地物波谱特征
地物的波谱特性与大气对遥感监测的影响
地理科学学院《遥感原理与应用》讲义地物的波谱特性与大气对遥感监测的影响目录1 绪........................................................................................................................................... - 4 -1 电磁波谱及大气对遥感监测的影响…………………………………………..-31.1 电磁波及电磁波谱 ................................................................................................. - 4 -1.1.1 电磁波................................................................................................................ - 4 -1.1.2 电磁波谱............................................................................................................ - 4 -1.2 大气对遥感监测的影响 ........................................................................................ - 5 -1.2.1 大气成分............................................................................................................ - 5 -1.2.2 大气结构............................................................................................................ - 5 -1.2.3 大气对太阳辐射的影响.................................................................................... - 6 -1.2.3.1 大气的反射作用........................................................................................... - 6 -1.2.3.2 大气的吸收作用........................................................................................... - 6 -1.2.3.3 大气的散射作用........................................................................................... - 7 -1.2.3.4 小结.......................................................................................................... - 10 -1.2.4 大气窗口.......................................................................................................... - 10 -2 地物的波谱特性......................................................................................................... - 11 -2.1 地物波谱与地物波谱特性.................................................................................. - 11 -2.1.1 地物波谱.......................................................................................................... - 11 -2.1.2 地物波谱特性.................................................................................................. - 11 -2.2 地物的反射波谱特征........................................................................................... - 11 -2.2.1 地物反射与反射类型...................................................................................... - 12 -2.2.2 地物的反射率.................................................................................................. - 12 -2.2.2.1 概念及影响因素......................................................................................... - 13 -2.2.2.2 差异的意义 ............................................................................................... - 13 -2.2.3 地物反射波谱与反射波谱曲线...................................................................... - 13 -2.2.3.1 概念.......................................................................................................... - 13 -2.2.3.2 不同地物不同反射波谱及其意义................................................................. - 14 -2.2.3.3 几种常见地物的反射波谱曲线特征 ............................................................. - 14 -2.3 地物的发射波谱特征........................................................................................... - 16 -2.3.1 黑体辐射.......................................................................................................... - 16 -2.3.2 实际物体辐射.................................................................................................. - 17 -2.3.2.1 基尔霍夫定律............................................................................................ - 17 -3 地物波谱曲线的作用 .............................................................................................. - 18 -4 心得体会......................................................................................................................... - 19 -5 思考题及参考答案.................................................................................................... - 20 -6、图表目录…………………………………………………………………………………-14图1-1 电磁波谱图……………………………………………………………………- 4 图1-2 大气垂直分布图...............................................................................................- 4 图1-3 大气吸收谱…………………………………………………………………….- 6 图1-4 散射光强分布图………………………………………………………………- 7 图1-5 瑞利散射与波长的关系……………………………………………………..- 8 图1-6 米氏散射……………………………………………………………………….- 8 图1-7 无选择散射…………………………………………………………………….- 9 图1-8 大气吸收与大气窗口示意图………………………………………………-10 图2-1 镜面反射……………………………………………………………………....-11图2-2 漫反射………………………………………………………………………….-11图2-3 方向反射……………………………………………………………………....-11 图2-4 瑞利准则的推导……………………………………………………………..-12 图2-5 雪、沙漠、湿地、小麦反射波谱曲线………………………………….-13图2-6 叶子的反射波谱曲线……………………………………………………….-14 图2-7 水体的反射波谱曲线………………………………………………………..-14图2-8 三种土壤的反射波谱曲线…………………………………………………-15图2-9 几种岩石的反射波谱曲线…………………………………………………-15 图2-10 不同温度下的黑体波谱辐射通量密度曲线……………………………-16图2-11 不同温度时黑体辐射的峰值波长………………………………………..-16表1-1 常用的波段……………………………………………………………………- 6表2-1 一些地物（温度20度）的发射率……………………………………….-127、小组分工…………………………………………………………………………………-16遥感物理基础§1 绪遥感（remote sensing）即“遥远的感知”，是一门集中了卫星技术、电子技术、光学技术、计算机技术、通讯技术以及地球科学等多种科学，利用航天、航空探测器对陆地、海洋、大气、环境等进行检测与测绘的综合性很强的新型探测技术。
典型地物反射波谱测量与特征分析
典型地物反射波谱测量与特征分析引言典型地物反射波谱测量与特征分析是遥感领域的重要研究内容之一、通过获取地物的反射光谱特性，可以深入了解地物的组成和性质，从而实现地物分类和变化监测等应用。
本文将介绍地物反射光谱测量的方法以及常见的特征分析方法。
一、地物反射光谱测量方法1.无人机航拍法无人机航拍法是一种比较常用的地物反射光谱测量方法。
通过搭载光谱仪等设备的无人机进行航拍，可以获取高分辨率的光谱数据。
这种方法适用于小范围的地物反射光谱测量，可以获取非常详细的地物光谱信息。
2.便携式光谱仪法便携式光谱仪法是一种简便易行的地物反射光谱测量方法。
通过使用便携式光谱仪，可以在不同地点采集地物的光谱数据。
这种方法适用于快速测量大面积范围的地物光谱信息，常用于农业、植被监测等领域。
3.卫星遥感法卫星遥感法是一种广泛应用于大区域地物光谱测量的方法。
通过卫星传感器获取的遥感数据，可以得到地物的反射光谱特性。
这种方法适用于大范围的地物光谱监测和研究。
二、地物反射光谱特征分析方法1.基于统计学的分析方法基于统计学的分析方法通过对光谱数据进行统计学分析，提取地物的光谱特征。
常见的方法有频率统计和概率分布分析。
这些方法能够揭示地物光谱的整体分布规律，帮助区分不同地物类型。
2.基于特征波长的分析方法基于特征波长的分析方法通过找到光谱数据中特定波长的峰值或谷值，来提取地物的光谱特征。
常见的方法有光谱指数法和比值法。
这些方法能够有效提取地物的光谱特征，突出地物的不同性质。
3.基于光谱反射率的分类方法基于光谱反射率的分类方法通过将地物反射光谱与已知地物光谱进行对比，实现地物的分类。
常见的方法有最大似然分类和支持向量机分类。
这些方法通过对光谱数据进行分析，可以将地物进行有效地分类。
三、应用实例1.植被监测通过地物反射光谱测量和特征分析，可以实现对不同植被的监测。
通过提取植被的光谱特征，可以了解植被的生长状况、叶绿素含量等指标，进而对植被进行分类和变化监测。
典型地物的反射波谱特征
典型地物的反射波谱特征嘿，朋友们！今天咱来聊聊典型地物的反射波谱特征，这可有意思啦！你看啊，这大地就像一个大舞台，各种地物就是舞台上的主角。
比如说那绿油油的草地，就像一个充满活力的小伙子，反射波谱特征那可是很鲜明的哟！它在可见光波段就特别亮眼，反射率相对较高呢，就好像小伙子在舞台上闪闪发光。
再说说那蓝色的湖泊，哎呀呀，就像一位安静的美少女。
它对蓝光的反射特别强，就像美少女穿着漂亮的蓝色裙子在那亭亭玉立。
你能想象到那种感觉吗？还有那黄澄澄的沙漠，简直就是个热情似火的大汉！它在可见光波段的反射率可不低，就如同大汉在阳光下尽情展现自己的力量。
森林呢，则像一个神秘的守护者。
它的反射波谱特征比较复杂，不同的树种还有不一样的表现呢！有的树种在某些波段反射得多一些，有的则少一些，是不是很神奇？咱们的城市呢，就像是一个热闹的大集市。
各种建筑物、道路啊，它们的反射波谱特征也是各有特点。
那些高楼大厦的表面反射和那些小巷子里的可不一样哦，就好像集市里不同的摊位都有自己独特的魅力。
你说这大自然是不是很奇妙？通过研究这些典型地物的反射波谱特征，我们就能更好地了解这个世界啦！我们可以用这些知识来监测环境变化呀，看看草地是不是变少了，湖泊有没有被污染呀。
这就好比我们有了一双神奇的眼睛，可以看到大地的秘密呢！而且啊，这对我们的日常生活也有很大的帮助呢。
比如说在农业上，我们可以根据农作物的反射波谱特征来判断它们的生长状况，是不是缺水啦，有没有生病呀。
这不就像我们能听懂农作物的“语言”一样吗？所以啊，大家可别小看了这典型地物的反射波谱特征。
它就像一把钥匙，能打开我们了解大自然的大门。
让我们一起好好探索这个神奇的世界吧，你准备好了吗？反正我是超级期待的啦！这就是我对典型地物反射波谱特征的看法，有趣又实用，对吧！。
典型地物反射波谱测量与特征分析
典型地物反射波谱测量与特征分析一、实验目的与要求1.实验意义：（1）对光谱测量仪器的认识：ASD野外光谱分析仪FieldSpecPro是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具，它能够快速扫描地物，光线探头在毫秒内得到地物的单一光谱。
FieldSpec分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光线光学探头以及连接数据线组成。
通过连接电脑，可实时持续显示测量光谱，使得测量者可以即时获取需要的测量数据。
（2）对课堂内容的认识：地物反射光谱是指某种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到的曲线即为反射波谱特性曲线。
影响地物波谱变化的因素：太阳位置（太阳高度角和方位角）。
不同的地理位置，海拔高度不同。
时间、季节的变化。
地物本身差异、土壤含水量、植被病虫害。
2.实验目的：（1）地物波谱数据获取需要使用地面光谱仪，通过该实验学会地面光谱仪的原理与使用方法。
（2）通过对地物光谱曲线分析，比较相异与相似地物反射光谱特征。
认识并掌握典型地物反射光谱特征。
二、实验内容与方法1.实验内容（1）典型地物反射波谱测量选择典型地物类型，使用地物光谱仪，开展地物光谱测量，获得典型地物可见光近红外波段（0.4-2.5微米）的反射光谱曲线。
地物类型：植被（草地、灌丛），水体（不同水深，有无植被），土壤（裸土、有少量植被覆盖土壤），不透水地面（水泥地面、沥青路面、大理石地面）。
（2）地物波谱特征分析a)标准波谱库浏览b)波谱库创建c)高光谱地物识别●从标准波谱库选择端元进行地物识别●自定义端元进行地物识别2.实验方法（1）ASD光谱仪简介FieldSpec Pro型光谱仪是美国分析光谱设备(ASD)公司主要的野外用高光谱测量设备。
