示意图
两波差 相位为完全抵消，差0 为完全相重合，介乎之间差 2 4
2 h co s
（光程差）
4 （相位差）
h
其中：
8 cos
为粗糙度； 为光的入射角； 为光波长。
13
不同含水量对土壤反射率的影响
(3) 植被的反射波谱
在可见光波段，健康的绿色植被的反射波谱特性取决
于叶片成分。
反射峰值在0.55 μm ，叶绿素对绿光反射强烈，而对 蓝光波段和红光波段强烈吸收 (0.45 μm ，0. 67 μm) 如果植物的叶绿素含量下降，植物变为黄色或红色， 其反射波谱特性随之改变。
10
水体光谱特性受叶绿素浓度的影响
水体在遥感图像上的表现
(2) 土壤的反射波谱
土壤本身是一种复杂的混合物， 由物理和化学性质各不相同的物 质组成，会不同程度的影响土壤 的反射和吸收光谱特征。 土壤的光谱特性曲线与一些因素有关：土壤类别、含水量、 有机质含量、砂、土壤表面的粗糙度、粉砂相对百分含量等。 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，土壤 的反射率一般随波长的增加而增加，土壤对所有的入射能均 吸收或反射，无透射。
(1) 水体的反射波谱
如果水底部分影响可以忽略，水 体的反射特性不仅与水体本身， 也与水中的物质相关。 纯净水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强， 特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为 零，因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓。 水的浑浊度的变化，叶绿素浓度的变化，对反射率都有影响。
• 光谱反射率：地物对应于某个波长电磁波的反射率。 • 反射波谱: 地物的反射系数（率）随入射波长的变化
规律叫做该地物的反射波谱。
• 反射波谱特性曲线: 以波长为横坐标，反射率为纵坐
标所得的曲线称为物体的反射波谱特性曲线。
二、反射波谱特性曲线
• 反射波谱特性曲线：反射波谱是某物体的反射率（或反射
辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为 纵坐标所得的曲线。
地表反射的太阳辐射成为可见光和近红外遥感记录的主要辐射能量。
2
地物的反射
根据界面（反射面）的粗糙程度和反射的方向性分：
镜面反射：界面起伏高度相对入射电磁波波长而
言很小（即界面光滑）时产生镜面反射。 漫反射：界面起伏高度相对于入射电磁波波长而 言比较大（即界面粗糙）时，产生漫反射。均匀 的漫反射面称为朗伯面，朗伯面反射的电磁波在 各个方向上辐射亮度值相同。 方向反射(混合反射)：当界面起伏高度介于上述 两种情况之间（中等粗糙），产生方向反射。实 际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最 强烈，而在其他方向反射较弱，这种现象称为方 向反射。是镜面反射和漫反射的结合。 从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且地面 物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地 面结构复杂的地区，为方向反射。
8
地物反射波谱曲线的特点
• 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后
两个波段。
• 同一物体的波谱曲线反映出不同波段的不同反射率，将
此与遥感传感器的对应波段接受的辐射数据相对照，可
以得出遥感数据与对应地物的识别规律，作为遥感影像 判读依据。
• 任何物体的反射性质是揭示目标本质的最有用信息。
三、典型地物反射波谱特性
波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 45~0. 56μm的蓝绿光波段。
一般水体的透射深度可达10～20 m，清澈水体可达100 m的深度。
地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其 峰值波长为9.66 μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。就 短波而言，地表反射的太阳辐射称为地表的主要辐射来源，而地表自 身的辐射可以忽略不计。
瑞利准则
当相位差小于 即
光滑表面。
4
h
，两波偏于相重合，则呈反射为主、 8 cos
4
h 8 cos
增大， 增大， 有利于形成光滑表面。
减小， 减小，有利于形成粗糙表面。
对于可见光， 在 m 范围内，所有地物都是粗糙面，而对 在 cm 到 m 之间，地物表面呈粗糙与光滑临界状态。 于微波，
在近红外波段，植被的反射光谱取决于叶片内部的细
胞结构。
0.7 μm 1.3 μm ：吸收能量少，反射来自叶片内部结 构，形成强反射。 因叶片内部结构差别大，植被在近红外的反射差异比 可见光区域大，所以在近红外波段内测量植物的反射 率来区别不同的植物。
在短波红外波段
植物基本上吸收或反射电磁波能量， 透射很少。 植物的光谱特性受叶片总含水量的 控制，叶片的反射率与叶内总含水
一、电磁波与物体的交互作用 二、反射波谱特性曲线
三、典型地物反射波谱特性
四、遥感光学基础
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一、电磁波与物体的交互作用
太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即
到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量
绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定
• 反射系数（反射率）——反射辐射通量/入射辐射通量
*100%。它是波长、入射角、地物的质地及朝向、粗
糙度、地物介电常数、磁导率等的函数。假设地物是 漫反射作为前提。
不同的地物对不同波段的电磁波具有不同的反射
率。同一地物对不同波长的电磁波有选择地反射，即 地物对电磁波的反射能力（反射系数）随波长变化。