整台仪器重量7.2公斤，可以获取350~2500nm 波长范围内地物的光谱曲线，探测器包括一个用于350-1000nm的512像元NMOS硅光电二极管阵列, 以及两个用于1000-2500nm的单独的热电制冷的铟-镓-砷光电探测器。
典型地物波谱特征
典型地物波谱特征常见的典型地物波谱特征包括：1.植被：植被在可见光和近红外波段具有较高的反射率，尤其在红边波段表现出明显的反射峰。
而在短波红外和热红外波段，植被的反射率较低。
这一特征可以用来判断植被的分布和类型，以及监测植被的健康状况。
2.水体：水体通常在可见光波段具有较低的反射率，但在近红外波段具有较高的反射率。
这一特征可以用来区分水体和陆地，并进行水质监测和水资源管理。
3.土壤：不同类型的土壤在可见光和近红外波段的反射率有所不同，主要取决于土壤的颜色和成分。
比如，沙质土壤在可见光波段呈现较高的反射率，而黏土质土壤在近红外波段呈现较高的反射率。
土壤的波谱特征可以用来判断土壤质地和化学性质，以及进行土地利用和土地管理。
4.建筑和道路：建筑物和道路在可见光和近红外波段具有较高的反射率，而在短波红外和热红外波段具有较低的反射率。
这一特征可以用来判断城市区域的布局和发展情况，并进行城市规划和交通管理。
5.矿产资源：不同类型的矿产资源在不同波段的光谱中呈现出明显的特征。
比如，铁矿石在红外和热红外波段具有较高的反射率，而铜矿石在可见光和近红外波段具有较高的反射率。
这一特征可以用来探测和勘探矿产资源。
除了以上几类典型地物的波谱特征，还有其他一些特定地物的波谱特征。
比如，冰雪在可见光和近红外波段表现出较高的反射率，而沙漠和裸露的岩石在可见光和近红外波段表现出较低的反射率。
这些特征可以用来研究气候变化和地貌演化等领域。
总结起来，典型地物的波谱特征是由地物的物理和化学性质所决定的，不同的地物在不同波段的光谱中表现出不同的反射特征。
通过对这些特征的分析和识别，可以从遥感图像中提取有关地物的信息，并进行地物分类和目标检测，为地理信息系统和自然资源管理提供有力支持。
地物的反射光谱与地物波谱特性
地物的反射光谱曲线
不同的地物在不 同波段反射率存在差 异。
右图为雪地、小
麦地的光谱曲线。
植物反射波谱特性
由于植物均进行光合 作用，因此各类绿色植物 具有很相似的反射波谱特 性： 在可见光波段 0.55μm（绿光）附近有 反射率为10%-20%的一个 波峰； 在近红外波段0.81.0μm间有一个反射的陡 坡，至1.1μm附近有一个 峰值，形成植被的独有特 征。
地物的反射光谱
物体是反射波谱限于紫外、可见光
和近红外，尤其是后两波段。
物体的反射波谱是特征主要取决于该
物体与入射辐射相互作用的波长选择，即：
对入辐射是反射、吸收和投射的选择性，其 中反射作用是主要的。
地物的反射光谱
地物的反射光谱有如下特征： （1）不同的地物在不同波段反射率存在差异 （如雪地、小麦地的光谱曲线） （2）相同地物光谱曲线有相似性，但是也存在 差异性（如患虫害的小麦与正常小麦的光谱曲线） （3）地物光谱特征具有事件性和空间性（不同 时间与空间光谱特征不同
完善等很多问题仍然缺乏一套系统的、规范的我
国典型地物的波普数据。
国外地物波谱库研究现状
美国NASA于70年代初就初步建立了地
球资源信息系统（ERSIS）。包括植被、土
壤、岩矿和水体等2000余种地物的实验室 反射波谱数据。
地物波谱仪
地物波谱仪
逐渐摆脱“看图识字”的阶段，越来越依赖于地
物波谱特性的研究和发展。
我国地物波谱特性发展现状
地物波谱特性是遥感探测的基础，遥感优
化组合的依据，是定量遥感的技术与应用发展的 先决条件，但我国在地物波谱特性研究中还存在 在很多问题，尽管我国近年引进了一大批代表国 际前沿的地物波谱测试的设备，但其辅助装置不
电磁波谱和常见地物的波谱特征
1.何谓电磁波谱？试述其划分依据及其谱段的特性。
电磁波谱是指将各种电磁波按其波长的（频率）大小所依次排列成的图表。
电磁波谱的划分依据是不同波长电磁波的特性。
按照这一划分依据可以把电磁波谱划分为：宇宙射线、γ—射线、X—射线、紫外线、可见光、红外线、微波。
宇宙射线的波长<10-8 um，来自宇宙天体，其特性是具有很大的能量和贯穿能力，人工还无法能产生，目前遥感未能用得上这个波段；γ—射线的波长范围为10-8~10-6 um，是原子衰变裂解时放出的射线之一，也具有很高的能量和穿透性；X—射线的波长范围为10-6~10-2 um，高能但是穿透能力较γ—射线弱，被大气层全部吸收，不能用于遥感工作；紫外线的波长范围为0.01~0.38 um，穿透力很弱而且散射严重，易于被臭氧吸收，只有波长0.28~0.38 um的紫外线，能部分穿地大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。
现已开始用于监测气体污染及水体的油污染；可见光的波段范围为0.38~0.76um，可分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光,在太阳辐射能中所占的的比例较高，信息量大，可用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段；红外线的波长范围为0.76 — 1000um，红外线按其特性又可以分为近红外（0.76~3um）、中红外（3~6um）、远红外（6~15um）、超远红外（15~1000um），近红外是地表层反射太阳的红外辐射，其中的0.76~1.3um波段可以使胶片感光，常被成为摄影红外，中远红外是地表物体发射的红外线，一般用于热红外遥感；微波的波长为1mm~1m，其特性是具有很强的穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤的能力，可以用人工制造的仪器发射微波，因为在遥感使用上具有全天候的能力。
2.试述水体、植被和土壤的波谱特征。
水体的波谱特征：清洁水体的反射率在各波段都很低（一般在3%左右），在可见光部分为4-5%，在0.6处降至2-3%，到0.75以后的近红外波段，水成了全吸收体。
电磁波谱与地物波谱特征
能而特可➢➢➢在面个一地反反地量有别达反反原般表射射物大1物些是射射因0而吸率率的小0～体物波，造.言收是也反不42的体射在成50，太可与射同~反如出遥的m0绝阳以地光。射水的感。.，5大辐本测物谱满，方图6清μ多射定的曲节足对向像m澈数后的表线的反一才上结水物具。面：蓝射定能水体束体有颜反绿定波探面可对约色射光律长测有达可3、率波，的到时100见0粗随段入电电很0K光糙波m。射磁磁亮的的都度长一角波波，温深不和变般等则，有度度具湿化水于透水 时，。备度的体反射面很从透等曲的射能是暗而射有线透角力近，形能关。射。较似就成力。深只强的是自，度有，镜这身
§1 遥感的电磁波原理
电磁波谱
按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫 电磁波谱。
依次为： γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微 波—无线电波。 电磁波谱示图
电磁波谱与地物波谱特征
To be continued…
遥感应用的电磁波波谱段
❖ 紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，只 有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感， 但探测高度在2000 m以下。
电磁波谱与地物波谱特征 大气吸收谱
四、大气散射作用
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改 变。并向各个方向散开，称散射。散射使原传播方 向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。
散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒 而产生的一种衍射现象。因此，这种现象只有当大 气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波 长时才发生。大气散射有三种情况： ➢瑞利散射：大气粒子的直径远小于波长时发生 ➢米氏散射：大气粒子的直径与波长相当时发生 ➢无选择散射：当大气中粒子的直径比波长大得多 时发生的散射。
地物反射波谱特征及高光谱成像遥感
收稿日期:2008-08-28作者简介:张亚梅(1969-),女,河北秦皇岛人,硕士研究生,主要研究方向为光电工程及自动控制.文章编号:1673-1255(2008)05-0006-06地物反射波谱特征及高光谱成像遥感张亚梅(东北电子技术研究所,辽宁 锦州 121000)摘 要:依据地表物体表面外形特性,物体反射分为镜面反射、漫反射和方向反射.探讨了3类反射的特性曲线,介绍了几种典型的地物类型反射波谱特征,并对影响地物光谱反射特性变化的因素进行了概略描述,以加强对地物电磁波谱特征的认知,及开展与高光谱成像领域相关的遥感图像分析、反演和应用等方面的工作.关键词:地物;反射波谱;高光谱成像;遥感中图分类号:V 443.5 文献标识码:ASpectrum Characteristics of Surface Features Reflectionand High Spectral Imaging Remote SensingZHANG Ya -mei(Northeast Res earch Institute of Electronics Technolo gy ,Jinzhou 121000,china )A bstract :Based on the external features of surface objects ,the objects reflection is divided into mirror surface re -flection ,diffuse reflection and directional reflection .In order to have a deep know ledge of the electromagnetic spectrum characteristics of surface features ,three kinds of reflected characteristic curves are discussed ,and sev -eral types of spectrum characteristics of surface features reflection are introduced .The factors influencing the spectral reflection characteristics of surface features are sum marized and the wo rk on remote sensing image analy -sis ,counterevidence and application related to the field of high spectral imaging are done .Key words :surface features ;reflected spectrum ;high spectral imaging ;remote sensing 自1948年原苏联的克里诺夫出版了有关地物波谱特性研究以来,人们开展了大量的地物波谱特性的观测和研究.20世纪60年代美国为发射地球资源卫星曾全面地开展了地物波谱特性研究,20世纪70年代该项研究进入高潮.目前研究的波段基本覆盖了遥感所使用的波段,测量和研究的对象包括了自然界的植被、土壤、岩石、水体和人工建筑等地物.这些研究对认识遥感成像机理、遥感图像解译、遥感仪器最佳探测波段选择和遥感仪器研制等起到了推动作用.随着遥感应用的深入,遥感信息与地物相互作用的研究有了进一步发展;特别是成像光谱仪的应用,不仅显示了地物波谱特性研究的重要性,而且也推动了这一领域的研究.因为它可以获得图谱合一的信息,可以直接将地物波谱特性和遥感图像结合在一起,在图像分析和应用方面都取得了很好的结果.现代遥感技术的发展,不仅延伸了地物的成像波段范围,而且可以在需要的任何波段独立成像或连续成像,提高了地物光谱分辨力,有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性,突出特定地物反射峰值波长的微小差异.开展地物可见光和近红外反射波谱特征分析研究是对遥感图像进行数据利用和评价的物理基础[1].1 地物的反射类别及反射特性曲线地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现,可见光和近红外波段主要表现地物反射作用和地物的吸收作用.因此,地物反射波谱特征也就第23卷第5期2008年10月 光电技术应用ELECT RO -O PT IC T ECHNO LOG Y APP LICA TI ON Vo l .23,No .5October .2008是指地物可见光和近红外波段波谱特征.根据地表目标物体表面性质的不同,物体反射大体上可以分为3种类型,即镜面反射、漫反射、方向反射(实际物体的反射).镜面反射是指物体的反射满足反射定律.当发生镜面反射时,对于不透明物体,其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量.自然界中真正的镜面很少,非常平静的水面可以近似认为是镜面.漫反射,如果入射电磁波波长λ不变,表面粗糙度h 逐渐增加,直到h 与λ同数量级,这时整个表面均匀反射入射电磁波,入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射,其反射辐照亮度是一个常数,这种反射面又叫朗伯面.实际地物表面由于地形起伏,在某个方向上反射最强烈,称为方向反射,是介于镜面和朗伯面(漫反射)之间的一种反射.自然界中绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射,又叫非朗伯面反射.它发生在地物粗糙度继续增大的情况下,反射具有各向异性,即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量,但大小不同.从空间对地面观察时,对于平面地区,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.图1示出了3种反射的情况.图1 3种反射形式反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比,ρ=E r /E ,这个反射率是在理想漫反射体的情况下,整个电磁波长的反射率.实际上由于物体固有的结构特点,对于不同波长的电磁波会产生有选择的反射,例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成,如图2所示.入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮,蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用;绿光也吸收了一大部分,但仍反射一部分,所以叶子呈现绿色;而近红外线可以穿透叶绿素,被多孔薄壁细胞组织所反射.因此,在近红外波段上形成强反射.图2 叶子的结构及其反射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即称为该物体的反射波谱特性曲线,光谱反射率ρl =E rlE l.物体的反射波谱的特征主要取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择,即对入射辐射的反射、吸收和透射的选择性,其中反射作用是主要的.物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分、结构、表面状态以及物体所处环境的控制和影响.在漫反射的情况下,组成成分和结构是控制因素.如图3所示为4种地物的反射光谱特性曲线.从图3中曲线可以看到,雪的反射光谱与太阳光谱最相似,在蓝光0.49μm 附近有个波峰,随着波长增加反射率逐渐降低.沙漠的反射率在橙色0.6μm 附近有峰值,但在长波范围里比雪的反射率要高.湿地的反射率较低,色调发暗灰.小麦叶子的反射光谱与太阳的光谱有很大差别,在绿波处有个反射波峰,在红外部分0.7～0.9μm 附近有一个强峰值.图3 4种地物的反射波谱特性曲线各种物体,由于其结构和组成成分不同,反射特性曲线的形状是不一样的,即便是在某波段相似,甚7第5期 张亚梅:地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 至一样,但在另外的波段还是有很大的区别的.例如图4所示的柑桔、番茄、玉米、棉花4种地物的反射特性曲线,在0.6～0.7μm 之间很相似,而其他波长(例如0.75～2.5μm 波段之间)的光谱反射特性曲线形状则不同,有很大差别.图4 4种植物的反射波谱特性曲线2 常见的几种地物类型波谱特征2.1 植被的反射波谱特性由于植物均进行光合作用,所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性,其特征是:在可见光波段0.55μm (绿光)附近有反射率为10%～20%的一个波峰,两侧0.45μm (蓝)和0.67μm (红)则有2个吸收带.这一特征是由于叶绿素的影响造成的,叶绿素对蓝光和红光吸收作用强,而对绿色反射作用强.