量互相关。反射总量是叶内水分含
量以及叶片厚度的函数。
由于植物叶子内水的强烈吸收，在 1.45 μm ，1.95 μm ，2.7 μm处有吸 收带。
植被 (Vegetation)
植被 (Vegetation)
归一化植被指数
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，检测植被生长状态、植被 覆盖度和消除部分辐射误差。 为什么NDVI检测植被有效？ 健康的绿色植被在NIR和R的反射差异比较大，原因 在于R对于绿色植物来说是强吸收的，NIR则是高反 射高透射的。所以NDVI越大，植被长势越好。
表面粗糙度及瑞利准则
• 地物表面的粗糙度(Surface Roughness) ：地物表面起伏高差
的均方根值。
Biblioteka Baidu
h
粗糙度推导示意图
两波差 相位为完全抵消，差0 为完全相重合，介乎之间差 2 4
2 h co s
（光程差）
4 （相位差）
h
其中：
8 cos
为粗糙度； 为光的入射角； 为光波长。
13
不同含水量对土壤反射率的影响
(3) 植被的反射波谱
在可见光波段，健康的绿色植被的反射波谱特性取决
于叶片成分。
反射峰值在0.55 μm ，叶绿素对绿光反射强烈，而对 蓝光波段和红光波段强烈吸收 (0.45 μm ，0. 67 μm) 如果植物的叶绿素含量下降，植物变为黄色或红色， 其反射波谱特性随之改变。
10
水体光谱特性受叶绿素浓度的影响
水体在遥感图像上的表现
(2) 土壤的反射波谱
土壤本身是一种复杂的混合物， 由物理和化学性质各不相同的物 质组成，会不同程度的影响土壤 的反射和吸收光谱特征。 土壤的光谱特性曲线与一些因素有关：土壤类别、含水量、 有机质含量、砂、土壤表面的粗糙度、粉砂相对百分含量等。 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，土壤 的反射率一般随波长的增加而增加，土壤对所有的入射能均 吸收或反射，无透射。
(1) 水体的反射波谱
如果水底部分影响可以忽略，水 体的反射特性不仅与水体本身， 也与水中的物质相关。 纯净水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强， 特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为 零，因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓。 水的浑浊度的变化，叶绿素浓度的变化，对反射率都有影响。
• 光谱反射率：地物对应于某个波长电磁波的反射率。 • 反射波谱: 地物的反射系数（率）随入射波长的变化
规律叫做该地物的反射波谱。
• 反射波谱特性曲线: 以波长为横坐标，反射率为纵坐
标所得的曲线称为物体的反射波谱特性曲线。
二、反射波谱特性曲线
• 反射波谱特性曲线：反射波谱是某物体的反射率（或反射
辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为 纵坐标所得的曲线。
地表反射的太阳辐射成为可见光和近红外遥感记录的主要辐射能量。
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地物的反射
根据界面（反射面）的粗糙程度和反射的方向性分：
镜面反射：界面起伏高度相对入射电磁波波长而
言很小（即界面光滑）时产生镜面反射。 漫反射：界面起伏高度相对于入射电磁波波长而 言比较大（即界面粗糙）时，产生漫反射。均匀 的漫反射面称为朗伯面，朗伯面反射的电磁波在 各个方向上辐射亮度值相同。 方向反射(混合反射)：当界面起伏高度介于上述 两种情况之间（中等粗糙），产生方向反射。实 际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最 强烈，而在其他方向反射较弱，这种现象称为方 向反射。是镜面反射和漫反射的结合。 从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且地面 物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地 面结构复杂的地区，为方向反射。
8
地物反射波谱曲线的特点
• 物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后
两个波段。
• 同一物体的波谱曲线反映出不同波段的不同反射率，将
此与遥感传感器的对应波段接受的辐射数据相对照，可
以得出遥感数据与对应地物的识别规律，作为遥感影像 判读依据。
• 任何物体的反射性质是揭示目标本质的最有用信息。
三、典型地物反射波谱特性
波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 45~0. 56μm的蓝绿光波段。
一般水体的透射深度可达10～20 m，清澈水体可达100 m的深度。
地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其 峰值波长为9.66 μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。就 短波而言，地表反射的太阳辐射称为地表的主要辐射来源，而地表自 身的辐射可以忽略不计。
瑞利准则
当相位差小于 即
光滑表面。
4
h
，两波偏于相重合，则呈反射为主、 8 cos
4
h 8 cos
增大， 增大， 有利于形成光滑表面。
减小， 减小，有利于形成粗糙表面。
对于可见光， 在 m 范围内，所有地物都是粗糙面，而对 在 cm 到 m 之间，地物表面呈粗糙与光滑临界状态。 于微波，
在近红外波段，植被的反射光谱取决于叶片内部的细
胞结构。
0.7 μm 1.3 μm ：吸收能量少，反射来自叶片内部结 构，形成强反射。 因叶片内部结构差别大，植被在近红外的反射差异比 可见光区域大，所以在近红外波段内测量植物的反射 率来区别不同的植物。
在短波红外波段
植物基本上吸收或反射电磁波能量， 透射很少。 植物的光谱特性受叶片总含水量的 控制，叶片的反射率与叶内总含水