在近红外波段0.8～1.0μm 间有一个反射的陡坡,至1.1μm 附近有一峰值,形成植被的独有特征.这是由于植被叶的细胞结构的影响,除了吸收和透射的部分,形成的高反射率.图5 绿色植物反射波谱曲线在中红外波段1.3～2.5μm ,以1.45、1.95μm 和2.7μm 为中心是水的吸收带,受到绿色植物含水量的影响,吸收率大增,反射率下降,形成低谷.而1.5～1.9μm 光谱区反射率增大.绿色植物反射波谱曲线如图5所示[2].植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别,这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少有关系,如图6所示3种类型树木的光谱曲线比较.图6 3种类型树木的光谱曲线比较2.2 土壤的反射波谱特性自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值,一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关,即: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.土壤含水量增加,土壤的反射率就会下降,在水的各个吸收带(1.4、1.9、2.7μm 处附近区间),反射率的下降尤为明显.此外肥力也对反射率有一定的影响.由图7可以看出,土壤反射波谱特性曲线较平滑,因此在不同光谱段的遥感影像上,土壤的亮度图7 3种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线8 光 电 技 术 应 用 第23卷区别不明显[2].2.3 水体的反射波谱特性水体对0.45～0.56μm 蓝绿光波段透射能力较强,一般深度可达10～20m ,清澈水体可达100m 的深度.同时,水体的反射也主要在蓝绿光波段,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,在此波段的黑白正片上,水体的色调很黑,与周围的植被和土壤有明显的反差,很容易识别和判读.但是当水中含有其他物质时,反射光谱曲线会发生变化.水含泥沙时,由于泥沙的散射作用,可见光波段发射率会增加,峰值出现在黄红区.如图8所示水中含有叶绿素时,近红外波段明显抬高,这些都是影像分析的重要依据.图8 叶绿素含量不同时水体的光谱曲线2.4 岩石的反射波谱特性岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定.影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等.几种岩石的反射波谱曲线如图9所示.在遥感探测中一般根据所测岩石的具体情况选择不同的波段.2.5 城市道路、建筑物的反射波谱特性在城市遥感影像中,通常只能看到建筑物的顶部或部分建筑物的侧面,特别是建筑材料所构成的屋顶.从图10中可以看出,铁皮屋顶表面成灰色,反图9 几种岩石的反射波谱曲线射率较低而且起伏小,所以曲线较平坦.石棉瓦反射率最高,沥青粘砂屋顶,由于其表面铺着反射率较高的砂石而决定了其反射率高于灰色的水泥平顶.绿色塑料棚顶的波谱曲线在绿波段处有一反射峰值,与植被相似,但它在近红外波段处没有反射峰值,有别于植被的反射波谱.军事遥感中常用近红外波段区分在绿色波段中不能区分的绿色植被和绿色的军事目标.图10 几种建筑物屋顶的波谱特性城市中道路的主要铺面材料为水泥沙地和沥青两大类,少量部分有褐色地,如图11所示,它们的反射波谱特性曲线形状大体相似,水泥沙路在干爽状态下呈灰白色,反射率最高,沥青路反射率最低.图11 几种道路的波谱特性9第5期 张亚梅:地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 3 影响地物光谱反射特性变化的因素有很多因素会引起反射率的变化,如:太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等.太阳位置主要是指太阳高度角和方位角,如果太阳高度角和方位角不同,则地面物体入射照度也就发生变化.为了减小这2个因素对反射率变化的影响,遥感卫星轨道大多设计在同一地方时间通过当地上空,但由于季节的变化和当地经纬度的变化,造成太阳高度角和方位角的变化是不可避免的.传感器位置指传感器的观测角和方位角,一般空间遥感用的传感器大部分设计成垂直指向地面,这样影响较小,但由于卫星姿态引起的传感器指向偏离垂直方向,仍会造成反射率变化.处在不同地理区域的同种地物具有不同的光谱效应,称之为空间效应.除不同地理区域地物本身的变异因素外,不同的地理位置,太阳高度角和方位角、地理景观等都会引起反射率变化,还有海拔高度不同,大气透明度改变也会造成反射率变化.同一地物的反射波谱特性一般随时间季节变化,称之为时间效应,如图12所示的新雪和陈雪反射特性曲线等.即使在很短的时间内,由于各种随机因素的影响(包括外界的随机因素和仪器的响应偏差)也会引起反射率的变化.这种随机因素的影响还表现在同一幅影像中,但是这种因素的影像引起的光谱反射率变化,将在某一个区间中出现,如图13示出了大豆反射率变化的区间.图14所示,同一春小麦在花期、灌浆期、乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果.可以看出,花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期.至于黄叶期,由于不具备绿色植物特征,其反射光谱近似于一条斜线.这是因为黄叶的水含量降低,导致在1.45、1.95、2.7μm附近3个水图12 新雪和陈雪的反射特性曲线图13 大豆反射率变化范围图14 同一作物(春小麦)在不同生长阶段的波谱特性曲线吸收带的减弱.当叶片有病虫害时,将使反射率发生较大变化,也有与黄叶期类似的反射率.4 地物反射波谱与高光谱成像地物的波谱特征是遥感识别地物的重要依据,尤其是针对未来航空航天遥感中的成像波谱仪的重要性更加突出.因此开展各种地物的波谱特征测定和研究,不仅是遥感的基础性工作,而且是遥感应用研究中一个重要的内容.美国NASA于19世纪70年代初就初步建立了地球资源信息系统,包括植被、土壤、岩石和水体等2000余种地物的实验室反射波谱数据.从19世纪80年代,我国许多遥感科学研究部门相继建立了10余个地物波谱库,在我国不同的遥感发展时期都起到了积极的推动作用.现代遥感技术的发展,使得地物的成像范围不仅延伸到人们不可见的紫外和红外波长区,而且可以在需要的任何波段独立成像或连续成像.高光谱遥感的光谱分辨率高于百分之一波长达到纳米(nm)数量级,其光谱通道数多达数十甚至数百,使得遥感的波段宽度从早期的0.4μm(黑白摄影)、0.1μm(多光谱扫描)到5nm(成像光谱仪).遥感器10 光 电 技 术 应 用 第23卷波段宽度窄化,针对性更强,可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异;同时,成像光谱仪等的应用,提高了地物光谱分辨力,有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性.如图15所示成像光谱仪的数据特点[3].图15 高光谱成像光谱仪数据示意图 1983年,世界第一台成像光谱仪AIS -1在美国研制成功,并在矿物填图、植被生化特征等研究方面取得了成功,初显了高光谱遥感的魅力.此后,许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪.如美国的AVI RIS 、DAIS ,加拿大的FLI 、CASI ,德国的ROSIS ,澳大利亚的Hy Map 等.在经过航空试验和成功运行应用之后,19世纪90年代末期终于迎来了高光谱遥感的航天发展.1999年美国地球观测计划(EOS )的Terra 综合平台上的中分辨率成像光谱仪(MODIS )、号称新千年计划第一星的EO -1,欧洲环境卫星(ENVISAT )上的M ERIS ,以及欧洲的CHRIS 卫星相继升空,宣告了航天高光谱时代的来临.中国也自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪(PH I ),其在可见光到近红外光谱区具有244个波段,光谱分辨率优于5nm .新的成像光谱系统不仅继续在地质和固体地球领域研究中发挥作用,而且在生物地球化学效应研究、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面都有很好的结果.高光谱成像技术是将由物质成分决定的地物光谱与反映地物存在格局的空间影像有机地结合起来,对空间影像的每一个像素都可赋予对它本身具有特征的光谱信息.高光谱图像的分类和识别,主要是基于地物光谱特征的分类识别和基于统计的分类识别2种方法.其中基于地物光谱特征的分类识别,是利用光谱库中已知的光谱数据,采用匹配算法来鉴别和识别图像中地物类型.这种方法既可采用全波长的比较和匹配,也可用感兴趣的光谱特征或部分波长的光谱或光谱组合参量进行匹配,达到分类和识别的目的.5 结 束 语20多年来,高光谱遥感已发展成一个颇具特色的前沿技术,并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类.它的出现和发展将人们通过遥感技术观测和认识事物的能力带入了又一次飞跃,续写和完善了光学遥感从全色经多光谱到高光谱的全部影像信息链.由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地(下转第21页)11第5期 张亚梅:地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 法.相比之下,其他的数值求解方法则受D的形状限制较大.参考文献[1] Jo hn L ester M iller.P rinciples of Infrared T echnolo gy,APractical G uide to the State of the Art[M].N ew York:Chapman and Hall,1994.[2] Dereniak E L,Boreman G D.I nfrared Detecto rs andSystems[M].New Yor k:John Wiley&Sons,Inc.,1996.[3] Dale Varberg,Edwin J Purcell,Steven E Rigdo n.Calcu-lus[M].8版.北京:机械工业出版社,2003.[4] Press W H,T eukolsky S A,Vetterling W T,e t al.C语言数值算法程序大全[M].2版.傅祖芸,赵梅娜,丁岩,等.北京:电子工业出版社,1995.[5] 杨华中,汪蕙.数值计算方法与C语言工程函数库[M].北京:科学出版社,1996.[6] Mag rab E B,Azarm S,Balachandran B,et al.M A T LAB原理与工程应用[M].高会生,李新叶,胡智奇,等.北京:电子工业出版社,2002.[7] 薛定宇,陈阳泉.高等应用数学问题的MA T LA B求解[M].北京:清华大学出版社,2004.(上接第5页)探测器中注入较大的能量和照射相对较长的时间,从而可能产生较好的作用效果.另外,仅选择单个激光脉冲进行计算,是一个极为简单的静态模型.实际上,激光及探测器的开关门时间一般是周期性的,两者相互作用的关系的严格描述比较复杂.这里仅从激光脉冲波形的角度,做了一点初浅的思考.参考文献[1] 梁作亮,张喜和.超高重复频率Nd:YAG激光器的研制[J].长春光学精密机械学院学报,1992,15(1):30-33.[2] 金锋,翟刚,李晶,等.二极管泵浦声光调Q窄脉冲N d:YA G激光器[J].光电子.激光,2004,15(3):303-306.[3] 王立新,王伟祥,张克非.长脉冲N d:YAG激光器的实验研究[J].应用激光,1999,19(4):159-160.[4] 吴谨,万重怡,刘世明,等.小型T EA CO2激光器的温度特性[J].激光技术,2002,26(6):409-410.[5] 张昭,吴谨,王东蕾,等.长脉冲紫外预电离T E CO2激光器[J].中国激光,2005,32(12):1599-1604.[6] 田兆硕,王祺,王雨三,等.光栅选支电光调Q射频激励波导CO2激光器研究[J].光电子.激光,2000,11(3):282-284.(上接第11页)球表面信息,其应用领域已涵盖地球科学的各个方面,在地质找矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用.地物目标反射波谱特征分析研究,除了可以提供遥感图像设计与成像依据外,还可为农业生产、资源调整、灾害预报与评估、工程建设、环境监测、城市发展等提供更加快速可靠的信息服务和辅助决策,因此,蕴含着巨大的经济效益和社会效益.参考文献[1] 浦瑞良.高光谱遥感及其应用[M].北京:高等教育出版社,2000.[2] 贾海峰,刘雪华.环境遥感原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.[3] 高昆,刘迎辉,倪国强,等.光学遥感图像星上实时处理技术的研究[J].航天返回与遥感,2008(1):11-14.(上接第17页)个视场的M TF都大于0.66,成像质量良好,各项指标都满足成像要求.参考文献[1] 薛鸣球.电影摄影物镜光学设计[M].北京:中国工作出版社,1971:167-168.[2] 刘崇进,史光辉.机械补偿法变焦镜头三个发展阶段的概况和发展方向[J].应用光学,1992,13(2):12-13.[3] 张良.中波红外变焦距系统的光学设计[J].应用光学,2006,27(1):32-34.[4] 陶纯堪,变焦距光学系统设计[M].北京:国防工业出版社,1988:115-117.21第5期 王忆锋等:用蒙特卡罗方法和M A T LAB计算矩形冷屏的视场角 。
波普特征及生理认知
光学－机械扫描系统
• 工作原理 通常在扫描仪的前方安装可 转动的物镜，并依靠机械传动装置使物 镜摆动，物镜对整个总视场中的地面目 标逐点逐行扫描。
光机扫描系统工作原理
• 探测元件把接收到的电磁波能量能转换 成电信号，传送给存储介质记录下来， 或者再经电/光转换成光能量，投射到设 置于焦平面的胶片上，形成影像。光学 一机械扫描（简称光机扫描）成像系统 以Landset上MSS和TM遥感器最具代表 性。
遥感图像目标地物识别特征
• 形－－指目标地物在遥感影像上表现的形状特 征。由于目标地物与周围环境存在着颜色差 异，这种颜色差异集中体现在目标地物的边 界，因此目标地物形状在环境背景中衬托出 来，使得解译者在图像中注意到目标地物特有 的形态特征。依据目标地物形态特征，可以把 具有相同色调但不同形态的地物加以区分，例 如依据形态特征区分水渠和湖泊。广义来说， 目标地物的形状特征包括形状、纹理、阴影、 图型等。
玉米波谱特征
•
绿色植被的地物反射光谱特征是植被不同组分(包括叶、茎、干、 花等)反射光谱的组合。影响植物反射光谱的主要因素包括叶的形 状、表面构造、表层解剖特点、叶的色素含量以及叶子覆盖面积 等因素。其中植被的叶子是决定植被反射光谱特性的决定性因 素。绿色叶子的色素成分、细胞结构和含水量共同对叶子的反射 光谱产生影响。
大脑对图像信息加工的特点
• • • • 多级加工； 多通道传输 多层次处理,信息并联与串联结合。 上述信息获取与加工过程这启发我们在 图像解译时必须注意人类的生理特点。
人类心理特点对图像解译的影响
• (1)遥感图像解译过程中,在同一时刻中 只有一种地物是目标地物，图像的其余 部分则是作为目标地物的背景出现，此 时人类注意力集中在目标地物上。 • (2)目标地物识别时，目视者过去的经验 与知识结构对目标性质的确认具有导向 作用。遥感图像上同一个目标地物，不 同的解译者可能会得出不同的结论。
典型地物波谱特征
典型地物波谱特征1. 植被：植被在可见光波段（400-700nm）有较高的反射率，特别是在绿光波段（500-600nm）具有最高的反射率。
这是由于植物叶片中的叶绿素所致。
而在红外波段（近红外和中红外）植被的反射率较低，由于叶片中的水分和植被构架的散射。
这些反射特征使得植被在光谱上呈现出独特的红光和近红外反射的“红边”特征，可以用来检测植被的类型、生长状况和叶绿素含量。
2.土壤：土壤具有较低的反射率，特别是在可见光波段和红外波段。
土壤的光谱特征主要由其物理和化学特性决定，如含水量、粒度和有机质含量。
不同土壤类型具有不同的光谱特征，可以通过光谱分析来进行区分。
例如，矿物质丰富的土壤在可见光波段和红外波段具有较高的反射率；有机质含量高的土壤在红外波段具有较高的吸收率。
3.水体：水体在可见光波段有较低的反射率，特别是蓝光波段。
这是由于水分子的吸收作用。
在红外波段，水体的吸收率较高，特别是在中红外波段。
这些反射和吸收特征使得水体在光谱上呈现出低反射的“蓝窗口”和高吸收的“红窗口”特征，可以用来进行水体的识别和水质监测。
4.建筑物：建筑物在可见光波段和红外波段具有较高的反射率。
不同类型的建筑物具有不同的光谱特征，可以通过光谱分析进行分类。
例如，玻璃和金属材料具有很高的反射率，并在短波红外波段具有很高的吸收率；混凝土和瓦片具有适中的反射率和较低的吸收率。
5.云和雪：云和雪在可见光波段具有较高的反射率，特别是在蓝光波段。
在红外波段，云和雪的反射率较低，并具有较高的吸收率。
这些反射和吸收特征使得云和雪在光谱上具有明显的特征，可以用来进行云和雪的遥感监测。
以上是一些典型地物的波谱特征的例子，不同地物在不同波段上的反射和吸收特征是由其物理、化学和结构特性所决定的。
通过利用这些特征，可以对地物进行识别和定量化，为环境监测、资源调查和灾害监测等应用提供重要的信息。
4.4 地物波谱特征(1)
2)
传感器探测波段的设计，是通过分析 比较地物光谱数据而确定的。 多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：
MSS1(0.5-0.6 μm) MSS2(0.6-0.7 μm) MSS3(0.7-0.8 μm) MSS4(0.8-1.1 μm)
3) 同类地物的反射光谱具有相似性，但也 有差异性。不同植物；植物病虫害 4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特 性。
地物的光谱特性
任何地物都有自身的电磁辐射规律， 如反射、发射、吸收电磁波的特性。少 数还有透射电磁波的特性。地物的这种 特性称为：地物的光谱特性。
地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光 谱。地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准； 地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。
入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度
3、地物的反射光谱：地物的反射率随入
射波长变化的规律。
1)
地物反射光谱曲线：根据地物反射率 与波长之间的关系而绘成的曲线。地 物电磁波光谱特征的差异是遥感识别 地物性质的基本原理。 不同地物在不同波段反射率存在差异： 雪、 沙漠、湿地、小麦的光谱曲线
航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，近似视为朗伯面。
3) 实际物体反射
实际物体反射比较复杂，它是介于镜面 与朗伯面之间，各个方向上都有反射光 线，但大小不同。
实际物体反射与电磁波的入射方向和观 察方向有关，在航空遥感中具有重要意 义。
2、地物的反射率（反射系数或亮度系数）： 地物对某一波段的反射能量与入射能量 之比。反射率随入射波长而变化。 影响地物反射率大小的因素：
( ) ( ) ( ) 1
典型地物波谱特征
典型地物波谱特征1.植被：植被在红外波段具有较高的反射率，而在可见光波段具有较低的反射率。
这是由于植被叶片中的叶绿素吸收了可见光波段的能量，并通过光合作用将其转化为化学能。
在红外波段，植被叶片对光的反射率较高，主要是由于叶绿素的吸收峰位于可见光波段的近红外部分，因此植被在红外波段表现出较高的反射率。
植被的光谱特征可以通过NDVI指数等植被指数来定量化。
2.土壤：土壤的光谱特征受其颜色、含水量、粒度组成等因素的影响。
干燥的土壤在可见光波段表现为较高的反射率，而在红外波段表现为较低的反射率。
这是由于土壤中的颜料、矿物质和含水量对光的吸收和散射所致。
含水量越高，土壤在可见光波段的反射率越低，主要是由于水分的吸收作用；而在红外波段，含水量越高，土壤的反射率越高，主要是由于水分的散射作用。
3.水体：水体的光谱特征主要由其含有的悬浮颗粒物和溶解有机物质的类型和浓度所决定。
对于清澈的水体，在可见光波段表现为较低的反射率，而在红外波段表现为较高的反射率。
这是由于水分子对可见光的吸收较高，而对红外波段的透射性较好。
而对于含有悬浮颗粒物或浓度较高的水体，其光谱特征会受到悬浮颗粒物的散射和吸收的影响，表现为在可见光波段反射率较高，而在红外波段反射率较低。
4.建筑物：建筑物的光谱特征与其材料和表面的反射率有关。
一般而言，建筑物表面的混凝土或砖块等材料在可见光波段表现为较高的反射率。
而在红外波段，建筑物的反射率较低，主要是由于其表面的材料对红外波段的吸收较强。
最后，需要指出的是，实际地物的光谱特征会受到光照条件、地物的朝向和遥感影像的分辨率等因素的影响。
因此，在进行地物分类和解译时，需要综合考虑各种因素，并结合不同波段下地物的光谱特征进行分析和定量化。
这样可以更准确地对遥感影像中的地物进行识别和解释。
地物波谱的名词解释
地物波谱的名词解释地物波谱是指地球表面上各种物质在不同波长范围内的辐射特征。
地物波谱是一种重要的遥感信息来源，通过对地物波谱的分析和解释，可以获取地表覆盖类型、植被生长状态等丰富的地理信息。
在本文中，我们将对地物波谱的相关名词进行解释，帮助读者更好地理解这一概念。
1. 辐射(Radiation)辐射是指物质在不同波长范围内的能量传递过程。
地表物质受到太阳辐射的照射后会反射、散射并吸收一部分能量。
这些能量在不同波长上呈现出不同的特征，形成了地物波谱。
2. 反射(Reflection)反射是指当光线照射到物体表面时，在与入射光方向相反的方向上发生光线的弹回。
在地物波谱中，反射率指的是地表物质对太阳辐射的反射能力。
不同类型的地表物质对光的反射率各不相同，因此可以通过对地物波谱的分析，推断出地表的组成和特征。
3. 吸收(Absorption)吸收是指物体吸收光线的能力。
当光线通过地表物质时，不同波长的光线会被物质中的原子、分子吸收，使其发生能级跃迁。
这种吸收特性使得地物波谱中的某些波长处出现深度的谷而不是峰。
地物波谱中的吸收峰可以告诉我们地表物质的组成和含量。
4. 散射(Scattering)散射是指光线在介质中遇到颗粒或界面时发生方向变化的现象。
地表物质会对入射的光线进行散射，使得地物波谱中的某些波长出现明显的散射峰。
通过分析地物波谱的散射特征，可以了解地表物质的粒度、形态等信息。
5. 植被指数(Vegetation Index)植被指数是通过分析地物波谱中的可见光和近红外波段反射率之间的关系，用来衡量植被在生长状态上的变化。
典型的植被指数有归一化植被指数（NDVI）和表面水分指数（SMI）等。
这些指数的计算基于地物波谱中植被吸收和反射的特征，能够对植被生长状况进行评估。
6. 光谱解混(Spectral Unmixing)光谱解混是指通过对地物波谱进行分析和处理，将复杂的遥感图像中的各种地物进行分离和定量。
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2 影响样本光谱的因素 我们将对样本光谱产生影响的因素分为了三类，分别是大气因素、周围物体的散
射因素和物体自身反射特性因素。如图：
其中，大气因素和周围物体的散射因素都属于影响样本光谱的环境因素。
2.1 大气因素对观测的影响
大气干扰地物光谱测量的因素主要包括： ➢ 大气中各种气体分子对太阳辐射的吸收； ➢ 云层对太阳辐射的吸收和散射； ➢ 风对被测物体的物理状态的影响。
仪器有1米、3米和5米的光纤连接光谱仪对样本采样，光纤视场均为25度。由于光纤存 在一个25度的视场，在测量观测时，观察的区域是一个面而不是一个点。所以在测量时必 须选择适当的观测距离和角度，保证观察面中的观测对象符合测量要求。
1.1 测量仪器的硬件介绍：
1.1 测量仪器的硬件介绍：
1.1 测量仪器的硬件介绍：
地物光谱测量方法 – 样品的实验室测量 实验室测量常用分光光度计，仪器由微机控制，测量数据也直接传给计算机。 分光光度计的测量条件是一定方向的光照射，半球接收，因此获得的反射率与野 外测定有区别。室内测量时要有严格的样品采集和处理过程。例如，植被样品要 有代表性，采集后迅速冷藏保鲜，并在12h内送实验室测定；土壤和岩矿应按专业 要求并制备成粉或块。 由于实验室的测量条件高，应用不够广泛。
不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线
（4）岩石反射波谱曲线 岩石的反射波谱曲线无统一的特征， 矿物成分、矿物含量、风化程度、 含水状况、颗粒大小、表面光滑程 度、色泽等都会对曲线形态产生影 响。
几种岩石的反射波谱曲线
2. 地物波谱特征的测量
电磁波谱中，可见光和近红外波段（0.3~2.5μm）是地表反射的主要波段，多数传感 器使用这一区间。 地物波谱特征测量的作用
（1）植被反射波谱曲线
植物波谱具有上述的基本特征，但仍有细部差别，这种差别与植物种类、季节、病虫害 影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。
（1）植被反射波谱曲线 9月20日玉米、大豆
5月20日小麦、油菜
（1）植被反射波谱曲线
不 同 树 种
（2）土壤反射波谱曲线 自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有 机质含量越高和含水量越高反射率越低，此外土类和肥力也会对反射率产生影响。由于 土壤反
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论 – 双向反射比因子R（BRF） 这一函数比较容易测量，其定义是，在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一 定辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件下 的标准参考面的反射辐射通量之比。而这一标准参考面即为前面讲过的朗伯反 射面。
地物波谱特征的测量
– 传感器波段选择、验证、评价的依据 – 建立地面、航空和航天遥感数据的关系 – 将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析并建立应用模型
地物波谱特征的测量
地物反射波谱测量理论 – 双向反射分布函数（BRDF） 对于地物表面dA，入射时辐照度为dIi(φi,θi)， 在φr和θr方向上，由dIi产生的反射亮度为dLr， 随着入射方向和反射方向的不同，产生一个函 数fr，称双向反射分布函数，简称BRDF，表示 为：
➢ Detector integration time （TIME）设定光谱仪输出信号功率； ➢ Spectral smoothing controls （SIM）设定光谱曲线平滑算子； ➢ Number of scans to average （AVG）设定光谱平均采样次数；
合理的设置这些参数，能够起到事半功倍的效果。例如，选择适当的TIME和AVG参数 值，能使仪器在较短的时间内获得高信噪比的数据，这样便为数据的后期处理减轻了 负担。
θr分别为某一反射方向的方位角和天顶角。那 么方向反射因子ρ’可以表示为：
'(ii,rr)LIri(( irir))
Ii为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射亮度。这些物理量均与方位角和 天顶角有关，只有当朗伯体时才都成为与角度无关的量。
实际物体反射
L() 入太射阳辐的照直度接辐Ii应射该，由是' 两由部太分阳组辐成射:来的平行光束穿过r大气r直接r照射地面，其辐照度大小与 (,) 太阳天顶角和日地距离i有关i； r r I () 太小阳与辐入射射经角过度大无气关散。射后又漫入射到地面的部分，i 因为i是从i 四面八方射入，其辐照度大
地物反射波谱曲线 除随不同地物（反射率）不同外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表 现（反射率）也不同。一般说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥 感影像的判读提供依据。
（1）植被反射波谱曲线 规律性明显而独特。可见光波段（0.4～0.76μm）有一个
小的反射峰，两侧有两个吸收带。这是因为叶绿素对蓝 光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。
2.1 大气因素对观测的影响
➢ 大气中各种气体分子对太阳辐射的吸收； 气体分子吸收对太阳辐射的影响非常强烈，阳光通过大气层的路径越长，其吸收作用 就越强。
地物波谱特征
1. 地物反射波谱特征
在可见光与近红外波段（0.3～2.5 μm），地表物体自身的热辐射几乎等于零。地物 发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太阳辐射到达地面后，物体除了反射作 用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，电磁辐射未 被吸收和反射的其余部分则是透过的部分，即
的辐射值，计算野外测量出的方向反射比因子R；
用黑挡板遮住太阳直射光，在只有天空漫入射光时分别迅速测量标准板和地物的辐射值， 计算比值得到漫入射的半球一定向反射比系数RD ；
由公式计算出直射光照射下双向反射比因子RS。测量时可以保持方位角始终为0o
小麦野外测量的RD和RS及室内测量的Rs曲线
地物光谱测量实例分析 1. 测量仪器的介绍
垂直测量所用标准板通常用硫酸钡或氧化镁制成，在反射天顶角≤45o时，接近朗伯体，并且经 过计量部门标定，其反射率为已知值。因没有考虑入射角度变化时造成的反射辐射值的变 化（对实际地物在一定程度上取近似朗伯体），其测量值也有谱测量方法 – 野外测量 非垂直测量： 在野外更精确的测量是测量不同角度的方向 反射比因子，考虑到辐射到地物的光线由来 自太阳的直射光（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 因子取两者的加权和。
1.1 测量仪器的硬件介绍：
美国StellarNet公司制造的EPP-2000 NIR-InGaAs-LT14、 VIS-25 CCD 和VIS-25 PDA微 型光纤光谱仪。其中，InGaAs为近红外光谱仪，其观测范围为900nm至1700nm；而CCD和PDA 为可见光光谱仪，其观测范围为350nm至1150nm。
到达地面的太阳辐射能量= 反射能量+吸收能量+透射能量
地物反射波谱特征
绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体，例如水，对一定波长的电磁 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，混浊水体则为 1～2 m，清澈水体甚至可透到100 m的深度。
在野外的实地测量中，我们一般只使用前三个模块的功能。 其中，FILE模块用来保存光谱测量中需要记录的三类光谱：暗光谱、参考光谱和目标
光谱 ；SETUP模块用来设置参数以确保仪器的正常工作；VIEW模块则为用户提供多 角度观察光谱的显示模式。
1.2 测量仪器的软件介绍
多种参数设置： Spectra Wiz软件中提供了许多设置参数来控制各种不同的功能，例如：
2、 影响样本光谱的因素
2、 影响样本光谱的因素
在光谱的采集过程中，对我们所感兴趣的样本产生影响的因素很多，而且关系非常复 杂。这些因素中，有些是可以在数据的处理过程中削弱和去除的，而有些因素产生的 影响却是无法估计和处理的。所以在采集样本光谱时，我们必须考虑到各种因素，尽 量避免一些无法定量的因素对最终结果产生影响。
射波谱曲线呈比较平滑的特征，所以在 不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮 度区别不明显。
不同质地土壤反射光谱曲线
（3）水体反射波谱曲线 水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都 很强，特别到了近红外波段，吸收就更强，所 以水体在遥感影像上常呈黑色。但当水中含有 其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。水中 含泥沙时，由于泥沙散射，可见光波段反射率 会增加，峰值出现在黄红区。水中含叶绿素时， 近红外波段明显抬升，这些都成为影像分析的 重要依据。
地物波谱特征的测量
地物光谱测量方法 – 野外测量 垂直测量：为使所有数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一 般情况下测量仪器均用垂直向下测量的方法，以便与多数传感器采集数据的 方向一致。由于实地情况非常复杂，测量时常将周围环境的变化忽略，认为 实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。
地物反射波谱特征
反射率和反射光谱 – 反射率 物体反射的辐射能量Pρ占总入射能量P0的百分比，称为反射率ρ ：
不同物体的反射率也不同，这主要取决于物体本身的性质（表面状况），以及入
射电磁波的波长和入射角度。反射率的范围总是≤1，利用反射率可以判断物体
的性质。
P 100%
P0
地物反射波谱特征
1. 太阳 2. 光谱辐射计 3. 标准白板
地物波谱特征的测量
地物光谱测量方法
RK1RS K2RD
– 野外测量—非垂直测量步骤 自然光照射时测量一次为I值；
K1 1K2
K I /I 用挡板遮住太阳光使阴影盖过标准板，再测一次为ID；
自然条件下选择太阳方向和观测角在同一地面位置分别迅2速测量标D准板的辐射值和地物
反射率和反射光谱 – 物体的反射 物体的反射状况根据其表面状况的不同分为三种： 镜面反射:入射角与反射角相等 漫反射:当入射辐照度I一定时，从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度是一个常 数，这种反射面又叫朗伯面。 实际物体反射:介于镜面和朗伯面（漫反射面）之间